高地應(yīng)力判釋技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

王睿李明亮鄧祥輝張進(jìn)增

【摘要】如何評(píng)價(jià)工程巖體中賦存的高應(yīng)力狀態(tài)一直是工程設(shè)計(jì)人員需要考慮的問(wèn)題，對(duì)原地應(yīng)力狀態(tài)的準(zhǔn)確把握是地下工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)，而選擇可行的高地應(yīng)力判據(jù)是進(jìn)行地應(yīng)力狀態(tài)評(píng)價(jià)的前提條件。通過(guò)前人的研究成果，在詳細(xì)分析現(xiàn)有各種原地應(yīng)力評(píng)價(jià)判據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)原高地應(yīng)力評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)方法和判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了概括總結(jié)，以方便其他工程參考使用。

【關(guān)鍵詞】高地應(yīng)力；判別；研究現(xiàn)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(lái)，隨著我國(guó)資源開(kāi)發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道和地下工程建設(shè)進(jìn)入了大發(fā)展時(shí)代。我國(guó)山脈眾多，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，重大工程中需要建設(shè)的深埋長(zhǎng)大隧道越來(lái)越多，目前長(zhǎng)度超過(guò)10Km，埋深超過(guò)1000m的隧道已司空見(jiàn)慣。尤其在西部地區(qū)，隧道工程穿越的地質(zhì)體多經(jīng)歷強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造改造和淺表生改造，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地應(yīng)力高，例如西康線秦嶺鐵路隧道最大埋深1600m，花崗巖強(qiáng)度為325MPa，初始地應(yīng)力最大值達(dá)86.16MPa；成昆線關(guān)壩村隧道埋深1650m，硅質(zhì)灰?guī)r強(qiáng)度120MPa，地應(yīng)力高達(dá)35MPa；重慶渝長(zhǎng)線鐵坪山公路隧道隧道埋深480～550m，石英砂巖強(qiáng)度80～110MPa，最大地應(yīng)力為28.4MPa。對(duì)于這種深埋隧道，由于圍巖處于較高的初始地應(yīng)力狀態(tài)（簡(jiǎn)稱高地應(yīng)力區(qū)），且洞室周圍的巖體一般是高強(qiáng)度的脆性硬巖，在三維高地應(yīng)力條件下表現(xiàn)為延性，但當(dāng)開(kāi)采擾動(dòng)發(fā)生卸荷時(shí)又表現(xiàn)為脆性（轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)力或單軸受力狀態(tài)），致使巖體經(jīng)常發(fā)生彈射、膨脹突出、崩塌、甚至巖爆等猛烈的破壞，這種現(xiàn)象將極大地威脅隧道施工的安全?？焖佟?zhǔn)確的判釋圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)是否屬于高地應(yīng)力，將對(duì)隧道工程設(shè)計(jì)施工提供有力的技術(shù)支持。

2. 高地應(yīng)力判別標(biāo)準(zhǔn)

2.1我國(guó)陶振宇教授（1983） [1]對(duì)高地應(yīng)力給出了一個(gè)定性的規(guī)定：高地應(yīng)力是指巖體的初始應(yīng)力場(chǎng)中水平初始應(yīng)力分量，大大地超過(guò)其上覆巖層的巖體重量。

2.2孫廣忠教授（1993）[2]認(rèn)為高地應(yīng)力還與巖石所受的應(yīng)力歷史和巖石彈性模量等諸多因素有關(guān)。同時(shí)提出了高應(yīng)力地區(qū)和低地應(yīng)力的一些地質(zhì)標(biāo)志（表1），可大致區(qū)別地應(yīng)力的高低水平。

2.3目前定量判別高地應(yīng)力的方法主要有三種：

（1）以地應(yīng)力的絕對(duì)大小劃分，認(rèn)為最大主應(yīng)力達(dá)到20～30MPa時(shí)，就可以認(rèn)為巖體處在高應(yīng)力狀態(tài)。

（2）天津大學(xué)薛璽成（1987）[3～4]提出高地應(yīng)力區(qū)的劃分應(yīng)以構(gòu)造應(yīng)力在應(yīng)力場(chǎng)中的貢獻(xiàn)大小為根據(jù)。以此為基本出發(fā)點(diǎn)，用多元回歸分析可分別求出自重應(yīng)力場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，分析兩者在地應(yīng)力場(chǎng)中的貢獻(xiàn)大小與配比。建議用下式劃分地應(yīng)力區(qū)：

n=I1/I10

式中：I1 ——實(shí)測(cè)地應(yīng)力的主應(yīng)力之和；I10 ——相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的自重應(yīng)力主應(yīng)力之和；n——比值.。

n>2，為高地應(yīng)力區(qū)，即50%以上的地應(yīng)力值是由構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的；

n=1.5-2，為較高地應(yīng)力區(qū)，在應(yīng)力場(chǎng)中有30～50%是構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的，其余為重力場(chǎng)應(yīng)力；

n=1-1.5，屬一般地應(yīng)力區(qū)，n=1時(shí)是純自重應(yīng)力場(chǎng)。

（3）利用巖石單軸抗壓強(qiáng)度（σci ）和最大地應(yīng)力（ σ1 ）的比值，即：

Gn = σci σ1

式中：σci ——圍巖單軸抗壓強(qiáng)度；σ1 ——圍巖最大地應(yīng)力值。

不同國(guó)家對(duì)于地應(yīng)力的高低界定值卻有很大的差別，部分國(guó)內(nèi)外分級(jí)方案（見(jiàn)表3）。雖然其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)各有不同，但國(guó)內(nèi)大都以《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218-2014）為準(zhǔn)（見(jiàn)表2）。

3. 高地應(yīng)力判別方法

3.1基于以上三種判別標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際工程中主要采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法和理論分析法來(lái)分析圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)。

3.1.1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法。

（1）由于巖石單軸抗壓強(qiáng)度較易獲得，故測(cè)試圍巖最大地應(yīng)力成為該方法的難點(diǎn)。蔡美峰教授依據(jù)測(cè)量基本原理將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法分為直接法和間接法兩大類[5]。直接測(cè)量地應(yīng)力大小和方向的方法主要有應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法、水壓致裂法、鉆孔崩落分析法等。間接推斷地應(yīng)力大小和方向的方法有測(cè)量巖芯波速各向異性法、巖芯微裂隙取向統(tǒng)計(jì)法、震源機(jī)制推斷法、橫波分裂法等。相對(duì)而言，直接測(cè)量法比間接推斷法更為可靠、準(zhǔn)確。

（2）近年來(lái)，研究人員又提出了一種相對(duì)簡(jiǎn)便的室內(nèi)測(cè)試方法Kaiser效應(yīng)測(cè)試法[6]。這種方法在現(xiàn)場(chǎng)采得定向巖芯，在室內(nèi)取定向巖樣放在壓力機(jī)上加載檢測(cè)巖石試樣聲發(fā)射。根據(jù)巖石聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)，判定試樣的先存應(yīng)力，由此確定現(xiàn)場(chǎng)采巖心地點(diǎn)的地應(yīng)力。該方法簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)，可測(cè)得巖石歷史最大應(yīng)力，對(duì)于地質(zhì)力學(xué)及工程應(yīng)用都有重要意義。

3.1.2理論分析法。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外很多的學(xué)者對(duì)地應(yīng)力值的大小開(kāi)展了大量理論推導(dǎo)研究，總結(jié)起來(lái)地應(yīng)力的計(jì)算分析主要經(jīng)歷了定性研究和定量研究?jī)蓚€(gè)階段。

（1）定性研究。

這種分析方法主要在地應(yīng)力研究的早期，海姆[7]提出的“靜水應(yīng)力式”分布認(rèn)為地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主；前蘇聯(lián)學(xué)者金尼克[8]根據(jù)平面應(yīng)變彈性理論提出了垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)，水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力與側(cè)壓系數(shù)的乘積。這些工作揭示了地應(yīng)力的分布規(guī)律，認(rèn)識(shí)到了地應(yīng)力對(duì)工程影響的重要性，但是卻無(wú)法給出具體的量值來(lái)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與施工。

（2）定量研究。

地應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可以得到測(cè)點(diǎn)“真實(shí)”的地應(yīng)力資料，特別是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，觀測(cè)設(shè)備和觀測(cè)方法也越來(lái)越先進(jìn)和準(zhǔn)確，但是現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的最大缺點(diǎn)就是費(fèi)用太高。因而，根據(jù)有限的觀測(cè)資料進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)分析計(jì)算，以得到整個(gè)工程區(qū)的初始應(yīng)力值及分布規(guī)律就顯得具有極其重要的意義?，F(xiàn)階段主要有粘彈性理論為基礎(chǔ)的解析法計(jì)算、基于有限元軟件的數(shù)值計(jì)算法和位移（應(yīng)力）反分析法都有著廣泛的應(yīng)用。

3.2以粘彈塑性理論為基礎(chǔ)的解析法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)得到的位移觀測(cè)資料，按照地應(yīng)力形成理論來(lái)計(jì)算工程區(qū)的地應(yīng)力。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單方便，理論嚴(yán)謹(jǐn)，可以節(jié)約大量的地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)費(fèi)用，在地質(zhì)條件不是特別復(fù)雜的地區(qū)應(yīng)用這種方法會(huì)取得比較滿意的結(jié)果。這種方法的缺點(diǎn)就是不能充分考慮地質(zhì)條件的復(fù)雜性，況且每一種解析方法的假定與實(shí)際條件都有較大的差距。人們普遍認(rèn)為這種將按復(fù)雜規(guī)律分布的初始地應(yīng)力進(jìn)行正演計(jì)算的研究實(shí)用價(jià)值不大，但可以作為初期對(duì)工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的一種估算方法。

3.3近二、三十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析計(jì)算方法的進(jìn)步，使得進(jìn)行大型的數(shù)值模擬和計(jì)算成為可能，各種數(shù)值計(jì)算方法不斷涌現(xiàn)。位移圖譜反分析法、初始地應(yīng)力的反推原理、初始地應(yīng)力位移反分析計(jì)算的有限單元法等，通過(guò)位移反分析推求初始應(yīng)力場(chǎng)。邊界荷載調(diào)整法、巖體初始地應(yīng)力場(chǎng)的分析方法、地應(yīng)力場(chǎng)趨勢(shì)分析等，通過(guò)應(yīng)力反分析推求初始應(yīng)力場(chǎng)。

3.4在國(guó)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(xué)的櫻井春輔[16]等人提出的位移-應(yīng)變反饋確定初始地應(yīng)力與地層參數(shù)值的有限單元法。美國(guó)學(xué)者古德曼（R.E.Goodman） [17]在巖石力學(xué)專著中已提到可依據(jù)位移量反算初始地應(yīng)力，意大利學(xué)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(shí)確定初始地應(yīng)力場(chǎng)和地層特性參數(shù)的優(yōu)化反演分析理論。

4. 結(jié)論

綜上所述，高地應(yīng)力的判別方法很好地體現(xiàn)了多角度多指標(biāo)分析的思路，對(duì)其他工程有較大的借鑒意義。初始地應(yīng)力場(chǎng)的分析依舊是工程界的難題，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試操作復(fù)雜且成本過(guò)高，而僅靠理論分析結(jié)論的準(zhǔn)確性難以保證，在實(shí)際工程中有可能出現(xiàn)判定略有差別的情況，故結(jié)合圍巖穩(wěn)定性分析對(duì)初始地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)一步深入研究，是高地應(yīng)力判釋技術(shù)亟待解決的問(wèn)題和發(fā)展的方向。

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[基金項(xiàng)目]基金資助：陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（15JK1337）

[作者簡(jiǎn)介] 王睿（1981-），男，職稱：講師，博士研究生，研究方向?yàn)閹r土與隧道工程。