深埋隧道精细地应力场反演研究——以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例

针对复杂地质条件下深埋隧道精细应力场准确反演以及主要地质条件对地应力场影响问题,以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例开展研究。采用精细DEM数据、实测地质资料建立隧址区精细地质模型,以地应力实测数据和GPS速度场数据作为联合约束条件,开展姜染山隧道工程区精细地应力场反演计算,揭示了隧址区精细应力场特征及主要地质条件影响作用。结果表明：隧道区模拟变形速度场与GPS观测结果基本一致,模型能够较好反映工程区现今构造应力环境;隧址区地应力场存在应力水平西高东低、主应力方向局部偏转的特征,近E-W向的小黑江断裂对研究区地应力场的影响主要表现为造成主应力方向小幅偏转,未造成应力量值急剧变化,局部次级断裂和地形叠加影响作用有限;隧道沿线最大主应力在7.47～27.23 MPa之间,中间主应力在1.59～15.12 MPa之间,最小主应力在0.01～6.71 MPa之间,隧道沿线应力水平总体上未表现出明显异常特征;基于反演精细应力场数据的岩石应力强度比方法计算结果显示,现今地应力条件下,隧道岩石强度应力比结果总体在0.20～0.48之间,表明隧道围岩整体为无岩爆和轻微岩爆情况。本研究实例表明,复杂地质...     

新疆库拜煤田铁列克矿区地应力分布及其对煤层气开发的影响

地应力、煤储层渗透率和煤储层压力等是影响煤层气开发的重要因素。通过分析新疆库拜煤田铁列克矿区注入/压降试井及原地应力测试数据,结合铁列克矿区煤层气井日产气量分析,研究了新疆库拜煤田铁列克矿区地应力变化规律及其对煤层气开发的影响,分析了铁西矿区和铁东矿区煤储层地应力特征及其对煤储层物性的影响。结果表明:(1)地应力状态在垂向上发生变化,埋深处于550~650 m、650~850 m和850~1 200 m时,地应力状态类型依次为σ_H>σ_v>σ_h、σ_H≈σ_v>σ_h和σ_v>σ_H>σ_h;(2)埋深850 m处既是垂直主应力和最大水平主应力的转换点也是渗透率趋势变化点,指示了地应力对渗透率的控制作用;(3)渗透率和煤储层压力与地应力分别呈负相关和正相关关系;(4)地应力对产能的负效应大于地应力对产能的正效应,使典型日产气量随着地应力的增大而减小;(5)铁西矿区和铁东矿区中部煤储层碎粒煤较发育、吸附孔体积和含气量均较大,是煤层气开发的有利区带。研究成果可为库拜煤田下一步煤层气开发提供理论指导。     

川西郭达山隧道水平孔地应力测量与工程意义

新建川藏铁路穿越鲜水河活动构造带,沿线构造应力场极其复杂,隧道围岩工程破坏问题突出。为了揭示该区构造应力场特征,为深埋隧道设计、施工提供基础参数,采用新型水压致裂地应力测量系统在川西郭达山隧道水平孔获得10段有效地应力测量数据,最大测量深度达508.10 m,创造了水平孔地应力测量最深记录。测量结果表明,在148.4~508.1 m测量深度范围,郭达山隧道水平孔截面上最大主应力值为3.59~13.72 MPa,最小主应力值为3.28~8.36 MPa。根据印模实验结果,除浅部钻孔截面上最大主应力倾角较大外,深部钻孔截面上最大主应力倾角近水平。根据地应力状态将0~280 m段划分为应力释放区,280~330 m段为应力集中区,大于330 m段为原地应力区。基于地应力测量结果对郭达山隧道水平孔围岩稳定性进行了预判分析,在孔深292.9 m、508.10 m处隧道围岩有轻微至中等程度岩爆可能,其余段无岩爆可能性。     

虹梯关隧道围岩岩爆分析

虹梯关隧道隧址围岩以硬质岩为主,该隧道属特长深埋隧道,其附近地质构造也十分发育,工程地质条件复杂,发生岩爆可能性很大。通过对岩爆影响因素的分析,采用水压致裂法地应力测试,经陶振宇判别法、切应力准则等应力判断方法,认为虹梯关隧道隧址部分地段可能会发生轻微～中等岩爆。     

宝塔山特长隧道地应力场研究及岩爆预测

为了确定宝塔山特长隧道的围岩应力状态,采用水压致裂法进行了地应力测试,并根据测试成果,通过有限元回归分析,预测了整个隧道围岩的应力分布。测试结果表明:宝塔山隧道深埋段地应力场以自重应力场为主导,在测试深度内最大水平主应力值为2.3~8.4MPa,具中等应力水平,最大水平主应力方向为N53°E,与隧道走向的夹角较大,即地应力对隧道围岩稳定性不利。最后,根据地应力资料对隧道围岩进行了施工期岩爆预测分析,表明隧道岩爆等级为弱-中等岩爆,但在完整坚硬岩石区,发生中等岩爆的可能性比较大。     

陕南特长公路隧道水压致裂法地应力测量结果及工程地质意义分析

中国西部地区地势复杂,区域构造应力场各向异性显著,了解地区地壳应力状态是判断隧道设计阶段线路布设合理性的基础,也是预测隧道施工过程可能出现岩爆、断层滑动等其他工程灾害的重要参数。为了研究陕南特长高速公路隧道现今地应力状态,基于古仙洞隧道钻孔(ZK10钻孔)与化龙山隧道钻孔(ZK11钻孔)水压致裂地应力测量,获得了两隧道现今地应力分布特征。古仙洞和化龙山特长深埋隧道最大埋深处S_H值分别为13 MPa和22 MPa;古仙洞与化龙山隧道的应力关系分别为S_H>S_h>S_v和S_H>S_v>S_h,水平主应力起主导作用;S_H方向为近北西—北西西向,与区域现今构造活动背景基本一致,主要受秦岭造山带活动断裂影响。基于地应力测量结果、相关理论及判断依据认为:最大水平主应力方向与洞轴线夹角,有利于隧道围岩稳定,研究区内古仙洞与化龙山隧道的总体布置是合理的;采用岩石强度应力比法、陶振宇判据、Russenes判据和岩石应力强度比法综合判定研究区内两隧道不具备发生中等强度以上等级岩爆的可能;利用莫尔-库伦准则及拜尔定律,摩擦系数μ取0.6~1.0,对研究区内两隧道的现今地应力状态分析后发现,两隧道附近断裂带的地应力大小未达到地壳浅部断层产生滑动失稳的临界条件,处于较稳定的应力状态。      

川藏铁路拉林段地应力特征及高地应力风险调控选线策略

随着我国铁路向青藏高原等西部山区延伸,长大深埋隧道越来越多,高地应力已成为对线路方案起控制作用的一类复杂地质状况,对其风险以在选线阶段就着手调控最为主动,但前提是能够对隧址区地应力状态定量评估。川藏铁路拉林段地应力实测数据表明,地应力结构以逆断型和走滑型为主;最大主应力方向分布于N19°W~N30°E之间。地应力随埋深分布最重要的规律为:地应力状态转换深度约为500 m,小于该深度时,最大水平应力随埋深变化紊乱,但最大值不超过极高应力量级;大于该深度后,最大水平应力可用海姆公式估算。据此提出:对于埋深小于转换深度的隧道,宜采用施工期动态调整支护结构和施工方法的手段,控制高地应力风险;对于埋深大于转换深度的超深埋隧道,利用隧址区地应力可用海姆公式估计的认识,宜运用选线手段,通过方案经济技术比较择优确定线位。最后建立了高地应力风险调控选线作业程式。研究为破解铁路方案比选阶段缺乏地应力定量评估方法的难题开拓了思路。     

渤海海峡跨海通道工程区海域三维地应力测试

跨渤海通道海域缺乏实测地应力基础数据,而海域钻探原位实测又承担着巨大风险与重重困难,为取得工程区现今地应力场特征第一手资料,利用以水压致裂地应力测量为主,以空心包体、非弹性应变恢复、差应变、声波各向异性法为辅的综合地应力测量技术,对研究区海域开展三维地应力测试与研究,建立了线性回归方程,得到了回归拟合曲线。结果表明,渤海海峡最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h与垂直主应力σ_v均随测试深度的增加呈线性增大规律;海峡南部地应力状态存在σ_H>σ_h>σ_v的关系,处于逆冲应力状态,应力场方向为NE,最大水平主应力大于垂直主应力,区域内构造力处于主导地位;海峡北部应力状态为σ_H>σ_v>σ_h,有利于走滑断层活动,应力场方向为NE,区域内构造力处于主导地位;整个工程区内地应力各分量值之间相差不大,远远小于区内断层活动应力值的下限,表明研究区目前处于稳定状态。研究结果符合一般地应力测...     

深孔地应力测试在铁路隧道工程勘察中的应用

为分析铁路隧道隧址区地应力分布、发育方向、变化规律,判断隧道洞身围岩岩爆、软岩变形特征,运用单回路水压致裂法,对隧道区内施工的4个深孔进行了地应力测试工作。结果表明,隧道洞身附近最大水平主应力为12~21MPa,最小水平主应力为9.6~14.2MPa,估算垂直应力为9.6~15.4MPa;地应力特征是以构造主应力为主,三向主应力具有随深度增加而增大的趋势;隧道洞身附近最大水平主应力优势方向为NNW14°~28°,表明隧道洞身附近地应力以NNW向挤压为主,主应力方向与拟设隧道轴线走向夹角在12°~26°,对洞室围岩稳定有利。由于隧道埋深大,地应力高,构造发育,岩性构成复杂,软硬相夹,存在硬质岩产生岩爆,软质岩遇水变形的可能。建议隧道在硬质岩段施工,采用"短进尺、多循环、强支护"的掘进方法,在软质岩段施工,采用"少扰动、快封闭"的掘进方法。该研究对隧道的设计施工具有重要的现实意义。     

新建川藏铁路某长大深埋隧道工程主要地质问题分析

新建川藏铁路某长大深埋隧道,工程地质条件复杂,围岩分级,岩爆,大变形,涌突水,瓦斯,地温等主要工程地质问题对铁路选线及施工潜在影响极大。通过对某隧道隧址区地形地貌、地层岩性、地质构造等进行调查,简要分析了该深埋隧道工程主要地质问题围岩失稳、大变形、岩爆、涌突水、可溶岩、瓦斯及有害气体等(杨小军,2017)。针对该工程地质问题进行了简要分析评价。     

桃子垭深埋特长隧道地应力预测及复核

深埋特长隧道工程的高地应力问题越来越受到重视,如何准确高效地确定工程区地应力状态,是目前关注的重点和难点。针对深埋特长隧道地应力状态的确定问题,我们提出了基于多源数据的初始原地应力方向综合确定和应力量值预测及复核的综合解决方案。通过勘察阶段有限钻孔的地应力测试,并结合区域多源地应力资料,可以综合确定地应力方向并利用修正的Sheorey模型预测隧道轴线地应力;针对预测结果,在隧道开挖施工过程中,进一步利用有限钻孔的水压致裂地应力测试检验预测结果并复核隧道应力状况。结果表明,桃子垭隧道水平最大主应力方向为N15°W~N40°W,实测三向应力关系为S_H≥S_v＞S_h;钻孔附近的应力预测值在区域实测应力量值变化范围内,隧道埋深最大处的水平最大、最小应力值分别达24 MPa和16 MPa;隧道施工过程中的4个钻孔应力量值复核结果显示,除了局部受到岩性变化、断裂破碎带等影响出现偏差,本文预测结果与实测应力量值基本一致。笔者发展的原地应力综合预测及复核方法,一方面可以快速有效地预测深埋特长隧道等线状工程的原地应力状态,有效降低初始勘察阶段地应力测试成本,另一方面,应力量值的复核保证了应力预测结果的可靠性,可以为隧道施工方案的及时变更及预算调整等提供有力依据和数据支撑。     

基于原位地应力测试及流变模型的深部泥页岩储层地应力状态研究

深部泥页岩储层地应力状态的准确确定是页岩气等非常规能源高效开发的关键。综合基于原位地应力测试获得水平最小主应力,建立基于流变模型的地应力剖面,应用成像测井技术确定水平最大主应力方向等,是准确确定泥页岩储层地应力的有效方法。将该研究思路应用于陕西汉中SZ1井,利用水压致裂原地应力测试方法获得储层水平最小主应力值范围为32~41 MPa;利用偶极声波测井数据获得岩石力学参数,结合地壳应变率和储层埋藏史,建立了SZ1井地应力剖面,结果表明牛蹄塘组1950~2025 m深度范围内水平主应力差介于10~15 MPa,水平最小主应力值范围为28~41 MPa,水平最大主应力值范围为47~49 MPa,预测得到的水平最小主应力值与实测结果具有较好的一致性。原地应力实测及流变模型预测结果揭示SZ1井地应力为正断型(S_v＞S_H＞S_h)或正断型与走滑型相结合的应力状态(S_v≈S_H＞S_h)。水平主应力差随伽玛值的升高而变小,表明地应力剖面与地层岩性具有较好的对应关系。基于成像测井揭示的钻孔诱导张裂隙分布特征,SZ1井水平最大主应力方向约为N74°W,与区域构造应力场方向基本一致。相关结论为准确认识SZ1井目标层地应力状态,以及后期水平井布设及压裂控制等提供了重要依据。      

山东蓬莱近海岸的地应力状态及断层稳定性评价

为查明蓬莱近海岸的地应力状态,开展了2个钻孔（深度小于200m）的水压致裂地应力测量工作,并与长岛附近海域3个钻孔的地应力状态进行了对比,采用回归分析方法,分析了该地区地应力随深度变化的特征,结合最大剪应力与平均主应力之比（μ_m）和侧压力系数（K'）探讨了研究区的断层稳定性。结果表明:蓬莱近海岸和长岛海域的地应力状态基本一致,最大水平主应力方向主要表现为北东东至东西向,这与华北的区域应力场相一致;水平应力的梯度大于环渤海圈的平均地应力梯度;研究区浅部三向主应力相对大小以S_H > S_h > S_v为主,这有利于逆断层的活动;研究区K'值和μ_m值均较高,分布区间分别为:2.76~3.98和0.47~0.59;陆区断层与区域应力方向均以较大角度相交,处于稳定的状态;海域的北西西向和北东向断层与区域应力场的方向夹角较小,如果区域应力持续增强,将有利于走滑断层的活动,这与震源机制以走滑型地震为主相符。研究结果对研究区内断层稳定性的评价和重大工程的设计及施工都具有重要参考意义。      

中国大陆科学钻主孔现今地应力状态

用钻孔崩落法确定了中国大陆科学钻探主钻孔5 047 m深度以上的现今地应力状态.由钻孔声波成像测井资料发现, 科学钻主钻孔在1 200 m深度以下出现了钻孔崩落现象.我们从1 216~5 047 m的深度范围内采集了143个钻孔成像测井图象资料, 对钻孔崩落椭圆长轴方位进行了统计, 结果表明崩落椭圆长轴平均方位为319.5°±3.5°, 最大水平主应力方位平均为49.5°±3.5°.利用崩落形状要素(崩落深度和崩落宽度) 以及岩石的内聚力和内摩擦角, 估算了1 269 m至5 047 m范围内52个深度上的最大和最小水平主应力的大小.结果表明, 在浅处1 216 m深度, 最大水平主应力为42 MPa, 最小水平主应力为30.3 MPa; 在深处5 000 mm深度, 最大水平主应力为160.5 MPa, 最小水平主应力为120 MPa; 地应力随深度近于线性增加.据岩石密度测井资料计算了各个深度上静负载应力.3个主应力的大小和方向反映出科学钻主孔位置的应力场处于走滑应力状态, 与临近地区地震震源机制解和其他方法得到的应力场一致.利用声发射法对岩心试件进行了声发射测量, 得到了最大水平主应力幅值, 并与崩落法测量结果进行了对比, 两者十分一致.      

金州断裂带北段深孔地应力测量及其活动性

为查明辽东半岛金州地震活动断裂带现今地应力状态和活动状况,在该断裂带北段熊岳城东侧开展了随深度系统地取心钻探和水压致裂地应力测量工作,完成了600 m钻探深度范围内地应力测量试验27段和水平最大主应力方向测试5段.钻探岩心初步揭示了地壳浅表层的岩体结构特征;随深度系统的地应力测量结果表明,3个主应力关系为S_V＞S_H＞S_h,垂直应力起主导作用,易于正断作用发生;现今最大水平主应力方向为56°~81°NE,反映NNE走向的金州断裂带北段现今活动具有右行走滑特征.地应力测量结果揭示的金州断裂带正断兼右行走滑特征与已有的该区域研究成果相吻合,为其现今活动性研究补充了新的动力学数据.      

滇东北深埋特长公路隧道工程区地应力场研究

深埋特长隧道工程区地应力场的预测一直是工程技术人员面临的难题,而工程地质综合分析法则可为工程区地应力场的分析提供较为全面准确的结论。因此,本文以滇东北典型深埋特长隧道——乐红隧道为例,采用综合分析法来研究工程区的地应力场特征。首先基于中国大陆应力分区,利用Anderson断层力学理论、震源机制解及实测地应力统计数据来获取研究区主应力方向。其次,基于工程地质勘察成果,利用Hoek-Brown强度准则对工程区的岩体强度进行了初步估算。在此基础上,利用修正Sheorey模型对工程区地应力量值水平进行了预测。分析结果表明,工程区以先进构造应力为主导。其中:水平最大主应力优势方位为N20°~60°W,应力场方向较为稳定。地应力量值水平预测结果表明,工程区在埋深500 m左右时,最大、最小水平主应力量值范围分别为11.2~20.5 MPa、6.6~12.2 MPa;埋深在1000 m左右时的最大、最小水平主应力量值范围分别为25.9~28.2 MPa、15.4~17.1 MPa。工程区在埋深超过500 m时的高地应力情况下,可能存在岩爆风险,而围岩大变形的问题几乎不存在。综合分析法的预测结果与现场实测数据较为吻合,表明该方法在线状公路隧道地应力状态的预测分析中,具有良好的应用效果。     

腾冲科学钻探孔非弹性应变恢复法三维地应力测量

用非弹性应变恢复法(简称ASR法)进行了腾冲科学钻探孔地应力测量。基于岩芯测量的ASR法是近年来发展起来的深部三维地应力测量的一种经济实用的新方法。使用该方法进行了720 m至1098 m深处的三维地应力测量,获得了该深度范围的地应力状态。测量结果表明:最大和中间主应力近于水平,最小主应力近于铅直。最大水平主应力方向为30°到45°。测量结果与地震机制解进行了对比。对比表明,ASR法得到的结果与地震机制解非常吻合。应力状态有利于高角度断层产生走滑运动,低角度断层产生逆冲运动。这与腾冲地区的地震断层活动性质一致。测量结果对地震机理的研究有意义。