2.4 地应力测试方法及测试结果

地应力是由于岩体的自重和地壳因构造运动引起并残留至今的构造应力等因素而导致岩体具有的天然应力。可以认为主要是由自重应力和构造应力叠加而成，并被认为是引起隧道变形和破坏的根本作用力。

在我国，开展地应力实测，利用主应力的大小和方向特点进行隧道支护设计，尚不普遍。为揭示兰渝铁路蠕变挤压性隧道变形破坏的原因，以便今后隧道布置、支护设计和稳定性分析更加科学、可靠和经济，必须查明其地应力的大小、方向和分布规律。

国际岩石力学学会测试方法委员会 1987 年颁布了“测定岩石应力的建议方法”，其中包括USBM型钻孔孔径变形计的钻孔孔径变形测量法、CSIR（CSIRO）型钻孔三轴应变计钻孔孔壁应变测量法、水压致裂法和岩体表面应力的应力恢复测量法。

与其他三种测量方法相比，水压致裂法具有以下优点：

①测量深度深；

②资料整理时不需要岩石弹性参数参与计算，可以避免因岩石弹性参数取值不准引起的误差；

③岩壁受力范围较广（钻孔承压段程度可达 1~2 m ），可以避免因为“点”应力状态的局限性和地质条件不均匀性带来的影响；

④操作简单，测试周期短。

因此，水压致裂法广泛地应用于水电、交通、矿山等岩石工程以及地球动力学研究的各个领域。

2.4.1 水压致裂法基本原理

水压致裂法地应力测量是利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度内封隔一段钻孔，然后泵入液体对该段钻孔施压，根据压裂过程曲线的压力特征值计算地应力。水压致裂法地应力测量原理以弹性力学平面问题为基础，并引入了如下三个假设：

①围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体；

②围岩为多孔介质时，注入的流体按达西定律在岩体孔隙中流动；

③岩体中地应力的一个主方向为铅垂方向，与铅垂向测孔一致，大小等于上覆岩层的压力。

根据弹性理论，当在具有应力场的岩体中钻一钻孔，钻孔周边岩体将产生二次应力场，水压致裂法地应力测量钻孔岩壁上的应力状态，是地应力二次应力场与液压引起的附加应力场的叠加，水压致裂法地应力测量的经典理论采用最大单轴拉应力破坏准则。水压致裂法地应力测量时，破裂缝产生在钻孔岩壁上拉应力最大的部位。在钻孔岩壁极角 θ = 0 或π的位置上，也就是最大水平主应力方向，钻孔岩壁的切向应力最小（压应力为正），当液压增加时，钻孔岩壁切向应力逐渐下降为拉应力状态。随着液压的增加，拉应力也逐渐增加，当拉应力等于或大于围岩的抗拉强度时，钻孔岩壁出现裂缝。这时承压段的液压就是破裂压力。钻孔周壁围岩破裂以后，立即关闭压裂泵，这时维持裂缝张开的瞬时关闭压力与裂纹面相垂直的最小水平主应力得到的平衡（考虑到孔隙水压力）。当钻孔周边围岩第一次破裂以后，对钻孔进行重复注液压至破裂缝继续张开，这时的压力为重张压力。由于围岩已经破碎，它的抗拉强度近似为零。

综上所述，水压致裂法地应力测量中，可根据试验过程中得到的相关数据来确定钻孔最大、最小水平主应力大小，同时可以根据印模器记录的裂纹破裂方向确定最大水平主应力的方向。

2.4.2 水压致裂法测试的主要设备

水压致裂法地应力测量的主要设备由三个部分组成：一是钻孔承压段的封隔系统，它由串联在一起的两个封隔器组成。跨接封隔器座封之后，在两个封隔器之间形成一个钻孔承压段的空间，承受逐渐增大的液压。二是加压系统，包括大流量高压力的液压泵，对封隔器和钻孔承压段分别加压的管路系统以及地面上可以自由控制压力液体流向的推拉阀；三是测量和记录系统，包括函数记录仪、压力传感器、流量传感器、压力表等。

图 2.30 为本书采用的轻型封隔器示意图，总长约 3.4 m,胶筒长 1.2 m,座封后形成的液压段长度为 1 m。

2.4.3 水压致裂法测试步骤

水压致裂法地应力测量的压力管路系统分双管加压系统和单管加压系统。双管加压系统的管路是高压油管和钻杆，试验过程中，通过高压油管和钻杆对封隔器和钻孔压力段加压。单管加压系统的管路是钻杆，试验过程中，依靠安装在钻孔孔口的推拉阀控制压力液体的流向，分别对封隔器和钻孔压裂段加压。本次试验中采用单管系统。

在进行正式水压致裂测试之前，必须对钻孔的透水率、钻孔倾斜度等进行检查，同时根据工程的需要选择合适的压裂段，并对每根加压钻杆进行密封检验。水压致裂法测试步骤如下：

①座封：通过钻杆将两个可膨胀的橡胶封隔器放置到选定的压裂段，加压使其膨胀、座封于孔壁上，形成承压段空间（本次试验中座封压力为 4 MPa）。

②注水加压：通过钻杆推动转换阀后，液压泵对压裂段注水加压（此时封隔器压力保持不变），钻孔孔壁承受逐渐增强的液压作用。

③岩壁致裂：在足够大的液压作用下，孔壁沿阻力最小的方向出现破裂，该破裂将在垂直于横截面上的最小主应力的平面内延伸。与之相应，当泵压上升到临界破裂压力 P _b 后，由于岩石破裂导致压力值急剧下降。

④关泵：关闭压力泵后，泵压迅速下降，然后随着压裂液渗入到岩层，泵压缓慢下降。当压力降到使裂缝处于临界闭合状态时，即垂直于裂缝面的最小主应力与液压回路达到平衡时的压力，称为瞬时关闭压力 P _S 。

⑤卸压：打开压力阀卸压，使裂缝完全闭合，泵压记录降为零。

⑥重张：按步骤 2 至步骤 5 连续进行多次加压循环，以便取得合理的压裂参数，以判断岩石破裂和裂缝延伸的过程。

⑦解封：压裂完毕后，通过钻杆拉动转换阀，使封隔器内的液体通过钻杆排出，此时封隔器收缩恢复原状，即封隔器解封。

⑧破裂缝方向记录：采用定向印模器，通过扩张印模胶筒外层的生橡胶和能自动定向的定向器记录破裂缝的长度和方向。

2.4.4 现场地应力测试结果

为确保兰渝铁路隧道工程的安全顺利施工，设计单位委托中国地震局地壳应力研究所对权子垭、西秦岭、天池坪、哈达铺、木寨岭、黑山共 6 个隧道采用水压致裂法开展了 10 次地应力测试。测试结果如图 2.31 所示。此外，后期还补充开展了新城子隧道的地应力测试。通过地应力测试基本掌握了该区域的地应力分布状况，确定了力源，为隧道掘进和支护提供了设计与施工的依据。

综合分析地应力测试结果得出：兰渝线隧道初始地应力水平高，范围为 10~ 34 MPa。隧址区最大水平主应力普遍大于垂直应力，且以合作—岷县断裂构造带（F3）为界,F3 断裂以北，最大水平主应力方向以北东向为主，即N29° E ~ N68° E,最大水平主应力最大值为27.16 MPa,F3 断裂以南，以北西向为主，即N29° W ~ N75° W,最大水平主应力最大值为33.82 MPa。此外，最大水平主应力与隧道轴线以大夹角相交，因此地应力场分布状态对隧道围岩变形呈最不利影响。

其中新城子隧道出口DYLZ-2 钻孔位于DyK276+750 处，根据钻探进度于 2013 年 11 月底进行了地应力现场测试。该孔位于隧道洞内，隧道上覆地层厚大约 295 m,钻孔设计孔深30 m,实际孔深 35.4 m,静水位约 1.0 m。

该孔岩性为泥质板岩，由钻探岩芯发现，该孔岩芯较为破碎，采取率较低，岩芯裂隙比较发育。

根据钻探岩芯完整度，在该钻孔的中部及下部成功进行水压致裂法地应力测量 4 个点，分别在孔深 23.5 m、27.4 m、29.2 m、31.5 m的位置进行了测量，应力方向测量 3 个点，分别在孔深 23.5 m、29.2 m、31.5 m的位置进行了测量。测试曲线见图 2.32,测试结果见表2.12,印模见图 2.33,地应力深度曲线见图 2.34,图中均已将隧道上覆约 295 m厚地层计算在内。

由测试结果初步分析，新城子隧道出口DYLZ-2 钻孔的地应力基本特征为：

①该孔全孔深水平最大主应力为 8~9.1 MPa,全孔深最小水平主应力为 4.5 ~ 5.5 MPa,用上覆岩层容重（约为 2.65 g/ cm ³ ）估算的垂直主应力为 8.27~8.48 MPa。

②三向主应力值的关系总体为 S _H > S _V > S _h 。地应力状态以区域构造应力为主，主地应力值随深度分布如图 2.34 所示。由图可见，三向主应力具有随深度增加而增大的趋势。

③岩石原地抗拉强度一般为 1~2.5 MPa,个别测段约 0.54 MPa。

④该孔洞身附近的最大水平主应力优势方向近北西西向（即N48°W~N59°W）。