我国超深埋隧道原位地应力测量综述

我国超深埋隧道原位地应力测量综述

1浅部地应力测量区域压力是确定区域稳定性的重要因素，也是各种地下或土壤工程变形和破坏的力。这是确定工程岩体的力学属性，进行围岩稳定性分析，实现工程岩体工程的科学评价和决策的先决条件。但地应力作为固体地球物理学的一个分支,其测量与研究为一年轻学科。美国垦务局1932年在哈佛大坝泄水隧道采用表面应力解除法进行了世界首次地应力实测。20世纪50年代Hast在瑞典拉伊斯瓦尔铅矿和斯堪的纳维亚半岛4个矿区的大规模地应力实测发现浅部地层水平应力高于垂直应力后,地应力测量得到了迅速发展,仅1960-1974年间在0.5∼3.0m的深钻孔中就完成了3万多次测量。Hoek&Brown统计了全球实测水平平均主应力与垂直应力之比随埋深的分布规律,见式(1)。式中:σv为垂直应力;σH、σh为最大和最小水平主应力;H为埋深(m)。地应力研究已得到了关注,1986-1990年国际岩石圈计划“世界地应力图”项目实施,1991年国际岩石圈委员会继续将“世界地应力图”纳入计划。美国学者Zoback(1992年)据大量实测资料编制了首张世界应力图(WSM)。我国国家地震局专门成立地壳应力研究所,并自1987年不定期出版“地壳构造与地壳应力文集”,1991-1997年间国家自然科学基金资助了中国地壳应力图项目。我国交通、水利水电和能源等行业快速发展,将在河谷纵横、沟谷深切及深部兴建大型工程,涉及复杂地形地貌和地质条件下的边坡、地基和地下工程,地应力重要性日益显著。现地应力测量及地应力场分析已广泛用于矿产开发、水利水电、油气井眼稳定性分析、地热开发、核废料处置、地震预报、地壳强度评价、地球动力学等方面的研究。本文介绍了我国地应力测量和研究的发展历程,着重总结了我国在钻孔应力解除法、水压致裂法和其他常用原位地应力测量方法及工程区初始地应力场分析方面的研究进展,并结合我国大地构造环境及岩土工程的特点,对原位地应力测量和地应力场分析研究的展望阐述了一点认识。2应力测量的拓展常用地应力测量有应力解除法、应力恢复法、水压致裂法、钻孔崩落法、震源机制分析法、地质资料分析法、岩石强度估计应力法、凯瑟效应法(Kaiser法)、原子磁性共振法、同位素法等。根据测量原理可分为直接测量法和间接测量法。根据测量操作特点,可分为钻孔应力测量、岩芯地应力测量、岩石表面应力测量和地质构造分析等。我国地应力测量与研究起于50年代末,李四光和陈宗基为主创始人。我国于1962-1964年在三峡平善坝址区采用表面应力法,获得了地应力实测结果。1964年中国科学院武汉岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行了浅层钻孔应力测量。1966年在李四光倡导下在河北尧县建立了我国第一个地应力观测站。我国地应力测量发展迅速,中国科学院武汉岩土力学研究所、长沙矿冶研院地质所、地质矿产部地质力学研究所、国家地震局地震地质大队,水电系统的成都、东北水电勘察设计研究院和长江科学院等开展了地应力测量研究。2.1孔内电压法钻孔应力解除法主要包括孔径变形法、孔底应变法和孔壁应变法。(1)维应力测试孔径变形法通过测量应力解除前后钻孔孔径的变化计算应力,多采用压磁和应变式传感器。70年代初国家地震局地壳应力研究所(地壳所)与地矿部地质力学研究所研制了YG-73型压磁应力计,单孔可获二维应力,三孔交汇可获三维应力。李光煜、白世伟研制出了可测二维应力的36-2型钻孔变形计。李立球针对原YG-73型压磁应力计施测难,将预加压装置改为推拉式,开发出了YJ-8l型压磁应力计及配套MSM-86型数字式测量仪,提高了测试成功率和精度。针对YG-73型和YJ-8l型压磁应力计三孔交汇才可获三维应力的缺点,李立球研制出了YJ-95型压磁全应力计,单点便可获三维应力。胡斌和章光在原中国科学院武汉岩土力学研究所36-2型钻孔变形计的基础上,通过增加8个轴向变形装置,将其优化成12分量的新型钻孔变形计,分辨率可达0.0001mm,直接进行三维地应力测量。(2)黎曼cri门塞器孔底应变形法通过测量钻孔底部应力解除前后的应变变化来计算地应力,该法因施测困难精度低,在我国的发展和应用相对少。1972年长沙矿院对黎曼CSRI门塞器进行了成功探索。煤科总院重庆分院针对日本单孔孔底应变三维地应力测量效果不理想,通过改进工艺和计算方法,改进了三维孔底应变计。(3)浅孔ckx-97型空心包管式钻孔三向应变计及计算模型的研究钻孔孔壁应变法通过测量应力解除前后钻孔孔壁的应变变化计算地应力。1972年长沙矿冶研究院对黎曼三轴应变计进行了探索。80年代初,中国地质科学院地质力学研究所研制了KX-81型空心包体式钻孔三轴应力,为我国首个空心包体式钻孔三轴应力计。长江科学院刘允芳研制了CJS-1型钻孔三向应变计,单点可获三维应力,最大可测试15m。1997年其又在澳大利亚CSIRO型空心包体式钻孔三向应变计基础上,研制出浅孔CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计,可以完成水下测量。1984长江科学院引进瑞典SSPB深孔水下三向应变计,并开发出自主应变计及CKT-1型水下粘贴剂,已在三峡、构皮滩、广州抽水蓄能等水电工程中得到应用。长江科学院通过改进浅孔CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计,开发出CKX-1型深孔空心包体式钻孔三向应变计,在惠州、深圳和阳江等抽水蓄能电站中得到应用,测深已超500m。蔡美峰和乔兰基于澳大利CSIRO空心包体应变计补偿臂法温度补偿精度低,研制了温度补偿新技术,通过工作应变片测温、导线修正等,基本消除了温度变化对应力测量的影响。针对钻孔应力解除法,关于岩石均质、连续、各向同性和线弹性等假定与某些实际情况差异大的问题,蔡美峰研究了岩石的非线性、不连续性、不均质性和各向异性对地应力测量结果的影响,并建立了相应计算模型和修正方法。邵兆刚基于数值分析和围压下应力位移的双极坐标求解,提出了钻孔偏心的数据校正方法。韩昌瑞据正交各向异性弹性理论,利用应力变分对钻孔周围应力分布作出修正,推导了岩体正交各向异性孔径变形法的应力计算法。2.2提出了直接破裂的三孔交织的地应力测量地壳所1980年在河北易县进行了水压致裂地应力测量,迈出了我国深钻孔地应力测量的第一步。传统水压致裂法理论建立在平面应变理论上,假定岩石均质、各向同性、线弹性,钻孔轴向为一主应力方向,采用拉伸破坏准则。王建军等发现,通常情况下由关闭压力测得的最小水平主应力误差小于5%,而最大主应力由关闭压力、重张压力和抗拉强度在内的更复杂关系求得,误差可达25%,应力方向误差一般小于10%。水力压裂中孔壁岩石实际上处于压-压-拉或压-拉-拉三维应力中,为克服经典理论局限,刘允芳主张采用霍克和布朗破裂准则,解决经典理论不能解释横向破裂缝的问题,并对地应力量值和方位提出了修正方法,该方法在三峡永久船闸中得到了应用。针对传统水压致裂法仅能获二维应力,刘允芳引入了水压致裂三孔交汇三维地应力测量。罗超文在水布垭水电站首次进行了水压致裂三孔交汇三维地应力测量。陈群策针对水压致裂法三孔交汇三维地应力测量中最小切向抗拉破坏准则误差大,引入最小主应力准则。刘允芳将最小主应力破坏准则应用到水压致裂法三孔交汇中,并对测试结果进行了修正。刘允芳介绍了原生裂隙水压致裂法三维地应力测量,该法利用关闭压力确定裂隙法向应力,理论上测量精度高。长江科学院于2001年在湖北洞坪水电站进行了原生裂隙水压致裂法三维地应力测量。刘允芳提出一个完整段压裂结合3个裂隙重张,建立6个方程计算三维应力,又基于裂隙闭合瞬间裂隙面上两方向剪应力为0的假定,提出仅两个原生裂隙重张试验便看计算三维应力的方法,并在深圳抽水蓄能电站得到了应用。裂隙间距大时,不宜将应力场简化为均匀应力场,刘亚群在某LPG工程进行了考虑应力梯度的原生裂隙水压致裂法三维应力测量。景锋发现,原生裂隙水压致裂法三维地应力测量所得地应力信息尺度大,较适合大型工程区应力场研究,推导了更便捷的计算过程。2.3维应力求解法针对软岩变形大、弹模低和破碎的特点,谷志孟基于压力盒原理,开发出一种钻孔液压应力计,其不需套孔解除和繁杂的计算及岩体物理力学参数,直接可测得二维应力。葛修瑞和侯明勋提出了钻孔局部壁面应力全解除法,通过孔壁粘贴3个独立应变丛,再对每个应变丛独立进行应力解除。该法不需套钻,且假设少,理论上不受测量深度的限制。王文祥依据天然电磁波场源,研制了DYL型地应力探测仪,其为非钻孔式探测技术,已在淮南地区地应力状态的普查中取得了明显效果。3基于多元线性回归的地质应力场模拟一般因不便进行大量地应力实测,且各测点通常仅反映局部应力信息,重大工程需进行地应力场分析。初始地应力场分析基本可分三大类:第一类是按某种理论估算一简单应力场,如海姆法、侧压系数法等;第二类是基于某种应力场简化和假定,利用试验洞或边坡实测位移求解;第三类根据实测地应力,并借助数值方法进行地应力场反演。郭怀志基于弹性力学,利用有限元回归计算了初始地应力场,开拓了我国地应力场反分析的先河,其认为每个单元应力由自重、地质构造及温度因素组成,据实测点建立应力多元回归方程,通过求解回归系数确定应力场。但当地形地质条件复杂,应用有较大难度。刘允芳认为,地应力场主要由自重和地质构造组成,基于弹性理论对自重和地质构造分别用独立子模型模拟,再基于多元线性回归可合成三维初始应力场。白世伟对于二滩水电站二维地应力场反演,采用有限元方法,通过调整边界荷载使计算结果与实测地应力达到最佳拟合。张有天提出通过应力函数趋势分析法来反演初始地应力场,该方法简单,便于操作,但对于复杂情况,很难得到满意结果。杨林德建立了平面应变弹性和弹塑性问题的有限元计算法,据实测位移,可单独确定初始构造应力,自动排除空间效应,其还研究用边界元反演初始地应力,并完成了黏弹性反演。佘成学利用应力函数和有限元方法,建立用待定函数表示的初始应力场,用优化方法计算待定参数,得到初始地应力场。肖明研究了三维初始应力场反演与应力函数拟合法,根据实测地应力,用三维弹塑性有限元追溯初始应力场的形成。戚蓝将初始地应力场作为一个复杂系统,通过确认系统目标,分析系统信息源,建立数学模型进行系统量化,最终得到合理逼近真实的初始地应力场。随着智能数学方法发展,该法被引入地应力场分析中。蒋中明提出三维初始应力场反演的径向基函数法及随机反演,又利用进行人工神经网络结合遗传算法反演岩体初始地应力场。马斌研究了基于模糊综合评判及遗传算法的地应力场反演。一般地应力场反演结果较适合地下洞室,而对地形地貌、地质成因较复杂区,如深切河谷,通常反演结果很难代表现浅部应力场。朱焕春等据实测地应力,设远古地表为平面,地应力由构造应力和自重组成,用弹塑性有限元,分期开挖模拟河谷下切的地应力场反演。王涛基于均匀正交设计,分期开挖模拟河谷下切,反演初始地应力场。江权、冯夏庭提出结合地层剥蚀模拟、弹塑性计算和进化神经网络的地应力场非线性反演法,一定程度考虑了远古构造先后顺序,可模拟河流侵蚀下切过程对现今应力场影响。针对应力场反演通常施加统一边界条件,局部应力误差大的缺点,庞作会通过求解边界每个节点力反演初始地应力场。束加庆采用分区回归法作为相应处理,效果较好。秦卫星进行了基于子模型法的初始地应力场精细模拟,降低了复杂性,能获更准确应力场。景锋针对上覆巨厚沉积层而下部为火成岩矿区,两者地质成因差异大,根据地质成因对现今地应力场分解,针对不同成因地层施加不同的边界条件,再进行多元线性回归,效果较理想。针对层状岩体正交各向异性,夏彬伟用横观各向同性弹塑性本构模型,对层状岩体初始地应力场进行了回归分析。张欣将天然渗流场作为影响因素,对工程区初始地应力场进行了回归分析。景锋根据一般高边坡和地下洞室开挖后的应力扰动,将应力场分为应力强扰动区、弱扰动区和未扰动区,并探讨了应力扰动的分区准则。4工程和区域稳定性我国地处太平洋板块、欧亚板块和印度洋板块交接处,地质结构复杂,构造活动强烈,地应力对工程和区域稳定性影响大。现我国人口增加快、资源短缺、环境日趋恶化,空间开发不断走向深部,将在西部复杂地形地貌和地质条件下修建大量岩土工程,如埋深逾千米乃至数千米的矿山、核废料深层处置和防护工程,对地应力测量、地应力场分析及相关研究提出了更高要求。(1)原生裂隙水压致裂法伴随着深部岩体工程响应,岩体非线性、非连续性与非协调性突出。传统连续介质力学理论在部分情况下已无法解释,相应测试的技术和理论还需完善。现深部地应力直接测量主要是水压致裂法,国外改进设备测深达9000m,而我国目前最大测深约2000m,需对传统水压致裂设备升级改造,研制耐高温高压的封隔器及深孔成像技术,并从理论建立上考虑岩体非线性、孔隙弹性效应及相应破裂准则。原生裂隙水压致裂法三维地应力测量可进行大尺度地应力测试,但对不同条件下的适用性及相关特征参数确定还需深入研究。葛修润院士提出的钻孔局部壁面应力全解除法也具很好发展前景。由于软岩或破碎岩体的非线性和非连续性突出,现仍无有效测量方法。软弱破碎岩体地应力测量研究也将是今后研究重点之一。(2)考虑应力的考虑及控矿因素现关于复杂地貌区的应力场分区、岩体