木寨岭深埋隧道北段地应力测量与围岩稳定性分析

基于兰渝铁路木寨岭深埋隧道工程区活动断裂调查和3个钻孔水压致裂地应力测量,获得了木寨岭隧道工程区北段的现今地应力分布特征,结果表明,北段工程区最大水平主应力为38.38 MPa,属于高地应力区;三个主应力的关系为SHShSv,表明该区地壳浅表层现今构造活动以水平运动为主,主应力关系有利于逆断层的发育和活动;最大水平主应力优势方向为NE,反映穿越隧道北段的NWW向主要断裂带具有逆冲兼反时针扭动活动特征。根据地应力测量结果、相关理论及判据认为:隧道北段横截面形状以水平长轴、垂直短轴,且长短轴之比近似于隧道截面上侧压力系数的椭圆形为宜;隧道北段在埋深范围开挖时,硬岩具有岩爆发生的可能性,软岩具有发生严重挤压变形的背景。该成果为深入研究隧道区应力场特征,分析隧道围岩稳定性,科学设计隧道断面形状、结构和强度等工程地质问题提供了依据。     

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...     

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。     

川西折多山某深埋隧道地应力测量及其应用研究

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。     

圭嘎拉高速公路隧道地应力特征及岩爆预测

依托在建的圭嘎拉隧道工程,综合采用水压致裂法、数值分析法获得地应力实测数据、隧道与洞身应力分布特征,明确最大主应力的方向,并利用岩石的单轴加载、卸载应力-应变曲线计算该隧道围岩的弹性应变能指数,分析岩石力学指标与发生岩爆的关系,结合深孔钻探成果、岩石力学试验、水文试验成果综合分析该隧道发生岩爆的强度。结果表明:圭嘎拉隧道最大主应力为水平应力,方向为NE40.9°,实测最大主应力值为23.81 MPa,数值计算对应值为24.68 MPa,数值计算与实测地应力分布规律基本一致;岩石弹性应变能指数试验表明黑云母二长花岗岩、板岩分别具备发生中等-强岩爆、低岩爆的储能和释能条件;该隧道发生中等-强岩爆段落长度为3.0 km,发生低岩爆段落长度为3.3 km。     

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。     

水压致裂地应力测试方法在云南大理-丽江铁路隧道工程中的应用

利用水压致裂地应力测试方法对实际工程区进行了地应力测量,确定了工程区隧道围岩现今的地壳应力状态,即原地应力的大小和方向.根据地应力分布特征,分析了隧道开挖过程中发生岩爆等地质灾害的可能性.地应力测量数据的分析结果可作为隧道衬砌的设计、断面的选择及轴线方位的确定的科学依据.     

福建周宁水电站水压致裂地应力测量及其应用

周宁水电站在交通洞开挖过程中局部洞段发生了较强烈的岩爆。地下洞室和高压岔管、输水隧道设计及选择衬砌方式，需要查明原地应力状态。为此，采用水压致裂法在3个深钻孔中和岩爆部位进行了原位应力测量。结果表明，平面应力值随孔深增加呈线性增大；在岩爆和地下洞室附近，原位应力最大值为13～15 MPa，以水平挤压应力为主导，最大水平主应力方向为NW向。根据地应力测量资料和相关理论、判据分析认为：地下厂房长轴为NW向有利于围岩稳定；高压岔管和输水隧洞选用钢筋混凝土衬砌是可行的；发生局部岩爆，主要是由于隧道开挖围岩应力重新调整，在掌子面附近应力集中所致。     

山东招远水旺庄金矿深部地应力特征及其岩爆倾向性分析

通过山东省招远市水旺庄金矿1881.08 m深孔水压致裂原地应力测量,获取了矿区深部地应力特征及其随深度的变化规律。结果表明：该矿区最大主应力随深度增加具有呈线性增大趋势,800.00 m以浅原位地应力状态以水平应力为主,随深度增加铅直主应力逐渐过渡为最大主应力;其中,最大水平主应力为11.22～45.69 MPa,最小水平主应力为7.28～36.17 MPa,铅直主应力为8.44～48.27 MPa,最大水平主应力方向为北西西向。根据该矿区应力量值及其最大水平主应力方向,分析了深部矿体地应力特征,水旺庄矿区深部地应力在招远−莱州地区属于一般偏低水平。结合钻孔岩芯岩石力学参数,基于工程岩体分级标准及岩石块体弹性应变能理论,对高围压环境下深部矿体开挖过程中,地下巷道发生岩爆的倾向性进行了分析讨论,水旺庄金矿总体属于无岩爆或弱岩爆的地层,但局部如1102.78 m、1379.40 m深度存在强烈岩爆倾向性,金矿矿体所处的1680.40~1684.90 m深度大体位于无岩爆区域。上述研究成果可为深部矿山建设与开采设计提供重要的科学依据。     

中核甘肃核技术产业园预选厂址区地应力测量研究

为更科学地指导中核甘肃核技术产业园的选址工作,需对预选厂址工程区范围内岩体的地应力状态及分布规律进行分析研究。在预选厂址工程区内对2个450m深的钻孔开展水压致裂原地应力测试,并采用了4种方法进行关闭压力处理来保证主应力值的可靠性和准确性。压裂测试结果表明,工程区内最大水平主应力值6.66~25.91 MPa,最小水平主应力值3.94~15.76 MPa,水平主应力和垂直应力关系为S_HS_hS_v,揭示工程区内水平应力作用占主导,利于逆断层活动。印模测试结果显示最大水平主应力优势方位为NE方向,与区域构造应力场方向基本吻合。基于实测数据计算K_(av)、K_(Hv)、K_(Hh)、μm和τm这5种应力状态特征参数,并利用库伦摩擦滑动准则分析预选厂址区断层活动性,进而综合评价预选厂址区的应力场特征及其对岩体工程稳定性的影响。     

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...     

工程区高地应力判据研究及实例分析

对原地应力状态的准确把握是地下工程稳定性评价的重要基础,而选择可行的高地应力判据是进行地应力状态评价的前提条件。在详细分析现有各种原地应力评价判据的基础上,提出可行的高地应力判据,并在判据模型中引入了国际上认可度非常高的Shoerey模型,但该模型没有考虑岩体变形模量和岩石弹性模量的区别。通过广泛研究目前国内外关于岩体强度的理论和方法,引入Hoek-Brown岩体强度估算理论,补充完善了Shoerey模型。云南禄丰某工程隧道,工程区共布置两个地应力测孔,测试结果较为离散。利用应力状态评价和数据拟合方法,推算出最大埋深部位的应力值达19.29 MPa,而岩体整体强度仅为5.243 MPa。按照强度应力比和Shoerey模型的评判标准,该隧道洞身部位的应力状态均为极高应力状态,应引起重视。对原地应力状态评价的一般方法和步骤进行了概括总结,以方便其他工程参考使用。     

拉林铁路板块缝合带隧道地应力分析

青藏高原板块缝合带为印度板块和欧亚板块两大陆块的缝合区域,带区地质条件复杂,构造运动强烈。川藏线拉林铁路几乎沿雅鲁藏布江缝合带展布,高地应力问题十分突出,但目前针对板块缝合带隧道的地应力研究相对较少。本文采用空心包体法对拉林铁路沿线隧道进行了原位地应力测量,并与成兰、兰渝和锦屏等几个典型工程的地应力进行对比分析。研究表明：拉林铁路沿线隧道埋深大,构造应力突出,总体表现为最大水平主应力 > 垂直主应力 > 最小水平主应力;平均侧压系数（1.0~1.5）分布较为集中且处于较高水平;最大主应力量值大多在20~50 MPa之间,最大主应力与埋深的梯度为0.033 7 MPa/m,方向以北北西-北北东向为主。建议采用仰拱结构减小隧道墙脚处的应力集中现象。     

基于地应力现场实测与开采扰动能量积聚理论的岩爆预测研究

构造活跃区大量工程实例表明,地应力是影响深埋隧道稳定性的重要因素之一。应用三维应力场有限元数值模拟探讨了青藏高原及邻区最大水平主应力方向和隧道轴向夹角φ与侧压力系数K_H耦合变化对深埋隧道应变能分布及岩爆倾向的影响。对不同地应力条件下深埋隧道围岩应变能密度分布特征进行了分析,并通过数值分析初步厘定最大水平主应力方向和隧道轴向夹角、侧压力系数与隧道不同关键位置应变能密度的多元回归方程。研究结果表明：最大水平主应力方向和隧道轴向夹角φ=45°左右时,隧道夹角变化对岩爆倾向性影响最大;最大水平主水平应力方向和隧道轴向垂直时,K_H变化对围岩应变能密度影响最显著;当最大水平主应力方向和隧道轴向平行时,K_H变化对围岩应变能密度影响最小。所厘定的多元回归方程已通过多条青藏高原及邻区典型深埋隧道验证,可用于快速评估夹角和侧压力系数对隧道稳定性的影响,高效服务隧道规划设计。     

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(Sv＞SH＞Sh)或正断型与走滑型相结合的应力状态(Sv≈SH＞Sh)。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。     

初始地应力对隧洞开挖爆生裂隙区的影响研究

隧洞开挖过程中控制爆炸对岩体的损伤,减小爆破裂隙范围,对保证工程安全具有重要意义。基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机制的研究,采用摩尔-库仑准则及最大拉应力准则,研究了初始地应力对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明,初始地应力对爆生裂隙范围有显著影响。在压剪破坏模式下,爆生裂隙区比例半径随地应力的增大而减小,地应力侧压系数影响爆生裂隙区比例半径在洞壁圆周的分布。考虑围岩应力卸荷影响后,沿隧洞径向的爆生裂隙区比例半径比不考虑卸荷的小。拉伸破坏导致的岩体爆生裂隙区比例半径一般比压剪破坏模式下爆生裂隙比例小,爆炸应力波作用下隧洞围岩更容易沿结构弱面发生压剪破坏。     

岩石非均质程度对水压致裂地应力测试方法影响的分析与讨论

准确揭示原位地应力状态,对地下工程开挖支护设计和长期稳定性分析等具有十分重要的意义。利用水压致裂技术开展了纱岭金矿主竖井地应力测试工作,获得了20个测段地应力状态;室内进行了主竖井测试孔岩芯的岩石力学试验,包括巴西劈裂试验、单轴压缩试验及声发射监测试验,获得了岩石空间非均质度和强度分布特征,并分析了岩石非均质度与水压致裂测试结果的关系。结果表明：主应力大小随测量深度近似呈线性增大,测试孔的最大水平主应力值为20.78~45.20 MPa,最小水平主应力值为14.94~35.33 MPa,平均最大水平主应力方向为 NW65°;测试孔岩芯各层位非均质度不同,变辉长岩非均质度系数为0.1~0.3,且岩石不同强度条件下声发射信号数量变化不显著,岩石离散度较小,花岗岩非均质度系数最高,可达1.0,以加载后期强相破裂产生的声发射信号为主;岩石非均质度影响水压致裂裂纹的扩展方向,扩展方向和最大水平主应力方向的夹角$\varphi $影响着最大、最小水平主应力的测量结果,且对最小水平主应力的影响尤为显著。分析水压致裂测量结果与岩石性质之间的关系,对精确探测非均质地层的地应力场分布规律具有一定的指导作用。     

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。