高地應力判釋技術研究現狀分析

王睿李明亮鄧祥輝張進增

【摘要】如何評價工程巖體中賦存的高應力狀態一直是工程設計人員需要考慮的問題，對原地應力狀態的準確把握是地下工程穩定性評價的重要基礎，而選擇可行的高地應力判據是進行地應力狀態評價的前提條件。通過前人的研究成果，在詳細分析現有各種原地應力評價判據的基礎上，對原高地應力評價的評價方法和判別標準進行了概括總結，以方便其他工程參考使用。

【關鍵詞】高地應力；判別；研究現狀

Analysis of the Present Situation of High Earth Stress Interpretation Technology

Wang Rui1，Li Ming-liang1，Deng Xiang-hui1，Zhang Jin-zeng2

（1.School of Civil and Architecture Engineering ， Xian Technological UniversityXianShanxi710021；

2.China Railway eighteen Bureau Fifth Engineering Co.， LtdTianjin300222）

【Abstract】How to evaluate the high stress state in engineering rock mass has always been a problem that should be taken into account by engineering designers. Accurate grasping of in-situ stress state is an important foundation for the stability evaluation of underground engineering， and the selection of feasible high ground stress criterion is carried out Prerequisite for the evaluation of in - situ stress state. Based on the research results of the predecessors， this paper summarizes the evaluation methods and criteria of original highland stress evaluation in detail based on the analysis of existing in-situ stress evaluation criteria， so as to facilitate the reference of other projects.

【Key words】High earth stress；Distinguish；Current research situation

1. 引言

近年來，隨著我國資源開發和基礎設施建設的不斷發展，隧道和地下工程建設進入了大發展時代。我國山脈眾多，地形地質條件復雜，重大工程中需要建設的深埋長大隧道越來越多，目前長度超過10Km，埋深超過1000m的隧道已司空見慣。尤其在西部地區，隧道工程穿越的地質體多經歷強烈的地質構造改造和淺表生改造，其地質結構復雜，地應力高，例如西康線秦嶺鐵路隧道最大埋深1600m，花崗巖強度為325MPa，初始地應力最大值達86.16MPa；成昆線關壩村隧道埋深1650m，硅質灰巖強度120MPa，地應力高達35MPa；重慶渝長線鐵坪山公路隧道隧道埋深480～550m，石英砂巖強度80～110MPa，最大地應力為28.4MPa。對于這種深埋隧道，由于圍巖處于較高的初始地應力狀態（簡稱高地應力區），且洞室周圍的巖體一般是高強度的脆性硬巖，在三維高地應力條件下表現為延性，但當開采擾動發生卸荷時又表現為脆性（轉化為平面應力或單軸受力狀態），致使巖體經常發生彈射、膨脹突出、崩塌、甚至巖爆等猛烈的破壞，這種現象將極大地威脅隧道施工的安全。快速、準確的判釋圍巖的初始應力場是否屬于高地應力，將對隧道工程設計施工提供有力的技術支持。

2. 高地應力判別標準

2.1我國陶振宇教授（1983） [1]對高地應力給出了一個定性的規定：高地應力是指巖體的初始應力場中水平初始應力分量，大大地超過其上覆巖層的巖體重量。

2.2孫廣忠教授（1993）[2]認為高地應力還與巖石所受的應力歷史和巖石彈性模量等諸多因素有關。同時提出了高應力地區和低地應力的一些地質標志（表1），可大致區別地應力的高低水平。

2.3目前定量判別高地應力的方法主要有三種：

（1）以地應力的絕對大小劃分，認為最大主應力達到20～30MPa時，就可以認為巖體處在高應力狀態。

（2）天津大學薛璽成（1987）[3～4]提出高地應力區的劃分應以構造應力在應力場中的貢獻大小為根據。以此為基本出發點，用多元回歸分析可分別求出自重應力場與構造應力場，分析兩者在地應力場中的貢獻大小與配比。建議用下式劃分地應力區：

n=I1/I10

式中：I1 ——實測地應力的主應力之和；I10 ——相應測點的自重應力主應力之和；n——比值.。

n>2，為高地應力區，即50%以上的地應力值是由構造應力產生的；

n=1.5-2，為較高地應力區，在應力場中有30～50%是構造應力產生的，其余為重力場應力；

n=1-1.5，屬一般地應力區，n=1時是純自重應力場。

（3）利用巖石單軸抗壓強度（σci ）和最大地應力（ σ1 ）的比值，即：

Gn = σci σ1

式中：σci ——圍巖單軸抗壓強度；σ1 ——圍巖最大地應力值。

不同國家對于地應力的高低界定值卻有很大的差別，部分國內外分級方案（見表3）。雖然其分級標準各有不同，但國內大都以《工程巖體分級標準》（GB/T 50218-2014）為準（見表2）。

3. 高地應力判別方法

3.1基于以上三種判別標準，在實際工程中主要采用現場測試法和理論分析法來分析圍巖的初始應力狀態。

3.1.1現場測試法。

（1）由于巖石單軸抗壓強度較易獲得，故測試圍巖最大地應力成為該方法的難點。蔡美峰教授依據測量基本原理將現場測量方法分為直接法和間接法兩大類[5]。直接測量地應力大小和方向的方法主要有應力解除法、應力恢復法、水壓致裂法、鉆孔崩落分析法等。間接推斷地應力大小和方向的方法有測量巖芯波速各向異性法、巖芯微裂隙取向統計法、震源機制推斷法、橫波分裂法等。相對而言，直接測量法比間接推斷法更為可靠、準確。

（2）近年來，研究人員又提出了一種相對簡便的室內測試方法Kaiser效應測試法[6]。這種方法在現場采得定向巖芯，在室內取定向巖樣放在壓力機上加載檢測巖石試樣聲發射。根據巖石聲發射的Kaiser效應，判定試樣的先存應力，由此確定現場采巖心地點的地應力。該方法簡便經濟，可測得巖石歷史最大應力，對于地質力學及工程應用都有重要意義。

3.1.2理論分析法。

近年來國內外很多的學者對地應力值的大小開展了大量理論推導研究，總結起來地應力的計算分析主要經歷了定性研究和定量研究兩個階段。

（1）定性研究。

這種分析方法主要在地應力研究的早期，海姆[7]提出的“靜水應力式”分布認為地應力以水平應力為主；前蘇聯學者金尼克[8]根據平面應變彈性理論提出了垂直應力為主的觀點，水平應力為垂直應力與側壓系數的乘積。這些工作揭示了地應力的分布規律，認識到了地應力對工程影響的重要性，但是卻無法給出具體的量值來指導工程設計與施工。

（2）定量研究。

地應力的現場觀測可以得到測點“真實”的地應力資料，特別是隨著科學技術的發展，觀測設備和觀測方法也越來越先進和準確，但是現場觀測的最大缺點就是費用太高。因而，根據有限的觀測資料進行初始地應力場分析計算，以得到整個工程區的初始應力值及分布規律就顯得具有極其重要的意義。現階段主要有粘彈性理論為基礎的解析法計算、基于有限元軟件的數值計算法和位移（應力）反分析法都有著廣泛的應用。

3.2以粘彈塑性理論為基礎的解析法，根據現場得到的位移觀測資料，按照地應力形成理論來計算工程區的地應力。這種方法的最大優點是計算簡單方便，理論嚴謹，可以節約大量的地應力測點費用，在地質條件不是特別復雜的地區應用這種方法會取得比較滿意的結果。這種方法的缺點就是不能充分考慮地質條件的復雜性，況且每一種解析方法的假定與實際條件都有較大的差距。人們普遍認為這種將按復雜規律分布的初始地應力進行正演計算的研究實用價值不大，但可以作為初期對工程區地應力場的一種估算方法。

3.3近二、三十年來，隨著計算機技術和數值分析計算方法的進步，使得進行大型的數值模擬和計算成為可能，各種數值計算方法不斷涌現。位移圖譜反分析法、初始地應力的反推原理、初始地應力位移反分析計算的有限單元法等，通過位移反分析推求初始應力場。邊界荷載調整法、巖體初始地應力場的分析方法、地應力場趨勢分析等，通過應力反分析推求初始應力場。

3.4在國外，這方面的理論研究主要集中在位移反分析上。其中，比較著名的是

日本神戶大學的櫻井春輔[16]等人提出的位移-應變反饋確定初始地應力與地層參數值的有限單元法。美國學者古德曼（R.E.Goodman） [17]在巖石力學專著中已提到可依據位移量反算初始地應力，意大利學者焦德（Q.Gioda） [18]己從事位移反演理論研究多年，并已取得系列成果，包括可同時確定初始地應力場和地層特性參數的優化反演分析理論。

4. 結論

綜上所述，高地應力的判別方法很好地體現了多角度多指標分析的思路，對其他工程有較大的借鑒意義。初始地應力場的分析依舊是工程界的難題，現場測試操作復雜且成本過高，而僅靠理論分析結論的準確性難以保證，在實際工程中有可能出現判定略有差別的情況，故結合圍巖穩定性分析對初始地應力狀態進一步深入研究，是高地應力判釋技術亟待解決的問題和發展的方向。

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[基金項目]基金資助：陜西省教育廳專項科研計劃項目（15JK1337）

[作者簡介] 王睿（1981-），男，職稱：講師，博士研究生，研究方向為巖土與隧道工程。