地應(yīng)力測量技術(shù)方法分析

梁 晨，梁 昊，江 昊

（1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.湖北新火炬科技有限公司，湖北 襄陽 441004）

0 引言

地應(yīng)力可解釋為在長期的地層自然形成的年代里，由于地球經(jīng)過無數(shù)次的地殼運動及其他原因而賦存于地殼物質(zhì)內(nèi)的初始巖體應(yīng)力。我國的基礎(chǔ)建設(shè)需求日益增加，無論是在深山中開挖隧道等建設(shè)還是在城市中興建地鐵等工程，地應(yīng)力對于工程來說都是無法避免的重要影響參數(shù)。在工程建設(shè)中，尤其是大型地下工程，對于地上和地下開挖的巖體穩(wěn)定性以及工程安全性來說，地應(yīng)力的影響可謂是決定性因素。因此，如何測定地應(yīng)力就成為學(xué)術(shù)界及工程人員的當(dāng)務(wù)之急。

文章回首世界地應(yīng)力測量歷史，并分析幾種典型的地應(yīng)力測量技術(shù)及方法，以期為國內(nèi)地應(yīng)力測量方法盡微薄之力。

1 世界地應(yīng)力測量技術(shù)及方法的里程碑

盡管人類歷史可追溯至幾百萬年前，但相比于人類歷史，地應(yīng)力測量史就如同浩瀚星空中一縷微光。第一次提出地應(yīng)力觀點的是瑞士某學(xué)者于1878年通過觀察位于阿爾卑斯山的大型越嶺隧道的施工過程，經(jīng)過剖析引申出地應(yīng)力這一概念。而世界上第一次進行地應(yīng)力實測的則是位美國學(xué)者于1932年在胡佛水壩壩底的泄水隧道成功利用巖體表面應(yīng)力解除法測量了隧道壁的初始巖體應(yīng)力［1］。首次地應(yīng)力實測的成功，雖然推動了地應(yīng)力測量的發(fā)展，但此后近20年的時間，地應(yīng)力測量技術(shù)及方法卻依然停滯在測量表面應(yīng)力。終于在20世紀(jì)50年代，瑞典人N Hast［2］將應(yīng)力壓磁測量器及應(yīng)力解除法相結(jié)合并在瑞典的斯堪的納維亞半島進行了大規(guī)模的地應(yīng)力測量，通過他其后公布的測量結(jié)果，得出了地表地層中的垂直應(yīng)力是遠小于水平應(yīng)力的。自此，地應(yīng)力測量的發(fā)展仿佛坐上了蒸汽機，盡管在20世紀(jì)60年代中期之前，地應(yīng)力測量方法還只是平面應(yīng)力測量，但是隨著力學(xué)與有限元分析等學(xué)科的逐漸創(chuàng)立與完善，地應(yīng)力測量理論與技術(shù)也亟需改革創(chuàng)新，伴同著地應(yīng)力測量理論的完善及技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，地應(yīng)力測量技術(shù)也由測量平面應(yīng)力過渡到測量三維應(yīng)力，其中最具代表性的則是在20世紀(jì)60年代末至70年代初，南非科學(xué)和工業(yè)研究委員會（Council of Scientific and Industrial Research，CSIR）研制的三軸孔壁應(yīng)變計以及20世紀(jì)70年代中期，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation，CSIRO）巖石力學(xué)部研制的CSIRO型三軸空心包體應(yīng)變計并在全世界得到廣泛運用。伴著地應(yīng)力測量技術(shù)及方法的進步，當(dāng)需要利用深部鉆孔進行地應(yīng)力測量時，鉆孔中地下水的影響也成為“攔路虎”，在20世紀(jì)80年代初由瑞典國家電力局（Swedish State Power Board，SSPB）研制的水下鉆孔三向應(yīng)變計，測深記錄最高已經(jīng)超過500 m，這也意味著測量深部孔地應(yīng)力的技術(shù)翻越了一座高峰［3］。

我國地應(yīng)力測量技術(shù)研究及設(shè)備的研制相對于國外則是略遲，李四光院士和陳宗基院士是中國地應(yīng)力測量史上的開拓者，20世紀(jì)50年代末期，李四光院士指導(dǎo)的中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所不僅率先研制出壓磁式應(yīng)力計，更于1966年在河北省隆堯縣建立了全國乃至全世界第一個地應(yīng)力測量監(jiān)測站臺［2］。而隨著陳宗基院士領(lǐng)導(dǎo)下的中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所在湖北大冶鐵礦進行的國內(nèi)首次應(yīng)力解除法測量的成功，則象征著中國測量地應(yīng)力的技術(shù)有了巨大突破。年過幾旬，國內(nèi)對于測量地應(yīng)力的技術(shù)及測量儀器的研制愈發(fā)重視，20世紀(jì)80年代初期，水壓致裂法被引入中國來測量初始巖體應(yīng)力，1980年河北易縣，在地礦部地殼應(yīng)力研究所的帶領(lǐng)下，中國初度采用水壓致裂法完成測量地應(yīng)力的任務(wù)，為國內(nèi)測量深部孔的地應(yīng)力畫下了濃墨重彩的一筆。

2 地應(yīng)力測量技術(shù)及方法論述

自從人類首次提出地應(yīng)力概念，對于地應(yīng)力的測量便成為重要話題之一，而關(guān)于地應(yīng)力測量的方法也層出不窮，100多年以來，國內(nèi)外地應(yīng)力測量的成果也收獲頗豐，但總而言之，最常用的方法可概括成如下幾類：水壓致裂法（Hydraulic Fracturing Method）、聲發(fā)射法（Acoustic Emission Method）、鉆孔崩落法（Borehole Breakout Method）、應(yīng)變恢復(fù)法（Strain Recovery Method）、應(yīng)力解除法（Stress Relief Method）等其他測量方法。通俗來講，既然是測量地應(yīng)力，測量儀器是必不可少的，應(yīng)力量值若能無需其他手段僅用測量儀器測出的即可視為直接測量法，上述方法的前3種即可劃分為直接測量法，而應(yīng)力解除法和應(yīng)變恢復(fù)法則需要利用相應(yīng)彈性力學(xué)等公式換算得出地應(yīng)力［4］。

2.1 水壓致裂法

水壓致裂法測量的基本原理是在某一待測鉆孔，利用一對可膨脹橡膠阻隔器將預(yù)定深度的鉆孔封隔出一小段作為測量對象，然后將高壓流體注入該測試段使得該測試段鉆孔孔壁發(fā)生脹裂以此來確定地應(yīng)力［5］。

水壓致裂法設(shè)備簡單、操作方便，在理論上也不受鉆孔深度的約束，其測量數(shù)據(jù)代表性大，因此這也是該方法自發(fā)明以來到現(xiàn)在仍被世界通用的原因之一，雖然水壓致裂法作為測量深部地應(yīng)力最成功的方法，但是它也不是完美無瑕的［6］。水壓致裂法的假設(shè)條件之一是鉆孔軸線方向必須與地應(yīng)力主軸方向一致，當(dāng)不能保證測量地區(qū)地質(zhì)條件時，其測量成本較高且測得數(shù)據(jù)的精確性及科學(xué)性是有異議的。

2.2 聲發(fā)射法

聲發(fā)射法，是指利用巖石的聲發(fā)射來測定地應(yīng)力的一種方法，聲發(fā)射法又稱Kaiser效應(yīng)法。當(dāng)金屬材料受力時，若未達到曾經(jīng)所受最大應(yīng)力時，聲發(fā)射現(xiàn)象便不存在，然而一旦應(yīng)力值超過閥值即曾受最大應(yīng)力之后，聲發(fā)射現(xiàn)象會得到加強，這種現(xiàn)象被后人稱為Kaiser效應(yīng)。而在20世紀(jì)60年代初期國外學(xué)者又通過試驗闡明Kaiser效應(yīng)同樣存在于巖體之中，因此這一技術(shù)才被應(yīng)用于測量初始巖體應(yīng)力。根據(jù)聲發(fā)射法，可利用定位原巖中巖芯等其他方法確定巖芯曾受最大應(yīng)力值并得出其三維應(yīng)力狀態(tài)。

聲發(fā)射法的優(yōu)點在于勞動量小且不會破壞所測場地完整性，但是通常來說，因為強度高且脆性大的巖石會有更顯著的Kaiser效應(yīng)，所以聲發(fā)射法測出的數(shù)據(jù)更為精確。但是當(dāng)所測場地巖體較為松軟時，聲發(fā)射法所測精度則會下降許多。正因如此，聲發(fā)射法的運用多在于礦山、油田等工程中。

2.3 鉆孔崩落法

在高地應(yīng)力的作用下，利用巖石孔壁周圍上的小型巖體發(fā)生脫落掉塊的現(xiàn)象來測定地應(yīng)力的方法稱為鉆孔崩落法。鉆孔自然崩落破壞機理通常是因為孔壁所受切向應(yīng)力太大，導(dǎo)致孔壁巖體剪切破壞而崩落。通過分析和判別鉆孔崩落的形狀要素既可以估算應(yīng)力值，又可定位出巖體中原生裂縫及可能產(chǎn)生裂縫的位置。

由于鉆孔崩落法對于最大水平主應(yīng)力的大小及方向測量精確度大，廣泛用于石油勘探開發(fā)、鉆井穩(wěn)定性分析等領(lǐng)域［7］，但由于需要鉆孔崩落才能測出應(yīng)力值，并且?guī)r石的各向異性會導(dǎo)致測出應(yīng)力量值的有效性而造成較大誤差。

2.4 應(yīng)力解除法

用一句話來概括應(yīng)力解除法，就是人為解除應(yīng)力，并根據(jù)應(yīng)力解除所產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)而求得相應(yīng)應(yīng)力的一種測量地應(yīng)力的方法。用這種方法測量地應(yīng)力時必須規(guī)定其前提條件，那就是必須假設(shè)待測巖體為均質(zhì)連續(xù)且各向同性的彈性體，在測定巖體所受的地應(yīng)力時，巖體本身是處于三向受壓狀態(tài)，通過切割或鉆孔等方式人為地破壞待測巖體與周圍巖體的聯(lián)系，使之互相分離，即人為解除其應(yīng)力，那么就一定會產(chǎn)生彈性恢復(fù)，再利用測量儀器測得其恢復(fù)的形變，最后應(yīng)用理論及定理相結(jié)合計算出地應(yīng)力。

我國專家、學(xué)者對于鉆孔應(yīng)力解除法技術(shù)進行了深切的討論與研究，目前技術(shù)也相對純熟，測量準(zhǔn)確度好，可靠性強，尤其適用于礦山地區(qū)，但也限制了其測量區(qū)域，導(dǎo)致該方法有其局限性。

由于所應(yīng)用測量原理與所測部位不盡相同，本文又可將應(yīng)力解除法劃分為如下幾類：鉆孔孔徑形變測量法、鉆孔孔壁應(yīng)力測量法、鉆孔孔壁應(yīng)變測量法和鉆孔孔底應(yīng)變測量法。其中，鉆孔孔壁應(yīng)變測量法和鉆孔孔底應(yīng)變測量法可統(tǒng)稱為鉆控應(yīng)變測量法。

2.5 應(yīng)變恢復(fù)法

應(yīng)變恢復(fù)法應(yīng)變恢復(fù)法包括非（滯）彈性應(yīng)變恢復(fù)法（Anelastic Strain Recovery，ASR）和微分應(yīng)變曲線分析法（Differential Strain Curve Analysis，DSCA）。早在1968年B.Voight就已提出了非（滯）彈性應(yīng)變恢復(fù)法的概念，但第一次將其運用于地應(yīng)力測量還要追溯到1982年的L.W.Teufel。簡單來說，ASR法是將待測巖體認(rèn)作一種黏彈性材料，當(dāng)巖芯從巖體中抽離出來后產(chǎn)生了非彈性的應(yīng)變，通過測定這種應(yīng)變來確定相應(yīng)應(yīng)力。Matsuki and Takeuchi在1993年將這一方法成功應(yīng)用于三維地應(yīng)力測量。

F.G.Strickland和N.K Ren在20世紀(jì)80年代初期提出了微分應(yīng)變曲線分析法的概念，這一概念可歸納總結(jié)為：當(dāng)巖芯被取出后會產(chǎn)生微裂隙，將微裂隙重新閉合后會產(chǎn)生形變，以此來確定原巖應(yīng)力。DSCA法具有測深較大的特點，因而可用于深部地應(yīng)力測量的研究。

2.6 其他

除去上述所提到的幾種典型的地應(yīng)力測量方法，還有一些著重測量大范圍地殼應(yīng)力狀態(tài)的地球物理探測法。因此并不能為工程建設(shè)提供詳細(xì)的地應(yīng)力數(shù)據(jù)［8］，故不在此一一列舉。

3 結(jié)語

從人類首次提出地應(yīng)力的概念至今，人們已經(jīng)在地應(yīng)力測量的道路上留下一座座里程碑。時至今日，為了滿足人類物質(zhì)文化日益增長的需求，我國乃至世界上的隧道開挖、礦山開采、核能運用等地上地下工程也日漸增多，地應(yīng)力測量的重要性也越來越被人們所熟知。

雖然現(xiàn)在對于一般工程來說，測深無需太深，也有技術(shù)相對成熟的測量方法，但在不久的將來，隨著地下工程的增多，深部地應(yīng)力測量會是新的難題，畢竟目前的測量技術(shù)、理論、方法還是存在局限性。但有挑戰(zhàn)才會有動力，隨著科技的進步與發(fā)展，未來對于地應(yīng)力的測量及監(jiān)測定會更加完善。

我國在世界地應(yīng)力測量工作中起步較晚，雖然經(jīng)過五十幾年的努力，也在地應(yīng)力測量工作中取得不少成績，但相比其他國家還是有些差距。國外對于深部地應(yīng)力測量工作可謂是異常看重，最大測深已達到9 000 m，國內(nèi)相關(guān)專家、研究者依舊任重而道遠。需要重視這個問題，在測量設(shè)備如傳統(tǒng)水壓致裂裝備上應(yīng)更新?lián)Q代，并且在其他技術(shù)、理論上也應(yīng)進行創(chuàng)新。當(dāng)然，地應(yīng)力成因是復(fù)雜的，應(yīng)把地應(yīng)力的測量看作綜合測試，只應(yīng)用單一的測量方法必定會產(chǎn)生誤差。為了削弱誤差的作用力，提升測量的精確性，理當(dāng)將多種測量方法組合起來，互相取長補短，為中國測量地應(yīng)力的事業(yè)錦上添花。