我國超深埋隧道原位地應(yīng)力測量綜述

我國超深埋隧道原位地應(yīng)力測量綜述

1淺部地應(yīng)力測量區(qū)域壓力是確定區(qū)域穩(wěn)定性的重要因素，也是各種地下或土壤工程變形和破壞的力。這是確定工程巖體的力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)工程巖體工程的科學(xué)評價(jià)和決策的先決條件。但地應(yīng)力作為固體地球物理學(xué)的一個(gè)分支,其測量與研究為一年輕學(xué)科。美國墾務(wù)局1932年在哈佛大壩泄水隧道采用表面應(yīng)力解除法進(jìn)行了世界首次地應(yīng)力實(shí)測。20世紀(jì)50年代Hast在瑞典拉伊斯瓦爾鉛礦和斯堪的納維亞半島4個(gè)礦區(qū)的大規(guī)模地應(yīng)力實(shí)測發(fā)現(xiàn)淺部地層水平應(yīng)力高于垂直應(yīng)力后,地應(yīng)力測量得到了迅速發(fā)展,僅1960-1974年間在0.5～3.0m的深鉆孔中就完成了3萬多次測量。Hoek&Brown統(tǒng)計(jì)了全球?qū)崪y水平平均主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨埋深的分布規(guī)律,見式(1)。式中:σv為垂直應(yīng)力;σH、σh為最大和最小水平主應(yīng)力;H為埋深(m)。地應(yīng)力研究已得到了關(guān)注,1986-1990年國際巖石圈計(jì)劃“世界地應(yīng)力圖”項(xiàng)目實(shí)施,1991年國際巖石圈委員會(huì)繼續(xù)將“世界地應(yīng)力圖”納入計(jì)劃。美國學(xué)者Zoback(1992年)據(jù)大量實(shí)測資料編制了首張世界應(yīng)力圖(WSM)。我國國家地震局專門成立地殼應(yīng)力研究所,并自1987年不定期出版“地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集”,1991-1997年間國家自然科學(xué)基金資助了中國地殼應(yīng)力圖項(xiàng)目。我國交通、水利水電和能源等行業(yè)快速發(fā)展,將在河谷縱橫、溝谷深切及深部興建大型工程,涉及復(fù)雜地形地貌和地質(zhì)條件下的邊坡、地基和地下工程,地應(yīng)力重要性日益顯著。現(xiàn)地應(yīng)力測量及地應(yīng)力場分析已廣泛用于礦產(chǎn)開發(fā)、水利水電、油氣井眼穩(wěn)定性分析、地?zé)衢_發(fā)、核廢料處置、地震預(yù)報(bào)、地殼強(qiáng)度評價(jià)、地球動(dòng)力學(xué)等方面的研究。本文介紹了我國地應(yīng)力測量和研究的發(fā)展歷程,著重總結(jié)了我國在鉆孔應(yīng)力解除法、水壓致裂法和其他常用原位地應(yīng)力測量方法及工程區(qū)初始地應(yīng)力場分析方面的研究進(jìn)展,并結(jié)合我國大地構(gòu)造環(huán)境及巖土工程的特點(diǎn),對原位地應(yīng)力測量和地應(yīng)力場分析研究的展望闡述了一點(diǎn)認(rèn)識。2應(yīng)力測量的拓展常用地應(yīng)力測量有應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法、水壓致裂法、鉆孔崩落法、震源機(jī)制分析法、地質(zhì)資料分析法、巖石強(qiáng)度估計(jì)應(yīng)力法、凱瑟效應(yīng)法(Kaiser法)、原子磁性共振法、同位素法等。根據(jù)測量原理可分為直接測量法和間接測量法。根據(jù)測量操作特點(diǎn),可分為鉆孔應(yīng)力測量、巖芯地應(yīng)力測量、巖石表面應(yīng)力測量和地質(zhì)構(gòu)造分析等。我國地應(yīng)力測量與研究起于50年代末,李四光和陳宗基為主創(chuàng)始人。我國于1962-1964年在三峽平善壩址區(qū)采用表面應(yīng)力法,獲得了地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果。1964年中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所在湖北大冶鐵礦進(jìn)行了淺層鉆孔應(yīng)力測量。1966年在李四光倡導(dǎo)下在河北堯縣建立了我國第一個(gè)地應(yīng)力觀測站。我國地應(yīng)力測量發(fā)展迅速,中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所、長沙礦冶研院地質(zhì)所、地質(zhì)礦產(chǎn)部地質(zhì)力學(xué)研究所、國家地震局地震地質(zhì)大隊(duì),水電系統(tǒng)的成都、東北水電勘察設(shè)計(jì)研究院和長江科學(xué)院等開展了地應(yīng)力測量研究。2.1孔內(nèi)電壓法鉆孔應(yīng)力解除法主要包括孔徑變形法、孔底應(yīng)變法和孔壁應(yīng)變法。(1)維應(yīng)力測試孔徑變形法通過測量應(yīng)力解除前后鉆孔孔徑的變化計(jì)算應(yīng)力,多采用壓磁和應(yīng)變式傳感器。70年代初國家地震局地殼應(yīng)力研究所(地殼所)與地礦部地質(zhì)力學(xué)研究所研制了YG-73型壓磁應(yīng)力計(jì),單孔可獲二維應(yīng)力,三孔交匯可獲三維應(yīng)力。李光煜、白世偉研制出了可測二維應(yīng)力的36-2型鉆孔變形計(jì)。李立球針對原YG-73型壓磁應(yīng)力計(jì)施測難,將預(yù)加壓裝置改為推拉式,開發(fā)出了YJ-8l型壓磁應(yīng)力計(jì)及配套MSM-86型數(shù)字式測量儀,提高了測試成功率和精度。針對YG-73型和YJ-8l型壓磁應(yīng)力計(jì)三孔交匯才可獲三維應(yīng)力的缺點(diǎn),李立球研制出了YJ-95型壓磁全應(yīng)力計(jì),單點(diǎn)便可獲三維應(yīng)力。胡斌和章光在原中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所36-2型鉆孔變形計(jì)的基礎(chǔ)上,通過增加8個(gè)軸向變形裝置,將其優(yōu)化成12分量的新型鉆孔變形計(jì),分辨率可達(dá)0.0001mm,直接進(jìn)行三維地應(yīng)力測量。(2)黎曼c(diǎn)ri門塞器孔底應(yīng)變形法通過測量鉆孔底部應(yīng)力解除前后的應(yīng)變變化來計(jì)算地應(yīng)力,該法因施測困難精度低,在我國的發(fā)展和應(yīng)用相對少。1972年長沙礦院對黎曼CSRI門塞器進(jìn)行了成功探索。煤科總院重慶分院針對日本單孔孔底應(yīng)變?nèi)S地應(yīng)力測量效果不理想,通過改進(jìn)工藝和計(jì)算方法,改進(jìn)了三維孔底應(yīng)變計(jì)。(3)淺孔ckx-97型空心包管式鉆孔三向應(yīng)變計(jì)及計(jì)算模型的研究鉆孔孔壁應(yīng)變法通過測量應(yīng)力解除前后鉆孔孔壁的應(yīng)變變化計(jì)算地應(yīng)力。1972年長沙礦冶研究院對黎曼三軸應(yīng)變計(jì)進(jìn)行了探索。80年代初,中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制了KX-81型空心包體式鉆孔三軸應(yīng)力,為我國首個(gè)空心包體式鉆孔三軸應(yīng)力計(jì)。長江科學(xué)院劉允芳研制了CJS-1型鉆孔三向應(yīng)變計(jì),單點(diǎn)可獲三維應(yīng)力,最大可測試15m。1997年其又在澳大利亞CSIRO型空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì)基礎(chǔ)上,研制出淺孔CKX-97型空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì),可以完成水下測量。1984長江科學(xué)院引進(jìn)瑞典SSPB深孔水下三向應(yīng)變計(jì),并開發(fā)出自主應(yīng)變計(jì)及CKT-1型水下粘貼劑,已在三峽、構(gòu)皮灘、廣州抽水蓄能等水電工程中得到應(yīng)用。長江科學(xué)院通過改進(jìn)淺孔CKX-97型空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì),開發(fā)出CKX-1型深孔空心包體式鉆孔三向應(yīng)變計(jì),在惠州、深圳和陽江等抽水蓄能電站中得到應(yīng)用,測深已超500m。蔡美峰和喬蘭基于澳大利CSIRO空心包體應(yīng)變計(jì)補(bǔ)償臂法溫度補(bǔ)償精度低,研制了溫度補(bǔ)償新技術(shù),通過工作應(yīng)變片測溫、導(dǎo)線修正等,基本消除了溫度變化對應(yīng)力測量的影響。針對鉆孔應(yīng)力解除法,關(guān)于巖石均質(zhì)、連續(xù)、各向同性和線彈性等假定與某些實(shí)際情況差異大的問題,蔡美峰研究了巖石的非線性、不連續(xù)性、不均質(zhì)性和各向異性對地應(yīng)力測量結(jié)果的影響,并建立了相應(yīng)計(jì)算模型和修正方法。邵兆剛基于數(shù)值分析和圍壓下應(yīng)力位移的雙極坐標(biāo)求解,提出了鉆孔偏心的數(shù)據(jù)校正方法。韓昌瑞據(jù)正交各向異性彈性理論,利用應(yīng)力變分對鉆孔周圍應(yīng)力分布作出修正,推導(dǎo)了巖體正交各向異性孔徑變形法的應(yīng)力計(jì)算法。2.2提出了直接破裂的三孔交織的地應(yīng)力測量地殼所1980年在河北易縣進(jìn)行了水壓致裂地應(yīng)力測量,邁出了我國深鉆孔地應(yīng)力測量的第一步。傳統(tǒng)水壓致裂法理論建立在平面應(yīng)變理論上,假定巖石均質(zhì)、各向同性、線彈性,鉆孔軸向?yàn)橐恢鲬?yīng)力方向,采用拉伸破壞準(zhǔn)則。王建軍等發(fā)現(xiàn),通常情況下由關(guān)閉壓力測得的最小水平主應(yīng)力誤差小于5%,而最大主應(yīng)力由關(guān)閉壓力、重張壓力和抗拉強(qiáng)度在內(nèi)的更復(fù)雜關(guān)系求得,誤差可達(dá)25%,應(yīng)力方向誤差一般小于10%。水力壓裂中孔壁巖石實(shí)際上處于壓-壓-拉或壓-拉-拉三維應(yīng)力中,為克服經(jīng)典理論局限,劉允芳主張采用霍克和布朗破裂準(zhǔn)則,解決經(jīng)典理論不能解釋橫向破裂縫的問題,并對地應(yīng)力量值和方位提出了修正方法,該方法在三峽永久船閘中得到了應(yīng)用。針對傳統(tǒng)水壓致裂法僅能獲二維應(yīng)力,劉允芳引入了水壓致裂三孔交匯三維地應(yīng)力測量。羅超文在水布埡水電站首次進(jìn)行了水壓致裂三孔交匯三維地應(yīng)力測量。陳群策針對水壓致裂法三孔交匯三維地應(yīng)力測量中最小切向抗拉破壞準(zhǔn)則誤差大,引入最小主應(yīng)力準(zhǔn)則。劉允芳將最小主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則應(yīng)用到水壓致裂法三孔交匯中,并對測試結(jié)果進(jìn)行了修正。劉允芳介紹了原生裂隙水壓致裂法三維地應(yīng)力測量,該法利用關(guān)閉壓力確定裂隙法向應(yīng)力,理論上測量精度高。長江科學(xué)院于2001年在湖北洞坪水電站進(jìn)行了原生裂隙水壓致裂法三維地應(yīng)力測量。劉允芳提出一個(gè)完整段壓裂結(jié)合3個(gè)裂隙重張,建立6個(gè)方程計(jì)算三維應(yīng)力,又基于裂隙閉合瞬間裂隙面上兩方向剪應(yīng)力為0的假定,提出僅兩個(gè)原生裂隙重張?jiān)囼?yàn)便看計(jì)算三維應(yīng)力的方法,并在深圳抽水蓄能電站得到了應(yīng)用。裂隙間距大時(shí),不宜將應(yīng)力場簡化為均勻應(yīng)力場,劉亞群在某LPG工程進(jìn)行了考慮應(yīng)力梯度的原生裂隙水壓致裂法三維應(yīng)力測量。景鋒發(fā)現(xiàn),原生裂隙水壓致裂法三維地應(yīng)力測量所得地應(yīng)力信息尺度大,較適合大型工程區(qū)應(yīng)力場研究,推導(dǎo)了更便捷的計(jì)算過程。2.3維應(yīng)力求解法針對軟巖變形大、彈模低和破碎的特點(diǎn),谷志孟基于壓力盒原理,開發(fā)出一種鉆孔液壓應(yīng)力計(jì),其不需套孔解除和繁雜的計(jì)算及巖體物理力學(xué)參數(shù),直接可測得二維應(yīng)力。葛修瑞和侯明勛提出了鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除法,通過孔壁粘貼3個(gè)獨(dú)立應(yīng)變叢,再對每個(gè)應(yīng)變叢獨(dú)立進(jìn)行應(yīng)力解除。該法不需套鉆,且假設(shè)少,理論上不受測量深度的限制。王文祥依據(jù)天然電磁波場源,研制了DYL型地應(yīng)力探測儀,其為非鉆孔式探測技術(shù),已在淮南地區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)的普查中取得了明顯效果。3基于多元線性回歸的地質(zhì)應(yīng)力場模擬一般因不便進(jìn)行大量地應(yīng)力實(shí)測,且各測點(diǎn)通常僅反映局部應(yīng)力信息,重大工程需進(jìn)行地應(yīng)力場分析。初始地應(yīng)力場分析基本可分三大類:第一類是按某種理論估算一簡單應(yīng)力場,如海姆法、側(cè)壓系數(shù)法等;第二類是基于某種應(yīng)力場簡化和假定,利用試驗(yàn)洞或邊坡實(shí)測位移求解;第三類根據(jù)實(shí)測地應(yīng)力,并借助數(shù)值方法進(jìn)行地應(yīng)力場反演。郭懷志基于彈性力學(xué),利用有限元回歸計(jì)算了初始地應(yīng)力場,開拓了我國地應(yīng)力場反分析的先河,其認(rèn)為每個(gè)單元應(yīng)力由自重、地質(zhì)構(gòu)造及溫度因素組成,據(jù)實(shí)測點(diǎn)建立應(yīng)力多元回歸方程,通過求解回歸系數(shù)確定應(yīng)力場。但當(dāng)?shù)匦蔚刭|(zhì)條件復(fù)雜,應(yīng)用有較大難度。劉允芳認(rèn)為,地應(yīng)力場主要由自重和地質(zhì)構(gòu)造組成,基于彈性理論對自重和地質(zhì)構(gòu)造分別用獨(dú)立子模型模擬,再基于多元線性回歸可合成三維初始應(yīng)力場。白世偉對于二灘水電站二維地應(yīng)力場反演,采用有限元方法,通過調(diào)整邊界荷載使計(jì)算結(jié)果與實(shí)測地應(yīng)力達(dá)到最佳擬合。張有天提出通過應(yīng)力函數(shù)趨勢分析法來反演初始地應(yīng)力場,該方法簡單,便于操作,但對于復(fù)雜情況,很難得到滿意結(jié)果。楊林德建立了平面應(yīng)變彈性和彈塑性問題的有限元計(jì)算法,據(jù)實(shí)測位移,可單獨(dú)確定初始構(gòu)造應(yīng)力,自動(dòng)排除空間效應(yīng),其還研究用邊界元反演初始地應(yīng)力,并完成了黏彈性反演。佘成學(xué)利用應(yīng)力函數(shù)和有限元方法,建立用待定函數(shù)表示的初始應(yīng)力場,用優(yōu)化方法計(jì)算待定參數(shù),得到初始地應(yīng)力場。肖明研究了三維初始應(yīng)力場反演與應(yīng)力函數(shù)擬合法,根據(jù)實(shí)測地應(yīng)力,用三維彈塑性有限元追溯初始應(yīng)力場的形成。戚藍(lán)將初始地應(yīng)力場作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),通過確認(rèn)系統(tǒng)目標(biāo),分析系統(tǒng)信息源,建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)量化,最終得到合理逼近真實(shí)的初始地應(yīng)力場。隨著智能數(shù)學(xué)方法發(fā)展,該法被引入地應(yīng)力場分析中。蔣中明提出三維初始應(yīng)力場反演的徑向基函數(shù)法及隨機(jī)反演,又利用進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法反演巖體初始地應(yīng)力場。馬斌研究了基于模糊綜合評判及遺傳算法的地應(yīng)力場反演。一般地應(yīng)力場反演結(jié)果較適合地下洞室,而對地形地貌、地質(zhì)成因較復(fù)雜區(qū),如深切河谷,通常反演結(jié)果很難代表現(xiàn)淺部應(yīng)力場。朱煥春等據(jù)實(shí)測地應(yīng)力,設(shè)遠(yuǎn)古地表為平面,地應(yīng)力由構(gòu)造應(yīng)力和自重組成,用彈塑性有限元,分期開挖模擬河谷下切的地應(yīng)力場反演。王濤基于均勻正交設(shè)計(jì),分期開挖模擬河谷下切,反演初始地應(yīng)力場。江權(quán)、馮夏庭提出結(jié)合地層剝蝕模擬、彈塑性計(jì)算和進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地應(yīng)力場非線性反演法,一定程度考慮了遠(yuǎn)古構(gòu)造先后順序,可模擬河流侵蝕下切過程對現(xiàn)今應(yīng)力場影響。針對應(yīng)力場反演通常施加統(tǒng)一邊界條件,局部應(yīng)力誤差大的缺點(diǎn),龐作會(huì)通過求解邊界每個(gè)節(jié)點(diǎn)力反演初始地應(yīng)力場。束加慶采用分區(qū)回歸法作為相應(yīng)處理,效果較好。秦衛(wèi)星進(jìn)行了基于子模型法的初始地應(yīng)力場精細(xì)模擬,降低了復(fù)雜性,能獲更準(zhǔn)確應(yīng)力場。景鋒針對上覆巨厚沉積層而下部為火成巖礦區(qū),兩者地質(zhì)成因差異大,根據(jù)地質(zhì)成因?qū)ΜF(xiàn)今地應(yīng)力場分解,針對不同成因地層施加不同的邊界條件,再進(jìn)行多元線性回歸,效果較理想。針對層狀巖體正交各向異性,夏彬偉用橫觀各向同性彈塑性本構(gòu)模型,對層狀巖體初始地應(yīng)力場進(jìn)行了回歸分析。張欣將天然滲流場作為影響因素,對工程區(qū)初始地應(yīng)力場進(jìn)行了回歸分析。景鋒根據(jù)一般高邊坡和地下洞室開挖后的應(yīng)力擾動(dòng),將應(yīng)力場分為應(yīng)力強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)、弱擾動(dòng)區(qū)和未擾動(dòng)區(qū),并探討了應(yīng)力擾動(dòng)的分區(qū)準(zhǔn)則。4工程和區(qū)域穩(wěn)定性我國地處太平洋板塊、歐亞板塊和印度洋板塊交接處,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,地應(yīng)力對工程和區(qū)域穩(wěn)定性影響大?，F(xiàn)我國人口增加快、資源短缺、環(huán)境日趨惡化,空間開發(fā)不斷走向深部,將在西部復(fù)雜地形地貌和地質(zhì)條件下修建大量巖土工程,如埋深逾千米乃至數(shù)千米的礦山、核廢料深層處置和防護(hù)工程,對地應(yīng)力測量、地應(yīng)力場分析及相關(guān)研究提出了更高要求。(1)原生裂隙水壓致裂法伴隨著深部巖體工程響應(yīng),巖體非線性、非連續(xù)性與非協(xié)調(diào)性突出。傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論在部分情況下已無法解釋,相應(yīng)測試的技術(shù)和理論還需完善?，F(xiàn)深部地應(yīng)力直接測量主要是水壓致裂法,國外改進(jìn)設(shè)備測深達(dá)9000m,而我國目前最大測深約2000m,需對傳統(tǒng)水壓致裂設(shè)備升級改造,研制耐高溫高壓的封隔器及深孔成像技術(shù),并從理論建立上考慮巖體非線性、孔隙彈性效應(yīng)及相應(yīng)破裂準(zhǔn)則。原生裂隙水壓致裂法三維地應(yīng)力測量可進(jìn)行大尺度地應(yīng)力測試,但對不同條件下的適用性及相關(guān)特征參數(shù)確定還需深入研究。葛修潤院士提出的鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除法也具很好發(fā)展前景。由于軟巖或破碎巖體的非線性和非連續(xù)性突出,現(xiàn)仍無有效測量方法。軟弱破碎巖體地應(yīng)力測量研究也將是今后研究重點(diǎn)之一。(2)考慮應(yīng)力的考慮及控礦因素現(xiàn)關(guān)于復(fù)雜地貌區(qū)的應(yīng)力場分區(qū)、巖體