小型水压致裂法在断层破碎地层隧道地应力测试中的研究应用.docxVIP

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小型水压致裂法在断层破碎地层隧道地应力测试中的研究应用

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邹友

摘??要：断层破碎地层隧道的地应力测试具有重要意义，不仅可掌握隧道地应力情况，更能为隧道的设计施工提供重大指导。以大亮山隧道断层破碎地层为研究对象，采用小型水压致裂法对地应力进行测试。本文对小型水压致裂法地应力测试原理、测试流程及测试设备进行了阐述，并对地应力测试结果进行了分析，以期掌握隧址区地应力分布，进而为隧道的设计施工提供重要参考。

关键词：断层破碎地层?隧道地应力测试?小型水压致裂法

：U45??????????????????：A????????????文章編号：1674-098X（2019）05（b）-0042-04

1?工程概况

大亮山隧道位于云南省云县境内，海拔高程介于1197.60～2525.30m之间，属高中山构造剥蚀地貌区。隧道进口附近有南汀河断裂（F99），距隧道区约500m，自云县山盆地沿南桥河向西南经勐定、勐旨，顺南汀河过热水塘、勐简西北，经勐定清水河延入缅甸，全长约200km。该断裂在全新世活动剧烈，1000年以来发生过2次断错地表地震事件。地震的活动性较强，为发震断裂。断裂走向北东南西向，倾向138°～154°，倾角50°～70°，断裂带宽约70～150m。

2?地应力测试方法确定

地层原位地应力大小和方向测试对隧道设计及施工具有重大意义。通过原地应力测量，确定隧道围岩的现今地壳应力状态。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，给出隧址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以及大变形的可能性。地应力测试的CZK111-3号孔在测试过程中由于钻孔井壁不稳定，测试设备在上提过程中由于井壁掉块卡在井内400m处，且有150m左右的钢丝绳断落在井内;CZK111-5号孔由于孔壁不稳定，涌水、返砂等情况较严重。鉴于上述情况，决定采用小型水压致裂法进行地应力测试。小型水压致裂法地应力测量，是一种能够可靠而有效地测量地壳深部应力的方法，被认为是目前最可靠和有效的深层地应力测试方法。

3?地应力测试基本原理及流程

通过注入高压、小体积流体，测试层位中产生张性裂缝并向影响范围之外的原始地层扩展;接着终止注入流体，随压力下降裂隙逐渐闭合。基于理论分析降压曲线，得到裂隙破裂闭合压力及地层最小主应力。小型压裂地应力测量的基本原理见图1，基本流程见图2。

4?地应力测试设备

本次小型压裂地应力测试采用单回路地应力测试系统。测试施工设备示意图见图3，该测试系统由地表压力系统、地表压裂控制系统、地表数据采集系统和井下封隔器组成。封隔器通过钻杆连接到地表的压力系统。地表的压裂控制系统实现了压裂、稳流和回流测试的独立控制。数据采集系统选用地表数据采集系统，主要用于实时的施工压裂检测和分析，包括2个压力传感器（最大压力35MPa）、2个流量仪（最大压力35MPa）及1套数据接收系统，工作参数见表1。

5?地应力测试结果

对CZK111-3、CZK111-5号孔1个层位的小型压裂地应力测试结果进行分析。每个测试层位均是在75mm的裸眼测试孔中使用跨式封隔器系统进行测试，封隔器测试段间隔为0.7m。测试中使用的封隔器通过75mm绳索钻杆运送至测试层位。测试用清水通过钻杆注入至测试段。通过两个放置在地表的压力传感器实时记录注水压力，一个放置在井口，一个放置在泵的注入端。根据测试要求以及测试孔岩心、钻孔泥浆等实际情况，均选定1个测试段。测试层位、岩性及测试时间见表2。

表3总结了CZK111-3、CZK111-5号孔地应力测试结果。每个测试层位均可以看到明显的地层破裂压力行为，即在每个测试中均产生了裂缝。通过现场实时分析可以看到明显的裂缝闭合。地层最小主应力是通过小型压裂测试直接测量，竖向应力通过岩石密度估算（考虑岩石密度为2.60g/cm3），地层最大水平主应力是通过裂缝开裂（重张压力），地层最小主应力以及无限平面中圆孔周围的弹性力学应力解估算。在估算地层最大水平主应力时，做了以下假定：

（1）测试孔是竖直的，即岩层中的竖向主应力平行于孔轴;（2）测试孔在测试段内为圆形并且测试孔相对地层是无限小的，这个假定确保了弹性力学解的实用性;（3）岩层中的孔隙压力为静水压力;（4）岩石的渗透率较低，即在小型压裂过程中，测试孔内的流体压力不会在短时间内影响岩石的孔隙压力。如果以上假定不成立，需要重新由耦合的孔隙弹性力学估算大主应力。

测试结果具有高可信度，特征如下：（1）至少有4个周期未见泥浆返液;（2）明显的地层破裂;（3）从诊断性分析曲线中可以看到明显的裂纹闭合;（4）不同测试周期的裂缝闭合压力具有一致性;（5）使用不同的分析方法得到