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钻孔水压致裂法测试铁路隧道地应力的应用研究
添加时间: 2010-11-24 11:05:44 文章来源: 文章作者: 点击数:3033
 

 

 

 

 题目:  钻孔水压致裂法测试铁路隧道地应力的应用研究 

          

 

摘要

深埋隧道往往存在高地应力聚集现象,高地应力工程病害主要表现为隧道开挖后洞内发生岩爆、软岩大变形等。通过选择适当位置开展钻探深孔内地应力的测试和计算预判隧道开挖后可能发生岩爆或软岩大变形段落对指导隧道设计和施工中采用最佳断面几何形状、最佳隧道支护和衬砌起着重要的作用。

由于岩体天然应力是一个非可测的物理量,它只能通过两侧应力变化而引起的诸如位移、应变或电阻、电感、波速等可测物理量的变化值,然后基于某种假设反算出应力值。钻孔水压致裂法是目前测量地壳深部地应力的唯一方法,前提是:①岩石为线弹性各向同性。②岩石是非渗透性的。③岩石中有一主应力分量与钻孔轴线平行。根据测试结果,绘制压力与时间关系曲线,按弹性力学理论计算出地应力值。与其他应力测试方法相比,钻孔水压致裂法不需要套心,不受测量深度限制,不需要使用应变计或者变形计,实测的范围较大,且不必知道岩体的弹性参数,因此,在铁路隧道地应力测试中,钻孔水压致裂法得到了广泛的应用。

本文通过对岩体天然应力的经典分析,联系地应力的测试方法,详解钻孔水压致裂法地应力测试原理、方法、技术和存在问题,结合地应力钻孔施工工艺,取得了科学严谨的岩体力学数据,通过分析判断,为铁路隧道深孔勘察设计、施工提供可靠的科学依据。通过理论结合实践的方法使理论更好地服务于实践,同时也使实践更好地指导理论。

关键词:岩体天然应力;地应力测试;钻孔水压致裂法;钻进工艺;应用研究

 


Abstract

 There always exits aggregation of high stress in deep tunnel.. High stress engineering disaster mainly occurs as the tunnel excavation of rock blasting, soft rock deformation and so on inside the cave. By choosing the appropriate location to carry out drilling deep stress testing and calculation of the Mainland, to judge the tunnel excavation or rock burst may occur after large deformation of soft rock passages, to guide the design and construction of the tunnel section with the best geometry of the best tunnel support and play an important role in lining.

As the rock mass stress is a non-measurable physical quantities, it can only be calculated  based on some hypothetical by some changes value.and then calculated based on a hypothetical anti-stress value. Drilling hydraulic fracturing method is the only way to the measurement of deep crustal stress provided that: the linear elastic of the rocks is isotropic. rock is non-permeable. a component of principal stress axis is parallel with the drilling in rock. According to test results, we can render the pressure and time curve and then calculate the stress according to the theory of elasticity to stress. Compared with other stress testing methods, drilling hydraulic fracturing method does not require the sets of heart and without measurement of the depth limit,It either needn’t the use of strain gauges or distortion meter and measured a larger area, and do not know the elastic parameters of rock mass, Therefore, drilling hydraulic fracturing method has been widely used in the railway tunnel stress testing.

Based on the classic analysis of rock- natural stress and contacted with the stress testing methods, this thesis put forward research and outlines the drilling hydraulic fracturing stress testing principles, method, technique and existed problem . Combined with the stress drilling technology ,it has got some scientific rock -mechanics data. By analyzing the judge, it provided reliable scientific evidence for the railway tunnel hole survey, designing and construction.. The theoretical method of combining practice and theory to better serve the practice, but also to better guide to practice theory.

Key words: Rock natural stress;Stress testing; Drilling hydraulic fracturing method; Drilling process; Engineering applicationss
                                   
  

第一章  绪论..................................................... 1

第一节 课题的提出及研究意义............................................................................ 1

第二节 钻孔水压致裂法测试的发展历史及现状.................................................... 1

第三节 地应力测试在岩土工程中的重要意义....................................................... 3

第四节 研究思路与方法....................................................................................... 4

第二章  岩体中的地应力............................................ 5

第一节 地应力概述.............................................................................................. 5

第二节 地应力的分区性(以中国为例).............................................................. 6

第三节 岩体中天然应力的分布特征..................................................................... 7

第四节 天然应力状态及影响因素......................................................................... 9

第三章  钻孔水压致裂法测试及地应力估算............................ 11

第一节 常用地应力测试方法.............................................................................. 11

第二节 钻孔水压致裂法原理.............................................................................. 14

第三节 基本理论和计算公式.............................................................................. 15

第四节 地应力的估算........................................................................................ 17

第四章  钻孔水压致裂法测试的工程应用.............................. 21

第一节 工程地质概况........................................................................................ 21

第二节 钻孔的布置与选择................................................................................. 21

第三节 钻孔钻进工艺........................................................................................ 24

第四节 测试设备与步骤..................................................................................... 27

第五节 测试结果与分析..................................................................................... 30

第五章  结束语................................................... 32

致谢............................................................ 34

参考文献........................................................ 35


 

第一章  绪论

第一节 课题的提出及研究意义

地层中的初始应力叫地应力,为地下洞室施工开挖前地层中所具有的自然应力状态。地应力场主要有重力应力场和构造应力场组成。根据重力应力场和构造应力场在地应力场中所占比例不同,可将工程建设地区分为高地应力区,较高地应力区和一般地应力区。能否形成高地应力区主要取决于地质构造作用力的大小。某地区当构造应力接近或大于重力应力时则可能形成为高地应力区。在高地应力区建造地下工程时可能遭遇岩爆、塌方、高侧墙岩体失稳、岩饼崩解、洞壁岩体剥落等不良工程地质现象,危及施工安全,严重时可成为工程成败的关键因素。地下洞室掘进后,初始地应力将重新分布和调整,洞室周边受二次应力作用,支护结构将承受地应力荷载,初始地应力状态在很大程度上决定了二次应力作用状态。岩体应力测量的目的在于了解岩体中存在的地应力的大小,方向以及它们随时间和空间变化的情况,摸清地应力状态及其分布规律,为工程设计和施工提供可靠依据。

钻孔水压致裂法的基本原理是对某一孔段加压直至岩石产生张性破裂。钻孔水力压裂的裂缝是沿阻力最小的方向发展的,即在垂直于最小主应力的平面上发展的。大量的实验表明,钻孔壁上的初始水压裂缝总是呈竖直方向的,而且垂直于最小水平主应力的方向,与垂直应力的大小无关。如果某一个水平主应力是3个主应力中的最小一个,那么水压裂缝的扩展方向保持不变。但是,如果垂直应力是最小主应力,那么起始的垂直裂缝可能逐渐转变成水平方向,以保持与岩石中的最小主应力的方向相适应。

传统的钻孔水压致裂法在理论研究和应用上都有不少问题,如假定钻孔轴线接近或完全平行于某一主应力方向,加压水的流速对所得到的压力一时间变化曲线有一定影响等。本文拟针对上述问题,将地应力的原始特质与铁路隧道工程实际相结合,对钻孔水压致裂法的经典理论进行了研究,提出了传统水压致裂法地应力测试的改进意见。

第二节 钻孔水压致裂法测试的发展历史及现状

世界上,1878年海姆提出天然应力,1932年,在美国胡佛水坝下的隧道中,首次成功地测定了岩体中的天然应力,半个多世纪来,在世界各地进行了数亿万计的岩体应力测量工作,从而使人们对于岩体应力状态有了新的认识。1951年,瑞典的哈斯特(Hast)成功地用电磁法测量岩体天然应力,并与1958年在斯堪的纳维亚半岛进行了系统的地应力测量。首次证实了岩体构造应力的存在,并提出岩体天然应力以压应力为主,埋深小于200m地壳浅部岩体中,水平应力大于铅直应力,以及天然应力随岩体埋深增大而呈线性增加的观点。

利曼以“岩体应力测量”为题发表了一系列研究论文,系统地阐明了岩体应力测量原理、设备和测量成果。各国的研究都证明了哈斯特的观点。

1957年,美国哈斯特(Hubbert)和威利斯(Willis)提出用水压致裂法测量岩体天然应力的理论。1968年美国汤姆森(Haimson)发表了水压致裂法的专题论文。与此同时,伴随是由工业的发展,水压致裂法在生产实践中得到了广泛的应用。水压致裂法的应用,使岩体中应力测量工作,从几十米、数百米延至数千米深度(美国最深达5108m),并获得了大量的深部天然应力实测数据。在此基础上,美国用水压致裂法开展了兰吉列油田注水引起的诱发地震机理的综合研究,并成功地解析了诱发地震的机理。1975年盖伊等人根据岩体应力的实测数据分析,提出了临界深度概念,在该深度以上水平应力大于铅直应力,该深度以下水平应力小于铅直应力。研究表明,临界深度随地区的不同而不同,如冰岛等地为200m,日本和法国为400~500m,中国和美国为1000m,加拿大为2000m

我国的天然应力测量工作开始与50年代后期,至60年代才广泛地应用于生产实践。到目前为止,我国岩体应力测量工作已得到数万计的数据,为研究工程岩体稳定性和岩石圈动力学为题提供了重要依据。

钻孔水压致裂法是从增加油井产量的射井方法移植发展而来的岩体应力实测方法。1957HubbertWillis得到了水压致裂产生的张破裂与周围应力关系的理论研究结果,B.C.HaimsonC.Fairhust建立并逐渐完善了水压致裂测量地应力的原理和方法。李方全于80年代初将该方法引入我国,经过多年的研究与实践,水压致裂法在地震研究及许多重大工程建设中得到广泛应用,取得了许多重要成果。

钻孔水压致裂法地应力测量是目前深钻孔地应力测量中最主要的方法,是迄今为止进行深部地应力测量的最有效的手段,测量深度可达地下数千米,是其它任何地应力测量方法无法比拟的。由于除了其测量深度深特点外,还有资料整理不需要岩石力学参数参与计算,可避免因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;操作简便,不需要精密仪表,测试周期短等优点,因而在国内外得到广泛应用。应用范围覆盖水电、矿山、交通、军工等岩石工程和地震机制、地球动力学的研究。钻孔水压致裂法地应力测量的经典测试原理,以下列3个假设条件为前提:(1)地壳岩石为均匀,各向同性,脆性的线性弹性体;(2)岩石为多孔介质时,注入的流体按达西(Darcy)定律在岩石孔隙中流动;(3)岩体中地应力的一个主应力方向与钻孔轴平行。除此之外,围岩破裂判据的经典理论,采用最大单轴拉应力破裂准则。水压致裂法是国际岩石力学学会建议方法之一,建议指出:上述假定通常更适用于垂直钻孔,垂直应力为主应力之一,其大小等于上覆岩层的压力。建议认为当钻孔方向实际偏离主应力方向(大于15)时,测试结果的精度就值得怀疑。由大量套孔解除法获得的测量结果表明,上述的第三个假设往往与实际不符,即使是垂直钻孔而垂直应力总是与孔轴有一定的交角,那么单孔水压致裂测量结果的精度就不能令人满意。虽然套孔法可以精确测量三维地应力的大小和方向,但是当岩层条件恶劣(薄层或破碎)时,套孔法成功率低,测量周期长,相对来说成本就高一些。因此刘允芳、高建理等学者提出了应用三孔交汇水压致裂法测量三维地应力的理论和方法,并在我国一些重大工程中进行了实践。

然而传统的钻孔水压致裂法地应力测量,只能测得钻孔横截面上的二维地应力状态。为了扩大这种测量方法的应用范围,许多学者就三维地应力测量作了大量的研究,其中在不同方向的3(6个以上)钻孔内,采用完整岩体段的常规压裂实验来测量三维地应力的方法已经成熟,完善,并在十几个水利工程中得到应用。刘允芳学者在此基础上,引入原生裂隙段重张实验的测量,提出了三种三维地应力测量的原理和方法,扩大了水压致裂法地应力测量的应用范围。

第三节 地应力测试在岩土工程中的重要意义

岩体中的天然应力状态,在研究区域稳定、岩体稳定性以及在原位岩体测试工作中,均具有重要的实际意义。

任何地区现代构造运动的性质和强度,均取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。从工程地质的观点看,地震使各类现代构造运动引起的重要地质灾害。从岩体力学的观点出发,地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。在一定的天然应力场基础上,常因修筑大型水库改变了天然应力场而引起水库诱发地震。

天然应力状态与岩体稳定性关系极大,它不仅是决定岩体稳定性的重要因素,而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。越来越多的研究资料表明,在岩体高应力区,地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖,常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象,使工程岩体失稳。

就地下洞室而言,岩体中天然应力失围岩变形和破坏的力源。天然应力状态的影响,主要取决于垂直洞轴方向的水平天然应力σh和铅直天然应力σv比值,以及它们的绝对值大小。从理论上讲,对于圆形洞室而言,当天然应力绝对值不大,σh/σv=1时,围岩的重分布应力较均匀,稳定性最好;当σh/σv=1/3时,洞室顶部将出现拉应力,洞侧壁将会出现大于2.67σv的压应力,可能在洞顶拉裂掉块,洞侧壁内鼓张裂和倒塌。

如果地区的铅直应力σv为最小主应力,由于σh/σv>1.0,所以洞轴线与最大主应力σhmax方向一致的洞室围岩稳定性,要较轴线垂直于方向的围岩稳定性好。

对于有压隧道而言,当σh/σv1.0,且应力达到一定数值时,围岩将具有较大承受内水压力的承载力可资利用。因此,岩体具有较高的天然应力时,对于有压隧洞围岩有利。

对地表工程而言,如开挖基坑或边坡,由于开挖卸荷作用,将引起基坑底部回隆弹起,并同时引起坑壁或边坡岩体向坑内发生位移。基坑岩体回隆弹起、位错和变形的结果,将使地基岩体的透水性增大,力学性能恶化,甚至使建筑物变形破坏。

根据国内外众多的原岩应力测试报告,总结出如下原岩应力分布的若干规律,这对原岩应力的进一步研究有十分重要的指导意义。这些规律是:

(1)地壳中的主应力是压应力,方向基本上是铅直和水平的。少数铅直方向的主应力偏离铅直方向,但偏离方向和铅直方向夹角小于300

(2)垂直应力随深度呈线性增长。

(3)最大水平应力分量绝大多数大于垂直应力分量。据国内外实测资料统计,最大水平应力与垂直应力值之比等于0.5~5.5,大部分在0.8~1.2之间。

(4)地壳内的第一主应力方向接近水平,它与水平面夹角多数小于300

(5)两个水平应力分量不相等,一大一小具有明显的方向性,一般最大水平应力值与最小水平应力值之比为1.4~3.3

总之,岩体的天然引力状态,对于工程建设有着重要意义。为了合理地利用岩体天然应力的有利方面,根据岩体天然应力状态,在可能的范围内合理地调整地下洞室轴线、坝轴线以及人工边坡走向,较准确地预测岩体中重分布应力和岩体变形,正确地选择加固岩体的工程措施。

第四节 研究思路与方法

本文通过参考文献,查阅资料,了解国内外目前地应力测量技术发展状况,结合我国现在铁路建设大发展的有利时机,以及地应力测试在越来越多的铁路隧道工程实践中的应用,提出本文的研究课题,确定论文研究的思路与方法。即通过分析地应力的原始特征,详解钻孔水压致裂法地应力测试原理、方法、技术和存在问题,联系地应力钻孔施工工艺,结合铁路隧道工程实际,使理论准确地应用于实际,更加科学地服务于当代基础工程的建设。


第二章  岩体中的地应力

第一节 地应力概述

岩体中的应力是岩体稳定性与工程建设必须考虑的重要因素。人类活动之前存在于岩体中的应力,称为天然应力或地应力(stress in the earths crust)。人类在岩体表面或岩体中进行工程活动的结果,必将引起一定范围内岩体中天然应力的改变。岩体中这种由于工程活动改变后的应力,称为重分布引力。相对于重分布应力而言,岩体中的天然应力易可称为初始应力(initial stress)。一般认为,天然应力是各种作用和各种起源的力,它主要有自重应力和构造应力组成,有时还存在流体应力和温, 差应力等。研究还表明,岩体应力状态不仅是一个空间位置的函数,而且是随时间的推移而变化的。岩体在天然应力作用下,不是处于静力稳定,而是处于一个动力平衡状态,一旦应力状态发生改变,这种动力平衡条件将遭到破坏,岩体也将发生这样或那样的失稳现象。引起岩体应力条件改变的因素很多,例如地球旋转速度的变化、日月的潮汐作用、太阳活动性的变化以及人类活动等,均使岩体的应力状态发生变化。

2-1

通常,地壳内各点的应力状态不尽相同,并且应力随(地表以下)深度的增加而线性地增加。由于所处的构造部位和地理位置不同,各处的应力增加的梯度也不相同。地壳内各点的应力状态在空间分布的总合﹐称为地应力场。与地质构造运动有关的地应力场,称为构造应力场,通常指导致构造运动的地应力场。有人也将由于构造运动而产生的地应力场简称为构造应力场。在地质力学中,构造应力场是指形成构造体系和构造型式的地应力场,包括构造体系和构造型式所展布的地区,连同它内部在形成这些构造体系和构造型式时的应力分布状况。有多少类型的构造体系,就有多少种类的构造应力场。一定型式的构造体系所代表的应变图像,反映了其构造应力场的特征。通过对构造应力场的分析研究,可以推演构造运动的方式和方向,把各个大陆及地区运动的方式和方向综合起来,可以推断地壳运动的方式和方向,进而探索地壳运动的起源。

存在于某一地质时期内的构造应力场称为古构造应力场。现今存在的或正在活动的地应力场称为现今构造应力场。现今构造应力场的研究,既要实地考察挽近地质时期﹐特别是第四纪以来,岩石、地层发生的构造变形以及地区的升降,也要用适当的仪器装置及其他方法,直接测量现今地应力的活动。进行地应力测量时要根据活动的构造体系、活动的构造带(如地震带)和重大工程建设要求来布置测点,同时配合相应的地质工作。

地应力活动会产生或影响地质构造。剧烈的地应力活动会引起地震。地应力活动还可影响地壳内岩石、矿物的物理性质和化学性质。因此,也可以利用这种物理和化学性质的改变来分析地应力的活动情况。

第二节 地应力的分区性(以中国为例)

读图可知,以东经100105o为界地应力我国分布主要分东西两区;同时在强度上,西强东弱(西高东低);在方向上,西区以NNE-SSW为主,而东区近E-W

究其原因,笔者认为主要是中国板块处在四大板块环绕中,它们碰撞挤压,形成了中国大陆岩体中的天然应力。

在西南方向上,主要是印度板块向NNE挤压(5mm/a),向东主要是太平洋板块向W俯冲(1cm/a),在南边有菲律宾板块向N俯冲,而在北边又有西伯利亚板块阻挡,从s1迹线为N-NE-SSE。如图2-3所示。

2-2   中国地应力示意图

2-3   中国地应力形成图

第三节 岩体中天然应力的分布特征

50年代初期起,许多国家先后开展了岩体天然应力绝对值的研究,至今积累了大量的实测资料。本文从工程的观点出发,根据收集到的岩体应力的实测资料,对地壳表层岩体天然应力的基本特征进行讨论。

2.3.1岩体中的铅直天然应力

地应力实测结果表明,绝大部分地区的铅直天然应力σv大致等于按平均密度ρ=2.7g/cm3计算出来上覆岩体的自重,铅直天然应力常常是岩体天然主应力之一,与单纯的自重应力场不同的是:在岩体天然应力场中,大都是最小主应力,少数为最大或者中间主应力。

2.3.2岩体中的水平天然应力

2-4  铅直应力与深度实测结果

岩体中天然应力常以水平应力为主,即sh>sv,特别是sham>sv,据统计资料:sh/sv0.8~3.0,说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制;水平应力具有强烈的各向异性,即sh1sh2,我国华北shmin/shmax0.2~0.8,华南shmin/ shmax0.3~0.75。主要原因是:a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性。

根据天然应力实测结果,岩体中天然应力可以概括为如下特点。

1. 岩体中的天然应力以压应力为主,出现拉应力者甚少,且多具局部性质。

2. 大部分岩体中的水平应力大于铅直应力,特别是在前寒武纪结晶岩体中,以及山麓附近和河谷谷底的岩体中,这一特点特别突出。

3. 岩体中的两个水平应力shminshmax通常不相等。

2.3.3岩体中天然水平应力与铅直应力的比值

岩体中天然水平应力与铅直应力之比定义为天然应力比值系数,用λ表示。世界各地的天然应力测量成果表明,绝大多数情况下平均天然水平应力与天然铅直应力比值为15~106范围内。

天然应力比值系数随深度增加而减小,图2-5Hoek-Brown根据世界各地天然应力测量结果得出的平均天然水平应力与天然铅直应力比值随深度变化曲线。曲线表明shav/ sv有如下规律:

                                 2-5-1

2-5   平均天然应力与埋藏深度关系的实测结果

第四节 天然应力状态及影响因素

2.4.1主应力平面与水平面的关系

岩体中天然应力状态一般处于三维应力状态。根据三个主应力轴与水平面的相对位置关系,把天然应力场分为水平应力场与非水平应力场两类。水平应力场的特点是两个应力轴近水平,或与水平面夹角很小,另一应力轴近铅直,三个应力轴与空间坐标一致,我国大陆范围内属这种应力场。非水平应力场水平应力与水平面夹45°左右,另一轴与水平面夹0~45°左右,分布于板块边缘。

通常认为高天然应力标志是开挖洞室时,常产生岩爆、剥离;剥收敛变形大,使开挖断面变小;软弱夹层内的物质被挤出,节理闭合;饼状岩心;水下开挖无水渗出。

2.4.2影响天然应力的因素

1地形起伏:a.水平应力向负地形集中,向正地形释放; b.在斜坡附近,应力方向发生偏转

    

a

b

2-6

 

 


2地表剥蚀

      

该式说明:剥蚀后,岩体中一点 l增大了,当△Z大到一定值时,必有l>1的情况出现。

其他影响因素还有:结构面,岩体性质,地下水,低温等。


第三章  钻孔水压致裂法测试及地应力估算

第一节 常用地应力测试方法

地应力测试方法有上百种,不同的划分标准有不同的划分结果,从测量原理上可以分为地应力直接测试和地应力间接测量法。直接测试法通过扰动岩石的初始条件,以产生应变、变形、裂隙张开等;间接地应力测量是基于地应力有关现象的分析。

根据地应力测量时的操作特点,又可分为钻孔应力测量、利用岩心地应力测量、岩石表面应力测量、地质构造分析等几类方法。见表1

3.1.1钻孔水压致裂法

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

1)常规水压致裂法

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6000m9000m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YMizuta IMKuriyagawaE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±15°其结果就有疑问要精确获得三维地应力较困难,故本文以下章节所述钻孔水压致裂法皆指常规水压致裂法。

2原生裂隙水压致裂法(HTPF)

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<, /SPAN>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

3.1.2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探孔应力解除法根据传感器的类型可分为孔壁应变法和孔径变形法

1)孔壁应变法

孔壁应变法基于岩石各向同性、均质、连续、线弹性的假设通过孔壁6个以上不同方向的应变值来计算岩体的三维地应力孔壁应变法又可分为直接粘贴方法和包体方法CSIR型三轴应变计就是将应变元件直接贴到孔壁中空心包体是将应变元件贴到薄筒壁中再用胶将薄筒和孔壁粘结典型的如澳大利亚CSIRO型空心包体应变计和长江科学院的CKY-Ⅲ空心包体应变计(如图1所示)还有一种实心圆柱式包体技术由于受包体材料和岩石物理力学性质差异影响大已基本不用孔壁应变法最大的优点是单孔单点可准确测量岩体的三维地应力。缺点是对岩石的完整性要求高岩芯解除长度大于4060cm并且在岩芯易饼化时测试很难成功存在应变元件的粘贴、防潮、全过程测量和定向等问题;受温度变化、岩性差异影响大测量结果离散性大

1-电缆;2-安装杆;3-安装定向销钉;4-密封圈;5-补偿室

6-盛胶囊;7-应变从;8-销钉;9-活塞;10-出胶孔;11-导向器;12-钻孔

3-1 CKY-Ⅲ空心包体应变计

目前国内空心包体最大测试深度是长江科学院在惠州抽水蓄能水电站创下的530m记录

2孔径变形法

孔径变形法基本上分为直接测量孔径变形或通过测量环向变形反算径向变形种方式常用的有USBM型钻孔变形计和钢环式应变计等测试过程与孔壁应变法相同都先把探头安装到小孔内再进行解除克服了空心包体材料与岩体的差异带来的影响,两种方法都通过感应元件的触头与钻孔孔壁紧密接触来测量孔径变形因感应元件不与孔壁解除方便标定变形计的线性、重复性、稳定性好防水性强灵敏度较高且测量周期短可重复使用

3孔底应变法

孔底应变法可分为平底和锥体2在底面贴上3个以上的应变片进行测量不需要先钻小导孔对岩芯的完整性要求不高5cm长即可适合破碎岩体以及高应力岩芯易饼化区测试成功率高周期短我国曾进行过大量的测试但目前应用已较少在国外却得到了广泛应用孔底应变法的缺点是仅能获得平面应力且孔底必须打磨平滑或磨成锥体在水下测试成功率低若想获得三维地应力结果通常需在3个以上不同方向钻孔中进行测试

3.1.3应力恢复法

应力恢复法有时也被称为应力补偿方法应用最广泛的是扁千斤顶法扁千斤顶法最初主要是在土木工程中作为监测应力变化的一种手段它的主要缺点是:在测量时由于一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的应力分量要确定测点的6个应力分量就必须沿测点不同方向切割6个扁槽这样可能会使扁槽之间相互干扰而使得测量的结果失去意义;该法仅局限于地下巷道、洞室表面的应力测量受开挖扰动影响大;测试结果的可靠性受测量时的环境条件影响较大因而在一定程度上限制了它在实际工程中的应用目前该法已很少被用于地应力测量但在矿山中仍被作为监测矿柱和围岩应力变化的一种方法

3.1.4钻孔崩落法

钻孔崩落是孔壁岩石在高应力作用下发生破坏脱落掉块的现象最初仅能获得钻孔横截面上的最大主应力方向它借助于地球物理测井、深部岩体的变形破坏机理和室内试验研究结果根据崩落形状要素及岩石的内聚力和内摩擦角可估算应力大小该法最大水平主应力方向测试较精确但应力量值计算精度还需进一步的提高;当钻孔不存在崩落时就不能获得相关的地应力信息;另若岩石各向异性或非均质性突出也会给地应力量值和方位的确定带来很大误差

3.1.5震源机制分析法

震源机制分析法是了解地下深处应力状态的最主要方法当震源体积相对于所研究区域很小时可将其近似看成是点源根据一组震源机制解或地震矩张量确定该组地震所在区域的平均构造应力场的主应力方向和应力比震源机制解通常给出地震断层面及与地震断层面正交的辅助面的空间位置多数情况只能给出这一对垂直面的空间位置。现在实际中还发展了多震源机制解法但震源实际过程复杂难用沿平面的纯剪切错动描述目前已用测定震源的地震矩张量来代替双力偶模型的震源机制解答也可用求多个地震的平均地震矩张量的主轴方向来推断地震所在地区的主应力方向常用震源模型建立在线弹性理论基础上其导出的地震引起的位移场、应变场和应力场本质上都是以某个不为零的初值作为参考状态理论上只能确定震源区地震引起的应力变化、大区域的空间构造应力方向以及3个主应力的相对大小而不能得到绝对值但地震波从震源发出后在传播途径中可携带传播介质受应力作用的信息因此有利用地震波研究传播介质的应力状态的可能性

3.1.6凯塞效应法( Ka iser)

1950年德国学者凯塞( Kaiser)发现受过应力作用的岩石被再次加载时在未达到上次加载应力前岩石基本没有声发射在达到并超过上次加载的应力后声发射显著增加从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点被称为KaiserKaise点所对应的应力即为材料在历史上受到的最高应力古德曼(Goodman)20世纪60年代初通过实验验证了岩石材料具有Kaiser效应若利用岩芯地下定位或古地磁法确定岩芯方位确定不同方向岩芯的最大应力值可得三维应力状态Kaiser法地应力测量可方便测量其他方法很难到的深度Kaiser法存在记忆的多期性和记忆衰退问题且试验围压对结果影响大当钻孔很深时岩芯定位多采用古地磁法但岩芯从被磁化到现在岩芯的方位在地下可能发生变化

3.1.7应变恢复法

应变恢复法包括非弹性应变恢复法和差应变曲线分析法尽管非弹性应变恢复法测定原位应力由沃伊特(Voight)1968年提出但首次成功应用则是由图菲尔( Teufel)1982年首次完成的当岩芯从周围岩体分离之后会因应力释放而产生变形认为变形由瞬时弹性变形和非弹性恢复变形组成假定非弹性恢复应变和总的恢复应变成正比主非弹性恢复的方向和原岩石主应力方向相一致并已知岩石的本构关系就可以确定原位应力的大小和方向应变恢复法在岩芯中存在温度变化、岩芯失水崩解、孔隙压力变化、岩石各向异性、应变恢复时间长、岩芯定位精度差等影响时测量精度差实际中会碰到应力恢复法测得的应力方位与解除法不符这主要与应变恢复法仅能测得部分小应变有关但随着测试精度的提高以及大测深的优势应变恢复法也是深部和非常深部岩体的一种有效的地应力测量方法

3.1.8其他方法

此外还有原子磁性共振法、放射性同位素法、地质资料分析法、地球物理探测法、岩芯微裂隙统计法等这些方法局限于探测大范围内的地壳应力状态还不能够为工程建设提供可靠的地应力资料但对于不同研究程度和工程设计阶段可对岩体的地应力状态进行评估

第二节 钻孔水压致裂法原理

钻孔水压致裂法是把高压水泵入到有栓塞隔开的试段中。当钻孔试段中的水压升高时,钻孔孔壁的环向压应力降低,并在某些点出现拉应力。随着泵入的水压不断升高,钻孔孔壁的拉应力也逐渐增大。当钻孔中水压力引起的孔壁拉应力达到孔壁抗拉强度st时,就在孔壁形成拉裂隙。若设在孔壁形成拉裂隙时,钻孔的水压力为pc1,拉裂隙一经形成后,孔内水压力就要降低,然后达到某一稳定的压力ps,称为“封井压力”。这时如果人为地降低水压,孔壁拉裂隙将闭合,若再继续泵入高压水流,则拉裂隙将再次张开,这时孔内的压力为pc2.

为了解释钻孔水压致裂法试验得出的资料,需要确定水压致裂法引起的裂隙方向。大量的实测资料表明,水压致裂法引起的裂隙是铅直的,尤其在试段800m以下,铅直向是水压破坏引起裂隙的最常见方向。

时间t

pc1

pS

  pc2

p0

3-2    孔内压力随时间变化曲线

第三节 基本理论和计算公式

设钻孔形成前的天然应力场为: 为铅直; 为水平。如果去铅直钻孔平面(如图3-3)考虑,则钻孔孔壁上的应力可以用柯西孔壁应力解来分析。

钻孔形成后,而未压入高压水之前,孔壁上AA点的环向应力如图3-3a,由柯西解为:

                                           3-2-1

当泵入高压水时,在钻孔内壁作用有内压水 (如图3-3b),因此孔壁上每一点均受到内水压力作用。则拉裂隙形成时AA的破坏条件为:

                                       3-2-2

在孔壁形成拉裂隙后,如果要继续维持拉裂隙张开而又不进一步扩展,则水压力满足如下条件,即:

                                                    3-2-3

 

3-3   柯西解答受力图示

 

联立(3-2-2)式和(3-2-3)式,可解得计算水平天然应力的公式为:

                                                             3-2-4

是孔壁岩石的抗拉强度,可由试验本身来确定,因为使张拉再次开启时有:

                         3 - - =0                       3-2-5

由(3-2-2)式减去(3-2-5)式,可得到孔壁岩石抗拉强度的计算公式为:

                                                     3-2-6

因此,通过水压致裂法试验,只要确定 值,就可用(3-2-4)式和(3-2-6)式计算出水平天然应力和值,而铅直天然应力 等于铅直自重应力。即:

据岩体破裂方向确定(如图3-4),破裂平行于 ,垂直于 ,破裂方向由压痕,井下电视确定。

3-4  岩石破裂方向图

第四节 地应力的估算

岩体中地应力是岩体工程设计和工程地质问题评价的一个十分重要的指标。岩体中的天然应力需要以实测的方法来确定。但是岩体应力实测工作费用昂贵,一般中小工程或者可行性研究阶段,天然应力的量测不可能进行。因此,在无实测资料的情况下,通常根据岩体地质构造条件和演化历史来岩体中天然应力。

3.4.1铅直天然应力估算

在地形比较平坦,未经过强烈构造变动的岩体中,天然主应力方向可视为近铅直和水平。这一结论的根据是:①在岩体中发育有倾角为600的正断层,而正断层形成时的应力状态时铅直方向为最大主应力,水平方向作用有最小主应力(图3-5);②岩体中倾角为300左右的岩体的存在,表明逆断层在形成时应力状态是垂直方向为最小主应力水平方向作用有最大主应力(图3-6

3-5  正断层形成时应力状态

σ1

σ3

σ3v=ρgZ

σ3

σ1

σ1v=ρgZ

σ3haσv

σ1haσv

3-6 逆断层形成时应力状态

在这种条件下,铅直天然应力σv等于上覆岩体的自重,即:

式中:ρ为岩体的密度(g/cm3;g为重力加速度(9.8m/s2;Z为深度(m)。

这种铅直应力的估算方法不适用于下列情况。

(1)           不适用于沟谷附近的岩体。因为在沟谷附近的斜坡上,最大主应力σ1平行于斜坡坡面。而最小主应力σ3垂直于坡面,且在斜坡表面上,其值为零。

(2)           不适用于经强烈构造变动的岩体。如在褶皱强烈的岩体中,由于租车个背斜岩体中的应力传递转嫁给向斜岩体。所以,背斜岩体中铅直应力σv常比岩体自重小,甚至出现σv等于零的情况。而向斜岩体中,尤其在向斜核部,其铅直应力常比按自重计算的值大60%左右。

3.4.2水平天然应力估算

由天然应力比值系数λ的定义可知,如果已知λ值,而铅直天然应力可以由σv=ρgZ

估算出,则水平天然应力σh=λσv。所以,水平天然应力的估算就是确定出λ值的问题。

天然应力比值系数λ与岩体的地质构造条件有关,未经过强烈构造变动的新近沉积岩体中,天然应力比值系数λ为:

式中:λ为岩体的泊松比。

在经历多次构造运动的岩体中,由于岩体经历了多次卸荷加荷作用。因此 不适用。下面讨论几种简单的情况。

(一)       隆起、剥蚀卸荷作用对值的影响

如图3-7所示,假设在经历隆起剥蚀岩体中,遭剥蚀前距地面深度Z0为的一点A,天然应力比值系数λ0为:

3-7 隆起剥蚀荷载作用对 值的影响

隆起剥蚀后地面

经地质历史分析,由于该岩体隆起,遭受剥蚀去掉的厚度为ΔZ,则剥蚀造成的卸荷值为ρgΔZ,即隆起剥蚀使岩体中A点的铅直天然应力少了ρgΔZ。因此,相应地A的天然水平应力减少了μ/(1-μ) ρgΔZ,则岩体剥去ΔZ以后,A点的水平天然应力为:

剥蚀后的铅直天然应力为:

则剥蚀后A点的天然应力比值系数 为:

为剥蚀后A点所处深度,则 ,因此

由式可知:

(1)           岩体隆起剥蚀作用的结果,使岩体中天然应力比值系数增大了。

(2)           如果在地质历史是时期中,岩体遭受剥蚀的厚度达到某一临界值后,则将会出现 的情况。

(二)       断层作用对值的影响

在地壳表层岩体中,常发育有正断层和逆断层。正断层形成时的应力状态是:为铅直为水平(如图3-5)。因此

由库伦强度判据知:正断层形成时的破坏主应力与雅尼强度参数间的关系为:

因此,正断层形成的天然应力比值系数

逆断层形成时的应力状态为:最小主应力 为铅直,最大主应力 为水平,即

同理可得逆断层形成时的天然应力比值系数

由上述分析可知, 是岩体中天然应力比值系数的两种极端情况,一般认为天然应力比值系数是介于两者之间,即

如把这一估算的出的结论,与Hoek-Brown根据全球实测结果得出的平均天然应力比值系数随深度变化的经验关系比较,两者在形式上极为一致,即天然应力比值系数与深度 成反比。


第四章  钻孔水压致裂法测试的工程应用

深埋隧道往往存在高地应力聚集现象。在工程实践中2025MPa左右的岩体初始应力称为高地应力。根据李四光地应力学:应力和能量多集中在特定的断层交叉、拐弯和端点等部位上根据协同学原理当荷载达到某一临界值时将产生新的自组织现象。中国地应力场主要特征表现为水平地应力起主导作用即水平地应力大于铅直地应力表现处处是压应力由于地应力随深度增加导致了区域构造反映出地应力横向变化的不均匀性。高地应力工程病害主要表现为隧道开挖后洞内发生岩爆、软岩大变形等。通过选择适当位置开展钻探深孔内地应力的测试和计算预判隧道开挖后可能发生岩爆或软岩大变形段落对指导隧道设计和施工中采用最佳断面几何形状、最佳隧道支护和衬砌起着重要的作用。

第一节 工程地质概况

襄渝铁路增建二线某隧道位于川陕边界陕西南侧陕西省紫阳县境内隧道全长7.13km最大埋深约606m

通过对此隧道以隧道进、出口向外移500m、线路两侧以与隧道轴线平行各2 km范围为界作了约32146km2110000区域地质调查和对全隧所作物探等前期地质勘察调查工作分析该隧道地质地应力背景为

(1)地形复杂。此隧道地处大巴山麓北侧地带区内最高高程1 256.00 m最低高程303.40m相对高差952160m。属构造剥蚀中低山地貌峰峦起伏连绵不断测区内构造线多呈SE-NW与山岭走向基本一致。地形主要为陡峻的坡面山地和山间狭小的深切割“V”字形沟谷相连。受地形限制隧道埋深大存在高地应力分布的条件。

(2)地层岩性。隧道穿越地层主要有志留系下统五峡组(S1w)页岩夹砂岩、陡山沟组(S1ds)砂岩夹页岩、斑鸠关组(S1b)页岩夹砂岩等三套地层其中(S1w)(S1b)为煤系地层夹薄层状炭质页岩(俗称“石煤”)。局部有火山岩-闪长岩侵入。由于岩性的物理力学性质不同高地应力条件下的变形病害表现也就不同。

(3)地质构造复杂。测区地处秦岭地槽褶皱系北大巴山地槽褶皱带南西边缘褶皱紧密细长呈线状分布。构造线总体呈NW-SE与隧道轴线呈大角度相交。隧道穿越褶皱主要为庵坪梁背斜、宝塔梁向斜和芭蕉沟背斜、温家沟向斜并有狮子寨断层。构造线的分布方向反映出地应力横向变化的不均匀性从构造发育状况可以看出水平主应力的优势方向为近北西向。

第二节 钻孔的布置与选择

此隧道全隧完成了三个深孔钻探布置及相关勘探测试工作如图4-1钻孔深度达到隧道路基面以下2937m位置和深度见表2

2 某隧道钻探情况表

钻孔编号

钻孔位置

   孔口高程/m

  钻孔深度/m

 DZ--1          DK380 + 814815m            855.88                 505.30

 DZ--2          YDK383 + 6251510m          630.52                 250.20

 DZ--3          YDK386 + 4701510m          547.57                 169.30


 

 

图4-1某隧道地质纵断面示意图

 

从表2看出,DZ--1钻孔所在位置埋深大又靠狮子寨断层地层为志留系下统五峡组( S1w)页岩夹砂岩通过应力背景分析选在该孔作地应力测试工作。

 


第三节 钻孔钻进工艺

4.3.1钻孔质量要求

由于地应力测试要测出地层的原始应力,因此要尽量减轻钻进对岩心的破坏,保持岩心原始结构,取得直径均匀、表面光滑的岩心,要保持孔壁稳定和光滑,岩心采取率要在90%以上。同时钻孔顶角的允许偏差为不大于1.50/100m,随钻孔深度递增计算,钻孔顶角每50测量一次。孔深允许最大偏差为不大于2/1000,每钻进50m检查孔深。开孔直径130mm,钻至完整基岩后下入127mm套管,然后换用108mm钻头钻进,然后用75mm钻进至终孔。

4.3.2选用的钻探设备

由于施工地点处于山区交通十分不便所以要求钻机的质量轻、体积小、可拆性好而测试孔的施工要求钻机有较大的转速范围。综合考虑选择XY-4 型钻机可满足以上要求。XY- 4型钻机的各项参数为:质量1500kg外形尺寸(长××高):2640×1100×1750 mm转速为转速:(正转八速)1351588r/min;(反转两速)110r/min338 r/min;同时采用BW-250型往复泵50mm钻杆,钻头主要采用硬质合金钻头、金刚石钻头,少部分地层采用复合片钻头。

4.3.3钻探方法与技术

根据地应力测试钻孔技术要求,选用钻进禁用钢粒钻进。由于所钻地层大部分为页岩和砂岩地层以及页岩、砂岩夹层,选择用钻头主要为状硬质合金钻头以及金刚石钻头,在少部分中硬—硬砂岩、页岩互层采用复合片钻头。

一、硬质合金钻进

1)钻头体用DZ40DZ50钢制作,长度大于45mm(不包括丝扣部分)。内圆上端锥度,直径小于110mm的钻头为3025’,其余直径钻头为1047’28’

2)钻头水口高度为10~25毫米,软岩一般为30mm

3)硬质合金内外出刃量不得大于2mm。出刃量应根据岩石软硬程度选定,硬质岩石应去最小值,内外出刃量一致;软质岩石取最大值,外出刃量大于内出刃量。每个钻头内外出刃量应一致,允许偏差为0~0.3mm

4)钻头切削具的刃尖角与切削角根据岩石的可钻性表(表3)选用。

3 切削具刃尖角与切削角

岩石可钻性等级

切削角

刃尖角

~

70~75

45~50

~

75~80

50~60

~

80~85

60~70

裂隙发育的非匀质岩石

90~-10

80~90

5)钻头镶焊硬质合金块的数量与岩石可钻性和钻头直径有关,可按表4选用。

4 钻头镶焊硬质合金块数量(块)

          钻头直径

岩石可钻性等级

75

91

110

130

150

~

4~6

6~8

8~10

10~12

12~14

~

5~6

6~8

8~10

12~14

14~16

卵石、砾石层

8~10

9~12

12~14

14~16

16~18

(6)硬质合金在钻头上的排列方式应根据岩石性质决定。软质岩石采用单排排列,中硬以上岩石用多排排列,坚硬及多裂隙性、非匀质的岩石宜用密集排列。

(7)钻头压力可根据岩石性质和钻头上硬质合金块形状、数量、磨损程度与钻进是否安全等因素决定。不同硬质合金能承受的压力,按表5选用。

5 硬质合金块承受能力

合金形状

承受压力(KN/块)

破片状

0.5~0.6

方柱状

0.7~1.2

八角柱状

0.9~1.5

针状合金胎块

1.5~2.0

8)转速根据岩石直径和钻头直径选定。软质岩石以轻压和快转为主较硬的、非匀质的、研磨性中等的岩石以低、中转速为主。常用硬质合金钻头转速按表6选用。

6 转速(r/min

钻头                 直径(mm

岩石性质

75

91

110

130

150

研磨性弱的岩石

300~350

250~300

210~250

180~210

150~180

研磨性中等的岩石

250~300

200~250

150~200

120~150

100~120

9)冲洗液量应根据岩石性质、钻头直径、孔壁情况、设备条件等因素确定,冲洗液量用上返速度计算时清水以0.25ms,泥浆以0.2m/s为宜。不同岩石各种口径钻进的冲洗液用量按表7选用。

7 冲洗液量(L/min

         钻头直径(mm

  岩石性质

75~91

110

130~150

研磨性弱的、有裂隙的岩石

60~65

85~100

100~125

研磨性中等的岩石

75~85

100~135

130~150

注:冲洗液量不能满足要求时,以水泵量最大有效输水量输送。

硬质合金钻进时应注意以下事项

1)新钻头下入孔时,应在钻头下至距孔底0.3~0.5m时,待冲洗液返至孔口后,采取轻压慢转扫孔到底,再逐渐增大压力,加快转速。

2)正常钻进给进压力应均匀,不宜提动钻具。如遇破碎岩石、换径、扩孔或者孔内留有残余岩心时则应逐渐减少压力和转速。

3)孔内应干净。当孔深岩粉不易排出孔外时应待取粉管。

二、金刚石钻进

1)金刚石钻头用于级及以上砂岩。

2)钻头压力根据岩石的可钻性、研磨性、完整程度、钻头底唇面积、金刚石粒度、品级和数量等确定。钻头压力按表8选用。

8 各类表镶和孕镶钻头采取的钻压值(dN)

钻头直径(mm

59

75

91

表镶

钻头

初始压力

50~100

100~200

250

正常压力

200~400

600~1000

800~1100

孕镶钻头

250~450

600~1100

800~1500

3)转速根据岩石性质、金刚石钻头类型选择。表镶金刚石钻头的线速度用1~2ms;孕镶金刚石钻头的线速度用1.5~3.0ms;不同直径的金刚石转速可按表8选用。孕镶钻头尽量不要在低转速下钻进,当钻进强研磨性、粗颗粒、破碎的岩石以及钻孔弯曲、超径时,应适当降低转速。

9 金刚石钻头转速(r/min

       钻头直径(mm

   钻头种类

59

75

91

表镶钻头

300~650

200~500

170~450

孕镶钻头

500~1000

400~800

350~700

(1)           冲洗液量根据岩石岩石可钻性、研磨性、完整程度、钻进速度和钻头直径选择。不同直径的金刚石钻进冲洗液量可按表10选用。

10 金刚石钻进冲洗液量

钻头直径(mm

59

75

91

冲洗液量(L/min

30~45

40~60

50~70

金刚石钻进时,应注意以下事项

(1)           卡簧、扩孔器应与钻头配合,每次下钻前进行检查。卡簧的自由内径比钻头的内径小0.3~0.4mm;扩孔器的直径比钻头的大0.3~0.5mm,硬质岩石为0.3mm,钻软质岩石韦0.5mm

(2)           钻具水路必须顺畅,钻杆丝扣等处不得漏水。钻头水口应及时磨修,水口高度不得小于3mm

(3)           下钻具当钻头离孔底1m左右时应开泵送水,然后缓慢下放,当距0.2~0.3m时,采取慢转、轻压到底。新钻头必须进尺0.2~0.3m后才逐渐采用正常参数钻进。

(4)           岩心必须用卡簧卡取。取心时必须先停止回转,再将钻具提离孔底拉断岩心。残留岩心超过0.2m时采用岩心捞取器捞取。

三、钻探冲洗液

根据该地层情况,本孔主要以不分散低固相泥浆正循环钻进方法为主,冲洗液的选用及比重按水源勘探孔的技术要求,选用泥浆护壁,其泥浆的比重不大于1.15,并满足钻孔综合测试要求。比重:1.05~1.15,粘度:18~25s,失水量:8~15ml/minPH值:8~9

4.3.4孔斜预防

1)采用经纬仪安放钻机钻机,钻机安装应稳定,立轴不得旷动,钻进时合箱螺丝应拧紧,并不得使用弯曲钻杆。

2)孔口定向管定位准确、牢固。开孔钻进时,应轻压慢转,并随孔深加长粗径钻具。

3)钻进中应减少换径次数,换径时可采取导向钻具导向,钻进深度1~2m后再换径钻进。到一定深度后采用钻铤加压。

4)当岩层由软变硬时采用慢速轻压钻进一定深度后,改用硬岩层的钻进参数。当钻进破碎带、软硬互层等岩石时,粗径钻具长度不得小于4m

第四节 测试设备与步骤

4.4.1测试设备

DZ--1孔地应力测试采用“钻孔水压致裂法”。钻孔水压致裂法地应力测量主要设备由三部分组成:一是钻孔承压段的封隔系统,它由串联在一起的两个封隔器组成。跨接封隔器座封之后,在两个封隔器之间形成一个钻孔承压段的空间,承受逐渐增大的液压。二是加压系统,包括大流量高压力的液压泵,对封隔器和钻孔承压段分别加压的管路系统以及地面上可以自由控制压力液体流向的推拉阀。三是测量和记录系统,包括函数记录仪、压力传感器、流量传感器、压力表等。

4-2为宜轻型封隔器示意图,总长约3.4m,胶筒长1.2m,座封后形成的液压段长度为1m

4-2   1.推拉阀  2.连接杆  3.接头  4.封隔器 

5.下封隔器接头6.中心拉杆  7.压裂段花杆 8.座封高压管

 

 

 


4-3 水压致裂法测量系统示意图

 


4.4.2测试步骤

钻孔水压致裂法地应力测量的压力管路系统分双管加压系统和单管加压系统。此次测试为单管加压系统,单管加压系统的管路是钻杆,测试过程中依靠安装在钻孔孔口的推拉阀控制压力液体的流向,分别对封隔器和钻孔压裂段加压。

4-4 水压致裂法地应力测量压裂过程曲线

 

在进行正式钻孔水压致裂测试之前,必须对钻孔的透水率、钻孔倾斜度等进行检查,同时根据工程需要选择合适的压裂段,并对每根加压钻杆进行密封性检验。钻孔水压致裂法测试步骤如下:

(1)           座封:通过钻杆将两个可膨胀的橡胶封隔器放置到选定的压裂段中,加压使其膨胀、座封于孔壁上,形成承压段空间。

(2)           注水加压:通过钻杆推动转化阀后,液压泵对压裂段注水加压(此时封隔器压力保持不变),钻孔孔壁承受逐渐增强的液压作用。

(3)           岩壁致裂:在足够的液压作用下,孔壁沿阻力最小的方向出现破裂,该破裂将在垂直于横截面上最小主应力的平面内延伸。与之相应,当泵压上升到临界破裂压力后,由于岩壁破裂导致内压力急剧下降。

(4)           关泵:关闭压力泵后,泵压迅速下降,按后随着压裂液渗入到岩层,泵压下降缓慢。当压力降低到使裂缝处于临界闭合状态, 时的压力,即垂直于裂缝面的最小主应力与液压回路达到平衡时的压力。称为瞬时关闭压力。

(5)           卸压:打开压压力阀卸压,使裂缝完全闭合,泵压记录降为零。

(6)           重张:按25步骤连续进行多次加压循环,以便取得合理的压裂参数,以判断岩石破裂和裂缝延伸过程。

(7)           解封:压裂完毕后,通过钻杆拉动转化阀,使封隔器内液体通过钻杆排除,此时封隔器收缩恢复原状,即封隔器解封。

(8)           破裂缝方向记录:采用定向印模器,通过扩张印模胶筒外层的生橡胶和能自动定向的定向器记录破裂缝的长度和方向。

第五节 测试结果与分析

4.5.1测试过程控制

在测试部位用两个可膨胀的橡胶封隔器封隔测试段的顶、底部后对封隔段施加液压随着流体压力的逐渐增加导致孔壁有效切向压应力逐渐减少并改变为张应力。当切向有效张应力等于或大于岩石的抗张强度就会在孔壁上产生破裂在持续压力过程中获得第一瞬时压力(Ps1)即初始垂直裂缝和第二瞬时闭合压力(Ps2)、抗张强度(T)、破裂压力(Pb)等参数。通过SH=T+3Sh-Pb-Po计算即可获得测试段的最大水平主应力和岩石的抗压强度。地应力方向是采用自动定向印模器直接将孔壁上的裂隙痕迹印模下来进行测定。

测试之前观测分析岩芯选择较完整的岩石段测试然后将封隔器及测试设备放入测试段。在测试过程中由于接受压力-时间记录的传感器放在地面故记录到的是地面岩石破裂压力(Pb地面)、地面瞬时变化压力(Ps地面)和地面重张压力(Pr地面)。它们与PbPsPr的关系为

Pb =Pb地面+PH;Ps=Ps地面+PH;Pr=Pr地面+PH

式中PH为压裂处的静水压力。

当水压裂隙产生后便可进行裂缝方位测定以便确定最大水平主应力。方法是:采用自动定向印模器将定向器和印模器组合在一起使各自的基线标记相重合用钻杆将其放入预定测试裂缝的部位进行加压印模同时定向器定时接通光源电路使罗盘磁针投影到刻度盘上并感光到照相纸上。于是便可得到磁针方向与定向器刻度盘基线方向的夹角φ。印模器卸压收缩脱离孔壁取出印模器获得基线与垂直裂缝之间的夹角ψθ=180°-(φ-ψ)计算出磁针与裂缝之间的夹角θ

4.5.2测试结果分析

(1)363.41486.15m测试范围内获得了6个测段深度的地应力数据。其中最大水平主应力为1521MPa最小水平主应力为1014MPa。将地应力测试结果与根据岩体埋深估算的垂向应力比较认为测区附近的地应力状态基本表现为:SH>ShSv即水平应力大于垂向应力据此可知测点附近存在较为明显的水平构造作用。

(2)地应力随孔深(363.41486.15m)变化不大未出现随孔深增加而增大的趋势。在靠近洞轴线的深度486.15 m应力值反而变小其最大水平主应力为15.18MPa最小水平主应力10.44MPa。该测段应力值较小与附近存在破碎带或软弱地层所致。

(3)根据地应力测试结果,,得到了相应测段的岩体原地抗张强度其最小值1.24MPa最大值为5.89MPa6个测段的平均值为3.90MPa

(4)由该钻孔印模测试结果表明测点附近最大水平主应力的方向为N75°E左右与隧道轴线方向相差不,较有利于隧道洞壁的围岩稳定。

由于隧道埋深较大地应力值也较高。计算隧道围岩应力集中最高可达42.40MPa大于岩石单轴抗压强度。因此在隧洞开挖过程中对完整而脆硬的地层存在发生岩爆的可能性;对岩石强度较低的地层则存在发生软岩变形的可能。结合地应力背景判断YDK381+020+750YDK38+150YDK385+250段为隧道洞身埋深(>410m)较大地段有发生弱岩爆的可能。其余软质岩地段当埋深大于400m时可能出现软岩塑性变形。建议隧道结构设计采用似椭圆形考虑地应力作用应加强衬砌、加密加长锚杆长度、加钢丝网等。施工时针对岩爆、软岩变形病害应加强超前地质预报及时采取有效预防措施。


第五章  结束语

钻孔水压致裂法地应力测量是目前国内外地应力测量的方向,它可在一个钻孔内根据需要得到不同深度的地应力。与其他测量方法相比,钻孔水压致裂法具有以下优点:钻孔水压致裂法不需要套心,不受测量深度限制;钻孔水压致裂发不需要使用变形记或应变计,因此,钻孔水压致裂法施测的范围较大,且不必知道岩体的弹性参数。但是钻孔地应力测试同时也是在一定的假设基础上的,所以有必要对各种假设情况展开讨论。

1.关于岩石在力学性质上的各向同性问题

钻孔水压致裂法地应力测量从原理到方法以及计算主应力大小和方向的公式,都是建立在以假定岩石是各向同性体为前提的理论基础上的 但是,由于岩石内含有大量孔隙,裂隙、节理以及沉积环境和岩浆流动所造成的矿物成份和组织结构的不均匀,实际岩石的力学性质是各向异性的。将实际的弹性模量各向异性的岩石,简化为各向同性体来进行地应力测量,会使测得的主应力太小、方向和性质,均能与实际情况产生严重的偏差。

2.关于测量的时间效应

在当代地应力测量中,都假定了被测的岩石是线弹性的。但对于岩石,严格地讲,虎克定律只适用于在极短的时间内加卸载情况,当受力时间延长时,由于岩石发生了蠕变,并在蠕变第一阶段其塑性变形量相当大,因而已不遵循线弹性规律。

3.关于岩石力学性质的多变性

岩石是结构复杂的多晶体,其弹性模量是应力增加速度、增加级量、应力大小、加载次数和卸载后恢复时间的综合函数。而且也只有当受载时间极短时,联系其应力和应变关系的模量才是弹性的,即其所联系的应力和应变升降变化可逆。不同岩石受载后弹性模量的恢复速度不同,同一种岩石所受载荷大小不同恢复速度也不同,所受载荷越小恢复得越快。但在当前的地应力测量中,却把岩石的弹性模量假定为某一岩石的恒量,而忽略了岩体中应力大小、变化速度、变化量级、变化次数和受各种量级应力作用后的恢复时间的影响。

练上所述, 把岩石的各种力学性质,假定为各向同性的、均匀的、线弹性的、恒定的,这是地应力测量中所用各种方法的共同性问题,然而这些假设有可能在比较复杂的地层中引起很大的误差。

同时,由于钻孔水压致裂法是在钻孔中进行的,以往使用这种方法测试时,更多的是关注了测试本身虽引起的误差,忽略了钻孔和钻进过程可能对测试带来的影响,即钻孔效应。而实际上,钻孔钻进是地下隐蔽工程,孔内情况很难非常准确的掌握。在钻进过程中,由于各种冲击,冲洗液的冲刷、渗漏的都已经或多或少地改变了地层岩石的初始应力。所以,对于地应力测试钻孔有必要制定更为详细的章程或者规定,以减少钻探的影响。

本论文是在实践的基础上进行理论分析,总结探索钻孔水压致裂法地应力测试方法的,尽管力尽最大努力,但是由于时间、能力有限,文中还有许多不足之处。

第一、       在钻孔水压致裂法测试的基础上,原生裂隙水压致裂法三维地应力测量应运而生,此方法可以和钻孔水压致裂法结合使用,这样既避免了钻孔水压致裂法法在处理孔隙水压力和岩体抗拉强度时带来的误差,又可为原生裂隙法法提供理想裂隙。鉴于笔者能力有限,未能就两种方法的结合展开详细讨论。

第二、       就钻孔水压致裂法开展的假设条件未能展开定量的分析,尤其是钻孔效应在地应力测试方面的影响国内鲜有学者进行讨论,还有待更进一步的研究。

第三、       在论文创作过程中,参考了大量科技文献,但是由于时间精力有限,未能对参考文献逐一展开详尽阅读,引用部分结论可能与原作者的使用条件有些许出入。


 

致谢

首先,要感谢我的指导老师李粮纲教授。从毕业实习到毕业论文的最终完成,老师都给予我悉心的指导和热忱的鼓励。在毕业实习和准备毕业论文资料的过程中,为我提供参考;耐心认真的和我讨论论文写作思路;详细的讲解毕业论文的写法;字斟句酌的为我指出论文写作中的不足。老师严肃的科学态度、严谨的治学精神、精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我,不仅授我以文,而且教我做人。

同时,也要感谢中铁一院集团甘肃勘察院的武承玺队长、杨进副队长、张浩、朱绍磊和毛永生,是他们在我毕业实习中给予帮助,并认真解答我的问题。特别是张浩师兄,当我在实习单位时给了我无私的帮助,同时在我论文选题方面给了良好的建议。

衷心的感谢大学四年所有关心和帮助我的领导、老师和同学。尤其是工程学院的许多老师和校团委曾艺老师,在我这四年成长的过程中扮演了非常重要的角色,他们在传授我专业课知识的同时,还教我如何成长、如何做人。感谢我的室友们以及校青协的所有同学,正是你们的友谊、你们的帮助、支持和鼓励,我的大学生活才如此的精彩!

真诚的谢谢我的父母,焉得谖草,言树之背,养育之恩,何以为报,唯有加倍努力,勤学上进。祝你们永远健康平安!

大学四年,虽不敢说无怨无悔,但确实收获颇丰。专业知识的学习,充实了我的头脑。学习之余的社会工作实践活动教我学到了课本之外的东西,学会了勇敢的面对自己该面对的事情,主动的解决必须解决的问题,学会了多方位看待事物。在此,我也希望在以后的工作中能进一步提高自己的自学能力、工作能力,丰富自己的专业知识,开阔视野,然后自信满满的走入成功,回报地大,回报社会!

光阴似箭,回首往昔,谨在此说声:谢谢,地大!

 


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