高地應(yīng)力“強(qiáng)度&應(yīng)力”耦合判據(jù)及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)*

宮鳳強(qiáng) 代金豪 王明洋 黃書嶺 徐 磊

(①東南大學(xué)土木工程學(xué)院， 南京 211189， 中國(guó)) (②爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)， 南京 210007， 中國(guó)) (③長(zhǎng)江科學(xué)院， 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430010， 中國(guó))

0 引 言

隨著我國(guó)對(duì)能源、資源和交通日益增長(zhǎng)的需求，資源開采和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷向地球深部進(jìn)軍，很多國(guó)家重大工程中涉及的深埋隧道或水電廠房、深部礦井等深部工程數(shù)量越來(lái)越多、規(guī)模越來(lái)越大(黃潤(rùn)秋等， 1997； 何滿潮等， 2005)。目前，在交通隧道領(lǐng)域，峨漢高速公路隧道最大埋深1944m，某交通線路隧道最大埋深2600m(李利平等， 2021)； 在水電隧洞領(lǐng)域，引漢濟(jì)渭輸水隧洞最大埋深2012m，錦屏水電站引水隧洞最大埋深2025m(李利平等， 2021)； 在地?zé)衢_采領(lǐng)域，文登-威海-榮成-威海深部地?zé)釡y(cè)溫孔達(dá)3000m(李利平等， 2021)； 在金屬資源開采領(lǐng)域， 2000年以前我國(guó)只有2座礦山開采深度達(dá)到或接近1000m(王瓊杰， 2017)，目前開采深度超過(guò)1000m的金屬礦山有16座(趙興東等， 2021)； 在深部地下實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室垂直巖石覆蓋厚度達(dá)2400m(李邵軍等， 2021)?？梢?，深部資源開采和地下空間開發(fā)建設(shè)已趨于常態(tài)化。

隨著深部工程數(shù)量日益增多，開挖過(guò)程中諸如礦柱劈裂、地下廠房高邊墻劈裂縫、洞壁板裂、巖爆等圍巖非常規(guī)破壞現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)(宮鳳強(qiáng)等， 2007a， 2007b， 2010； 王明洋， 2010； 王明洋等， 2010， 2021； 王錢款等， 2021； 趙興東等， 2021； 張重遠(yuǎn)等， 2022)，嚴(yán)重威脅地下工程的安全建設(shè)。例如，我國(guó)最大埋深為2525m的錦屏二級(jí)水電站的輔助洞、施工排水洞開挖發(fā)生巖爆570多次，洞壁多呈片狀或板狀破裂、剝落或崩出，常造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失效以及工期延誤(Li et al.，2011)； 發(fā)生在該工程引水隧洞的“11·28”極強(qiáng)巖爆災(zāi)害更是造成了7名施工人員遇難，造價(jià)昂貴的TBM報(bào)廢以及停工半年(錢七虎， 2014， 2017)。拉薩至林芝段的巴玉隧道全長(zhǎng)13073m，其中94%均位于巖爆區(qū)，被稱為“石頭像炮彈一樣飛”的隧道，巖爆造成隧道內(nèi)的鋼臺(tái)架多次被砸損毀以及施工人員受傷(韓侃等， 2020)。引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞累計(jì)發(fā)生巖爆4000余次，其中中等巖爆以上3000余次，最大震級(jí)1.6級(jí)，多次砸壞錨桿鉆機(jī)和TBM附屬結(jié)構(gòu)(薛景沛， 2019； 中國(guó)水利報(bào)， 2022)。

巖爆、板裂及其他圍巖破壞現(xiàn)象本質(zhì)上都是深部巖石力學(xué)問(wèn)題。在對(duì)深部巖石力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究時(shí)，必然涉及到深部的界定問(wèn)題。深部最早并沒有明確的界定，后來(lái)以工程所在的絕對(duì)深度為指標(biāo)進(jìn)行定義，但這種做法以單一的絕對(duì)深度為指標(biāo)界定深部區(qū)間缺乏實(shí)用性，不具科學(xué)性，何滿潮(2005)認(rèn)為深部是指工程巖體開始出現(xiàn)非線性力學(xué)現(xiàn)象的深度及以下的區(qū)間； 錢七虎(2004)，王明洋等(2006)建議基于分區(qū)破裂化現(xiàn)象來(lái)界定深部； 謝和平等(2015)建議深部概念應(yīng)綜合反映深部的應(yīng)力特征、應(yīng)力狀態(tài)和圍巖屬性； 李夕兵等(2017)認(rèn)為深部的界定應(yīng)根據(jù)科學(xué)產(chǎn)能要求和資源賦存條件，并包含高應(yīng)力、高地溫和高井深等綜合因素。

與深部概念相比，高地應(yīng)力作為深部工程最典型的環(huán)境賦存特征，更能從定量化角度反映深部工程巖石變形破壞和工程地質(zhì)災(zāi)害顯現(xiàn)的力學(xué)本質(zhì)。鑒于上述工程地質(zhì)災(zāi)害的嚴(yán)重危害性，人們逐漸重視對(duì)高地應(yīng)力區(qū)的判別，以期在勘察設(shè)計(jì)階段評(píng)估開挖過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象并據(jù)此制定相應(yīng)的防控措施。在高應(yīng)力定量判據(jù)方面，早期很多專家學(xué)者主要以工程現(xiàn)場(chǎng)的地應(yīng)力量值及相對(duì)大小作為高地應(yīng)力指標(biāo)，后來(lái)逐漸認(rèn)識(shí)到還需要考慮圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)。隨后，以巖石(或巖體)強(qiáng)度應(yīng)力比為指標(biāo)提出了眾多評(píng)價(jià)高地應(yīng)力的分級(jí)判據(jù)。然而，根據(jù)這類分級(jí)判據(jù)劃分的地應(yīng)力等級(jí)與圍巖實(shí)際破壞現(xiàn)象仍存在差別。事實(shí)上，以強(qiáng)度應(yīng)力比為指標(biāo)的地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)本質(zhì)上是一維形式的比值，僅能反映巖石強(qiáng)度和地應(yīng)力水平的相對(duì)大小，而未充分考慮兩者的絕對(duì)值大小及耦合關(guān)系，故在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍存在誤判，影響了工程穩(wěn)定性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。因此，非常有必要對(duì)現(xiàn)有的高地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)進(jìn)行深入研究。

根據(jù)已收集的歷史文獻(xiàn)，本文首先介紹高應(yīng)力術(shù)語(yǔ)及概念的發(fā)展歷史和國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)研究進(jìn)展。然后，在收集大量地下工程實(shí)例數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上討論現(xiàn)有分級(jí)判據(jù)的合理性及不足。最后，結(jié)合地下巖體在高地應(yīng)力下的典型破壞現(xiàn)象以及巖石強(qiáng)度、地應(yīng)力數(shù)據(jù)，從考慮最大主應(yīng)力和巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度的絕對(duì)值大小及其耦合關(guān)系出發(fā)，提出高地應(yīng)力“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)，以期為工程區(qū)巖體高地應(yīng)力的判別及開挖過(guò)程的安全評(píng)價(jià)提供參考。

1 高地應(yīng)力的概念和定義

概念是對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性在人們頭腦中的概括反映，這種反映往往以術(shù)語(yǔ)來(lái)標(biāo)示。在特定學(xué)科領(lǐng)域當(dāng)新事物或新概念出現(xiàn)時(shí)，需要通過(guò)術(shù)語(yǔ)作為代表或者標(biāo)記(我國(guó)又稱為名詞或科技名詞)。“高地應(yīng)力”術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)和概念形成經(jīng)歷了一個(gè)認(rèn)識(shí)不斷加深的發(fā)展過(guò)程。1929年，Crane在報(bào)告“Rock Bursts in the Lake Superior Copper Mines， Keweenaw Point， Michigan”中認(rèn)為巖爆(rock burst，圖 1所示)與深部采礦相關(guān)，強(qiáng)度通常與深度成正比，隨著開采深度的增加和隨之而來(lái)的更高巖石壓力(higher rock pressures)，巖爆的規(guī)模和強(qiáng)度都會(huì)增加，上覆巖石的重量是直接原因； 同時(shí)也分析了板裂(spalling，圖 2所示)的產(chǎn)生原因(Crane， 1929)。1946年Spalding在“Some aspects of ground movement”分析巖爆原因時(shí)認(rèn)為“存在差異應(yīng)力時(shí)，即當(dāng)處于高應(yīng)力(high stress)下的巖石與處于低應(yīng)力下的巖石相鄰時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生剪切傾向，這種剪切作用通常會(huì)悄悄發(fā)生，但可能會(huì)突然劇烈地發(fā)生巖爆”(Spalding， 1946)。1958年Hast在“The measurement of rock pressure in mines”一文中發(fā)現(xiàn)在南非某鉆石礦中的高應(yīng)力巖石(highly stressed rock)中獲取不到連續(xù)的巖芯，巖芯表現(xiàn)“圓盤狀”(disk)(Hast， 1958)。1962年Cook進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這些“圓盤”的厚度與直徑之比隨著應(yīng)力增高而減小(Cook， 1962)。1963年Jaeger和Cook在“Pinching off and discing of rock”一文中發(fā)現(xiàn)鉆孔巖芯斷裂強(qiáng)度小于巖石單軸抗壓強(qiáng)度，這與在高應(yīng)力地面(highly stressed ground)上進(jìn)行金剛石鉆孔時(shí)巖芯破碎成圓盤有關(guān)，而且隨著應(yīng)力增加，圓盤厚度減小，圖 3為在某工程埋深2438m處的巖芯(Jaeger et al.，1963)。1964年Leeman認(rèn)為從鉆穿高應(yīng)力地面(highly stressed ground)的金剛石鉆孔中獲得的巖芯呈薄圓盤狀，因此鉆心的狀態(tài)也可以提供有關(guān)巖體中應(yīng)力的定性信息(Leeman， 1964)。1965年Obert和Stephenson發(fā)現(xiàn)巖芯餅化主要與地應(yīng)力差有關(guān)(Obert et al.，1965)。1966年Fairhurst和Cook在分析地下1219m石英巖“slabbing”(即板裂或?qū)恿?現(xiàn)象時(shí)，認(rèn)為高應(yīng)力脆性巖石表面(highly stressed brittle rock face)由平行于表面的巖板組成(Fairhurst et al.，1966)。

圖 1 礦柱巖爆破壞(Crane， 1929)Fig. 1 Pillar shattered by rock burst

圖 2 礦柱板裂破壞(Crane， 1929)Fig. 2 Failure of pillar by spalling(Crane， 1929)

圖 3 從2438m深度處鉆取的直徑10cm“盤狀”石英巖 巖芯(Jaeger et al.，1963)Fig. 3 “Disking” of quartzite core in 10cm in diameter drilled at a depth of 2438m(Jaeger et al.，1963)

國(guó)內(nèi)對(duì)高地應(yīng)力的認(rèn)識(shí)同樣經(jīng)歷了一個(gè)不斷加深的發(fā)展過(guò)程，最初用術(shù)語(yǔ)“高壓”進(jìn)行表述。1955年錢鳴皋(疑為錢鳴高)在“介紹煤及瓦斯突出的性質(zhì)與力學(xué)作用的現(xiàn)代學(xué)說(shuō)”一文中認(rèn)為“在地下由于巷道的開掘使巖體應(yīng)力發(fā)生了變化，使圍巖產(chǎn)生了移動(dòng)… 圍巖壓力分布不均勻… 是集中的。壓力的分布可能使其中某一部分很快地由承受高壓的情況而至完全不承受壓力的情況，或者相反”(1955，錢鳴皋)。1959年林景云在著作《撫順勝利礦的沖擊地壓》中給出了1933～1935年沖擊地壓的傷亡事故統(tǒng)計(jì)表(可能是中國(guó)最早的沖擊地壓事故統(tǒng)計(jì))，認(rèn)為“沖擊地壓的發(fā)生隨著深度的增加，情況日趨嚴(yán)重”，論述沖擊地壓與地質(zhì)條件的關(guān)系時(shí)“地層壓力分為下向和橫向，下向壓力由地心引力所起，橫向壓力發(fā)生在造山運(yùn)動(dòng)… 當(dāng)煤層被采掘時(shí)，打破了地層內(nèi)部的平衡關(guān)系，在一定高壓下由于潛在壓力激劇發(fā)散的結(jié)果，遂形成了沖擊地壓”，“地壓隨著深度的增加而加大，沖擊地壓時(shí)地壓顯現(xiàn)的激烈形式，深度是發(fā)生沖擊的主要因素… 地下200m以上地點(diǎn)，因?yàn)榈貕盒?，根本不發(fā)生沖擊”(林景云， 1959)。

研究高地應(yīng)力必須首先認(rèn)識(shí)巖體初始應(yīng)力。1965年金漢平在“巖體初始應(yīng)力測(cè)量技術(shù)綜述”一文中，認(rèn)為“巖體初始應(yīng)力就是巖體處于自然狀態(tài)中所受的應(yīng)力，因而也稱為自然應(yīng)力、內(nèi)應(yīng)力或預(yù)應(yīng)力，有時(shí)也將巖體中的初始應(yīng)力當(dāng)作各種地質(zhì)因素長(zhǎng)期作用下的目前殘存的應(yīng)力，因而稱之為殘余應(yīng)力… 過(guò)大的初始應(yīng)力往往引起圍巖過(guò)大的變形或壓碎，當(dāng)隧洞深度大且?guī)r石堅(jiān)硬時(shí)，往往引起巖石爆破或稱為礦山?jīng)_擊，即巖石成碎片狀從洞壁射出，對(duì)安全有很大的威脅(金漢平， 1965)。1973年《勘察技術(shù)資料》編輯組在《勘察技術(shù)資料》上撰文“國(guó)外地下工程勘察技術(shù)簡(jiǎn)介”，文中認(rèn)為“巖爆主要是由于巖體內(nèi)的殘余構(gòu)造應(yīng)力在某一局部產(chǎn)生過(guò)度的應(yīng)力集中，當(dāng)掘進(jìn)開挖時(shí)開挖面上的主應(yīng)力解除而使巖體內(nèi)應(yīng)力失去平衡，致產(chǎn)生巖爆… 國(guó)外對(duì)于預(yù)測(cè)巖體中高應(yīng)力集中帶問(wèn)題，常通過(guò)鉆探所取的巖芯完整程度及鉆孔孔壁的破壞程度進(jìn)行定性的判定。例如，南非的研究表明，當(dāng)鉆孔達(dá)到高應(yīng)力集中帶時(shí)，所取的巖芯不再是完整的圓柱體，而呈現(xiàn)為圓形的薄片或不規(guī)則的碎片… 這種現(xiàn)象表明采取的巖芯曾經(jīng)是承受著巖體內(nèi)高應(yīng)力的作用，既經(jīng)采取為巖芯后，其表面應(yīng)力解除，而其內(nèi)應(yīng)力劇烈地失掉平衡，致使巖芯的結(jié)構(gòu)崩解，支離破碎”(《勘察技術(shù)資料》編輯組， 1973)。1975年冶金部礦冶研究所礦山壓力研究室在“巖體初始應(yīng)力場(chǎng)及巖體應(yīng)力測(cè)量”一文中論述“巖體的初始應(yīng)力場(chǎng)也稱巖體一次應(yīng)力場(chǎng)，是指沒有開挖地下工程之前，巖體中各空間點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及分布規(guī)律，是客觀存在于巖體之中的自然力場(chǎng)… 地下工程的開挖或采掘在巖體中造成空?qǐng)觯蚱屏藥r體的初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，在空?qǐng)龅闹車捌涓浇a(chǎn)生新的應(yīng)力分布(也稱二次應(yīng)力場(chǎng))，造成應(yīng)力降低區(qū)(也稱卸載區(qū))和應(yīng)力增高區(qū)(也稱支撐壓力區(qū))”(冶金部礦冶研究所礦山壓力研究室， 1975)。1976年陶振宇在專著《水工建設(shè)中的巖石力學(xué)問(wèn)題》第四章“巖體的初始應(yīng)力”中認(rèn)為，“巖體的初始應(yīng)力是指巖體處于天然產(chǎn)狀條件下所具有的內(nèi)應(yīng)力，又稱之為巖體內(nèi)應(yīng)力或天然巖體內(nèi)應(yīng)力，主要是由于巖體(包括覆蓋它的巖體)的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用的結(jié)果； 當(dāng)?shù)叵聨r體中進(jìn)行挖空后，巖體的初始應(yīng)力場(chǎng)便在圍巖中發(fā)生重新分布，從而引起圍巖的變形或破壞”； 文中還認(rèn)為“在堅(jiān)硬而完整的巖體內(nèi)，由于地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，可以聚集大量的能量，從而形成高的天然內(nèi)應(yīng)力，這是深埋地下工程開挖過(guò)程中產(chǎn)生“巖爆”現(xiàn)象的主要原因”(陶振宇， 1976)。1978年華安增在“地應(yīng)力與煤和瓦斯突出的關(guān)系”一文中分析怎樣認(rèn)識(shí)到構(gòu)造應(yīng)力的作用時(shí)認(rèn)為，“地質(zhì)構(gòu)造劇變的地帶，煤層受到挫揉，強(qiáng)度較弱，易于大量地突然破碎，這確是原因之一，但強(qiáng)度是相對(duì)應(yīng)力而言的，更重要的是地質(zhì)構(gòu)造劇變帶集中著較高的地應(yīng)力，即地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力… 煤巖中地應(yīng)力比較高(或深度比較大，自重應(yīng)力比較大，或還有構(gòu)造應(yīng)力)… 破碎煤塊迅速?gòu)母邞?yīng)力狀態(tài)下解除出來(lái)”(華安增， 1978)。1978年張曼江在“地應(yīng)力對(duì)工程的影響”一文中認(rèn)為“堅(jiān)硬巖石中如果初始應(yīng)力很高，貯存在巖層中的應(yīng)變能有時(shí)會(huì)猛烈釋放，造成巖爆，不僅威脅人身安全，并給生產(chǎn)造成巨大損失。一切巖爆都產(chǎn)生地震波、最大巖爆的震級(jí)可達(dá)里氏震級(jí)5.5級(jí)”(張曼江， 1978)。

學(xué)術(shù)論文正文和標(biāo)題中以術(shù)語(yǔ)形式最早出現(xiàn)“高地應(yīng)力(區(qū))”概念的來(lái)自于1979年全國(guó)首屆工程地質(zhì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集中的2篇論文。在“論巖體工程地質(zhì)力學(xué)的基本力學(xué)問(wèn)題”一文中提到“西藏鐵路建設(shè)要穿越深大斷裂和高地應(yīng)力區(qū)”(谷德振等， 1979)； 在“高地應(yīng)力區(qū)巖石的脆性破裂”一文中在對(duì)二灘水電站的勘探工程中，在新鮮完整的正長(zhǎng)巖體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)巖芯“餅化”… 這個(gè)新異的地質(zhì)現(xiàn)象，…研究其生成機(jī)理，提出高地應(yīng)力作用下的堅(jiān)硬巖在特定的條件下發(fā)生脆性破裂的認(rèn)識(shí)(石金良， 1979)。后來(lái)，很多研究人員關(guān)注巖芯餅化及巖爆現(xiàn)象，并進(jìn)一步證實(shí)了兩種現(xiàn)象的嚴(yán)重程度與高地應(yīng)力水平密切相關(guān)(白世偉等， 1983； 侯發(fā)亮等， 1984； 劉世煌， 1988； Martin.，1990； 尚岳全等， 1991； Li et al.，1998； Bunger，2010； Lim et al.， 2010； 王明洋等， 2010， 2011； Li et al.，2019； 張豐收等， 2022)。

定義是對(duì)于概念的內(nèi)涵和外延所作的簡(jiǎn)要說(shuō)明。關(guān)于高地應(yīng)力的定義， 1985年姚寶魁和張承娟在“高地應(yīng)力壩區(qū)硐室圍巖巖爆及其斷裂破壞機(jī)制”一文中認(rèn)為“對(duì)于高應(yīng)力至今還沒有明確定義，工程實(shí)踐中往往將200～250kg·cm-2左右的巖體初始應(yīng)力稱為高應(yīng)力… 高應(yīng)力是一個(gè)相對(duì)的概念，且與巖體的強(qiáng)度及剛度特性有關(guān)”(姚寶魁等， 1985)。孫廣忠認(rèn)為“地應(yīng)力具有雙重性，一方面它是巖體賦存條件，另一方面它又賦存于巖體之內(nèi)，和巖體組成成分一樣，左右著巖體特性，是巖體力學(xué)特性的組成成分”(孫廣忠， 1988)。徐林生等認(rèn)為國(guó)內(nèi)外對(duì)高地應(yīng)力的含義迄今還未達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)… 高地應(yīng)力是一個(gè)相對(duì)的概念，并且它與巖體所經(jīng)受的應(yīng)力歷史和巖體強(qiáng)度、巖石彈性模量等諸多因素有關(guān)(徐林生等， 2002)。陳菲等給出了高地應(yīng)力的一種定義，即量值足以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體或巖塊破壞的地應(yīng)力(陳菲等， 2015)。

綜上所述，地下工程進(jìn)入深部之后，遇到巖爆、巖芯餅化、板裂、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等很多新的工程地質(zhì)現(xiàn)象。這類現(xiàn)象原來(lái)在自然界并不存在，完全是由于地下工程到了一定深度誘發(fā)的，不進(jìn)行深部工程建設(shè)則不會(huì)遇到，而且發(fā)生時(shí)往往對(duì)地下工程建設(shè)造成災(zāi)害，因此均屬于典型的地下工程地質(zhì)災(zāi)害或深部工程地質(zhì)災(zāi)害(宮鳳強(qiáng)等， 2021)。在從力學(xué)角度分析上述新的工程地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理時(shí)，高地應(yīng)力的術(shù)語(yǔ)和概念隨之產(chǎn)生。因此，地下工程中的“高地應(yīng)力”屬于工程概念范疇，主要用于解決地下工程問(wèn)題。中國(guó)知網(wǎng)檢索顯示，目前標(biāo)題中出現(xiàn)和地下工程相關(guān)的“高地應(yīng)力”和“高應(yīng)力”學(xué)術(shù)論文和學(xué)位論文已達(dá)2727篇，正文中提及“高地應(yīng)力”的論文已達(dá)55222篇，說(shuō)明和高地應(yīng)力相關(guān)的地下工程問(wèn)題已經(jīng)是巖石力學(xué)與地質(zhì)工程界研究的普遍問(wèn)題和常態(tài)問(wèn)題。因此可知，高地應(yīng)力的概念已經(jīng)深入人心并廣泛應(yīng)用，成為地下工程領(lǐng)域約定俗成的專門用語(yǔ)，但是其定義尚未有比較統(tǒng)一的說(shuō)法。

2 高地應(yīng)力的定性判據(jù)

人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)，基本都是從現(xiàn)象開始的，尤其是對(duì)工程地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，而且一般從初步的定性認(rèn)識(shí)逐漸走向定量性精準(zhǔn)認(rèn)識(shí)。如上節(jié)所述，高地應(yīng)力概念是研究人員用于解釋巖爆、巖芯餅化等新的工程地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理才出現(xiàn)的，并認(rèn)為高地應(yīng)力是這些工程地質(zhì)現(xiàn)象的主導(dǎo)因素，地質(zhì)調(diào)查也說(shuō)明只有在高地應(yīng)力環(huán)境中才會(huì)出現(xiàn)這些新的工程地質(zhì)現(xiàn)象，因此巖爆、巖芯餅化、板裂、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等自然屬于高地應(yīng)力定性判別依據(jù)。此外，高地應(yīng)力定性判據(jù)還有其他表現(xiàn)形式或地質(zhì)標(biāo)志。

張志良和徐志英在“高地應(yīng)力區(qū)地下洞室圍巖穩(wěn)定和變形分析”一文中引用了1984年陶振宇的“天然巖石中的三維應(yīng)力狀態(tài)”中高地應(yīng)力區(qū)的巖體特性，如餅狀巖芯、巖爆、塑性擠出、錯(cuò)動(dòng)臺(tái)階都與高地應(yīng)力密切相關(guān)； 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系主要為上彎型； 顯微鏡下可以看到巖塊中發(fā)育密集的微裂隙…高地應(yīng)力區(qū)巖石一經(jīng)破壞不是形成明顯的破壞面，而是碎散成塊度大小均勻的一堆碎塊； 巖體總是表現(xiàn)出彈塑性性質(zhì)，由于高地應(yīng)力的壓密作用，結(jié)構(gòu)面影響效應(yīng)減弱，完整性提高(張志良等， 1991)。1987年薛璽成等在“巖體高地應(yīng)力及其分析”認(rèn)為巖爆、巖芯餅化、裂隙巖體的滲透性小、巖體彈性模量與室內(nèi)巖塊彈性模量試驗(yàn)值近似相等等高地應(yīng)力區(qū)巖體物理力學(xué)現(xiàn)象(薛璽成等， 1987)。1988年孫廣忠在著作《巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)》中給出了高地應(yīng)力區(qū)的地質(zhì)標(biāo)志，包括(1)餅狀巖芯：作者本人1954年在秦嶺北坡進(jìn)行壩基工程地質(zhì)勘探工作中發(fā)現(xiàn)過(guò)餅狀巖芯現(xiàn)象， 1970年代后在金川、大冶、白云鄂博、大同等礦區(qū)鉆孔巖芯中見過(guò)大量這種現(xiàn)象； (2)探洞和地下洞室在施工過(guò)程中出現(xiàn)巖爆、剝離、巖體錘擊有啞聲現(xiàn)象：脆性巖石在高地應(yīng)力條件下產(chǎn)生張破裂的地質(zhì)標(biāo)志； (3)隧洞、巷道鉆孔、縮徑：高地應(yīng)力區(qū)軟巖中出現(xiàn)的地質(zhì)標(biāo)志； (4)邊坡上出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)臺(tái)階：大壩廠房基坑開挖過(guò)程中的典型現(xiàn)象； (5)巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)野外原位測(cè)得的結(jié)果比實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊試驗(yàn)結(jié)果高：西南地區(qū)壩址地質(zhì)勘探工作中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象； (6)原位變形測(cè)試曲線有截距：二灘壩址原位彈性模量測(cè)試中見到的現(xiàn)象，高地應(yīng)力環(huán)境下巖塊壓縮變形曲線存在預(yù)壓縮的初始地應(yīng)力值，該值是測(cè)點(diǎn)巖石內(nèi)應(yīng)力貢獻(xiàn)，是高地應(yīng)力區(qū)的標(biāo)志(孫廣忠， 1988)。隨后孫廣忠在著作《工程地質(zhì)與地質(zhì)工程》中給出了高地應(yīng)力區(qū)和低地應(yīng)力區(qū)的地質(zhì)標(biāo)志，如表 1所示(孫廣忠， 1993)。丁恩寶在“低地應(yīng)力及其工程地質(zhì)意義”一文中給出了識(shí)別低地應(yīng)力的工程地質(zhì)標(biāo)志，包括(1)巖體風(fēng)化破碎，結(jié)構(gòu)面普遍張開； (2)壓性斷層破碎帶松弛； (3)坍方和縱張裂縫； (4)圍巖強(qiáng)透水性； (5)巖體低波速； (6)室內(nèi)巖石試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所獲變形模量值差別很大，有時(shí)達(dá)十倍到數(shù)十倍。彈(變)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線常為軟化變形和有明顯的壓密段(丁恩寶， 1993)。1994年頒布的《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-94)和《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)把高初始應(yīng)力區(qū)分為高應(yīng)力和極高應(yīng)力，并對(duì)硬質(zhì)巖和軟質(zhì)巖的高地應(yīng)力現(xiàn)象進(jìn)行定性區(qū)分，如表2所示?！稁r土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)修訂時(shí)刪除了圍巖分級(jí)及高地應(yīng)力相關(guān)內(nèi)容，推薦采用《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》。目前《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T500218-2014)則采用表 3所示的高地應(yīng)力分級(jí)判據(jù)。表 3中不再用極高應(yīng)力和高應(yīng)力進(jìn)行區(qū)分，定性判據(jù)內(nèi)容中對(duì)巖芯餅化現(xiàn)象從軟質(zhì)巖調(diào)整到了硬質(zhì)巖部分，更加符合硬質(zhì)巖工程現(xiàn)場(chǎng)的高應(yīng)力現(xiàn)象。需要說(shuō)明的是，在本文中主要關(guān)注堅(jiān)硬巖中的高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象，對(duì)于發(fā)生在深部煤層開采過(guò)程中的沖擊地壓、瓦斯突出等現(xiàn)象不作討論。煤屬于可燃有機(jī)固體，巖石屬于不可燃無(wú)機(jī)固體，并且兩者具有獨(dú)立的力學(xué)屬性(宮鳳強(qiáng)等，2022)，因此煤礦工程和巖石工程中涉及高地應(yīng)力判定時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

結(jié)合表 1～表 3，高地應(yīng)力的定性判據(jù)總結(jié)在表 4中，并在圖 4中給出了部分堅(jiān)硬巖中的高地應(yīng)力破壞現(xiàn)場(chǎng)圖(李術(shù)才等， 2008； Bunger et al.，2010； 馬行東等， 2020； 趙興東等， 2021)。

表 1 高地應(yīng)力地區(qū)和低地應(yīng)力地區(qū)的地質(zhì)標(biāo)志 (孫廣忠， 1993)Table1 Geologic indicators of high and low geostress areas

表 2 《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-94)中的 高初始應(yīng)力區(qū)分級(jí)判據(jù)Table2 Initial geostress rating criterion in Code for Investigation of Geotechnical Engineering(GB 50021-94)

表 3 《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T500218-2014)中的 高地應(yīng)力分級(jí)判據(jù)Table3 High geostress rating criterion in Standard for Engineering Classification of Rock Mass(GB/T500218-2014)

3 高地應(yīng)力的定量判據(jù)

圖 4 地下工程堅(jiān)硬巖高地應(yīng)力破壞現(xiàn)場(chǎng)圖(李術(shù)才等， 2008； Bunger et al.，2010； 馬行東等， 2020； 趙興東等， 2021)Fig. 4 Scene diagrams of partial high ground stress failure phenomenon in underground works

在高地應(yīng)力定量判據(jù)方面，早期很多專家學(xué)者主要以工程現(xiàn)場(chǎng)的地應(yīng)力量值及相對(duì)大小為指標(biāo)判別高地應(yīng)力，如劉國(guó)昌(1983)最早提出高地應(yīng)力判別標(biāo)準(zhǔn)，即水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的1.0～1.2倍為高地應(yīng)力區(qū)。姚寶魁和張承娟提及工程實(shí)踐中將200～250kg·cm-2左右的巖體初始應(yīng)力為高地應(yīng)力(姚寶魁等， 1985)。陶振宇(1987)認(rèn)為高地應(yīng)力是指水平初始應(yīng)力分量大大超過(guò)覆蓋巖層的重量。薛璽成等(1987)建議高地應(yīng)力區(qū)的劃分應(yīng)綜合考慮自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，通過(guò)分析兩者在地應(yīng)力場(chǎng)的貢獻(xiàn)大小及占比，認(rèn)為高地應(yīng)力區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力占實(shí)測(cè)地應(yīng)力的50%以上。

表 4 高地應(yīng)力定性判據(jù)Table4 Qualitative criterion of high geostress

《水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘查技術(shù)規(guī)程》(DL/T5415—2009)中規(guī)定初始最大主應(yīng)力大于20MPa時(shí)為高或極高地應(yīng)力(中華人民共和國(guó)國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組， 2009)。目前，仍存在采用這類方法評(píng)價(jià)地應(yīng)力等級(jí)的情況(賈哲強(qiáng)等， 2016)。另一方面，很多專家認(rèn)為高地應(yīng)力是一個(gè)相對(duì)概念，評(píng)價(jià)地應(yīng)力的高低和圍巖潛在破壞問(wèn)題聯(lián)系緊密。圍巖破壞問(wèn)題的產(chǎn)生均要以巖石為媒介，因此高地應(yīng)力判據(jù)不應(yīng)僅依據(jù)地應(yīng)力量值及相對(duì)大小進(jìn)行評(píng)判，還需要考慮圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)。同時(shí)，單純根據(jù)地應(yīng)力量值和某些高應(yīng)力判據(jù)界定為高地應(yīng)力區(qū)的巖體并未出現(xiàn)相應(yīng)的高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象，也反映出這類判據(jù)還不完善，例如溪洛渡水電站右岸地下廠房初始大主應(yīng)力為20.49MPa，但開挖過(guò)程并未出現(xiàn)高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象； 而江邊水電站引水隧洞和桑珠嶺隧道的某開挖段初始最大主應(yīng)力均低于20MPa(低地應(yīng)力區(qū))，但開挖過(guò)程卻出現(xiàn)了巖爆現(xiàn)象。

另外一類判據(jù)以巖石(或巖體)強(qiáng)度應(yīng)力比為指標(biāo)，例如法國(guó)隧協(xié)、日本應(yīng)用地質(zhì)協(xié)會(huì)和蘇聯(lián)斯巴頓礦區(qū)都采用巖石強(qiáng)度應(yīng)力比指標(biāo)σc/σ1<2時(shí)判定為高地應(yīng)力(丁恩寶， 1993； 徐林生等，2002)； Hoek et al. (1995)則建議σc/σ1<10為高地應(yīng)力的判別依據(jù)； 還有眾多研究人員對(duì)強(qiáng)度應(yīng)力比指標(biāo)作為高地應(yīng)力判據(jù)進(jìn)行了深入研究(王成虎等， 2009， 2011； 申艷軍等， 2014； 陳菲等， 2015； 楊靜熙等， 2019； 段淑倩等， 2022)。下面介紹兩種代表性判據(jù)。

現(xiàn)行的工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T500218-2014)給出的巖體初始地應(yīng)力分級(jí)判據(jù)(簡(jiǎn)稱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T500218-2014)如表 3所示(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫組， 2014)，此判據(jù)中采用的定量分級(jí)指標(biāo)為：

(1)

式中：Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；σmax為垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力(MPa)?，F(xiàn)行的水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘查技術(shù)規(guī)程(DL/T5415—2009)和水電工程地下建筑物工程地質(zhì)勘察規(guī)程(NB/T10241-2019)中的地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)與表 2一致(中華人民共和國(guó)國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組， 2009； 中華人民共和國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組， 2019)。

表 5 《水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-2016)中的巖體初始地應(yīng)力分級(jí)判據(jù)Table5 Initial geostress rating criterion in Code for Hydropower Engineering Geological Investigation(GB50287-2016)

水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50287-2016)也給出了巖體初始地應(yīng)力分級(jí)判據(jù)(簡(jiǎn)稱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50287-2016)，如表 5所示(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫組， 2016)，此判據(jù)中采用的定量分級(jí)指標(biāo)為：

(2)

式中：σ1為初始最大主應(yīng)力(MPa)。

由式(1)和式(2)可知，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)相同之處是均采用了巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc，不同之處是兩者所采用的地應(yīng)力含義不同，即國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T500218-2014)采用是垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力σmax，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50287-2016)則采用初始最大主應(yīng)力σ1。此外，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高地應(yīng)力的劃分區(qū)間不同，如前者規(guī)定Rc/σmax≤7時(shí)為高地應(yīng)力，后者則為Rc/σ1≤4?？梢?，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度應(yīng)力比含義及高地應(yīng)力劃分區(qū)間并不統(tǒng)一，這將給地應(yīng)力等級(jí)的定量評(píng)價(jià)帶來(lái)困惑，亟需對(duì)現(xiàn)有的地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)進(jìn)一步考察和優(yōu)化。此外，根據(jù)這類分級(jí)判據(jù)劃分的地應(yīng)力等級(jí)與圍巖實(shí)際破壞現(xiàn)象仍存在差別。例如，魯布革水電站地下廠房的巖體強(qiáng)度應(yīng)力比為6.22，根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T500218-2014)給出的地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)，可判定該工程處于高地應(yīng)力區(qū)，而實(shí)際開挖過(guò)程并未出現(xiàn)高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象(陳菲等， 2015)； 漁子溪水電站引水隧洞某開挖段的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為13.82，《水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-2016)將該開挖段判別為低地應(yīng)力區(qū)，但在實(shí)際開挖過(guò)程中卻發(fā)生了數(shù)十次巖爆(巖片彈射、崩落現(xiàn)象并伴有爆裂聲)(陶振宇， 1988)。事實(shí)上，以強(qiáng)度應(yīng)力比為指標(biāo)的地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)本質(zhì)上是一維形式的比值，其僅反映了巖石強(qiáng)度和地應(yīng)力水平的相對(duì)大小，而未充分考慮兩者的絕對(duì)關(guān)系，故在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍存在誤判，影響了工程穩(wěn)定性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。因此，非常有必要對(duì)現(xiàn)有的高地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)進(jìn)行深入研究。

4 高地應(yīng)力定量判據(jù)的準(zhǔn)確性對(duì)比

為了評(píng)價(jià)現(xiàn)有地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)的準(zhǔn)確性，本文統(tǒng)計(jì)了50個(gè)巖石地下工程案例的主要現(xiàn)象以及基本參數(shù)，如表 6所示。其中：序號(hào)為1～25的案例來(lái)源于陳菲等的研究(陳菲等， 2015)，序號(hào)為26～50的案例源自其他工程實(shí)例(賈愚如等， 1990； 黃潤(rùn)秋等， 1997； 王元漢等， 1998； 薛奕忠， 2005； 張德永， 2011； 柳紅全等， 2012； 尚彥軍等， 2013； 賈哲強(qiáng)等， 2016； 陳衛(wèi)忠等， 2017； 于洋等， 2018； 唐杰靈等， 2019； 何佳其， 2020； 周航等， 2020； 吳枋胤等， 2021)。這50個(gè)案例均包含σ1、Rc、和Rc/σ1這3個(gè)參數(shù)，其中前25個(gè)案例還包含了σmax以及Rc/σmax參數(shù)。針對(duì)這些案例在勘探或開挖過(guò)程實(shí)際發(fā)生的破壞現(xiàn)象，利用高地應(yīng)力定性判據(jù)對(duì)地應(yīng)力情況進(jìn)行了定性分級(jí)(表 6)。

對(duì)于初始地應(yīng)力的定量分級(jí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50287-2016)給出了中等-極高地應(yīng)力等級(jí)的定量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但中等地應(yīng)力對(duì)應(yīng)的定性判別依據(jù)中提及的硬質(zhì)巖存在局部剝離等現(xiàn)象也符合表 4所示的高地應(yīng)力破壞特征，故可將中-極高地應(yīng)力統(tǒng)一劃分為高地應(yīng)力范疇。因此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T500218-2014)與(GB50287-2016)可分別視為滿足Rc/σmax≤7和Rc/σ1≤7時(shí)為高地應(yīng)力區(qū)，表 6也列出了地應(yīng)力等級(jí)的定量判別結(jié)果，并標(biāo)注了與定性判別結(jié)果對(duì)比后的高判或低判情況?？梢?，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均出現(xiàn)了誤判。為進(jìn)一步分析造成這種現(xiàn)象的原因，考慮到上述定量判據(jù)在形式上(Rc/σmax和Rc/σ1)均為一維比值，故可將表 6中的數(shù)據(jù)展示在一維坐標(biāo)軸中，如圖 5所示?？汕宄乜吹剑秃透叩貞?yīng)力案例交錯(cuò)分布，沒有明顯的分界線。圖 6在二維圖中顯示了數(shù)據(jù)點(diǎn)及地應(yīng)力定量判據(jù)的分布情況?？梢?，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均出現(xiàn)不同程度的誤判，即在認(rèn)定為高地應(yīng)力區(qū)的范圍也包含了低地應(yīng)力案例，而在低地應(yīng)力區(qū)也包含了高地應(yīng)力案例。由上述事實(shí)可知，以強(qiáng)度應(yīng)力比為指標(biāo)的比值判據(jù)很難完全區(qū)分低和高地應(yīng)力區(qū)。

圖 5 兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)地下工程的地應(yīng)力分級(jí)結(jié)果對(duì)比Fig. 5 Comparison of geostress rating results of underground engineering in two national standards a. Rc/σmax 數(shù)據(jù)； b. Rc/σ1數(shù)據(jù)

圖 6 兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地下工程地應(yīng)力的分級(jí)結(jié)果Fig. 6 Rating results of geostress of underground engineering in two national standards a. 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T500218-2014)； b. 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50287-2016)

為定量分析兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中高地應(yīng)力定量判據(jù)的準(zhǔn)確性，以準(zhǔn)確率為指標(biāo)對(duì)整體地應(yīng)力等級(jí)(包含低和高地應(yīng)力)以及高地應(yīng)力評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行考察，如圖 7所示?？梢钥吹剑槍?duì)表 6中前25個(gè)包含Rc/σmax數(shù)據(jù)的案例，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T500218-2014)對(duì)整體地應(yīng)力等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確率為76.0%，對(duì)其中14個(gè)高地應(yīng)力案例評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確率為71.4%。針對(duì)表 6中50個(gè)包含Rc/σ1數(shù)據(jù)的案例，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50287-2016)對(duì)整體地應(yīng)力等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確率為90.0%，對(duì)其中36個(gè)高地應(yīng)力案例評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確率為94.4%。上述分析表明，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地應(yīng)力等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確率均低于95%，可見兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在高地應(yīng)力定量判別方面仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

圖 7 兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地下工程的地應(yīng)力分級(jí)結(jié)果準(zhǔn)確率Fig. 7 The accuracy rate of the geostress rating results by using two national standards in underground projects

5 高地應(yīng)力“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)

5.1 高地應(yīng)力“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)的建立

事實(shí)上，自然狀態(tài)的地下巖體并不會(huì)出現(xiàn)高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象，它們完全是人類進(jìn)行工程活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。開挖前地下巖體處于初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，開挖后初始地應(yīng)力狀態(tài)被打破并誘發(fā)應(yīng)力釋放和應(yīng)力重分布，當(dāng)?shù)貞?yīng)力調(diào)整到一定程度時(shí)圍巖出現(xiàn)強(qiáng)度弱化或失效并以高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象顯現(xiàn)。故高地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)可以理解為開挖過(guò)程中圍巖出現(xiàn)高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象時(shí)地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度需滿足的某些關(guān)系。顯然兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所采用的這個(gè)關(guān)系是強(qiáng)度應(yīng)力比指標(biāo)?；趶?qiáng)度應(yīng)力比指標(biāo)的高地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)對(duì)實(shí)際地應(yīng)力等級(jí)雖未能實(shí)現(xiàn)完全準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，但其準(zhǔn)確率均超過(guò)70%，側(cè)面證實(shí)了從初始地應(yīng)力及巖石強(qiáng)度角度考慮地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)具有一定合理性。然而，這種以比值形式呈現(xiàn)的強(qiáng)度應(yīng)力比指標(biāo)本質(zhì)上是一維尺度判據(jù)，其僅考慮了巖石強(qiáng)度與地應(yīng)力之間的相對(duì)關(guān)系這一無(wú)量綱量，而沒有充分考慮這兩個(gè)因素的絕對(duì)關(guān)系。

根據(jù)上述高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象的顯現(xiàn)過(guò)程可知，巖石強(qiáng)度、初始地應(yīng)力及其兩者存在的某些關(guān)系都是高地應(yīng)力現(xiàn)象顯現(xiàn)的必要因素。實(shí)際上，這3個(gè)必要因素僅涉及兩個(gè)獨(dú)立要素，即巖石強(qiáng)度和初始地應(yīng)力，故可在包含這兩個(gè)獨(dú)立要素的二維圖中探索高地應(yīng)力定量分級(jí)判據(jù)。從圖 7可知，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50287-2016)對(duì)高地應(yīng)力的判別準(zhǔn)確率較高，故將該標(biāo)準(zhǔn)采用的Rc和σ12個(gè)參數(shù)設(shè)置為兩個(gè)維度，將表 6中50個(gè)案例展示在二維圖中，如圖 8所示。根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布特征，可以明顯地劃分為3個(gè)區(qū)域，即堅(jiān)硬巖高地應(yīng)力區(qū)、堅(jiān)硬巖低地應(yīng)力區(qū)以及非堅(jiān)硬巖待定區(qū)，由3個(gè)區(qū)域交界處的關(guān)鍵點(diǎn)可得到各邊界線的方程，則表征堅(jiān)硬巖高地應(yīng)力區(qū)的邊界方程為：

(3)

圖 8 堅(jiān)硬巖高地應(yīng)力“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)圖Fig. 8 The diagram of high geostress criterion for hard rocks based on “strength-stress” double constraint

顯然，從式(3)中的4個(gè)約束條件可以看出，當(dāng)堅(jiān)硬巖的強(qiáng)度、應(yīng)力及兩者關(guān)系分別滿足條件①、②和③～④時(shí)可判定為高地應(yīng)力區(qū)， 故該公式較充分考慮了巖石強(qiáng)度、初始地應(yīng)力以及兩者的絕對(duì)關(guān)系， 式(3)可稱為堅(jiān)硬巖高地應(yīng)力的“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)。需要說(shuō)明的是， 在采用“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)判別這50個(gè)案例的地應(yīng)力等級(jí)時(shí)，從表 6中可以看到結(jié)果存在兩個(gè)高判的案例，分別為黃金坪水電站地下廠房和龍灘水電站地下廠房，對(duì)應(yīng)的基本參數(shù)和主要現(xiàn)象來(lái)自于陳菲等的研究(陳菲等， 2015)。為核實(shí)這兩個(gè)案例的具體情況，作者進(jìn)行了大量文獻(xiàn)調(diào)研。對(duì)于黃金坪水電站地下廠房，龔軍(2013)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查、地應(yīng)力反演及數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析認(rèn)為地下廠房屬于中高地應(yīng)力區(qū)，圍巖的穩(wěn)定性較差； 張金龍等(2021)報(bào)道了該工程中與地下廠房巖性及地應(yīng)力水平相似的引水隧洞在開挖過(guò)程洞壁成形性較差且新生裂縫多，根據(jù)表 4所示的高地應(yīng)力定性判據(jù)，可認(rèn)為黃金坪水電站地下廠房為高地應(yīng)力區(qū)。針對(duì)龍灘水電站地下廠房，龔光偉(1985)提及該廠房勘測(cè)過(guò)程中無(wú)巖爆現(xiàn)象及餅狀巖芯； 劉欣(2007)數(shù)值模擬后認(rèn)為該廠房開挖過(guò)程較為穩(wěn)定，故表 6中將該案例定性分級(jí)為低地應(yīng)力是合理的。然而，梅松華等(2004)在龍灘水電站地下廠房可行性研究階段做了4組地應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，得到初始最大主應(yīng)力σ1=6.00～19.88MPa(平均值為12.94MPa)，顯然陳菲等(2015)對(duì)該廠房的地應(yīng)力σ1=12.94MPa取的是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力的平均值，而非高地應(yīng)力考察段的真實(shí)地應(yīng)力值，該數(shù)據(jù)點(diǎn)也可能分布在圖 5中堅(jiān)硬巖低地應(yīng)力區(qū)的可能(如保持Rc=155.00MPa不變，當(dāng)σ1=6.00MPa時(shí))。根據(jù)龍灘水電站地下廠房對(duì)應(yīng)的σ1=6.00～19.88MPa和Rc=155.00MPa，采用“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)對(duì)該案例地應(yīng)力的定量分級(jí)結(jié)果應(yīng)為低-高地應(yīng)力。為了更清楚顯示高地應(yīng)力“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)的邊界，依據(jù)上述調(diào)研事實(shí)，將黃金坪水電站地下廠房視為高地應(yīng)力案例，并將龍灘水電站地下廠房的數(shù)據(jù)修改為σ1=6.00MPa和Rc=155.00MPa展示在圖 5中。由此，式(3)表示的“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)能夠明顯地區(qū)分出堅(jiān)硬巖低和高地應(yīng)力區(qū)。

表 7 36個(gè)堅(jiān)硬巖地下工程的地應(yīng)力分級(jí)結(jié)果對(duì)比Table7 Comparison of geostress rating results for 15 underground projects with hard rocks

5.2 準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)的準(zhǔn)確性，表 7收集了36個(gè)來(lái)自于國(guó)內(nèi)外多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域(如鐵路、水利、金屬礦等)的地下工程案例(陶振宇， 1988； 張志強(qiáng)等， 1998； 張樂(lè)文等， 2010； 張德永， 2011； 申艷軍等， 2014； 馬振旺等， 2019； 劉東坡， 2020； 周航等， 2020； 吳枋胤等， 2021； 段淑倩等， 2022)。由于源文獻(xiàn)中僅有σ1和Rc數(shù)據(jù)，故此表中僅給出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50287-2016)及本文判據(jù)對(duì)高地應(yīng)力的判別結(jié)果。可以看到，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50287-2016)將兩個(gè)高地應(yīng)力案例誤判為低地應(yīng)力，評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確率為94.4%，而本文判據(jù)對(duì)所有案例的地應(yīng)力等級(jí)均判別正確。由此證明本文提出的“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)非常適用于堅(jiān)硬巖高地應(yīng)區(qū)的評(píng)價(jià)。

圖 9 地下工程高地應(yīng)力“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)圖Fig. 9 The diagram of high geostress criterion for surrounding rocks based on “strength-stress” double constraint

需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，上述“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)未涉及非堅(jiān)硬巖，即圖 5中存在一個(gè)非堅(jiān)硬待定區(qū)。為了更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐，本文收集了一些非堅(jiān)硬巖案例(陳子全， 2018； 陳衛(wèi)忠等， 2019； 孟陸波等， 2022)，并展示在如圖 9所示的二維圖中。參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50287-2016)的高地應(yīng)力定量判據(jù)(Rc/σ1≤7)，可將非堅(jiān)硬待定區(qū)劃分為非堅(jiān)硬巖低地應(yīng)力區(qū)和高地應(yīng)力區(qū)。故對(duì)于非堅(jiān)硬巖，建議采用如下邊界方程判別高地應(yīng)力區(qū)：

(4)

表 8 24個(gè)非堅(jiān)硬巖地下工程的地應(yīng)力分級(jí)結(jié)果Table8 Rating results of geostress for 24 underground projects with non-hard rocks

由式(3)和式(4)組成的約束條件可稱為地下工程高地應(yīng)力的“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)。然而，非堅(jiān)硬巖與堅(jiān)硬巖的物理力學(xué)性質(zhì)存在較大差異，高地應(yīng)力條件下的破壞現(xiàn)象也截然不同，故針對(duì)式(4)作為非堅(jiān)硬高地應(yīng)力判據(jù)的正確性以及此區(qū)可能存在的其他約束關(guān)系，需要在未來(lái)統(tǒng)計(jì)更多案例的基礎(chǔ)上開展深入探討，本文不作過(guò)多討論。

6 基于“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)的高地應(yīng)力定量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在實(shí)際工程中，高地應(yīng)力區(qū)內(nèi)不同巖石強(qiáng)度和地應(yīng)力條件下的高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象的劇烈程度也有所差別。較輕微的破壞(如巖芯餅化、劈裂和輕微巖爆等)對(duì)工程影響較小，而諸如強(qiáng)烈或極強(qiáng)巖爆因伴隨著大塊巖石的拋射常帶來(lái)較大的危害。為了更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐，兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)高地應(yīng)力區(qū)進(jìn)行了細(xì)化分級(jí)，如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T500218-2014)劃分了兩個(gè)等級(jí)(4≤Rc/σmax<7和Rc/σmax<4)； 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50287-2016)將高地應(yīng)力區(qū)進(jìn)一步細(xì)分為極高(Rc/σ1<2)、高(2≤Rc/σ1<4)和中等地應(yīng)力(4≤Rc/σ1<7)3級(jí)。為了檢驗(yàn)這類比值型判據(jù)能否對(duì)不同劇烈程度的高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象進(jìn)行較好的判別，將表 6和表 7的86個(gè)案例數(shù)據(jù)展示在如圖 10所示的二維圖中。可以看到，在每個(gè)區(qū)域中都存在多種高地應(yīng)力圍巖破壞現(xiàn)象，說(shuō)明利用一維形式的比值判據(jù)難以區(qū)分不同破壞程度的案例。以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50287-2016)為例，將中等-極高地應(yīng)力的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)顯示在該圖中，可見，在中等地應(yīng)力范圍中不僅出現(xiàn)了巖芯餅化、剝裂等輕微破壞案例，而且分布著中等巖爆、中-強(qiáng)烈?guī)r爆這些破壞較嚴(yán)重的案例； 在高和極高地應(yīng)力范圍存在輕微巖爆和剝裂這些較輕微的破壞現(xiàn)象。

圖 10 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50287-2016)對(duì)地下工程高地應(yīng)力的分級(jí)結(jié)果Fig. 10 Rating results for high geostress of underground projects in national standard(GB50287-2016)

圖 11 基于“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)對(duì)地下工程高地應(yīng)力的分級(jí)結(jié)果Fig. 11 Rating results for high geostress of underground projects based on “strength-stress” double constraint

圖 12 高地應(yīng)力“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖Fig. 12 The diagram of “strength-stress” double constraint rating standard for high ground stress

根據(jù)前述分析可知，“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)能夠準(zhǔn)確地區(qū)分出低和高地應(yīng)力區(qū)。因此，本文嘗試用“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)對(duì)高地應(yīng)力區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步分級(jí)劃分，如圖 11所示。從圖中可以看出，根據(jù)圍巖的破壞形式和巖爆劇烈程度，高地應(yīng)力區(qū)可被細(xì)分為中、中-高、高、高-極高以及極高地應(yīng)力等5個(gè)區(qū)域。在這5個(gè)區(qū)域中，隨著地應(yīng)力等級(jí)的增高，圍巖破壞程度也大體上呈現(xiàn)逐漸嚴(yán)重的趨勢(shì)。相對(duì)于圖 10而言，耦合判據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低地應(yīng)力區(qū)和極高應(yīng)力區(qū)這2個(gè)極端區(qū)間而言，可以準(zhǔn)確判別無(wú)誤。此外，中-高、高-極高兩個(gè)過(guò)渡區(qū)的存在，一方面反映了深部圍巖破壞程度由輕微到強(qiáng)烈的自然演化規(guī)律，另一方面充分反映了高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象顯現(xiàn)過(guò)程中“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”的耦合作用，也說(shuō)明了耦合判據(jù)的合理性和科學(xué)性。從偏于安全的角度出發(fā)，這5個(gè)區(qū)域可以以圖中淺藍(lán)線(

R

c

+8

σ

1

=320)和紫線(

R

c

+8

σ

1

=540)作為邊界線劃分為中等、高和極高地應(yīng)力3個(gè)范圍。為便于應(yīng)用，各個(gè)范圍的邊界方程以及控制點(diǎn)坐標(biāo)清晰地展示在圖 12中。

綜上所述，在實(shí)際工程中，針對(duì)堅(jiān)硬巖的高地應(yīng)力區(qū)的判別及分級(jí)，首先獲取Rc和σ12個(gè)參數(shù)并根據(jù)式(3)判別高地應(yīng)力區(qū)； 在此基礎(chǔ)上，以圖 12中各個(gè)邊界方程為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地應(yīng)力等級(jí)進(jìn)行進(jìn)一步劃分，從偏于安全的考慮評(píng)價(jià)開挖過(guò)程圍巖可能存在的破壞形式及其劇烈程度，為合理地制定災(zāi)害防控措施提供參考。

7 結(jié) 論

通過(guò)上述研究分析和討論，得到如下主要結(jié)論：

(1)高地應(yīng)力術(shù)語(yǔ)及概念的出現(xiàn)和形成，和地下工程中特殊的圍巖破壞現(xiàn)象(如巖芯餅化、巖爆等)密切相關(guān)，因此屬于巖體工程范疇。研究高地應(yīng)力判據(jù)是以服務(wù)于地下工程災(zāi)害防治為目的。雖然高地應(yīng)力的概念已被廣泛使用，但是目前還未有比較統(tǒng)一的定義。

(2)高地應(yīng)力判據(jù)及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的建立經(jīng)歷了由定性判據(jù)到定量判據(jù)的發(fā)展過(guò)程，這和人們對(duì)深部圍巖特殊破壞形式的認(rèn)識(shí)加深過(guò)程密切相關(guān)，符合人類認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的一般規(guī)律。

(3)現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所采用的強(qiáng)度應(yīng)力比指標(biāo)是一維比值形式，不能全面考慮巖石強(qiáng)度、地應(yīng)力的絕對(duì)值大小，也不能反映“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”的耦合關(guān)系，具體應(yīng)用時(shí)也存在判別結(jié)果難以符合工程實(shí)際的情況。

(4)基于巖石強(qiáng)度和地應(yīng)力兩個(gè)要素，從二維尺度提出了高地應(yīng)力“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)。該判據(jù)不僅考慮了巖石強(qiáng)度和地應(yīng)力的絕對(duì)邊界，而且包含了兩者耦合后的約束條件。眾多工程實(shí)例檢驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該判據(jù)能非常準(zhǔn)確地判別高地應(yīng)力區(qū)，可在工程實(shí)踐中推廣應(yīng)用，并進(jìn)一步檢驗(yàn)或改進(jìn)該判據(jù)的合理性。

(5)提出了基于“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”耦合判據(jù)的高地應(yīng)力區(qū)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。整體上，該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以把地應(yīng)力區(qū)分為低、中、中-高、高、高-極高以及極高等5個(gè)區(qū)間，中-高和高-極高等2個(gè)過(guò)渡區(qū)的存在反映了“強(qiáng)度 & 應(yīng)力”的耦合關(guān)系，同時(shí)也證實(shí)了耦合判據(jù)及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的合理性和科學(xué)性。該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)能較好地判別圍巖破壞現(xiàn)象的劇烈程度，可為地下工程穩(wěn)定性分析和工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防提供參考。