閩東南火成巖地區地應力分布規律研究

■尹志芳

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

地應力是積存于天然巖體內部未擾動的應力,是巖體中存在的一種固有力學狀態，是巖體區別于其他固體(如土體)的最基本特征。 地應力不僅是評價地殼穩定性的重要指標，也是深部地下工程設計與施工重要指標參數之一。 福建省受地形影響，省內的基礎設施建設大多需要穿山越嶺，深大隧道分布越來越多， 地應力對隧道工程的影響愈發顯著，需要更深入地了解火成巖地區地應力的分布規律，為深埋地下工程巖爆預測提供可靠依據，從而科學地指導深埋地下工程的設計與施工。

由于受大地構造、地形地貌、不同巖石特征等的影響，地應力的分布呈現為非均勻性，為了探求地應力的分布的規律性，世界許多學者對地應力分布規律做了大量的統計分析，取得了許多有意義的成果。 霍克和布朗(Hoek & Brown)[1]統計了大量的實測地應力資料后指出，一般而言，巖體結構中的鉛垂向地應力主要由上覆巖體的自重產生，水平向地應力介于同一深度的鉛垂向地應力分量的0.5～3 倍。朱煥春等[2]統計世界范圍內不同巖石的地應力分布規律， 發現巖石的地應力與巖石的成因密切相關。景鋒等[3]統計我國范圍內三大類巖石（巖漿巖、變質巖及沉積巖）垂直應力、水平應力分布規律，不同成因的巖性地應力分布特征有一定的差別。 趙德安等[4]在前人的分析基礎上，統計分析了我國不同巖性側壓比隨埋深的變化規律，并根據不同巖性形成不同機理探討了側壓比變化規律的差異。

因福建省大部分地區巖性為火成巖，福建省的實測地應力數據也大都集中于火成巖分布區。 本次搜集了福建省閩東南地區深部地下工程近20 多個鉆孔的地應力實測數據，通過多組數據統計，建立閩東南火成巖巖石的垂直應力、最大和最小主應力隨埋深的變化規律圖，根據統計可知，火成巖的側壓系數一般大于1， 表明閩東南地區地應力以構造應力為主。

1 垂直應力隨埋深分布特征

本次搜集的垂直應力實測資料主要來源于福建省內公路、 水電等項目深埋隧道的實測資料，其實測資料大都分布于600 m 以內。 根據對垂直應力實測資料進行統計分析，建立了火成巖垂直應力與其埋深的散點關系圖（圖1）。

圖1 閩東南地區火成巖垂直應力與埋深關系

由圖1 可知，閩東南地區火成巖的垂直應力與埋深基本上呈線性關系，并對其兩者關系進行回歸統計分析，得到式（1）。

式中：σv為垂直應力（MPa）；H 為埋深（m）；R為線性相關系數。

從式（1）可知，垂直應力與埋深的線型相關性好。 垂直應力與埋深的變化梯度基本上與火成巖的重度吻合，表明火成巖的重度是垂直應力的重要組成部分。

2 水平應力隨埋深分布特征

本研究中所搜集的巖體中的最大和最小主應力值一般采用鉆孔中的水壓致裂法試驗獲得。 水壓致裂法是以平面彈性力學為基礎，假設被測巖體為各向同性的線彈性體，主要原理是利用鉆桿將一對可膨脹的橡膠封隔器放置在鉆孔預定深度，然后采用增壓裝置對該段鉆孔增壓，根據該段孔壁壓裂過程曲線的壓力特征值計算地應力， 由此得到最大、最小主應力。 因該方法具有操作簡單、周期短、測試深度深等有優點，廣泛應用于水電、交通、礦山等巖石工程以及地球動力學研究的各個領域。

根據搜集的閩東南地區火成巖最大、最小水平主應力實測資料，建立最大、最小主應力與埋深關系圖，如圖2、圖3 所示。

圖2 最大主應力隨埋深變化關系

由圖2、圖3 可知，在埋深100～550 m 實測范圍內， 閩東南地區火成巖的最大主應力為3.47～16.07 MPa，最小主應力為3.22～12.79 MPa，最大、最小主應力與埋深表現為線性關系，并對其兩者關系進行回歸統計分析，得到式（2）～（3）。

圖3 最小主應力隨埋深變化關系

對比兩者公式， 閩東南地區火成巖的最大、最小水平主應力的回歸梯度小于景鋒[3]等統計的全國范圍內的結果，最大主應力回歸公式的常數項也偏小，但最小主應力回歸公式的常數項偏大；表明福建地區最大、最小主應力隨埋深變化梯度明顯小于全國范圍的統計結果， 深部的水平應力明顯偏小，閩東南地區整體地應力表現不高。 這可以為該區域深部地下工程的巖爆等方面預測提供較好的參考意義。

3 最大主應力方向

本次搜集的實測的最大主應力方向主要表現為兩組：一是NE30°～NE63°；二是NW10°～NW56°。最大主應力方向玫瑰花圖見圖4， 最大主應力方向主要表現為NE 和NW 向， 這與福建省地區區域地質構造的走向表現一定的相關性。 根據福建省區域地質資料， 福建省大地構造上長期受到太平洋板塊、 菲律賓板塊與歐亞大陸板塊NW 向不同的碰撞、擠壓影響，該地區地質歷史上經歷了多次地殼運動， 從而造就了福建地區多條NE 及NW 向的規模巨大的區域斷裂帶，這些斷裂帶晚更新世以來仍有活動[5]。 最大主應力方向區域上受到區域地殼構造活動控制，從而印證了最大主應力方向表現與區域地質構造走向的相關性。

圖4 最大主應力方向玫瑰花圖

4 側壓系數隨深度特征

目前，國內外習慣采用兩個水平方向應力的平均值σh.av與垂直向應力的比值σv的比值來表示側壓系數。 根據我國已有的地應力測試結果表明，在測試深度較淺(一般小于1 000 m)時，側壓系數比較分散，數值也較大。 隨著測試深度的增加，側壓系數分散減小，并且向趨于1 附近集中[2]。

根據搜集的閩東南地區地應力實測資料，建立側壓系數隨深度散點變化圖（圖5）。 分析側壓系數隨深度的散點變化圖可知：（1）閩東南地區地應力側壓系數一般大于1，總體在0.9～2.0 變化，表明閩東南地區地應力以構造應力為主，但總體構造應力不高。 （2）側壓系數隨著測試深度增加變化規律與我國其他地方地應力測試結果表現一致，主要表現為隨埋深的增加，側壓系數分散性減少，并且向數值1 附近集中。

圖5 側壓系數隨埋深變化散點圖

5 結論

本研究通過搜集閩東南地區多個工程的地應力實測資料，統計分析了閩東南地區火成巖的地應力分布規律，可以得到的結論如下：（1）閩東南火成巖地區地應力在測試深度范圍內表現為與深度呈線性相關。 淺部水平應力明顯偏小于全國范圍內的統計結果，整體表現為低應力區，為該區域深部地下工程的巖爆預測等方面提供較好的參考意義。（2）閩東南最大主應力的方向受到區域地殼構造活動控制，與區域斷裂帶的走向存在相關性，主要表現為NE 和NW 兩個方向。 （3）閩東南火成巖地區地應力以構造應力為主， 側壓系數總體在0.9～2.0，總體構造應力不高。 隨埋深的增加，側壓系數分散性減少，并且向數值1 附近集中。 （4）福建省閩東南地區位于臺灣海峽西岸，受歐亞板塊與太平洋板塊構造運動影響，福建省地質構造復雜多變，且向內陸延伸巖性也變化多端，對變質巖和沉積巖的地應力實測數據較少，特別是三大類巖石更深部實測數據都偏少，對其規律性認識還存在不足的地方。 但本研究統計的火成巖地應力的一些變化規律，可以為福建省內相關地殼區域穩定性研究及深部地下工程行業提供一定的參考。