摘要：本文以大峡谷公路隧道工程为背景，阐述了空心包体地应力计在大峡谷隧道地应力测量中的应用。采用空心包体地应力计对大峡谷隧道进口段的地应力测量，结合岩体本构关系计算得出最大主应力为39.28MPa，近似为水平主应力；中间主应力为21.67MPa，近似为竖向主应力；最小主应力为12.76MPa，也近似为水平主应力。参考《工程岩体分级标准》评价出大峡谷隧道所处围岩环境为极高地应力，开挖施工会时有岩爆发生、岩块弹出，进而在文章末尾给出了大峡谷隧道岩爆防治安全快速施工的建议。
关键词:公路隧道；应力解除法；现场测试；岩爆；隧道施工
一、引言
原岩指的是没有经过人工开挖且维持着自然平衡的岩体，天然存在于原岩内部的应力叫作原岩应力，又可叫作初始地应力。初始地应力主要由两部分组成，一是自重应力，二是构造应力，而地应力的形成就是由重力作用和构造运动引起的，这两者之间尤以构造运动对地应力的影响最大。蔡美峰等[1]通过采用空心包体地应力计测量某一矿区地应力也发现矿区地应力状态是由当地构造应力场控制，只要摸清楚某一地点的构造应力场，就可以总结出当地的地应力分布状态。但是自古以来地层的构造运动不计其数，每次构造运动的强度、规模、时长不能一一知晓，一次次构造运动的积累使得构造应力场衍变得更加复杂。因此，我们一般不能仅通过理论分析计算得到一个地区的应力分布，要具体获得应力大小还得通过现场测量的方法。任润厚[2]采用水压致裂地应力测试法进行了潞安矿区围岩地应力的测量，总结发现潞安矿区围岩的竖向地应力基本上是与巷道深度呈线性关系，随着深度的增加，地应力线性增大。在地质环境恶劣、高地压等问题下，隧道施工就会增大岩爆、崩塌、围岩大变形等隐患发生的几率，影响隧道快速安全施工。准确获得原岩应力状态，并用于指导隧道施工，是保证工程安全快速施工的必要途径[3-4]。
本文以大峡谷隧道为例，通过地应力测量获得大峡谷隧道原岩应力数据，加以分析得出原岩应力分布规律，为大峡谷隧道的快速安全施工提供安全保障。
二、工程概况
大峡谷隧道进口位于乐山市金口河区文店村枕头坝水电站江沟料场上游边界，岔河右岸斜坡中部，出口位于乌斯河镇对面凉山自治州甘洛县乌史大桥乡尔苦滩村边尔苦滩沟右岸机耕道边坡上，整体地势西高东低，地表起伏大，隧道附近的最高海拔大于m，最低点为隧道出口外的大渡河，海拔约.6m，相对高差近m，属高山峡谷地貌区。大峡谷隧道全长12.km，埋深高达m，是迄今世界上最大埋深的公路隧道，纵断面示意见图1。
隧道大半部分处于硬质围岩中，以Ⅳ级围岩为主。隧道洞身段主要以白云岩为主，白云岩整体岩溶不发育，但局部亦有溶蚀管道和大泉，故而洞身段可能会穿越岩溶较发育的段落，岩溶发育形式以管道溶蚀为主。隧道进口段穿越岩体中含有炭质板岩，具有生烃条件，但瓦斯等有害气体涌出可能性不大。整个隧道在高~极高应力条件下围岩大变形的可能性不大，但是在高~极高应力条件下硬质围岩发生岩爆的可能性较大，经现场地质勘探资料显示，综合判断为该隧道以弱~中等岩爆为主，局部可能出现强岩爆。由此可见地应力测试的重要性，对大峡谷隧道展开地应力现场测量，得出地应力分布规律，严防隧道岩爆事故，保证工程安全快速进行。
三、地应力测试原理及仪器
3.1
地应力测试方式方法比选
近几年来地应力测量常用的方法是应力解除法和水压致裂法[5]。应力解除法在测试深度上有限制，不能测量太深的地应力，而且测量需要很大的空间，但该法能够在钻孔中一次测得六个应力分量，属于三维应力测量方法，特别适合于已建矿山、隧道等工程。而水压致裂法在测试深度上没有限制，对大埋深隧道来说相对适用，但其所测结果并非真正意义上的三维地应力值。故而本次的地应力测量采用应力解除法。
国内外采用应力解除法原理制成的地应力测量仪器种类很多，而空心包体地应力计有很大的优点，那就是它只需要在测点处打设1个钻孔即可测出该测点的三维应力状态[6]。综合考虑后选择型号为ZZYT－的空心包体三轴地应力计。
3.2
空心包体地应力计简介
空心包体应变计是用环氧树脂制成的，其工作长mm，外径36mm，可安装在直径36~38mm的小孔中。在应变计中部位置处嵌埋三组电阻应变花，两两等间距且围绕着同一圆周布设，应变花都是由四支相互间隔45°的应变片组成。应变花在空心包体应力计的布设情况见图2所示。
ZZYT－型空心包体三轴地应力计结构示意如下图3所示。此地应力计中应变计能大范围的与孔壁粘贴在一起，故而两者之间的粘贴效果十分显著；再者，通过将胶结剂注入四周具有裂隙的破损岩层中，还能够提升空心包体地应力计防水性能的同时使得岩石具有更高的整体性。由于此种地应力计使用简单、安装便捷、测量效果好，空心包体三轴地应力计已成为了世界上最为普遍采用的地应力测量仪器[7]。
3.3
空心包体地应力测量原理
首先用空心包体地应力计测量岩石的变形，根据岩石的应力应变关系，间接性的计算得出岩石原本所处环境下的应力状态，得到围岩应力场，继而分析围岩应力分布规律。也即是说地应力的测量是一种间接性的测量，通过对岩石应变的测量，再通过岩石的本构关系间接计算得到最后的结果。
如图3所示的坐标系中，六个应力分量σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx的大小和方向代表了岩体中某个点的应力情况。这六个应力分量均是非零量，且在自然状态下是处于一种相互制衡的平衡状态，理论分析只能定性做出判断而不能定量计算，但是可以采用通过对围岩的扰动，打破原有平衡，使其从原有平衡过度到新的平衡状态，在这个过程，便可依靠应变计测量岩体应变从而间接实现应力的测量。
式(2)中的第一项积分没有震荡性，能够通过线性数字滤波法进行求解，而第二项积分是一类特殊积分，能够根据积分变换求解。得到响应后，根据中心点磁场响应的多项式形式进行拟合，可以定义视电阻率，奠定了三维瞬变电磁探测的理论基础。
四、地应力测试方案
4.1
地应力测点的选择
地应力测点的选择原则：
(1)地应力测点应设置在相当完整的岩体内，一般要远离断层、岩石破碎带；
(2)测点应在围岩状态未受扰动的原岩应力区；
(3)远离大空洞，如已有成型隧道或采空区等；
(4)钻孔一般向上倾斜3~5°以便排水出渣；
(5)所选测点要有足够的空间容纳钻机。
根据以上原则，结合《大峡谷隧道地质报告》、《大峡谷隧道初步设计》和隧道施工现状条件，围岩为微风化粉砂岩、石英砂岩和未风化白云岩，岩体裂隙不甚发育，属于IV级围岩。地应力测试钻孔位置须远离掘进掌子面，避免隧道开挖（爆破）和出渣的不利影响，最终选择测点位置为隧道右线右侧于K77+5处，钻孔位置见表1所示。
4.2
地应力测量步骤
4.3
应力解除试验结果
应力解除须在环氧树脂完全固化后进行，通过φ=mm的薄壁钻头进行套芯解除。由于岩石的弹塑性性质，未超过岩石弹性极限的条件下岩体压力的释放就会发生一定的弹性形变复原，由于应变片与岩芯很好的粘结在一起，岩石的形变会使应变计发生同步变形，每1cm作为一个应力解除循环，直到解除完包体工作长度。
根据现场实测发现，应变计上最大的读数在测量断面附近的地方，应变值随着套孔解除深度慢慢减小，减小幅度越来越慢，达到一定距离后应变值变得平稳。下表3所示即为各应计的最终稳定值。
4.4
套孔岩芯标定实验结果
岩石力学相关参数的获取通过室内试验获得，选择的试验样品须为距离现场测点最近的良好岩芯，为了保证力学参数的精确性，进行5次试验，取其平均值。试验之前加工成标准试件，如图9所示。
4.5
地应力计算结果
把室内试验测出的样品弹性模量、泊松比等这些岩石力学参数和现场测点测出的应变片的应变值均导入后处理计算软件中，便可计算的出现场所测地点处地应力的大小和方向。具体结果见下表5、表6所示。
由表5、6可知，大峡谷隧道在隧道进口K77+5处（埋深.8m）的最大主应力σ1=39.28MPa，与水平方向夹角仅1.37°，最大主应力近似为水平应力；中间主应力σ2=21.67MPa，与竖直方向夹角仅2.38°，近似为竖向主应力；最小主应力σ3=12.76MPa，与水平方向夹角仅1.94°，最小主应力近似为水平应力；最大主应力大于竖向垂直主应力，说明大峡谷隧道地应力场以水平构造应力场为主导。
4.6
地应力水平评价
隧道在进口段地应力状态属于极高应力状态，隧道在开挖掘进过程中会时有岩爆法发生，施工时需要预防块体弹出。
五、结论及施工建议
5.1
结论
（1）大峡谷隧道进口段的最大、最小两个主应力都大致为水平方向，另一个中间主应力的方向近似为竖直方向；其中最大主应力为最小主应力的3.08倍，最大水平主应力为竖直应力的1.81倍，这说明进口段的地应力场是水平构造应力场占主导地位。
（2）测点的最大水平主应力的方向为SW.03°，测点附近隧道轴线方向为NW°。可计算出最大主应力与隧道夹角为88.03°，最大水平主应力近似垂直于隧道走向，这将对隧道的稳定性极为不利，施工过程中一定要加强支护。
（3）根据《工程岩体分级标准》，计算得出初始应力评价指标K=2.，说明大峡谷隧道在K77+5点处围岩处于极高应力状态，施工当中时有岩爆发生、岩块弹出，施工时须严加防范。
不管是最大埋深处，还是进口段部分，隧道埋深都超过米，都属于大埋深段，在深埋隧道中，围岩地应力的主要构成部分都是构造应力。故而进行大峡谷隧道进口段地应力测量，对埋深最大处地应力有一定参考意义，可以帮助认识这一区域地应力的分布，后期会对埋深最深处做进一步的测试工作。
不管是最大埋深处，还是进口段部分，隧道埋深都超过米，都属于大埋深段，在深埋隧道中，围岩地应力的主要构成部分都是构造应力。故而进行大峡谷隧道进口段地应力测量，对埋深最大处地应力有一定参考意义，可以帮助认识这一区域地应力的分布，后期会对埋深最深处做进一步的测试工作。
5.2
建议
由测量结果可知，大峡谷隧道在进口段所处地应力环境为极高应力状态，很有可能发生强烈岩爆，为保证安全、快速施工，建议综合采用超前地质探测、预加固和预支护等措施，降低隧道施工风险，具体措施如下：
（1）加强地质超前预报、施工管控措施。
①施工前须采取地质超前预测预报工作，为岩爆的发生做好准备，减少事故发生;
②加强施工组织管理，提高人员安全防范意识;
③提前制定出岩爆发生后的应急方案。
（2）优化施工方案。
①减小爆破振动的影响。在岩爆频繁发生地段可采用小循环进尺，减小施工进尺，减少一次性装药量，就可以减少爆破振动的影响；还可以采用微差爆破施工，将一次性引爆的炸药量分批次引爆。
②采用挂网锚喷支护。打设锚杆提高围岩整体性，增强围岩内部稳定；喷射混凝土封闭岩面，围岩在约束下变形缓慢，减少岩爆发生频率；挂网将锚杆、混凝土、钢格架连在一起，提高了支护的整体性，增加支护的支撑能力。
③选择最佳支护时间。初支的施加时间需要控制好，不能过早也不能太晚。初支过早施加，岩爆的冲击力将会影响初支效果；初支施加过晚，便存在着施工安全隐患。
（3）加快围岩应力释放。
①钻应力释放孔。爆破完成后，可以在围岩四周钻应力释放孔，这种小孔的形成可以将整个大岩体拆分成多个小单元体，围岩的应力重分布便可以在这种小单元体内进行，为高地应力的释放提供较大空间[8]。
②开挖小段面。施工中可先开挖小断面，小断面的开挖使得围岩初步应力在狭小空间内完成大部分释放，等到扩挖时，围岩初步应力已经相对原岩应力很小。故而小断面先行的施工开挖方法提前释放了围岩应力，使得扩挖时岩爆发生的频率和强度大大减小。
参考文献
[1]蔡美峰,刘卫东,李远.玲珑金矿深部地应力测量及矿区地应力场分布规律[J].岩石力学与工程学报,,29(02):~.
[2]任润厚.潞安矿区围岩地应力分布规律[J].矿山压力与顶板管理,(01):~+.
[3]封崇德,赵虎.高频大地电磁测深在米仓山特长隧道勘察中的应用研究[J].兰州交通大学学报,(4):49~53．
[4]向波,李玉文.米仓山深埋特长隧道综合勘察技术应用[J].西南公路,(2):~．
[5]蔡美峰.地应力测量原理和方法的评述[J].岩石力学与工程学报,(03):~.
[6]王双红,张政辉,蔡美峰.套孔应力解除法在某边坡地应力测量中的应用[J].中国矿业,(01):63~66.
[7]闫振雄,王培涛.空心包体应变计地应力计算方法的探讨[J].岩石力学与工程学报,,37(S1):~.
[8]王献.秦岭终南山特长公路隧道岩爆的治理[J].铁道建筑,(10):50~51.
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