摘要：N-J工程引水隧洞下平段部分区域需要从Jhelum河的河底穿过，该区域围岩工程地质条件极差，且充水运行后隧洞衬砌需承受较高水头压力，设计采用压力钢衬取代钢筋混凝土衬砌从而为该段有压隧洞后续运行的安全可靠提供保证。特采取水力阶撑试验以验证压力钢衬的必要性及确定其长度。水力阶撑试验是通过模拟测试段裂隙岩体在高压水头下的破坏过程，从而确定岩体承载能力。本次试验通过选取大量点位进行多次试验，得到了本工程穿河段区域岩体全面可靠的承载能力数据，为确定压力钢衬的长度提供了理论支撑 ，从而达到了优化设计，节约工程承成本的目的。水力阶撑试验由于能充分模拟工程运行条件下的工况，所得到的数据真实可靠，从而可直接用于指导建筑施工设计，在未来施工领域具有广阔应用前景。
关键词：水力阶撑；阶撑压力；承载能力；压力钢管
N-J水电工程设计从C1标大坝引水经C2标引水隧洞至C3标厂房进行发电，其中C2标引水隧洞T3a~T3c段从JHELUM河底穿过，JHELUM河河道宽度约100~110m，枯水期水面宽度约70~80m，引水隧洞穿河段最小埋深约165m。穿河段设计为双线洞，开挖断面为马蹄形断面，断面尺寸为8.55m×9.05m(宽×高)。前期取芯勘探及实际开挖揭露岩层显示，该段砂岩与泥岩互层发育，其中砂岩多裂隙发育，透水性强，泥岩透水性弱，但岩石强度极低，自稳能力差。该段在开挖过程中，掌子面曾出现较大涌水，虽然对该段掌子面采取超前灌浆堵水的措施，但仍有部分区域由于岩石过于破碎且涌水量极大，无法正常止水，造成大面积塌方。这种特殊的地质条件对引水隧洞衬砌提出极高的要求。
引水隧洞C1标高程986.005m，穿河段河中点桩号ST.D4+560.0处高程为602.608m，两处水头差为383.397m。由于较大的水头差，对引水隧洞的裂隙岩体承载能力提出了较高要求,又由于穿河段特殊的地质条件，为保证该段引水隧洞安全稳定的运行，根据设计需在引水隧洞斜洞下半段以及下平段进行水力阶撑试验，以确定该段围岩的承压和抗渗能力，从而确定钢衬安装的必要性及其长度。
1基本理论
岩体既有裂隙在承受一定的张应力下，随着时间的延长或者水头压力的提高，岩体裂隙间的充填物间的胶结会发生断裂破坏从而使岩体失去承载能力。水力阶撑试验是通过使用高压泵向钻孔内封闭测试段持续注水加压，模拟测试段裂隙岩体在高压水头下的破坏过程，从而测定其承载能力的实验。早在1987年,T.W.Doe和G.E.Korbin[1]就对水力阶撑试验进行了定义，并较为详细的论述了该方法用于地应力测量的试验步骤和原理。目前该技术在国外[2]~[4]已经大量成熟地应用于测试裂隙岩体的承载能力，以此选定地下承压建筑的位置、确定其安全性，同时还可应用于确定有压隧洞的钢衬长度。充分利用岩体的承载能力对于科学的优化工程设计、减少投资、缩短工程建设周期，均具有重要的实际意义[5]。
在水力阶撑实验初始阶段，向裂隙岩体测试段内注水，初始流量较大，随着测试段及围岩裂隙空间被水充满后，流量逐渐变小达到稳定。通过控制调节流量阀，升高试验压力并维持一定时间，此时岩体裂隙闭合，渗流流量受控于水压力并遵循达西定律。随着压力的升高，裂隙面逐渐由闭合状态转变为张开状态，流量迅速提升或突然增大，流体状态由层流变为紊流，则可推断该试验段裂隙岩体被破坏，此时作用在裂隙面法线方向的有效应力与试验水压平衡，这一临界压力在水力阶撑试验中被称为阶撑压力。
2试验内容
试验在T3a~T3c段钻爆开挖过程实施，为尽可能的避免影响钻爆开挖，部分实验采取开挖壁龛或者在双线洞之间的联系洞内实施。试验设备和方法与水压致裂法测地应力的内容基本相同，但本次试验只进行裂隙岩体的承载能力测定试验，因此不必对钻孔试验段的裂隙数量严格要求，只需选择相对完整区域便于阻塞器座封，这样更有利于反映试验区域围岩的真实承载能力。试验设备包括阻塞系统：阻塞器及阻塞器供压泵；压力系统:压力泵、压力传感器、流量控制阀；数据采集系统：数据记录仪及高精度流量传感器。试验钻孔要求：钻孔直径76mm，其中孔口两米段镶嵌钢套管，为消除应力重分布及爆破损伤的影响，试验深度全部必须大于两倍开挖洞径即18m。试验时根据钻孔岩心情况，尽可能选取长度大于2m的合适区域作为测试区。
3试验步骤及技术要求
3.1系统连接检查：检查试验设备、电路连接是否正确，检查试验阻塞系统的密封性。
3.2座封：检查岩心的完整性确定符合试验条件岩心的深度，安装阻塞器至该深度使阻塞器与钻孔底部形成封隔断，座封压力控制在12.0MPa以上确保其在孔内高压下仍能保持密闭。试验过程中跟踪监测并保持该座封压力。
3.3试验操作：
3.3.1注压：在整个测量系统安装及检查完毕后开始通过压力泵向试验系统注水，通过调节流量控制阀控制试验压力，起始压力为1.0MPa。
3.3.2加压：逐渐升高试验压力，每0.5MPa设置为一个压力阶，每个压力阶持续压水时间不少于5min。本次实验设计压力不得低于8.5MPa。
3.3.3观测：试验过程中，观察试验数据及P-T、Q-T曲线判断裂隙岩体是否破坏失去承载能力。
3.3.4卸压：当围岩被破坏，试验压力不能升高（渗流流量过大）或者达到最高试验压力时即可关闭压力泵卸压，同时使阻塞系统卸压，使压力管路与大气相通。
3.4裂隙岩体破坏的判断：通过观察数据采集系统的流量变化，维持试验压力不变，流量显著升高，或者流量突然增大且通过调节流量阀不能维持该阶段试验压力，可知裂隙岩体被破坏。稳定岩体（图1）与失稳岩体（图2）具有明显差异。
图2 失稳岩体Ｐ－Ｔ、Ｑ－Ｔ曲线
3.5每次升压需等试验流量稳定或者维持该阶压力所需流量降低。
3.6每个测试段需进行至少3个循环的测试，各循环测试间隔不少于15min。
3.7试验结束标准：经过多次测试，所得试验数据均一致或者多数保持一致即可终止该试验。如果有10%以上的误差，则需要再次进行试验。
3.8试验测量数据处理：根据数据采集系统所记录数据绘制Q-P曲线，如裂隙岩体发生破坏，则对测量曲线选用双切线法确定破坏压力Pj，，也称为阶撑压力。多次试验后，选取有效数据并取平均值作为该处阶撑压力。图3为NJBH-29-cycle1 P-Q曲线。
图3 NJBH-29-Cycle1 P-Q曲线
4 数据处理
本次试验共选取32处测点，其中NJBH-01~NJBH-18的最高试验压力为5.0MPa，在该压力下，全部试验测点均未发生破坏，虽然其满足承载能力需求但无法获悉各测点的阶撑压力即实际承载能力。为得到更加可靠的和准确的阶撑压力，经过对试验设备的升级，NJBH-19~HJBH-32处测点最高试验压力提升为10.0MPa。
桩号为D4+002.0处，编号为NJBH-30A钻孔，首先在深度为26.0m处进行了试验，共进行了两次循环，当压力升至1.0MPa时，渗透流量达到30L?min-1。随后增大试验深度至29.5m，成功进行一次峰值为10.0MPa的试验，三次峰值为8.5MPa的试验，均得到有效数据，见表1。
桩号为D4+050.0处，编号NJBH-28钻孔共进行6次循环试验，其中第一循环试验当压力升至4MPa时，流量突然增大，无法升至更高压力，试验结果剔除该次试验数据。编号NJBH-28-2钻孔压力升至8.5MPa后，流量未发生突变，未得到该处阶撑压力。
桩号为D4+095.0处，编号为NJBH-31钻孔，在深度为24.5m处进行了5次峰值压力为9.5MPa的试验，在深度为30m处进行了2次峰值压力为10MPa的试验。反复试验后得到较为理想的数据，如表1所述。
表1 各关键测点水力阶撑实验结果
桩号D4+115.0处，编号为NJBH-24钻孔，在深度为25.0m处进行了6次试验，得到的阶撑压力为5.7MPa。编号为NJBH-24-01处在6~8m处发生塌孔，不能安装阻隔器，放弃该孔，未进行试验。编号为NJBH-24-02处，共进行了6次试验，最小峰值压力7.5MPa，最大峰值压力为10.0MPa，裂隙均未张开。
桩号为D4+785.0处，编号NJBH-26钻孔有较大涌水，压力升至2.0MPa后，流量陡升，无法继续升高压力。经过灌浆处理后，在不同深度共计进行了6次水力阶撑试验，试验结果见表1。
桩号为D4+825.0处，编号为NJBH-29钻孔，在不同深度共进行了6次试验，均取得成功并获得阶撑压力，试验结果见表1。
桩号为D4+885.0处，编号为NJBH-32钻孔，在24.0m深处共进行了6次峰值压力为10.0MPa的试验，最大渗流流量不超过5.0L?min-1，推测该段没有原生裂隙或者裂隙未张开，未得到阶撑压力。
5 结果分析
经过对32个测点试验，引水隧洞D3+2688.97~D4+095.00段、D4+825.00~D4+1062.46(T3C)段所进行的水力阶撑试验中，在高压下围岩未明显破坏因而未得到阶撑压力或者围岩发生破坏但是所得阶撑压力较高，即该段围岩自身的承载能力能够满足引水隧洞承压要求。D4+095.00~D4+825.00段水力阶撑试验显示，该段部分钻孔由于裂隙发育造成塌孔而取消试验，其余钻孔成功进行水力阶撑实验并获得阶撑压力，但阶撑压力过小，不能满足引水隧洞承载能力要求。综合考虑水力阶撑实验结果及该洞段工程地质条件，最后决定在D4+096.00~D4+828.00段安装压力钢衬。
通过本次水力阶撑试验得到了NJ项目穿河段地层全面、可靠的承载能力数据，为工程设计和施工从围岩承载能力方面提供了可靠地指导依据，从而达到节约成本，优化设计的目的。
在工程实践中，各种复杂多变的地质条件对工程的施工及建成后安全运行形成很大挑战。水力阶撑试验设备要求简单、易操作，根据对围岩承载能力测试结果，制定科学、合理的设计方案。其主要可应用于灌浆压力确定、地下厂房和深埋输水管道衬砌方案的选定、以及山体滑坡、矿山涌水的预测[6]等方面，对在地质条件较差区域的建筑设计施工具有重要指导意义。在基础施工方面具有很大的应用发展前景。
参考文献
[1] T.W. Doe (Associates),G.E. Korbin (Orinda) A Comparison Of Hydraulic Fracturing And Hydraulic Jacking Stress Measurements[A]Proc 28th us symposium on Rock Mechanics [c] . Tucson,1987.283-290.
[2] Choi, S. (2014). Determination of in situ stresses normal to a fracture around an internal pressure tunnel by hydrojacking testing. Tunnelling and Underground Space Technology, 40, pp.228-235.
[3] Rutqvist, J., Stephansson, O. 1996. A Cyclic Hydraulic Jacking Test to Determine the in-situ Stress Normal to a Fracture, Int. J. of Rock Mech. and Min. Sci. Vol. 33, p. 695–711
[4] Hartmaier, H.H., Dow, T.W., Dixon, G. 1998. Evaluation of Hydrojacking Tests for an Unlined Pressure Tunnel, Tunnelling and Und. Space Tech., V. 13, No. 4, 393–401.
[5]郭启良,冷鸿斌,李宏等.测定岩体原地承载力的水力阶撑测试技术及其应用[C].2003年全球华人中青年学者岩土力学与工程学术论坛论文集.2003:471-474.
[6]毛吉震,陈群策,张彦山.水力阶撑试验在水电工程的应用研究[J].岩土工程学报.2004,26(4):477-481.
论文作者:尹鹏,刘飞,甫东东
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/16
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