深埋特长隧道水压致裂法地应力测量与分析

深埋水工隧洞地应力特征及围岩稳定性分析深埋水工隧洞地应力特征及围岩稳定性分析随着经济的发展和城市化进程的推进，地下空间的利用越来越广泛。

深埋水工隧洞作为地下空间的一种重要形式，广泛应用于交通、水利、能源等领域。

然而，在进行深埋水工隧洞的设计和施工过程中，地下岩体受到的地应力变化和围岩的稳定性问题是不可忽视的。

本文将对深埋水工隧洞地应力特征及围岩稳定性进行分析和探讨。

首先，我们需要了解地下岩体的地应力特征。

地应力是指地下岩体受到地球重力和地壳运动作用下所受到的应力状态。

地下岩体受到的地应力主要有三种形式：地质应力、构造应力和工程应力。

地质应力是由地球重力造成的，主要取决于重力加速度和地下岩体的密度。

构造应力是由地壳运动造成的，主要取决于构造应力场的性质和构造应力的方向。

工程应力是由人类活动引起的，主要有施工工艺、荷载和地下水压力等因素影响。

针对深埋水工隧洞的地下岩体，其地应力特征主要由地质应力和工程应力共同决定。

地质应力主要受到岩层的厚度、密度和地球重力的影响。

在深埋水工隧洞的设计和施工过程中，需要根据具体的地质条件和工程要求，合理调整隧洞的埋深、断面形状和支护结构，以减小地应力的影响。

同时，工程应力也需要进行合理的评估和控制，以确保岩体稳定和施工安全。

在实际工程中，通常采用传统的光弹性变形测量法、松弛法和水平竖直应力停放法等手段进行地应力的测量和分析。

其次，围岩的稳定性是深埋水工隧洞设计和施工过程中需要重点关注的问题之一。

围岩的稳定性主要指的是隧洞周围岩体在受到地应力和其他外力作用下的整体性和稳定性。

围岩的稳定性直接影响着隧洞的使用寿命和安全性。

因此，在进行深埋水工隧洞的设计和施工过程中，需要进行围岩的稳定性分析和评估。

围岩的稳定性分析主要从两个方面进行：一是围岩的破坏特征分析，二是围岩的稳定性评估。

围岩的破坏特征分析主要研究围岩的开裂和破碎现象，以及岩体的变形和位移。

通过分析围岩的破坏特征，可以确定围岩的强度和稳定性，为隧洞的设计和施工提供参考依据。

地应力测试在大埋深铁路隧道建设的应用研究（2.西南石油大学机电工程学院，四川成都，610500）摘要：在大埋深高应力隧道建设过程中，在隧道掌子面附近采用水压致裂法进行地应力测试，判定地应力等级并进行围岩稳定性分析，以全面指导隧道开挖施工作业及人员安全防护，确保建设工程过程安全受控。

结果表明：所选测试点位附近应力场为超高应力水平，根据岩爆分级标准（阈值），在测试点附近区域的隧道施工过程中，存在中等岩爆活动的可能。

对可能发生岩爆地段施工时，建议遵循“以防为主，防治结合”的原则，及时研究施工对策措施，做好施工前的必要准备。

关键词：水压致裂法；地应力测试；高应力；岩爆10引言地应力是人类工程活动前，天然状态情况下岩体或岩层内部存在的天然应力。

岩爆也称冲击地压，因洞室开挖扰动导致岩体应力平衡被打破，应力重分布而积聚高水平应力，岩体发生强烈的岩块弹射破坏，是一种因围岩动力失稳而导致的极具破坏性的地质灾害。

主要发生在花岗岩与闪长岩等硬质岩且埋深极大的地段。

对于大埋深长隧道工程建设中，开展原地应力测量，确定隧道开挖区域内的原地应力状态，准确确定工程岩土力学属性，进行围岩稳定性分析，是确保隧道工程建设安全与工程设计科学合理的关键一环[1]。

目前，地应力测量方法有应力解除法、水压致裂法、应变恢复测量法和Kaiser法等［2］。

本文采用水压致裂法对万家山隧道大埋深高应力铁路隧道进行地应力测试，并根据测试结果对其岩爆等级进行了评价分析。

1工程概况新建铁路宜昌至郑万联络线万家山隧道位于湖北省境内中低山区，隧道总体近南东—北西走向（约323°)，处于横溪和腾落溪之间，全长12841.01m，最大埋深606.5m；位于黄陵背斜核部附近，隧址区出露地层主要为晚元古代黄陵叠加复式深成侵入岩体和震旦系沉积盖组成，产状为110～153°∠5～13°，基地岩系与沉积盖成间以明显的区域性角度不整合为界，构造样式表现出明显的不协调。

水压致裂法地应力测量常见误差与修正水压致裂法地应力测量常见误差与修正陈兴强 1，2（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），西安 710043）摘要水压致裂法地应力测量在深埋长大铁路隧道等工程领域应用广泛，但不同技术人员对同一地区测量的结果差异明显。

测量实例表明，压裂测量、印模定向试验和计算参数选取过程中会产生误差。

误差产生的原因主要有压裂段落存在原生裂缝、原始测量参数取值不合理等。

通过压裂曲线特征判定压裂段岩芯是否完整、选择初始破裂压力较高的段落进行印模定向试验、选择压裂完全的循环读取破裂重张压力、选择拐点明显的循环读取瞬时闭合压力等措施可有效降低误差。

本文推荐的处理措施可为工程勘察和设计提供更多翔实、可靠的地应力数据。

关键词铁路隧道；勘察设计；现场试验；地应力测量；水压致裂法；测量误差；误差修正水压致裂法由美国学者Hubbert等［1］提出，最初主要应用于油田，后来Scheidegger［2］、Kehle［3］和Haimson［4］等分别在理论研究、实验室测试、现场测试等方面做了大量的工作，证实了水压致裂法测量地应力的可行性。

相对其他地应力测试方法，水压致裂法具有测量深度大、所需力学参数少、测量准确度较高、操作简单等优势。

尤其是该方法测量深度可达地下数千米，是其他方法无法比拟的。

目前美国油田内最深测量已达5 105 m［5］。

因此，在开发利用深部空间过程中，水压致裂法几乎成为了地应力分析唯一可行的方法。

近年来，随着山区高速铁路的增多，该方法逐渐应用于解决铁路深埋隧道问题，并在拉林铁路、成兰铁路、兰渝铁路等重要铁路通道广泛应用［6］。

理论上，水压致裂法地应力测量有3个假设：①岩石是线性、均匀和各向同性的弹性体；②岩石是完整的，压裂液体对岩石来说是非渗透的；③岩层中一个主应力的方向和钻孔轴线平行。

在上述理论和假设前提下，水压致裂法地应力测量的力学模型可简化为一个平面应变问题，即通过测得的相关参数，计算水平方向上的2个应力（最大水平主应力SH和最小水平主应力Sh），再通过垂向应力SV，从而得到测点地应力状态。

水压致裂法地应力测量的几个问题研究摘要：水压致裂法地应力测量技术以其测深大、一孔多用等特点成为目前进行深部地应力测量的常用方法之一。

本文针对该方法实施及分析过程中对于钻孔岩壁上原生裂隙的鉴别和处理、岩壁裂缝处水压的计算和岩壁裂缝处水压与地应力的关系等问题进行了探讨，提出了重张压力与瞬时关闭压力的关系式。

关键词：地应力测量；水压致裂法；原生裂隙；裂缝水压abstract: the hydraulic fracturing method situ stress measurement technology with its sounding big a hole more than one of the characteristics to become commonly used method of deep situ stress measurement. in this paper, the method of implementation and analysis process for drilling rock wall natively on the identification and treatment of fractured rock wall cracks water pressure calculation and the rock wall cracks at the water pressure and the stress relationship issues raised heavy sheets of pressure and instantaneous off pressures relationship.keywords: stress measurement; hydraulic fracturing method; existing fractures; crack water pressure中途分类号:te35 文献标识码:a0 引言水压致裂法地应力测量技术由于测量深度大、可直接利用已有勘探孔进行作业以及不需要岩石力学参数等特点成为目前进行深部地应力测量的有效方法 [1]。

地应力测量方法1.水压至裂法水压致裂法地应力测试是通过在钻孔中封隔一小段钻孔，然后向封隔段注入高压流体，从而确定原位地应力的一种方法。

水压致裂法的2种方法试验设备相同，都有封隔器、印模器，使用高压泵泵入高压液体使围岩产生新裂隙或使原生裂隙重张。

常规水压致裂法(HF法)HF法是从射井方法移植而来，假定钻孔轴向为1个主应力方向，岩石均质、各向同性、连续、线弹性，采用抗拉破坏准则，在垂直于最小主应力方向出现对称裂缝，其仅能测得垂直于钻孔横截面上的二维应力。

在构造作用弱和地形平坦区，垂直孔所测结果可代表2个水平主应力，垂直应力约等于上覆岩体自重，裂缝方位为最大水平主应力方位。

HF法测试周期短，不需要岩石力学参数参与计算，适合工程初勘阶段，不需试验洞，可进行大深度测量，是目前惟一一种可直接进行深部地应力测定的方法。

通过对HF法的改进，德国大陆科学深钻计划(KTB)在主孔 6 000 m和9 000 m处已成功获得了地应力资料。

HF法是一种平面应力测量方法，为获得三维应力，YMizutaI和M KuriyagawaE提出3孔交汇地应力测量，我国长江科学院和地壳所也进行了大量的测试。

但研究表明，当钻孔轴向偏离主应力方向，其结果就有疑问，要精确获得三维地应力较困难。

为此，文献[7]基于最小主应力破坏准则，对3孔交汇HF法测试理论进行了完善，其有助于提高测量结果的计算精度，但还有待足够的测量数据来验证。

原生裂隙水压致裂法(HTPF法)HTPF法是HF法的发展，其要求在含有原生节理和裂隙的钻孔段进行裂隙重张试验以确定原位应力。

HTPF法假定裂隙面是平的，且面上应力一致。

对于深孔三维地应力直接测量，HTPF 法可进行大尺度的地壳地应力测试，很有发展前途。

HTPF法同HF法相比，假设少，不需考虑岩石破坏准则和孔隙水压力，在单孔中便可获得三维地应力。

但用HTPF法测试费时，且裂隙产状和位置的确定误差都可降低计算精度。

2.套钻孔应力解除法套钻孔应力解除法根据解除方式和传感器的安装部位分为探孔应力解除法、孔底应变解除法和孔壁切割解除法。

利用地应力测试评价隧道围岩的岩爆条件卫建昌崔宏文（山西省第八地质工程勘察院，山西运城 044000）摘要：通过隧道勘查过程中，对两个钻孔的地应力测试成果进行分析，对开挖时发生岩爆的地质条件进行论述，提出了可能发生岩爆的部位及预防措施，达到了预防岩爆灾害、安全施工的勘查效果。

关键词：深埋隧道地应力硬质岩石岩爆1、工程概况随着我国西部大开发进程的加快、在地形地貌及地质背景复杂、陆路交通网密度低于全国平均水平的西部地区，在铁路、公路、水电等领域将会修建更多的隧道工程，大埋深隧道将是21世纪我国隧道工程发展的总趋势，在隧道勘察中，必须对开挖可能遭遇的岩爆等地质灾害做出预测及合理的防治措施。

大巴山隧道为万源（陕川界）~达州（徐家坝）高速公路关键性控制工程，起点位于陕西省镇巴县巴山乡路家河，终点位于四川省万源市梨树乡大竹林村南约100m。

里程桩号：ZK0+000～ZK6+125.00，隧道左线全长6125m，洞净宽12.25m，洞净高7.00m，轴线方位角40°。

隧道埋深大于400m的段落，约2.7Km，洞室穿越的岩性为硅质白云岩、白云质灰岩和泥质砂岩，穿越5条叠瓦式断层和7个褶皱，隧道处于高地应力区，开挖时存在发生岩爆的可能性。

2、地应力测试与分析为了评价该隧道穿越区段的地应力情况，在隧道勘察时，布置地应力测试孔2个，分别在CZK3、ZK4钻孔中进行。

2.1主应力值的测试CZK3孔岩芯主要为硅质白云岩，钻孔位于F4卢家坪-莲花池逆断层和源滩~莲花池主背斜附近，ZK4孔于隧洞出口段的张家坪-簸箕湾向斜核部附近。

主应力值测试是根据钻探岩芯共选取选了10个测段，并在其中5个测点进行了地应力方向的测量。

由重张压力和闭合压力计算各测段处的最大水平主应力和最小水平主应力值。

测量与计算结果详见表1。

表1 钻孔水压致裂原地应力测量结果[注：]Pb -岩石破裂压力，Pr -裂缝重张压力，Ps -瞬时闭合压力，P0 -岩石孔隙压力，T-岩石抗张强度, Sh-最大水平主应力，Sh最小水平主应力。

水压致裂法地应力测量若干问题的探讨刘允芳　刘元坤(长江科学院岩基所,武汉,430010)摘要　在深层地应力测量中,水压致裂法是最有效的测量方法。

本文探讨了该方法的几个关键性问题,例如压裂特征参数的取值,三维地应力测量,压裂缝的方向,破裂准则和钻孔轴向不是主应力的一个方向等问题。

关键词:地应力测量　水压致裂法　经典理论　破裂准则　关键性问题0　前言地震机理和地震预测预报的研究,必须了解现存在深层岩体中的地应力状态及其动态的变化。

纵观国内外地应力的测量方法,水压致裂法在测量深度上是其它任何方法无法比拟的,测量深度可达地下数千米,国外已达5105m (美国),国内达2000m (大港油田),而套钻孔应力解除法最深测量深度,国外仅500m (瑞典),国内仅307m (广州抽水蓄能电站)。

水压致裂法地应力测量,除测量深度很深以外,还具有其它突出的优点,例如资料整理不需要岩石弹性常数参与计算,可避免由弹性常数取值不准确而引起的误差;岩壁受力范围较广(孔壁承压段可长达1～2m ),从而避免了“点”应力状态的局限性和地质条件不均匀的影响;操作简易,不需要精密仪表,测试周期短等。

尽管水压致裂法地应力测量有如此突出的优点,又在世界各国得到推广,但对其测试原理和破坏机理的研究,还有待深化。

本文对水压致裂法地应力测量的几个关键性问题,提出一些粗浅的看法,抛砖引玉,供大家探讨。

1　水压致裂法地应力测量若干问题的探讨111　测量中钻孔岩壁上存在原生裂隙及其如何鉴别的问题水压致裂法地应力测量的前提之一,就是对被测介质(岩体)作均匀、各向同性的线弹性假设,钻孔承压段的岩壁上的破裂缝沿岩壁最薄弱的部位破裂。

所谓最薄弱的部位包含地质上的缺陷和拉应力最大部位的两个内涵。

如果压裂段的岩壁上存在原生裂隙或其它地质构造(包括软弱带)的情况,就不符合水压致裂法地应力测量这一基本假定。

当压裂段承受足够高的液体压力时,原生裂隙将再次开裂,而不产生新的破裂缝。

水压致裂法地应力测量技术及工程应用水压致裂法是地应力测量中最常用、可靠的方法之一，论文详细阐述了水压致裂法的测试原理、设备简介以及在现场钻孔中的测试步骤，介绍了如何从压力-时间曲线读取压裂特征值。

并结合测试实例，得出深部岩石三维地应力大小。

标签：水压致裂法；地应力测量；印模实验水压致裂法始于50年代石油开采用到的水力压裂技术，为提高采油量用水压在钻孔中人工制造裂隙。

1987年国际岩石力学会议确定水压致裂法为测定岩石力学的推荐方法之一，是目前测量深部应力最可靠最直接的方法，该方法操作较简单，测值可靠，可进行多次或重复测量[1]。

它是利用膨胀封隔器在已知深度上封隔一段钻孔，然后通过泵入流体对测段增压。

利用记录到的破坏压力、瞬时关井压力和重张压力确定水平主应力值。

由于此方法不需要套芯，克服了应力解除法应用上的缺点，可应用到深井测量，可以在煤矿井巷、水利隧洞、铁路隧道等领域推广使用。

1设备简介中国地质科学院地质力学研究所研发的SY-KX-2011水压致裂测试系统可满足深度两千米以内的裸孔应力测试（图1）。

此设备为单回路地应力测试系统[2]，单回路系统是指只用一个回次即可先后给封隔器和测试段加压，而双回路系统是通过两套独立的系统分别实现做封和实验段加压，双回路系统的优点是可以同时观察试验段和封隔器的压力变化，若封隔器压力不够漏水时，可以及时加压。

较双回路系统省时、准确，更适合孔径较小的钻孔，单回路仅通过一条高压管线（或钻杆）依次对封隔器和加压测试段施加液压，转换通过推拉活塞实现，可实现多次重复测量、任意段测量和小孔径测量等。

主要组成部分如下：1）高压水泵：电动轴向柱塞泵，型號250CY14-1B，最大压力为100MPa，最大流量为75ml/r，最大转速为2500r/min，重量为75kg。

2）高压油管：钢丝编织胶管结构，内径6±0.5mm，工作压力≦50MPa，试验压力51.5 MPa，用量约2捆100m段、20根1m段，配合三通管使用。

水压致裂法测量地应力试验方案一、试验目的。

咱们为啥要做这个水压致裂法测量地应力的试验呢？简单说就是想知道地底下那些石头啊、土啊到底承受着多大的压力，这就像是给地球做个体检，看看它内部的“压力指数”，对工程建设、地质研究啥的都特别重要。

二、试验地点。

1. 初步选址。

咱得找个有代表性的地方。

首先得远离那些人类活动特别频繁、可能会干扰试验结果的地方，像大型工厂或者交通枢纽。

考虑到地质构造的多样性，最好是那种既有岩石层又可能有不同岩性交错的地方。

比如说在山区里，有花岗岩、砂岩等不同岩石类型的区域就很不错。

2. 详细勘察。

到了初步选好的地方后，再进行详细的地质勘察。

拿着小锤子、放大镜啥的（当然实际会用更专业的设备啦），看看岩石的纹理、结构，有没有裂缝之类的。

还要查看周边的地形地貌，是不是容易积水，有没有山体滑坡的风险等，毕竟咱要在这儿安全地做试验嘛。

三、试验设备。

1. 水压致裂设备。

这是主角啊！就像一个超级水枪，不过是特别高科技的那种。

它能精确控制水的压力，把水注入到钻孔里，产生裂缝。

要选质量可靠、压力控制精度高的设备。

比如说压力控制能精确到0.1MPa的那种，就像你能精确控制给蛋糕抹奶油的量一样准确。

2. 钻孔设备。

得有个厉害的钻孔机，能钻出又直又深的孔。

这个钻孔机的钻头得是那种耐磨的，像金刚狼的爪子一样坚韧，能轻松穿透岩石层。

钻孔的深度和直径得根据咱们的试验要求来。

一般来说，钻孔深度可能会在十几米到几十米不等，直径大概在50 100毫米之间。

3. 测量仪器。

测量水压的仪器就像是水压的“温度计”，能准确显示水压力的大小。

精度也要高，误差不能太大，不然就像你量身高结果差了好几厘米一样离谱。

还有测量裂缝扩展的仪器，这就像是给裂缝装了个“小眼睛”，能看到裂缝是怎么一点点变大的。

四、试验步骤。

1. 钻孔。

把钻孔机搬到选定的位置，就像搬家似的，只不过这个“家”是在地上挖个洞。

然后小心翼翼地开始钻孔，一边钻一边注意观察钻出来的岩屑。

水压致裂法地应力测试1. 什么是水压致裂法1.1 简单概念嘿，大家好！今天咱们聊聊水压致裂法。

这可不是在海边玩水的方式，而是一种科学的测试方法！简单来说，就是用水的压力来找出地底下的“秘密”。

想象一下，把水压得像个“水压怪兽”一样，把石头“掰”开，然后看看石头里面藏了些什么。

这方法听起来是不是挺有趣的？1.2 为啥用水压？说起水压，这是个聪明的办法。

用水代替其他方法，省事又环保。

想象一下，传统方法可能用炸药，吓得地下小动物四处逃窜，而水压法就乖巧多了。

稳稳当当，既保护了小动物，又能把地下秘密一一揭晓。

2. 测试的步骤2.1 准备工作首先嘛，得准备好一堆设备。

比如，仪器、管道，当然还有源源不断的水。

想象你在厨房，准备开始一场烘焙，先把材料都准备齐全，没什么比这个重要的了！接下来，还得找个合适的地方，最好是比较干燥，不然我们可就要变成“大水怪”了。

2.2 注水测试然后就得开始注水了。

把水像个“小蛇”一样，通过管道注入到岩石缝隙里。

这个时候，水的压力会逐渐增大，那感觉就像一颗气球被不断充气，快要爆炸的样子。

接下来，观察岩石有没有裂缝。

这时候大家就像一群小侦探，目不转睛地盯着岩石，随着压力的增加，究竟会不会“啪”的一声裂开呢？3. 测试结果3.1 裂缝的解读如果岩石真的开裂了，那咱们就找到了重要的信息。

这些裂缝就像是一张地底藏宝图，告诉我们地壳的应力状态。

通过分析这些裂缝，科学家可以研究地下的构造、材料的承载力，真的是不可思议！就好比你在寻找宝藏，发现了一个个线索，让你更接近“终极大奖”。

3.2 应用前景那么，这玩意儿有什么用呢？可以说是大有可为啊！在建筑、矿业、石油勘探等方面，水压致裂法能提供准确的数据，帮助工程师们做出更好的决策，减少风险。

就像你打游戏的时候，提前了解敌人的弱点，会让你更加游刃有余！4. 小结所以说，水压致裂法可不是“玩水”的游戏，而是严肃的科学实验。

它利用水的力量，让我们能够深入了解地球内部的秘密。