下载文档原格式
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。
第17卷 第8期 中 国 水 运 Vol.17 No.8 2017年 8月 China Water Transport August 2017收稿日期：2017-05-10作者简介：赵国平，中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司。
断层对锦屏地区地应力特征的影响赵国平1，黄 鑫2（1．中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2．成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610059）摘 要：采用长引水方式进行发电的锦屏二级水电站，其工程地质条件复杂，各种断层分布较广，影响到长引水隧洞中地应力分布状态。
通过水压致裂法对辅助洞进行的地应力测试，测得该部位的三维应力特征，在测试基础上，根据辅助洞揭露断层的分布，分析断层对锦屏地区的影响规律。
关键词：地应力；断层；水压致裂法；锦屏中图分类号：P618.13 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）08-0315-03一、引言地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，其形成原因十分复杂。
根据前人多年的实测和理论分析表明，地应力形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等[1]。
地应力与建筑工程的安全紧密相连，开挖工程会对岩体内部应力产生扰动，从而造成岩体天然应力状态的重分布，易形成岩爆、围岩变形甚至破坏等一系列地质灾害，直接影响到地下建筑物的安全[2]。
因此，对工程地区进行地应力分布状态研究和分析是合理设计、科学施工的重要前提。
经过国内外大量的地应力测量结果表明：断层是对地应力分布状态产生影响的因素之一，并且不论断层构造规模大小，都会对附近的应力状态造成一定的影响，且这种影响十分复杂[3]。
文献表明，断层规模是影响断层附近应力场的重要因素，断层规模越大，其对地应力大小和方向影响就越大，也即是说，应力场的扰动范围与断层的几何尺寸密切相关［4］。
深埋隧道工程主要灾害地质问题摘要：深埋隧道工程是交通与资源开发工程深入发展的产物，其通常具有洞程长、埋深大、施工环境复杂、影响因素多等特点。
基于此可知，深埋隧道工程施工过程必定会遭受诸多地质灾害问题。
由于此类地质灾害的发生机理与所面临的地质背景相当复杂，则其危害性与强度必然会非常大。
本文主要结合实际工程案例，详细剖析深埋隧道工程主要灾害的地质问题。
关键字：深埋隧道工程高地温高地应力高压涌水Abstract: deep buried tunnel project is the result of the traffic development and resource exploitation engineering, it usually has a hole length, large buried depth, complicated construction environment, more influence factors, etc. Based on this, the deep buried tunnel engineering construction process is bound to suffer from various geological disasters. Due to this kind of geological disaster mechanism and facing the complexity of the geological background, its harmfulness and strength must be very big. In this paper, combined with practical engineering cases, detailed analyze the deep buried tunnel engineering geological problems of main disasters.Key words: deep buried tunnel engineering high ground temperature high ground stress and high pressure water gushing深埋隧道工程的埋深较大且所穿越的地质单位较复杂。
锦屏4#引水隧洞大深埋高强支护体系研究内容摘要：针对锦屏4#引水隧洞大埋深、高地应力、围岩等级变化大、岩爆较为频繁以及大断面施工的实际情况，进行高强支护技术及其参数优化研究。
通过研究使其能够应用到现场实际施工中，并起到良好的作用。
关键词：大深埋高强支护体系研究1、工程概况锦屏二级水电站利用雅砻江下游河段150km长大河弯的天然落差，通过长约16.67km 的引水隧洞，截弯取直，获得水头约310m。
4#引水隧洞沿线上覆岩体一般埋深达1500～2525m，最大高地应力值达69.94MPa，已开挖深处实测最大主应力值达42.11MPa，已经开始出现较频繁的岩爆。
受隧洞地质条件、超埋深、高地应力和岩爆因素的影响，加上采用钻爆法施工动力干扰，将给工程开挖施工方法、施工顺序和围岩支护带来严峻的挑战，这已成为当前锦屏水电站引水隧洞群开挖设计与施工特别是支护迫切需要解决的科学问题。
2、支护结构理论2.1现代支护结构理论随着大断面隧洞的增多，世界各国都把大断面隧洞修建技术作为一个重要的课题加以研究。
就隧洞位置的选定，断面形状的确定，衬砌结构的选择，施工方法的选取，施工机械的选择等问题开展了系统的研究。
支护结构的作用在于保持洞室断面的使用净空，防止岩质的进一步恶化，承受可能出现的各种荷载，保证支护的安全。
有些支护还要求向围岩提供足够的抗力，维持围岩的稳定。
按支护结构的作用机理，目前采用的支护形式极其作用如下：2.1.1 锚喷支护：锚喷支护的作用机理目前有两种分析方法：一种是从结构观点出发，把喷层和部分围岩组合在一起，看作组合梁或承载拱，拔锚杆看作是固定在围岩中的悬吊杆；另一种是从围岩与支护共同作用观点出发，认为支护不光承受来自围岩的压力，并反过来作用给围岩压力，以此来改善围岩的受力状态，锚喷支护后，还可提高围岩的强度指标，从而提高围岩的承载能力。
2.1.2 喷射混凝土的作用：喷射混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力将按一定比例配合的拌和料，通过管道输送并以高速立即喷射到新开挖出来的岩石面上凝结硬化而成的一种混凝土，高速喷射的混凝土不仅隔绝了岩石与空气和水的接触，防止围岩风化、松动和脱落，而且能渗入岩石裂隙，封闭节理，与围岩紧密粘结，从而使围岩仍保持未松动的原始稳定状态，并能与混凝土共同工作。
深埋隧道工程主要灾害地质问题分析摘要：随着我国社会的不断发展，建筑类行业也在不断地紧随时代的发展步伐，不断地修建出便捷出行、服务人民的工程项目。
建筑类的不断扩张也代表着我国的经济水平日益发达，人们生活的质量也越来越高。
但是，在修建工程类项目的过程当中，工人们的安全也成为了重中之重。
安全问题一直是我国关注的首要问题。
不论是在平时的生活当中还是在工作的过程当中，安全问题都应当是人们优先考虑的问题。
那么，安全风险预估也将成为在建筑行业施工的过程当中最重要的一个环节。
无论在任何时候，工人们的生命安全都是最重要的。
因此，在施工之前，都要在工地上做一些安全问题考察，在确认安全的情况下，再进行施工。
并且形成安全考察小组，主要负责项目安全问题。
这样才能保证工程项目的顺利进行。
在进行安全考察的过程当中，需要不断注意各种可能出现的问题，决不能存在侥幸心理，只有一丝不苟并且极为严谨的进行检查，才能最大限度地保证工程项目顺利完工，也能够保证工人们的安全，形成最有效的安全保障。
关键词：工程项目、首要问题、安全、风险预估、建筑、安全考察、安全保障前言：隧道施工的过程当中，经常会出现的地质灾害类现象给交通运输业的发展带来很多极其不利的影响，又是严重的时候可能会影响到施工工人们的生命安全。
地质类灾害是我们最需要注意的问题。
它不仅极大地缩短了隧道的使用寿命，甚至会由于不良施工导致引起的车辙等现象，更是极大的危害着人们的生命以及财产安全问题。
因此，我们应当勇敢地面对挑战，积极寻求解决措施，加强对施工细节的管理，尽可能地去减少和避免地质灾害现象的出现，从而提高隧道的施工质量。
随着我国的交通运输业越来越发达，资源的开发力度也越来越大。
在修建长隧道的过程当中，由于这些隧道一般来说都会比较得深、并且非常的长，因而会在施工的过程当中遇到各种各样的困难。
这些问题的背后真正原因主要是因为地质环境非常复杂，会有一定的安全风险。
如果在施工进行到一半的时候发现有地质类问题的存在，之前所做的一切努力都会白费，并且还会影响到工人们的生命安全。
第17卷 第1期 中 国 水 运 Vol.17 No.1 2017年 1月 China Water Transport January 2017收稿日期：2016-11-14作者简介：赵国平，中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司。
黄 鑫，成都理工大学环境与土木工程学院。
隧洞埋深对锦屏地区地应力的影响分析赵国平1，黄 鑫2（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610059）摘 要：锦屏二级水电站采用长引水方式进行发电，其中长引水隧洞中地应力问题突出，直接关系到开挖中隧洞破坏方式、规模和支护措施。
采用水压致裂法对辅助洞中三处垂直孔进行了地应力测试，埋深分别是300m、840m、970m，得到了该部位的三维应力特征，在测试基础上，分析了应力值大小、方向特征，及其与埋深的关系。
关键词：地应力；埋深；水压致裂；锦屏中图分类号：TV732 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）01-0264-03一、引言地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称为岩体初始应力、原岩应力或绝对应力，主要包括构造应力和自重应力[1-2]。
其成因较为复杂，研究表明，地应力形成的主要原因是地壳的构造运动。
对于工程而言，地应力的作用尤为重要。
在岩体内部开挖地下硐室，修建地下工程，势必会破坏岩体内部应力的相对平衡状态，在一定范围内还会造成岩体天然应力状态的重分布。
这种应力状态的变化将直接影响到地下建筑物的安全，容易形成岩爆、瓦斯突出、围压大变形、顶板垮落、底板突水等一系列地质灾害。
通过前人对锦屏地区的研究资料，查阅相关文献得知，从中生代造山运动对锦屏山区域应力场进行分析发现，锦屏山区经历了印支、燕山和喜山运动，在几大构造运动过程中，经过多次的抬升，地层受到多次的挤压，断层和褶皱不断的变化，主应力方向也不断变化，因而形成了多期新构造变形[3]。
锦屏山区及其附近的构造应力场以NW-SE 向为主，以水平构造应力为主，目前主要受压扭性构造应力[4]。
又锦屏地区毗邻槽台界线，在地质历史中构造运动活跃，其地应力以自重应力为主[5]。
位于锦屏山区的锦屏水电站是我国水利水电工程中继三峡工程之后又一世界级工程。
它由锦屏一级、二级两个梯级电站组成，以发电为主，兼备蓄能、蓄洪和拦沙作用，成为川电外送的主要电源点之一。
其中锦屏二级水电站具有一个庞大的地下洞室建筑群，以四条单洞长约17.5km 的水工隧洞为主体，在其南侧平行布置二条长为17.5km 的锦屏辅助洞。
锦屏二级引水隧洞具有埋藏深、洞线长、洞径大、地质条件复杂的特点，这四条大型引水隧洞穿过分水岭鸡纳店，最大埋深处达2,525m，加上工程区域异常复杂的地质条件，除了高地应力、有岩爆之外，还有很严重的地下水问题。
在这样巨大的输水隧道工程中，地应力是其中极为重要的问题之一。
因此，在锦屏二级水电站工程区域，采用可靠的岩石应力测试技术在该区域进行系统的应力测量。
在辅助洞地应力测试点完成三组测试，具体测试情况见下表1。
表1 现场完成测试工作量表组 别位 置孔 号钻孔方位 地应力测试段数备注σFZK1东端辅助洞1#横通洞 AK16+650附近，埋深约300m，高程约1565mFZK1-8 S30°W 4 下倾45°FZK1-9 / 7 垂直孔FZK1-10 S20°E 6 下倾45°σFZK2东端辅助洞2#横通洞 AK16+150附近，埋深约840m，高程约1567mFZK2-11 / 7 垂直孔FZK2-12 N20°E 7 下倾45°FZK2-13 N45°E 10 下倾45°σFZK3东端辅助洞3#横通洞 AK15+650附近，埋深约970m，高程约1570mFZK3-1 / 16 垂直孔FZK3-2 N20°W 10 下倾45°FZK3-3N10下倾45°二、锦屏地区基本地质条件 1．地形地貌工区的干流水系—雅砻江，是金沙江第一大支流。
雅砻江自西北向东南，在呷依寺附近流入四川省，在小金河口以下受锦屏山阻挡，流向骤然拐向北东，至九龙河口附近又转向南流至巴折，形成长达150km 的雅砻江大河湾，湾道颈部最短距离仅16km，水头落差高达310m，河床坡降大，水流湍急。
河谷呈“V”形，沿岸发育有阶地。
锦屏辅助洞以南北向贯穿雅砻江大河湾范围内的锦屏山。
工区最高山峰罐罐山4,488m，高程在4,000m 以上的山峰有大药山、干海子、大弯子等。
山体总体走向N15°E，最大相对高差达 3,150m。
东、西两侧岸坡冲沟发育，河谷深切，呈现出高山狭谷地形地貌景观。
2．地层岩性工区内出露的地层为前泥盆系~侏罗系的一套浅海~滨海相、海陆交替相地层。
三叠系地层分布较广，分布面积约占第1期 赵国平等：隧洞埋深对锦屏地区地应力的影响分析 26590%以上，其中碳酸盐岩出露面积占70%~80%。
辅助洞所揭露地层为三叠系，主要为西部下三叠统（T1）、盐塘组（T2y）、杂谷脑组（T2z）、白山组（T2b）、三叠系上统（T3）及第四系角砾岩。
具体地层岩性简述如下表2。
3．地质构造由展布的地质构造形迹可以看出，工区处于近东西向（NWW~SEE）应力场控制之下，形成一系列近南北向展布的紧密复式褶皱和高倾角的压性或压扭性走向断裂，并伴有 NWW 向张性或张扭性结构面。
且东部地区断裂较西部地区发育，北部地区较南部地区发育，规模较大；东部的褶皱大多向西倾倒；而西部地区扭曲、揉皱现象表现得比较明显。
辅助洞出露主要褶皱从西到东有落水洞背斜、解放沟复型向斜、老庄子复型背斜、大水沟复型背斜等，其中次一级褶皱如大堂沟向斜、陆房沟背斜、羊房沟倒转背斜等较为发育。
三、地应力测量成果在锦屏东端辅助洞三处埋深采用水压致裂法完成三维地应力测试，具体数据见下表3。
1．三维主应力统计分析由表3分析各主应力值的大小，可以得出（1）三个主应力值总体而言随着测点埋深的增加均呈现局部线性和非线性的增加，如图1所示；（2）σ1第一主应力方位主要集中在NW~SE向，与二维最大水平主应力方位相一致；σ2第二主应力作为中间主应力，变化较大，没有一定的规律性；而σ3第三主应力方位主要集中在NE~SW向，规律性较强。
图1 三维主应力与埋深关系图表2 锦屏二级水电站辅助洞出露岩石地层简表 年代地层 岩石地层 代号 岩性组合特征新生界 第四系 Q 第四系角砾岩不整合于基岩之上，砾径一般2~30cm，大者达数米，分选性差，磨圆度差，大多呈次棱角状，钙质胶结。
中生界 三叠系 上统中厚层钙质粉砂岩局部夹薄层板岩，局部为泥质板岩夹粉砂岩，岩性较单一，钙质粉砂岩单层厚0.5~1.5m，泥质板岩单层厚5~20cm，与下覆杂谷脑组呈整合接触。
中统杂谷脑组 T2z主要有灰黑色夹灰白色、白色角砾或花斑组成的角砾状大理岩和花斑状大理岩、灰色厚层细晶大理岩、灰黑色细晶夹灰白色条带大理岩或灰白色夹灰黑色条带大理岩、灰色~灰白色厚层状细晶大理岩，局部夹绿砂岩条带或透镜体。
白山组 T2b灰~灰白色、粉红色厚层中细晶~中粗晶大理岩、灰黑色厚层大理岩、花斑状或条带状中厚层大理岩，层理不清晰。
与下伏盐塘组地层为连续沉积的整合接触盐塘组T2y6灰~灰黑色泥质灰岩夹深灰色大理岩，泥质灰岩呈极薄层~中厚层状，常见泥质条带与灰岩互层出现；所夹大理岩细晶致密，常呈中厚层状出露。
T2y5下段为灰~灰黑色大理岩、灰~褐色条带状或角砾状中厚层大理岩，；上段为灰白~白色粗晶厚层块状大理岩、灰白~白色中厚层大理岩、灰黑色或条带状大理岩、角砾状大理岩。
T2y4 由灰白、灰绿色条带状云母大理岩组成，局部夹厚 0.3~1.5m 灰白色白云质大理岩，条带状构造。
下统 由绿砂岩、绿泥石片岩、绿砂岩与灰白色或浅肉红色大理岩组成，呈互层状。
表3 东端辅助洞三维地应力测试成果位置埋深（m）主应力 应力分量 （MPa）测试方法σ1σ2σ3σxσyσzτxyτyzτxz水压致裂法值（MPa）方位角（°）倾角（°）值（MPa）方位角（°）倾角（°）值（MPa）方位角（°）倾角（°）东端第1 横通洞 30011.11 126 -24 7.7 1 -52 5.17 50 27 7.85 8.39 7.74 2.33 -1.81-0.08东端第2横通洞840 19.11 148 58 9.97 146 31 7.19 56 1 10.93 8.74 16.6 2.41 2.11 3.5东端第3横通洞970 40.69 146 49 18.81 75 -1612.82 177 -3621.34 21.77 29.21 4.17 6.2411.81注：倾角水平向上为正。
266 中 国 水 运 第17卷 2．水平应力、竖向应力与自重应力分析锦屏辅助洞地区围岩的平均重度取28kN/m 3，各测点的水平应力、竖向应力与自重应力见表4。
从表分析可知：在埋深0~1,000m 范围，各测点竖向应力分量与自重应力的比值（σz/γH）在0.71~1.08之间，由此说明，竖向应力总体上是大致等于上覆岩体自重[6]，也即在地壳浅层岩体自重是竖向应力σz 的主要组成部分，也说明此处区域应力场为自重应力场。
但在浅层受到较高水平构造应力、地下地貌和岩体各向异性等因素影响，这一地应力分布规律在其他地区有一定偏差。
表4 辅助洞各测点的竖向应力与自重应力、水平应力的关系地应力组 埋深 （m） σx （MPa） σy （MPa） σz （MPa） γH（MPa）σz /γH （σx ＋σy ）/2σ东端σFZK1 300 7.85 8.39 7.74 8.40 0.92 1.05 东端σFZK2 840 10.93 8.74 16.60 23.52 0.71 0.59 东端σFZK397021.3421.7729.2127.161.080.743．最大、最小水平主应力值与自重应力的关系 将锦屏辅助的所有垂直孔测得的大、小水平主应力值及自重应力进行统计和归纳，见表5。
测点应力值的大小主要受山体埋深、岩体完整性、构造等的影响，总体而言，随着测点埋深的增加，无论是最大水平主应力、最小水平主应力还是自重应力均在逐步的增加，而最大水平主应力、最小水平主应力与埋深具有明显的线性关系，见图2。
由表5分析知，在埋深0~1,000m 范围内，随着埋深的增加，自重应力增加很明显，但是最大、最小水平主应力增加不明显。
表5 垂直孔大、小水平主应力值及自重应力统计表地应 力组桩号钻孔埋深 （m）最小水平主应力σh （MPa） σh 均值（MPa） 最大水平 主应力σH （MPa） σH 均值（MPa）自重应力（MPa）东端σFZK1 1#横通洞AK16+650 FZK1-9 3006.15~9.267.86.15~9.768.168.40东端σFZK2 2#横通洞AK16+150 FZK2-11 840 6.74~13.669.23 7.74~21.16 12.4423.52东端σFZK3 3#横通洞AK15+650FZK3-1 970 17.15~22.2618.69 23.09~31.76 26.6727.16图2 最大、最小主应力与埋深关系图 四、埋深对锦屏地应力的影响分析一个区域的应力场，在不同地质构造，埋深、地形地貌、风化剥蚀等影响下，各影响因素在应力场所占的优势是不同的。
