（岩土工程专业论文）云南大理—丽江新建铁路线松树圆隧道地应力测试及其工程意义.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 对于云南大理一丽江新建铁路线松树圆隧道埋深在2 0 1 2 1 2 m ，本文 对水压致裂法地应力测试进行研究。主要开展的工作有：( 1 ) 通过在隧道 中部钻孔d z - - 松一l 进行水压致裂法地应力测试，获得隧道围岩的现今地 应力状态；( 2 ) 运用三维有限元数值模拟计算结果综合分析，给出工程区 地应力的赋存规律和基本特征；( 3 ) 对隧道走向选取进行评价；( 4 ) 对隧 道洞室最佳截面形状与尺寸进行讨论；( 5 ) 隧址区岩爆预测及处理建议；( 5 ) 围岩稳定性评价。论文主要成果概述如下： 1 、松树园d z 一松一l 孔测区最大水平主应力值为4 3 2 - 1 4 m p a 。工程区 应力场以水平应力为主导，应力状态属压扭断层状态，最大水平主应力方 向为n e e 向，拟建隧道走向为n n w ，地应力方向对隧道稳定性具有一定的 影响，具备发生岩爆的地应力条件，有发生中等岩爆的可能性； 2 、对工程区三维地应力场进行了数值模拟分析，结果表明：地应力 场在断层部位的应力值总体有所降低；在洞轴线上，埋深越大，地应力值 相对较高； 3 、隧道中部围岩为级，洞口段围岩为v 级。 4 、隧道最佳开挖尺寸为长轴水平、短轴直立，两者之比为1 6 9 ：1 的 略扁平似椭圆形状。 5 、隧道洞身部位为白云质灰岩，其洞身部位也有可能以塑性变形的 方式释放弹性应变能。建议采用掘进机施工，少采用矿山法施工；在开挖 面上采取有效施工组织降低洞周的应力。 关键词：隧道，地应力测试，水压致裂法 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a bs t r a c t r o c ks t r e s ss t a t ei ns i t uc o n s i s t si ns t r a t u ma n dn o ti nd i s t u r b a n c eb a n d ， a 1 s oc a l l e di n i t i a ls t r e s so fr o c km a s s u t t e rs t r e s so rf o r m e rr o c ks t r e s s ，a n d c a l l e di n s i t us t r e s si ne n g i n e e r i n e mt o o i ti st h ee s s c n t i a lp o w e rt h a ta r o u s e s d i s t o r t i o na n d d e s t r o yi nr a i l w a y , h i g h w a y , m i n i n g ，w a t e rr e s o u r c e s a n d h y d r o p o w e r , c i v i le n g i n e e r i n g ，m i l i t a r y a f f a i r sa n do t h e ru n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n go re x c a v a t e dg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gi nt h eo p e na i r a n di ti s t h en e c e s s a r yp r e m i s e sf o rm a k i n gs u r em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fe n g i n e e r i n g r o c km a s s ，a n a l y z i n gs t a b i l i t yo fw a l lr o c k s c i e n t i f i cd e s i g n i n ga n d d e c i s i o n - m a k i n gf o re x c a v a t e dg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g r e s u l t so f r o c k s t r e s sm e a s u r e m e n t sc a nt e l lt h es i z ea n dd i r e c t i o ni nt h er o c km a s s ，t h e r e b y s u p p l yg i s tf o ra n a l y z i n gt h em e c h a n i c a ls t a t eo fr o c km a s se n g i n e e r i n ga n d f o rs h o r i n ga n dr e i n f o r c eo fr o c km a s s i ti sw e l l k n o w nt h a t 也ew a l lr o c k s t a t eo f1 a n e w a yi nf l e e tu n d e r g r o u n dc a l lb ed i v i d e di n t ot h r e er e g i o n s ：z o n e o ff r a c t u r e s e c t i o no f 矗c t i l el i m i tb a l a n c e , s e c t i o no fe l a s t i c i t ya n di n i t i a lr o c k s t r e s s 1 1 1 a tc a nb ea n a l y z e db yt h ee x i s t i n gt h e o r yo fe l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t y r o c km a s ss t r e s sm e a s u r e m e n t sa r ec l a s s i f i e dt oi n i t i a ls t r e s sm e a s u r e m e n t a n dd i s t r i b u t i n gs t r e s sm e a s u r e m e n ti nu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g r o c km a s s s t r e s sc a nb em e a s u r e di n b o r i n gh o l e s t h eo p e na i ra n di nt h ew a l lo f u n d e r g r o u n de x c a v a t i o n , a n dc a nb ea l s oo b t a i n e df r o mr e v e r s ec o u n t i n g a c c o r d i n gt ot h ed i s p l a c e m e n ti nt w op o i n t si nu n d e r g r o u n de x c a v a t i o n 。r o c k s t r e s sm e a s u r e m e n ti n c l u d e st w om e t h o d s ：f i r s t h a n dm e t h o da n db a c k h a n d e d m e t h o d t h eb e l o wf o u rm e t h o d sa r ea b r o a da p p l i e df i r s t h a n dm e t h o d s ：t h e f l a tj a c km e t h o d ，t h eh y d r a u l i c f r a c t u r i n gm e t h o d , r i g i d i t yr o u n d i n g s t r e s s - m e t e rm e t h o da n ds o u n d t r a n s m i t t a lm e t h o d a n dt h eb a c k h a n d e d m e t h o d s m o s t l y i n c l u d et h eo u t e r - h o l e s t r e s s r e l e a s em e t h o d ，p a r t s t r e s s - r e l e a s em e t h o d ，r e l a x a t i o ns t r a i nm e t h o da n dg e o p h y s i c a ls o u n d e x ，a n d t h eo u t e r - h o l es t r e s s - r e l e a s em e t h o di sam o r em a t u r em e t h o di nt h e b a c k h a n d e dm e t h o d s t h eh y d r a u l i cf r a c t u r i n gm e t h o d s t r e s s r d e a s em e t h o d a n ds t r e s s c o m e b a c km e t h o da r em o r ea p p l i e du s u a l l y i n i t i a ls t r e s sm e a s u r e m e n ti nt h eh y d r a u l i cf r a c t u r i n gm e t h o do nt h e f o u n d a t i o no fe l a s t i c i t ym e c h a n i c s ，t h eh y d r a u l i cf r a c t u r i n gm e c h a n i c sf o r m e ri s p r e d i g e s t e dap l a n es t r a i np r o b l e m a c c o r d i n gt oc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gi n t h e o r y , t h i sp l a n es t r a i np r o b l e mc a nr e s u l ti nt h ep o t e n t i a lm l ea n dt h ee s s e n t i a l c h a r a c t e r f i r s t ，a n a l y z i n gt h ec u r v eo fr o c ks t r e s sm e s s u r e n l e n t ，w ec a no b t a i n c h a r a c t e rp r e s sp a r a m e t e rp b p ra n dp s a n da c c o r d i n gt ot h ec o r r e s p o n d i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 a c a d e m i ec a l c u l a t i o ne x p r e s s i o n s ，w ec a l lo b t a i nt h er o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r v a l u e sa tm e a s u r e m e n ts p o t ：m o s th o r i z o n t a ls t r e s ss h ，t h el e a s th o r i z o n t a l s t r e s ss ha n dt h et e n s i l es t r e n g t ho fr o c ki nt h eh y d r a u l i cf r a c t u r i n gka n d t h es p l i ta z i m u t hc a nb ed e t e r m i n e db ym a k i n gu s eo fd i r e c t i o n a lm o u l a g e m e t h o d ，i no r d e rt od e t e r m i n i n gt h ea z i m u t ho fm o s th o r i z o n t a ls t r e s s s e c o n d ， a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o nf e a t u r e so ft h er o c ks t r e s s ，c o m b i n e dw i t ht h e m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h et u n n e lw a l lr e e k s 。t h es t r e s sf i l e di nt h et u n n e l a r e ai ss i m u l a t e db yu s i n gt h et h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t s f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ei n s i r es t r e s sm e a s u r e m e n t sa n dt h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t e d e m e n tc a l c u l a t i o n , t h eb a s i cf e a t u r e sa n dd i s t r i b u t i o no ft h er o c ks t r e s si n e n g i n e e r i n ga r e a a r eg i v e n , a n dt h ep o s s i b i l i t yo fo c c u r r e n c eo fg e o l o g i c a l h a z a r d ss u c ha sr o c kb u r s t sd u r i n ge x c a v a t i o no ft h et u n n e li sa n a l y z e d f u r t h e r m o r e , t h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h el i n i n gd e s i g no ft h et u n n e l ，c h o i c eo ft h e t u n n e l sc r o s ss e c t i o na n dd e t e r m i n a t i o no ft h ea x i a ld i r e c t i o no ft h et u n n e li s p r o v i d e d k e y w o r d s ：t u n n e l 、r o c ks t r e s sm e a s u r e m e n t 、h y d r a u l i cf r a c t u r i n g 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律后果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 通过对隧道设计钻孔的洞身段及以上多段进行地应力测试，并分 析其成果； 2 通过输入地层岩性、岩体自重、地质构造作用、结构面等要素， 采用地应力回归分析，并建立物理模型，进行三维地应力有限元计算，分 析获得整个隧道地应力的分布特征； 3 通过对岩石坚硬程度、岩体完整程度、地应力、地下水、断层等 结构面的分析，进行隧道围岩分级、稳定性评价、隧道轴线走向、断面形 状、断面尺寸的确定。 。 者勾毛己岳7 、j v 一 。v 加j 年易月，夕日 西南交通大学曲南父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西适用本授权书。 学位论文作者签名：丰弓缸乙乏 日期：撕s 年么月7 日 指导教师签名：嘞l 7 爻一 日期：z 椰孑年石月r 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1页 1 绪论 1 1 地应力测试的目的及意义 岩体地应力也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力，在工程界又称原 地应力，是在天然状态下，存在于地层岩体内部中未受工程扰动的天然应力。 岩体初始应力是三维应力状态，一般为压应力。初始应力场受多种因素的影 响，一般来讲，其主要影响因素依次为埋深、构造运动、地形地貌、地壳剥 蚀程度等。 云南省作为中国诬部少数民族聚居省份和旅游发展大省，新建云南大 理一丽江铁路线具有非常重要的战略意义。该铁路线是云南省西北部的一 条重要交通线，是规划滇藏铁路线的重要组成部分，南联昆明一大理铁路 线大理站，往南延伸将联接规划泛亚铁路西线大理一瑞丽线，往北延伸将 联接规划铁路大理一香格里拉线。它不仅对于改善云南省西北部大理一丽 江旅游线交通状况具有重要意义，还将促进沿线地区少数民族的经济发展， 而且对于西藏地区民族稳定和我国西南边防建设的后勤保障都具有重要战 略意义。 随着我国西部大开发战略的推进，西部新建、改建或增建的铁路将经 过地形地貌和地质构造复杂的山区，不可避免将穿越高山狭谷。深埋隧道、 特长隧道将遭遇复杂的局部构造应力场。 地应力是引起铁道隧道开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定隧 道围岩力学属性，进行围岩稳定性分析，实现隧道轴线方向选择、隧道断 面形状、支撑设计或工程开挖设计和决策科学化的必要前提。岩体应力测 量的目的是在于了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工程 的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。因此，探讨地应力对该隧道 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 施工及运营可能带来的工程地质问题具有重要的理论意义和现实意义。 本文选择云南大理一丽江新建铁路线松树圆深埋隧道的地应力测试作 为研究课题，目的是通过测试方法及其测试结果，得出本条线路深埋隧道 地应力在深度和洞轴线的分布特征，探讨地应力对该隧道施工及运营可能 带来的工程地质问题，对于以后新建、改建或增建铁路，在其初测阶段、 定测阶段或补定测阶段的铁路选线、隧道轴线走向选择方面提供参考依据。 1 2 地应力测试方法简介 众所周知，隧道开挖将引起岩石应力重分布，浅部( 深度小于1 0 0 0 m ) 巷 道围岩状态可以分为三个区域，即破裂带、塑性极限平衡区、弹性区和原岩 地应力区，可使用现有的弹塑性力学理论进行分析【l 】。岩体应力量测可以分 为初始应力量测和地下工程应力分布量测。岩体应力量测可以在钻孔中、露 头上( 测斜坡应力) 和地下洞室的岩壁上进行，也可以在地下工程中根据两点 间的位移来进行反算而求得。地应力测量方法分为直接法和间接法两大类， 扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法是实际测量中较为 广泛应用的四种直接测量法，间接测量法主要有套孔应力解除法、局部应力 解除法、松弛应变测量法和地球物理探测法，其中套孔应力解除法是间接测 量法中发展较为成熟的一种。通常应用较多的方法是应力解除法、水压致裂 法、应力恢复法，其中水压致裂法是钻孔内进行深部地应力测量的较好方法。 应力解除法又称套芯法，是在未经扰动的岩石中钻一个测量孔，将传 感器放入测孔中，然后在测孔外同心钻取岩芯，使岩芯与围岩脱离，岩芯 上的应力被解除。2 0 世纪5 0 年代以来，世界各国研制了各式各样用于应力 解除法的测量传感器，大致有以下三类：钻孔位移法、钻孔应力法、钻孔应 变法：孔底应变法；孔壁应变法。 应力恢复法又叫平面千斤顶法。将已解除了应力的岩石用平面液压千 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 斤顶使其恢复到初始应力状态，即使仪器读数恢复到应力解除前测得的数 值。这时从压力表上读出的液压千斤顶的压力就是岩石中的应力。 水压致裂法初始应力测量是以弹性力学为基础，将水压致裂的力学模型 简化为一个平面应变问题，通过理论计算和分析而获得一定范围内地应力的 赋存规律和基本特征。首先，利用钻孔内封隔段压裂地应力测量的实测记录 曲线进行分析，得到特征压力参数p b ( 临界破裂压力) 、p f ( 裂缝重新张开的 压力) 、p 。( 瞬时关闭压力) ，再根据相应的理论计算公式，就可得到测点处 的s h 和s h ( 最大和最小水平主应力) 量值以及t h f ( 岩石的水压致裂抗张强度) 等岩石力学参数。之后，用定向印模法即可进行裂缝方位的测定，以便确定 最大水平主压应力的方向。其次，根据地应力分布特征，结合隧道围岩的力 学参数，利用三维有限元对工程隧道区进行应力场模拟。最后，根据初始应 力测量及三维计算结果进行综合分析，给出工程区地应力的赋存规律和基本 特征。 水压致裂法的基本点是通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压将 孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的 压裂过程中泵压表头读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。通过 回归分析、有限元分析和工程岩体应力场模拟，可推算得到工程岩体的应 力场分布值。 在松树圆深埋隧道的地应力测试中采用水压致裂法。 1 3 水压致裂法研究现状 水压致裂法是2 0 世纪7 0 年代初发展起来的一种应力测量新方法。这 一方法由于操作方便，且无需知道岩石的力学参数，直接测定原岩应力的 大小，而且测量不受深度限制，具有其他原岩应力测量方法不可比拟的优 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 点，水压致裂技术是目前测量深部地壳应力惟一而可靠的实用方法 4 1 。这一 方法在近3 0 年来得到了很大的发展( h a i m s o ne ta 1 ，1 9 7 0 ) ，并在世界各国 的地应力测量中得到了广泛应用( r u m m e l ，1 9 8 3 ；h i r o a k it s u k a h a r a ，1 9 8 6 ； 郭启良等，2 0 0 2 ) 。由于水压致裂法测量应力不需要套芯，所以可在深井中 测量地壳深部的应力，测量深度己达5 1 0 0 m 1 2 1 。以前在单一垂直钻孔中只能 进行水平主应力测量，垂直应力按岩层的容重计算求得，现在已发展为可 直接测量垂直主应力( 刘允芳等，2 0 0 3 ) 。正是由于水压致裂应力测量方法 的发展，使之已经成为比较成熟的测量技术，并在各类地下工程的勘测设 计中得到了普遍应用。 随着地应力测量技术更趋成熟和计算机技术的普遍应用，地应力场的 计算方法和计算技术也得到迅速发展，根据生产实际的需要，国内科研院 所先后提出了边界载荷调整法、应力回归分析法、应力函数趋势分析法等 把实测点应力转化为场应力的理论和方法。它们的共同特点是以实测地应 力值为依据，结合工程区域的地形地质条件，建立有限元或边界元数学模 型，利用数理统计原理，拟合出与实测应力值残差平方和最小的地应力场， 使实测数据得到更合理的应用。从而把原岩应力的研究理论从点应力阶段 推向场应力设计阶段。通过局部初始应力测量，如通过对隧道某钻孔内的 地应力测量，确定隧道围岩的现今地壳应力状态，即初始应力的大小和方 向。运用三维有限元数值模拟技术进行应力场模拟综合分析。根据初始应 力测量及三维计算结果进行综合分析，给出工程区地应力的赋存规律和基 本特征，并进一步分析研究隧道开挖中发生岩爆等地质灾害的可能性，同 时为隧道的衬砌设计、断面选择以及轴线方位的确定提供设计依据。 本文拟解决的关键问题是，云南大理一丽江新建铁路线松树圆隧道， 需要通过地应力分布特征评价隧道轴线走向、进行隧道断面选择、围岩分 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 级、岩爆预测并为隧道的衬砌设计提供设计依据。 根据国内外地应力测量现状，如选择应力解除法，不但需要增加设计 钻孔，目前国内还不能在大于1 0 0 m 深度钻孔内进行测试，还需要从国外引 进测试单位，这将既增加费用成本，又不现实；如选择应力恢复法，只能 在隧道的岩壁及底板上进行测量，对于高地应力区的隧道设计，不允许边 施工边设计；而水压致裂法，测量不受深度限制，具有其他原岩应力测量 方法不可比拟的优点，因而，经铁二院地勘分院( 勘察设计单位) 批准，同 意此次地应力测试采用水压致裂法。在d z 一松一1 进行地应力测量，获得隧 道围岩的现今地应力状态，即初始应力的大小和方向，运用三维有限元数 值模拟计算结果综合分析，给出工程区地应力的赋存规律和基本特征。 1 4 主要研究内容及方法 主要研究内容： 1 工程区的地质环境条件：地层岩性、地质构造、地震活动性、新构 造运动； 2 原岩应力水压致裂法测量原理、测试数据分析方法； 3 地应力测试结果综述及对测试结果进行分析； 4 三维地应力综合回归分析，工程区纵断面现今地应力场特征分析； 5 隧道走向选取问题、隧道形状和隧址区岩爆问题讨论。 主要研究方法： 1 工程区地质环境资料收集、分类整理与综合分析； 2 配合隧道勘察设计单位在钻孔选择测试段和确定测试方法，并在钻 探完成后及时进行钻孔内深部原始地应力测量； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 3 根据取样实测岩石物理力学性质，通过建立物理模型和有限单元网 格化，进行三维地应力综合回归分析，得出隧道工程区的地应力场分布规 律，并进行工程区纵断面现今地应力场特征分析； 4 根据隧道工程区的地应力场分布规律，为隧道走向选取、隧道形 状、预防岩爆和施工提出建议。 1 5 工作概况 新建云南大丽线松树圆和笔架山隧道工程由铁二院地勘分院进行勘察 设计，由四川省地矿局物探队下属四川省西南大地工程物探有限公司( 以 下简称西南大地公司) 完成地质钻探，其初始应力测试工作是由西南大地 公司委托中国地质科学院地质力学研究所完成。按照设计安排，在松树圆 和笔架山两个深埋隧道的勘察钻孔中采用水压致裂进行地应力测试，测试 点从孔口下l o o m 深开始，每2 0 m 一个测试点。松树圆隧道设计长度 5 2 6 7 o o m ，设计埋深2 1 7 o o m 、设计隧道路肩经过钻孔部位深度为2 2 2 3 m 。 钻孔d z 一松一1 完成钻探深度为2 3 0 2 9 m 。通过初始应力测量，确定隧道围岩 的现今地壳应力状态，即初始应力的大小和方向。根据地应力分布特征， 结合隧道围岩的力学参数、围岩的工程地质特性等，运用三维有限元数值 模拟技术对松树圆铁路隧道工程区进行了应力场模拟综合分析。根据初始 应力测量及三维计算结果进行综合分析，给出了工程区地应力的赋存规律 和基本特征，并进一步分析研究了隧道开挖中发生岩爆等地质灾害的可能 性，同时为隧道的衬砌设计、断面选择以及轴线方位的确定提供设计依据。 松树圆隧道钻孔d z 一松一1 在白云质灰岩地层中，局部地段岩石破碎， 裂隙发育，进行了8 段测试，2 段印模和定向。 为了提供三维有限元计算所需的岩石力学参数，于钻孔中采集了岩石 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 样品，进行岩石力学试验，获得了相应岩石的抗压强度、抗张强度、弹性模 量以及泊松比等参数。在有限元计算过程中，还参照了铁二院实验室完成的 有关岩样的岩石力学参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 工程区地质环境条件 拟建的大丽线铁路其松树圊和笔架山隧道，位于云南大理白族自治州 洱海东侧的挖色乡和洱源县右所镇焦石洞村，区内风景秀丽交通方便( 见 图2 - 1 ) 。2 1 4 国道从工作区西部通过。工程位于云贵高原腹地，云南省的西 北部的横断山中南部山区海拔约1 8 0 0 2 8 0 0 m ：气象特点为北亚热带与中 亚热带湿润气候区。工程区内的断裂构造以n w 及n e 向最为发育，区内新 构造运动强烈，地质构造卜分复杂，现代地震活动亦很活跃，构成了工程 区的主要地质构造特征( 见图2 2 ) 。 21 地层岩性 图2 1 工程区交通位置图 沿线地层岩性复杂多变，沉积岩、变质岩和岩浆岩均有出露，其分布 主要受区域断裂构造控制。根据钻孔地质资料，主要地层有第四系、第三 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 系、二叠系、石炭系等。其中，第四系主要为坡残积层，红褐色或黄色粘 土组成：二叠系主要为二叠系下统( p 1 ) 灰一白色灰岩夹灰黄色角砾状灰岩； 石炭系中上统( c 2 + 3 ) 岩性为灰黄色泥质灰岩、灰白、深灰色灰岩、浅黄、灰 白色泥质角砾状白云质灰岩。 上述二叠系、石炭系为松树圆隧道主要通过地层。 22 地质构造 图2 - 2 工程区区域新构造及地震震中分布图 工程区位十青减高原的东南边缘地带，所经地区位十我国出南部的扬 子准地台丽江台缘褶皱带的鹤庆一洱海台褶束地带，褶皱及断裂构造发育。 该地区的构造变形，以断块中的南北向褶皱发育为特点。褶皱两翼对称， 平缓开阔。沿边界断裂以线状褶皱为主，远离边界断裂，则为短轴褶皱。 本区西南部，由于受维西一乔后、红河断裂带和格咱河断裂带南段的影响， 构造形变以北西向断裂为主，褶皱次之。褶皱多表现为走向北西的不对称 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 线状背、向斜，发育多不完整。鹤庆以南的黑泥哨地区，出现东西走向的 紧密线状褶皱，轴面大部向北倾斜，伴随此组褶皱同时出现一组压扭断层。 区内褶皱为印支末期，又有喜马拉雅期褶皱作用迭加，并形成局部压扭一推 覆构造。 区内断裂构造较为发育，主要为区域性大断裂，走向为北西向及北东 向。与线路有关的断层主要有f l 断层。 2 3 地震活动性 云南地震沿北西、北东和南北向呈地震带分布，并与活动断裂带分布 一致，互为直接的因果关系。除个别岩浆冲击地震外，绝大多数为构造地 震，其震源深度j 安l o k m 左右、2 0 k n ：l 左右、4 0h l 左右三层垂直分布特点，最 深亦不超过5 0k m 。 2 4 新构造运动 始新世末印度次大陆与欧亚太陆的碰撞，导致了大规模的喜马拉雅运 动，是云南省新生代构造轮廓形成的主导因素。碰撞效应形成陆壳的“迭 加 ，使云南高原崛起，西藏东部岩壳向东南方向推挤，亦改变了云南发育 历史较长的断裂运动方式，并形成新的断裂形式。因此，北西向断裂呈现 集束撒开的空间形态，并一致呈右行斜滑运动，如红河断裂( 见图2 2 ) ； 南北向断裂呈左行走滑；北东向线性断裂带呈左行斜滑，并具有鲜明的新 兴的发展中的构造特点。同时，它们的相互交切，在大理、昆明地区形成 两大南北走向的张裂地带。 云南的现今构造运动与喜马拉雅运动时期以来的基本运动特征相似， 并具有继承性运动特点。地震构造基本特征分析和地震地质、地球物理等 资料表明：地震带的分布受相应地震断裂的控制，与强震活动密切有关的 地震构造是南北、北东、北西向这三组活动断裂带。主要活动断裂的力学 运动方式为左行或右行滑动。南北向小江断裂为左行走滑断裂，地震破裂 带长达8 5 k m ；北西向曲江断裂，红河断裂为右行滑动；北东向断裂为左行 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 1 页 滑动。因此，现今地震构造活动的基本特征是以水平走滑为主要形式。 大理地区的垂直差异运动亦十分强烈。此外，地震构造各种特征都反 映多向断裂相互交切、制约的构造活动特点。碱性玄武岩、玄武安山岩为 主，并追踪南北、北西和北东三组断裂呈线性排列。普洱地区火山口较少， 喷发物为次碱性玄武岩，面积甚小。此外，在n ) i i 至大理一带亦有第四纪 岩浆小规模侵入体，温泉遍及云南全省。 2 5 岩体工程地质特性 为了进行大丽线铁路隧道稳定性分析，从野外现场采集岩石样本，进 行了岩石力学性质试验。岩石采样地点为隧道沿线d z 一) 除一1 钻孔。岩样为现场 采集的岩芯、为浅黄灰白色白云质灰岩，无裂隙，岩石较为完整。 本次试验项目包括：1 岩石抗张强度试验，2 岩石单轴压缩即变形试 验。试验标准依照t b l 0 1 1 5 9 8 和水电部颁发的水利水电岩石试验规程( 8 1 ) 的标准进行。 表2 - 1 工程岩石物理力学性质测定表 隧岩 天然 饱和 孔隙弹性 抗压强度r点荷载强度i s 道石 容重容重 壅 泊松比 模量 ( m p a ) ( m v a ) 名名 称称 斟m k n m 3 1 0 4 m p a 单值均值单值均值 2 6 2 2 6 8o 2 8 0 2 2 3 1 l3 8 1 03 8 l c 2 + 32 6 52 6 80 4 30 3 43 5 34 8 4 04 8 4 松 白 树 石 2 6 82 6 2o 3 80 6 3 3 4 63 5 4 63 5 5 质 3 8 2 23 8 2 圆 2 6 72 6 00 4 0o 6 03 2 33 7 0 33 7 0 灰 岩 2 6 72 5 8o 3 8 o 5 03 3 43 4 2 13 4 2 2 6 52 6 50 3 90 4 53 3 63 6 1 0 3 6 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 3 水压致裂法的基本原理及方法 水压致裂法地应力测量，是2 0 世纪7 0 年代发展起来的能够测量地壳深 部应力可靠而有效的方法。该方法是19 8 7 年国际岩石力学学会试验方法委 员会颁布的确定岩石应力建议方法中所推荐的方法之一，是目前国际上能 较好地直接进行深孔应力测量的先进方法【3 1 。该方法无需知道岩石的力学参 数就可获得地层中现今地应力的多种参量，并具有操作简便、可在任意深 度进行连续或重复测试、测量速度快、测值稳定可靠等特点，因此近年来 发展很快，并取得了大量的成果。 3 1 测量基本原理 水压致裂初始应力测量是以弹性力学为基础，并以下面三个假设为前 提： ( 1 ) 岩石是线弹性和各向同性的； ( 2 ) 岩石是完整的，压裂液体对岩石来说是非渗透的； ( 3 ) 岩层中有一个主应力分量的方向和孔轴平行。 在上述理论和假设前提下，水压致裂的力学模型可简化为一个平面应 变问题，如图3 一l 所示。 0 t0 - (1)(2) ( 1 ) 有圆孔的无限大平板受到应力0 1 和o j 作用( 2 ) 圆孔壁上的应力集中 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 根据弹性力学原理，在作用有两向主应力a 1 和0 2 的无限大平板内，有一 半径为a 的圆孔，则圆孔外任何一点m 处的应力为： q = 半旧+ 孚 ，等爿础乡 = 半旧一半 + 爿c o s 2 p b ， 一学it 等等卜 式中0 。、0 厂- 水平作用的两向主应力； a _ 圆孔的半径； ，m 点到圆孔中心的距离； 0 一o 。方向起反时针量测的角度； 0 。径向应力； 0 。切向应力； t 棚应力。 当1 - - a 时，即为圆孔壁上的应力状态： o - ，= 0 仃口= p l + 仃2 ) 一2 p l 一仃2 ) c o s 2 a f 坩= 0 ( 3 2 ) 由式( 3 2 ) 可得出如图3 1 ( 2 ) 所示的孔壁a 、b 两点及其对称处( a7 b ) 的应力集中分别为： 吼= o a ，= 3 0 2 一q ( 3 3 ) = ，= 3 q 一吒 ( 3 4 ) 液压大于孔壁上岩石所能承受的应力时，将在最小切向应力的位置上， 即a 点及其对称点a7 处产生张破裂。并且破裂将沿着垂直于最小主应力的方 向扩展。此时把孔壁产生破裂的外加液压称为临界破裂压力。临界破裂压力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 等于孔壁破裂处的应力集中加上岩石的抗张强度，即： p b - - 3o2 一ol + t h f ( 3 5 ) 式中p b 临界破裂压力； t h f 岩石的抗张强度。 若考虑岩石中所存在的孔隙压力，将有效应力换成区域主应力，则式 ( 3 5 ) 将变为： p b - - 3 s 2 一s 1 + t h f p o( 3 6 ) 式中p o 岩石中所存在的孔隙压力； s 。、s 2 - 初始应力场中的最小和最大水平主应力。 在垂直钻孔中测量地应力时，常将最大、最小水平主应力分别写为s h 和s h ，即s i = s h ，s 2 = s h ，当压裂段的岩石被压破时，p b 可用下列公式 表示： p b - - 3 s h s h + t h f p o ( 3 7 ) 孔壁破裂后，若继续注液增压，裂缝将向纵深处扩展。若马上停 止注液增压，并保持压裂回路密闭，裂缝将停止延伸。由于地应力场 的作用，裂缝将迅速趋于闭合。 通常把裂缝处于临界闭合状态时的平衡压力称为瞬时关闭压力， 它等于垂直裂缝面的最小水平主应力，即： p 。= s 五( 3 8 ) 式中p 。瞬时关闭压力； 如果再次对封隔段增压，使裂缝重新张开时，即可得到裂缝 重新张开的压力。由于此时的岩石已经破裂，抗张强度t h f = 0 ， 这时即可把( 3 7 ) 式改写成： p ，= 3s h s h p o ( 3 9 ) 式中p r - 裂缝重新张开的压力； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 用( 3 7 ) 式减( 3 9 ) 式即可得到岩石的原地抗张强度： t h f - - p b p r ( 3 1 0 ) 根据( 3 7 ) 、( 3 8 ) 、( 3 9 ) 式又可得到求取最大水平主应力s h 的公式： s h = 3 p s p r - - p o 垂直应力可根据上覆岩石的重量来计算： s 、，= p g d 式中s 、，- 垂直应力； p 一岩石密度； 重力加速度； d 一深度。 3 2 测试及数据分析方法 3 2 1 水压致裂测试方法 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 水压致裂初始应力测量方法就是：利用一对可膨胀的封隔器在选定的 测量深度封隔一段钻孔，然后通过泵入流体对该试验段( 常称压裂段) 增压， 同时利用x y 记录仪记录压力随时间的变化。对实测记录曲线进行分析，得 到特征压力参数，再根据相应的理论计算公式，就可得到测点处的最大和 最小水平主应力的量值以及岩石的水压致裂抗张强度等岩石力学参数。 现场测试采用双回路水压致裂地应力测量系统。测试系统如图3 2 所示。 所谓双回路，就是用两个独立的加压系统通过实现向封隔器和试验 段加压。其特点是在测量过程中，可同时观察封隔器和试验段内的压力 变化，一旦发现封隔器座封压力不够或封隔器密封不好时可随时进行补 压，为测量数据的可靠性提供了保证。 水压致裂法的现场测试程序如下： ( 1 ) 选择试验段 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 封 水压致裂地应力测量系统原理图 图3 2 双回路水压致裂地应力测量系统示意图 测试段选取的主要依据是：根据岩芯编录查对完整岩芯所处的深度位置 以及工程设计所要求的位置，为使试验能顺利进行，还要考虑封隔器必须放 置在孔壁光滑、孔径一致的位置。为确保资料分析和满足技术合同要求，在 钻孔条件允许的情况下应尽可能多选试验段。 ( 2 ) 检验测量系统 在正式压裂前，要对测试所使用的封隔器及压裂系统进行检漏试 验，一般试验压力不低于4 0 m p a 。为确保试验数据的可靠性，要求每 个接头密封处不得有点滴泄漏。另外，还要对封隔器、印模器所使用 的低压卸压阀进行现场调试，开启压力根据测试段深度而定，本次 2 3 0 m 孔段开启压力为5 m p a ，同时对仪器设备进行检验标定，以保证 测试数据的准确性和可靠性。 ( 3 ) 安装井下测量设备 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 用钻杆将一对可膨胀的橡胶封隔器，放置到所要测量的深度位置。 ( 4 ) 座封 通过地面的加压系统，给两个一米长的封隔器同时增压，使其膨 胀并与孔壁紧密接触，即可将压裂段予以隔离，形成一个密闭空间( 即 压裂试验段) 。 ( 5 ) 压裂 利用高压泵通过高压管线向被封隔的空间( 压裂试验段) 增压。在增压过 程中，由于高压管路中装有压力传感器，记录仪表上的压力值将随高压液体 的泵入而迅速增高，由于钻孔周边的应力集中，压裂段内的岩石在足够大的 液压作用下，将会在最小切向应力的位置上产生破裂，也就是在垂直于最小 水平主应力的方向开裂。这时所记录的临界压力值p b ，就是岩石的破裂压力， 岩石一旦产生裂缝，压力将急剧下降。若继续保持排量加压，裂缝将保持张 开并向纵深处延扩。 ( 6 ) 关泵 岩石开裂后关闭高压泵，停止向测试段注压。在关泵的瞬间压力将 急剧下降；之后，随着液体向地层的渗入，压力将缓慢下降。在岩体应 力的作用下，裂缝趋于闭合。当裂缝处于临界闭合状态时记录到的压力 即为关闭压力p s 。 ( 7 ) 卸压 当压裂段内的压力趋于平稳或不再有明显下降时，即可解除本次封 隔段内的压力，连通大气，已张开的裂缝闭合。 在测试过程中，每段通常都要进行3 5 个回次，以便取得合理的应力 参量以及准确判断岩石的破裂和裂缝的延伸状态。 水压致裂过程中所得到的典型压力一时间曲线如图3 3 所示。 3 2 2 印模定向试验方法 所谓定向印模法，是用一个可用水力压胀的套筒，上覆以很软的橡胶 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 膜，当用压力将此套筒紧压孔壁时，孔壁情况即刻印在软胶膜上，定向后 从钻孔中取出，即可看清破裂面的发育方位。此方位即为区域应力场中的 水平最大主应力的方向。 在封隔段压裂测量之后即可进行裂缝方位的测定，以便确定最大水平 主