川西折多山某深埋隧道地应力测量及其应用研究

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.018

现代地质 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (01): 114-125.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.018

川西折多山某深埋隧道地应力测量及其应用研究

徐正宣¹^,²(), 孟文³^,⁴(), 郭长宝³^,⁴, 张鹏³^,⁴, 张广泽¹, 孙明乾³^,⁴, 陈群策³^,⁴, 陈宇¹

1. 中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都 610031
2. 西南交通大学,四川成都 610031
3. 中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081
4. 新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081

收稿日期:2020-10-01 修回日期:2020-11-05 出版日期:2021-02-12 发布日期:2021-03-12
通讯作者: 孟文
作者简介:孟文,女,助理研究员,1987年出生,地质工程专业,主要从事地应力测量、数值分析及构造应力场综合研究。Email: mwen19@sina.com。
徐正宣,男,教授级高级工程师,国家注册土木工程师(岩土),1977年出生,地质工程专业,主要从事工程地质方面的研究工作。Email: xuzhengxuan@sina.com。
基金资助:
中国地质调查局地质调查项目(DD20190319);国家自然科学基金青年基金项目(41702351)

In-situ Stress Measurement and Its Application of a Deep-buried Tunnel in Zheduo Mountain, West Sichuan

XU Zhengxuan¹^,²(), MENG Wen³^,⁴(), GUO Changbao³^,⁴, ZHANG Peng³^,⁴, ZHANG Guangze¹, SUN Mingqian³^,⁴, CHEN Qunce³^,⁴, CHEN Yu¹

1. China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu, Sichuan 610031, China
2. Southwest Jiaotong University, Chengdu,Sichuan 610031, China
3. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China
4. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081, China

Received:2020-10-01 Revised:2020-11-05 Online:2021-02-12 Published:2021-03-12
Contact: MENG Wen

摘要/Abstract

摘要：

川西地区地质构造环境复杂,该区深埋隧道建设过程中经常面临岩爆风险,而地应力条件对深埋隧道的规划建设和岩爆风险预判具有重要意义。本研究利用水压致裂法在川西折多山某深埋隧道开展了原地应力测量及其工程效应分析。某钻孔196~650 m深度范围内的地应力测试结果显示,隧址区以水平构造应力为主导,测试深度范围内水平主应力随深度线性增加,且应力增加梯度高于中国大陆背景值。地应力结构整体以逆断型(S_H>S_h>S_v)为主,其中389.50~560.50 m深度范围属应力释放区,地应力结构以走滑型(S_H>S_v>S_h)为主。侧压系数及最大、最小水平主应力比值随深度分布基本符合中国大陆各参数变化特征。最大水平主应力方向为NWW向,与区域应力场分布及周边活动断裂反映的力学机制一致,主要受印度板块向欧亚板块持续俯冲和高原物质东南向扩散作用控制。测点现今地应力强度较高,临近断裂失稳状态,随着应力的不断积累,区内优势破裂方向或已有断裂的特殊构造部位可能发生失稳滑动。最后,基于地应力测量结果对深埋隧道围岩稳定性进行了预判分析,受隧址区高地应力影响,围岩发生中-强岩爆的可能性较大,需优化设计并重点防护。

关键词: 水压致裂, 原地应力测量, 地应力状态, 断层摩擦滑动, 深埋隧道, 稳定性

Abstract:

Characteristics of present stress state at a deep-buried tunnel in Zheduo Mountain (west Sichuan) are analyzed based on in-situ stress measurement results at 196-650 m depths using the hydraulic fracturing me-thod. The measured results show that the stress state is dominated by horizontal principal stress, which increases linearly with depth and with higher gradient than the Chinese mainland background value. Reverse stress regime (S_H>S_h>S_v) is dominant overall within the measurement depth. The stress-release zone is at 389.50-560.50 m depth, and the stress regime is mainly strike-slip with relative principal stress magnitude of S_H>S_v>S_h. The lateral pressure coefficients and the ratio of maximum and minimum horizontal principal stress corresponds approximately with the variation characteristics of Chinese mainland. The fracture impression results reveal that the maximum horizontal principal stress is predominantly WNW, consistent with the regional stress field and mechanical mechanism reflected by the surrounding active faults. Stress field in the study area is mainly controlled by the ongoing India-Asia continent-continent collision and the compressive tectonics from the growing Tibetan Plateau onto the rigid Sichuan Basin. The test borehole is nearly critically stressed in the current stress state. The optimal-orientated plane or special section of the exiting faults may experience instability sliding with the continuous stress accumulation. Subsequently, tunnel stability from the in-situ stress perspective is discussed. The results reveal that the deep-buried tunnel favors medium-strong rock-burst due to strong in-situ stress state and deep burial, and the optimized design and constructive protection should be focused.

Key words: hydraulic fracturing, in-situ stress measurement, stress state, fault frictional sliding, deep-buried tunnel, stability

中图分类号:

P554
P642

徐正宣, 孟文, 郭长宝, 张鹏, 张广泽, 孙明乾, 陈群策, 陈宇. 川西折多山某深埋隧道地应力测量及其应用研究[J]. 现代地质, 2021, 35(01): 114-125.

XU Zhengxuan, MENG Wen, GUO Changbao, ZHANG Peng, ZHANG Guangze, SUN Mingqian, CHEN Qunce, CHEN Yu. In-situ Stress Measurement and Its Application of a Deep-buried Tunnel in Zheduo Mountain, West Sichuan[J]. Geoscience, 2021, 35(01): 114-125.

图/表 13

图1 研究区及邻区构造背景及地震活动

Fig.1 Tectonic map and seismicity in the study area and its surrounding areas

图2 水压致裂地应力测量记录曲线 (测试深度=560 m)

Fig.2 Data records of hydraulic fracturing (depth=560 m)

图3 采用不同方法计算的PS结果 ((a),矩形框内数据表示与其他方法的结果相差较大而不参与PS均值的计算)和PS终值(b)

Fig.3 Values of PS calculated by different methods ((a),data in the rectangle indicates that there is a large difference from the values obtained by other methods and do not participate in the calculation of the mean PS)and final values of PS(b)

图4 岩石力学试验结果 (a)密度; (b)抗压强度

Fig.4 Results of rock mechanical tests

表1 水压致裂地应力测量结果

Table 1 Results of hydraulic fracturing measurement

序号	深度 /m	主应力/MPa			K_Hv	K_hv	K_av	K_Hh	S_H方向
序号	深度 /m	S_H	S_h	S_v	K_Hv	K_hv	K_av	K_Hh	S_H方向
1	196.5	9.32	5.92	5.34	1.74	1.11	1.43	1.58
2	270.5	14.95	10.23	7.36	2.03	1.39	1.71	1.46
3	330.0	20.85	12.45	8.98	2.32	1.39	1.85	1.68
4	389.5	16.28	9.93	10.59	1.54	0.94	1.24	1.64
5	458.5	12.92	9.74	12.47	1.04	0.78	0.91	1.33
6	540.0	17.79	12.32	14.69	1.21	0.84	1.02	1.44
7	560.5	11.88	9.08	15.25	0.78	0.60	0.69	1.31
8	642.0	35.68	19.59	17.46	2.04	1.12	1.58	1.82	N84°W

图5 主应力值深度剖面 (横线代表误差范围;中国大陆回归方程引自文献[30])

Fig.5 Distribution of principal stresses with depth (horizontal lines are error bars; regression equations of Chinese mainland are referred to Yang et al.[30])

图6 侧压系数、水平主应力比值深度剖面 (图中拟合曲线及回归方程为文献[32]对中国大陆地壳上部应力状态分析结果)

Fig.6 Distribution of lateral pressure coefficients and the ratio of horizontal principal stresses with depth (fitting curves and regression equations are analyzed based on in-situ stress measurements in upper crust of Chinese mainland[32] )

图7 研究区及邻区区域应力场分布

Fig.7 Distribution map of stress in the test borehole and surrounding areas of the study area

图8 最大剪应力(横坐标)与有效平均应力(纵坐标)关系

Fig.8 Dependence of the maximum shear stress on the effective mean principal stress

图9 主应力差随深度变化

Fig.9 Distributions of principal stress differences with depth

表2 基于主要岩爆判别法的岩爆判别结果[42,43]

Table 2 Results of main discriminating methods for rockbrust[42,43]

Russenes判别法		Hoek判别法		综合判别法
$σ θ max$ / R_c	结果	$σ θ max$ / R_c	结果	$σ θ max$ / R_c	结果
<0.20	无岩爆	0.34	少量片帮	<0.30	无岩爆
0.20(含)~0.30	弱岩爆	0.42	严重片帮	0.30(含)~0.50	弱岩爆
0.30(含)~0.55	中岩爆	0.56	需重型支护	0.50(含)~0.70(含)	中等岩爆
≥0.55	强岩爆	0.70	有严重岩爆	>0.70	强烈岩爆

表2 基于主要岩爆判别法的岩爆判别结果[42,43]

Table 2 Results of main discriminating methods for rockbrust[42,43]

Russenes判别法		Hoek判别法		综合判别法
$σ θ max$ / R_c	结果	$σ θ max$ / R_c	结果	$σ θ max$ / R_c	结果
<0.20	无岩爆	0.34	少量片帮	<0.30	无岩爆
0.20(含)~0.30	弱岩爆	0.42	严重片帮	0.30(含)~0.50	弱岩爆
0.30(含)~0.55	中岩爆	0.56	需重型支护	0.50(含)~0.70(含)	中等岩爆
≥0.55	强岩爆	0.70	有严重岩爆	>0.70	强烈岩爆

图10 不同埋深下隧道围岩岩爆分析结果 (a) 不考虑应力释放区; (b) 考虑应力释放区

Fig.10 Rockbrust analysis of deep-buried tunnel under different buried depths in Zheduo Mountain

表3 不同埋深、不同隧道轴向条件下隧道围岩岩爆分析结果

Table 3 Rockbrust analysis of deep-buried tunnel under different buried depths and tunnel axial directions in Zheduo Mountain

埋深/m	最大水平主应力方向	隧道轴向	应力值/MPa			σ_n	$σ θ max$	$σ θ max$ / R_c	岩爆
埋深/m	最大水平主应力方向	隧道轴向	S_H	S_h	S_v	σ_n	$σ θ max$	$σ θ max$ / R_c	岩爆
0 500	N84°W	N6°E0	28.21	16.05	13.60	28.21	71.02	0.99	强烈
		N36°E				25.17	61.91	0.86	强烈
		N66°E				19.09	43.68	0.61	中等
		N96°E				16.05	34.56	0.48	弱
1 000	N84°W	N6°E	56.81	30.30	27.20	56.81	143.22	1.99	强烈
		N36°E				50.18	123.35	1.71	强烈
		N66°E				36.93	083.59	1.16	强烈
		N96°E				30.30	063.71	0.88	中等

表3 不同埋深、不同隧道轴向条件下隧道围岩岩爆分析结果

Table 3 Rockbrust analysis of deep-buried tunnel under different buried depths and tunnel axial directions in Zheduo Mountain

埋深/m	最大水平主应力方向	隧道轴向	应力值/MPa			σ_n	$σ θ max$	$σ θ max$ / R_c	岩爆
埋深/m	最大水平主应力方向	隧道轴向	S_H	S_h	S_v	σ_n	$σ θ max$	$σ θ max$ / R_c	岩爆
0 500	N84°W	N6°E0	28.21	16.05	13.60	28.21	71.02	0.99	强烈
		N36°E				25.17	61.91	0.86	强烈
		N66°E				19.09	43.68	0.61	中等
		N96°E				16.05	34.56	0.48	弱
1 000	N84°W	N6°E	56.81	30.30	27.20	56.81	143.22	1.99	强烈
		N36°E				50.18	123.35	1.71	强烈
		N66°E				36.93	083.59	1.16	强烈
		N96°E				30.30	063.71	0.88	中等

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