原位地應(yīng)力測(cè)量與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程中應(yīng)用的思考

譚成軒， 張 鵬， 王繼明， 豐成君， 戚幫申， 王惠卿，李 濱， 陳群策， 吳滿路， 孫煒?shù)h， 秦向輝， 張重遠(yuǎn)

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；

2.自然資源部新構(gòu)造與地殼穩(wěn)定性科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，北京 100081；

3.自然資源部活動(dòng)構(gòu)造與地質(zhì)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；

4.中國(guó)聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310051；

5.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081

0 引言

在青藏高原強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，由中國(guó)開(kāi)展的交通（鐵路、公路）、水電工程規(guī)劃建設(shè)和安全運(yùn)維方興未艾、如火如荼，同時(shí)也面臨大型工程地質(zhì)安全問(wèn)題和挑戰(zhàn)（郭長(zhǎng)寶等，2017；彭建兵等，2020；薛翊國(guó)等，2020），如交通深埋隧道活動(dòng)斷裂錯(cuò)斷（梁寬等，2022；薛善余等，2022；朱爽等，2022）與硬巖巖爆和軟 巖 大 變 形（Hoek，et al.，1997，1998； Martin，et al.，2003；劉高等，2005；郭啟良等，2006；張文新等，2013；張鵬等，2017a；王慶武等，2018；嚴(yán)健等，2019；Sun et al.，2021；魏鵬等，2022）、水電深埋地下廠房變形破壞（張勇等，2012；黃書(shū)嶺等，2014；陳長(zhǎng)江等，2016；Song et al.，2016；楊靜熙等，2019）、大型水庫(kù)谷幅變形（楊強(qiáng)等，2015；高克靜等，2018；程恒等，2020；鄒旭明，2022）等，究其內(nèi)動(dòng)力機(jī)制無(wú)不與現(xiàn)今區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)誘發(fā)地應(yīng)力變化息息相關(guān)。因此，探索思考原位地應(yīng)力測(cè)量與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程中應(yīng)用的相關(guān)理論、方法和技術(shù)已成為重大工程建設(shè)亟待解決的地球科學(xué)問(wèn)題。

在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，無(wú)論是構(gòu)造應(yīng)力還是非構(gòu)造應(yīng)力各向異性更為顯著、應(yīng)力集中更為強(qiáng)烈、局部地應(yīng)力場(chǎng)特征更為突出、區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)代表性更差，如何利用重大工程沿線和場(chǎng)址有限的深孔地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果支撐服務(wù)重大工程規(guī)劃建設(shè)，一直是工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)技術(shù)人員與地學(xué)工作者探索的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題（王連捷等，1991；譚成軒等，2003，2004，2006，2014；Tan et al.，2004；王 成 虎 等，2009，2011b，2014，2019；孫煒?shù)h等，2021；張玉璽，2021；張重遠(yuǎn)等，2022；秦向輝等，2023）。

因此，論文首先分析原位地應(yīng)力測(cè)量在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程中應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)和不足，然后重點(diǎn)研究原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程中的應(yīng)用方法技術(shù)及其作用和意義，最后給出原位地應(yīng)力測(cè)量與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程中的應(yīng)用建議，以期為強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)重大工程規(guī)劃建設(shè)和安全運(yùn)維提供理論支撐。

1 原位地應(yīng)力測(cè)量在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程的應(yīng)用分析

1.1 高地應(yīng)力的界定與評(píng)價(jià)

高地應(yīng)力是一個(gè)相對(duì)概念，它與巖體經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地質(zhì)歷史、巖體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等因素有關(guān)。對(duì)于高地應(yīng)力的判定，尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，國(guó)內(nèi)外常用的地應(yīng)力判定劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。從表中可以看出，中國(guó)與其他一些國(guó)家的地應(yīng)力判定劃分標(biāo)準(zhǔn)差別較大，反映不同國(guó)家高地應(yīng)力的定義及其內(nèi)涵存在差異（王成虎等，2009；李國(guó)良等，2020；張廣澤等，2022）。此外，國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者所運(yùn)用的高地應(yīng)力的判據(jù)也存在較大的差異（王成虎等，2009，2011a）。

1.2 原位地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果在深埋地下工程中的應(yīng)用分析

關(guān)于地應(yīng)力測(cè)量在青藏高原強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的探索研究（廖椿庭和施兆賢，1983；吳滿路等，2008；張重遠(yuǎn)等，2013；王成虎等，2014，2019；唐浩等，2015；王慶武等，2016；王棟等，2017；嚴(yán)健等，2019），取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)。然而，由于強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)地質(zhì)體在橫向和縱向上的各向異性、極度復(fù)雜性和不可知性，對(duì)于深埋地下工程，已采用的各種方法仍有一定的局限性，不能完全科學(xué)合理地評(píng)價(jià)地應(yīng)力狀態(tài)，很難得到可靠的地應(yīng)力狀態(tài)指導(dǎo)深埋地下工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和安全運(yùn)維（王成虎等，2019；徐安等，2022）。

為此，王成虎等（2009）系統(tǒng)總結(jié)了一般原位地應(yīng)力狀態(tài)分析評(píng)價(jià)的4個(gè)步驟：首先對(duì)工程區(qū)的原地應(yīng)力實(shí)測(cè)點(diǎn)工程地質(zhì)特征進(jìn)行研究，一般采用地質(zhì)體強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）系統(tǒng)對(duì)測(cè)點(diǎn)巖體進(jìn)行詳細(xì)的圍巖分類(lèi)和評(píng)價(jià)（Hoek et al.，1998）；其次利用Hoek-Brown 強(qiáng)度理論對(duì)工程巖體的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行估算（Hoek et al.，1997）；然后利用Sheorey 模型擬合分析實(shí)測(cè)原地應(yīng)力值（Sheorey，1994）；最后綜合考慮地應(yīng)力判定劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原位地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定應(yīng)力級(jí)別。譚成軒等（2006）討論了地應(yīng)力測(cè)量及其地下工程應(yīng)用值得注意的問(wèn)題：地應(yīng)力測(cè)量前應(yīng)充分考慮測(cè)量孔位的選定和地形地貌、巖性、斷裂等的影響；地應(yīng)力測(cè)量后應(yīng)對(duì)測(cè)值的各種影響因素和可靠性進(jìn)行分析、進(jìn)行巖石力學(xué)性質(zhì)校正（秦向輝等，2012）和對(duì)比分析以及測(cè)值的代表性分析等（孫元春等，2022）；工程應(yīng)用應(yīng)考慮具體工程所處不同構(gòu)造部位、不同巖性、不同巖體結(jié)構(gòu)、不同深度等局部地應(yīng)力狀態(tài)的變化和差異，此外，工程本身不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、尺寸等引起的局部地應(yīng)力狀態(tài)變化也需予以充分考慮。根據(jù)Hoek and Brown（1997）的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地研究，發(fā)現(xiàn)地下洞室開(kāi)挖面附近的巖體最大強(qiáng)度約為巖塊單軸抗壓強(qiáng)度的40%；Martin et al.（2003）也通過(guò)在各種巖體中的廣泛研究發(fā)現(xiàn)在完整巖體和中等節(jié)理化巖體中，巖體強(qiáng)度約為室內(nèi)試驗(yàn)所得單軸抗壓強(qiáng)度的50%。因此，在一般研究論證的情況下，可以近似地取巖體整體強(qiáng)度為巖塊單軸抗壓強(qiáng)度的50%。

近年來(lái)，青藏高原及其周緣鐵路規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中大量深孔地應(yīng)力測(cè)量和工程應(yīng)用進(jìn)一步證明（劉高等，2005；郭啟良等，2006；張文新等，2013；張鵬等，2017a；王慶武等，2018；嚴(yán)健等，2019； Sun et al.，2021；張重遠(yuǎn)等，2022），在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中更需要綜合考慮原位地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的各種影響因素，應(yīng)對(duì)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行影響因素校正綜合分析，而不能直接用若干個(gè)深孔地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果確定深埋地下工程總體的地應(yīng)力設(shè)計(jì)參數(shù)，這也是為什么中國(guó)幾乎所有的重大工程在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段都進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量工作，但在工程建設(shè)過(guò)程中或運(yùn)行期仍然會(huì)出現(xiàn)因地應(yīng)力導(dǎo)致的工程病害的原因。基于工程實(shí)踐和地應(yīng)力測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，以及強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)和巖性、地形地貌等復(fù)雜性和差異性，在綜合考慮原位地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果各種影響因素的基礎(chǔ)上，需要依據(jù)強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程圍巖巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖性、地形地貌等地質(zhì)特征構(gòu)建三維地質(zhì)模型，開(kāi)展三維地應(yīng)力場(chǎng)仿真數(shù)值模擬，揭示其三維地應(yīng)力場(chǎng)空間分布特征（譚成軒等，2006；王成虎等，2011b），實(shí)現(xiàn)深埋地下工程不同位置采用不同的地應(yīng)力設(shè)計(jì)參數(shù)，并且近水平孔或平硐地應(yīng)力測(cè)量也驗(yàn)證了距離山體坡面不同水平深度地應(yīng)力狀態(tài)的差異性（李宏等，2006；譚成軒等，2008；孫煒?shù)h等，2021），避免因地應(yīng)力設(shè)計(jì)參數(shù)偏大或偏小造成工程建設(shè)浪費(fèi)或工程病害。

1.3 餅狀巖芯鉆孔原位地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分析

強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)一般在深切峽谷的谷底和坡腳，也有在山脊之下（如喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)多雄拉山脊），鉆孔中由于高地應(yīng)力導(dǎo)致的餅狀巖芯極度發(fā)育（白世偉和李光煜，1982），地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果變化較大，并在鉆孔中一定深度范圍地應(yīng)力測(cè)量值異常增大，出現(xiàn)顯著的地應(yīng)力集中。針對(duì)這種現(xiàn)象，基于地應(yīng)力測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和鉆孔巖芯觀察，文章嘗試從巖體結(jié)構(gòu)方面解釋其成因機(jī)制和變化規(guī)律。大量餅狀鉆孔巖芯觀察和地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明：①餅狀巖芯一般在鉆孔一定深度自淺部往深部發(fā)展；②由于餅狀巖芯發(fā)育導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)損傷，餅狀巖芯密度與地應(yīng)力測(cè)量大小成反比，在餅狀巖芯發(fā)育深度范圍內(nèi)地應(yīng)力大小往往不是最高、也不是最集中，而在餅狀巖芯發(fā)育深度范圍之下未來(lái)會(huì)形成但仍未形成餅狀巖芯的深度范圍內(nèi)往往才是地應(yīng)力最高、最為集中的，這種現(xiàn)象在河北省昌黎縣碣石山坡腳一處鉆孔地應(yīng)力測(cè)量中被發(fā)現(xiàn)（圖1，圖2），該鉆孔餅狀巖芯發(fā)育的深度范圍為430～450 m，從圖2可以看出，在該深度范圍之上地應(yīng)力測(cè)量值沒(méi)有出現(xiàn)顯著增大的現(xiàn)象，而在該深度范圍之下453.50 m地應(yīng)力測(cè)量值則明顯增大。由于所使用高壓泵量程限制，從壓裂曲線可以看出該深度段沒(méi)有壓裂成功，但從壓力數(shù)值上明顯高于該餅狀巖芯深度范圍之上的測(cè)量深度段，也明顯高于453.50 m之下的測(cè)量深度段。

圖2 河北省昌黎縣鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量壓力-時(shí)間曲線Fig.2 Pressure–time curves of hydrofracturing stress measurement in boreholes in Changli County, Hebei Province

2 原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程應(yīng)用分析

2.1 原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)介

原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)包括鉆孔壓磁電感法、分量應(yīng)變法、體應(yīng)變法、壓容法等（王連捷等，1991）。壓磁電感法在20世紀(jì)60年代由李四光先生倡導(dǎo)、在全國(guó)范圍內(nèi)得到了應(yīng)用和推廣，其地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是通過(guò)壓磁應(yīng)力傳感器核心元件實(shí)現(xiàn)的（邱澤華，2010；譚成軒等，2020）。壓磁應(yīng)力傳感器是基于一種特殊鐵磁材料（含鎳65%的鐵鎳合金）的“磁致伸縮原理”研制的，主要由特殊鐵磁材料制造的心軸及其上繞制的線圈構(gòu)成（圖3）。所謂“磁致伸縮原理”就是鐵磁材料在外力（F）作用下其磁導(dǎo)率（μ）發(fā)生變化，反之，其磁導(dǎo)率（μ）的變化可以反映外力（F）作用的改變。具有這種特性的鐵磁材料通常稱(chēng)為壓磁材料。依據(jù)電磁學(xué)原理，當(dāng)鐵磁材料磁導(dǎo)率（μ）發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起線圈的電感量（L）發(fā)生變化，進(jìn)而線圈的阻抗值（Z）發(fā)生變化，最后導(dǎo)致線圈的電壓值（V）發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量電壓值（V），并依據(jù)四者之間的換算關(guān)系，獲得由于外力（F）作用導(dǎo)致的應(yīng)力（σ）變化量。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線圈電壓值的變化量，依據(jù)室內(nèi)圍壓標(biāo)定曲線，即可得到作用于監(jiān)測(cè)探頭中測(cè)量元件的應(yīng)力變化。

圖3 壓磁法地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the principle of real-time in-situ stress monitoring by piezomagnetic inductance method

根據(jù)廣義胡克定律（σ＝Eε，其中地殼巖石彈性模量（E）一般為104～105MPa量級(jí)大小、ε為應(yīng)變值），應(yīng)力變化相比較應(yīng)變會(huì)相對(duì)顯著，實(shí)踐證明進(jìn)行地應(yīng)力（如壓磁電感法地應(yīng)力等）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)較為有效（張鵬等，2017b ；譚成軒等，2019）。

原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以動(dòng)態(tài)揭示某一構(gòu)造部位地應(yīng)力大小的相對(duì)變化趨勢(shì)和演化過(guò)程，并可計(jì)算地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)期間不同時(shí)域地應(yīng)力狀態(tài)絕對(duì)值（豐成君等，2014；張鵬等，2017b），而不用開(kāi)展新的地應(yīng)力絕對(duì)測(cè)量。

2.2 原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.2.1 西藏林芝八一臺(tái)站地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

在地應(yīng)力測(cè)量和結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，考慮鉆孔巖體完整性、巖石強(qiáng)度、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向等，確定在94.50 m深度安裝四分量壓磁電感地應(yīng)力監(jiān)測(cè)探頭，其4個(gè)測(cè)向分別位于北西290°（測(cè)向a）、北東20°（測(cè)向b，監(jiān)測(cè)深度最大水平主應(yīng)力方向）、北東65°（測(cè)向c）和北西335°（測(cè)向d）。

自2015年1月24日以來(lái)，林芝八一鉆孔四分量壓磁電感地應(yīng)力監(jiān)測(cè)探頭已經(jīng)穩(wěn)定、連續(xù)獲得了地應(yīng)力相對(duì)變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（圖4）。2015年4月25日14時(shí)11分尼泊爾MS8.1級(jí)地震發(fā)生后，北東20°地應(yīng)力相對(duì)大小減小了約95 kPa，北東65°地應(yīng)力相對(duì)大小減小了約30 kPa，北西290°地應(yīng)力相對(duì)大小減小了約25 kPa，北西335°地應(yīng)力相對(duì)大小減小了約10 kPa（圖4）?？傮w來(lái)看，平行俯沖方向即北東方向地應(yīng)力相對(duì)大小減小較多，而垂直俯沖方向即北西方向地應(yīng)力相對(duì)大小減小較少。尼泊爾MS8.1級(jí)地震導(dǎo)致該地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)站4個(gè)測(cè)向地應(yīng)力變化，是由于印度板塊向歐亞板塊俯沖誘發(fā)位于上盤(pán)的林芝地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)站及其周?chē)貧\表層向西南同震位移而出現(xiàn)的張性效應(yīng)（張貝等，2015），該地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)站較好地揭示了尼泊爾MS8.1級(jí)地震的構(gòu)造作用動(dòng)力學(xué)機(jī)制和遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)。

圖4 林芝地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果與2015年尼泊爾地震事件Fig.4 Results of stress monitoring in Linzhi with the 2015 Nepal earthquake event

為詳細(xì)分析尼泊爾MS8.1級(jí)地震對(duì)林芝地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)站附近及其區(qū)域震前、同震及震后應(yīng)力調(diào)整的影響情況，根據(jù)地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線的變化幅度特征，將2015年1月24日0:00至2015年8月25日23:00時(shí)間段的地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分為3個(gè)階段分別計(jì)算地應(yīng)力狀態(tài)。

（1）地應(yīng)力緩慢增加階段：2015年1月24日0:00至2015年4月25日14:00，與2015年1月24日0:00相比，在尼泊爾MS8.1級(jí)地震發(fā)生之前（2015年4月25日14:00）各測(cè)向分量總體趨勢(shì)為緩慢增加。

（2）尼泊爾MS8.1級(jí)地震同震快速變化階段：2015年4月25日14:00至4月25日23:00，與2015年4月25日14:00相比，在地震發(fā)生之后10個(gè)小時(shí)（2015年4月25日23:00），各測(cè)向分量呈現(xiàn)同震突然降低狀態(tài)。

（3）震后地應(yīng)力調(diào)整階段：2015年4月26日0:00至8月25日23:00，與2015年4月26日0:00相比，在尼泊爾MS8.1級(jí)地震發(fā)生之后（2015年8月25日23:00），各測(cè)向分量總體趨勢(shì)呈相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)。

2.2.2 最大、最小水平主應(yīng)力變化分析

假設(shè)a、c、b三個(gè)測(cè)向相互夾角為45°，并且3個(gè)測(cè)向上正應(yīng)力（或正應(yīng)力變化量）分別為σa、σc、σb，最大、最小水平主應(yīng)力分別為σHmax、σhmin；σHmax與b測(cè) 向 的 夾 角 為θ（圖5），則 由 公 式（1）可 計(jì) 算 出σHmax、σhmin和θ：

圖5 4個(gè)測(cè)向（夾角45°）正應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力示意圖Fig.5 Diagram between normal stresses of four directions (angle of 45 degrees) and maximum horizontal principal stress

建立直角坐標(biāo)系xoy，其中x正方向與正東方向一致，y正方向與正北方向一致，根據(jù)二維平面應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力張量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，由公式（1）獲得的主應(yīng)力變化量經(jīng)計(jì)算得到其在坐標(biāo)系xoy下的平面應(yīng)力分量變化。而林芝八一鉆孔地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)站采用的是四分量壓磁電感地應(yīng)力監(jiān)測(cè)探頭，故基于四分量任意3個(gè)測(cè)向上的正應(yīng)力變化量，即①（測(cè)向a、c、b），②（測(cè)向b、d、a），③（測(cè)向c、b、d）和④（測(cè)向d、a、c），通過(guò)計(jì)算可以得到二維平面應(yīng)力張量σxx、σyy、τxy及σHmax、σhmin和θ，其中τ為剪應(yīng)力（張鵬等，2017b）。

2.3 原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)中的作用和意義

2023年在喜馬拉雅構(gòu)造帶北側(cè)，某鐵路處于完整巖體中的深埋隧道路基在鐵路運(yùn)營(yíng)多年后發(fā)生滯后巖體變形破壞，附近地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示北東方向有長(zhǎng)期緩慢積累增大趨勢(shì)，而北西方向有長(zhǎng)期緩慢松弛減小趨勢(shì)（圖6），由此也引起工程建設(shè)者們對(duì)強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程長(zhǎng)期安全運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)的反思。該深埋隧道在建設(shè)時(shí)其強(qiáng)度可以抵抗高地應(yīng)力作用而不被破壞，但隨著工程區(qū)地應(yīng)力在北東方向有長(zhǎng)期緩慢積累增大（圖6），當(dāng)高地應(yīng)力超過(guò)隧道設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)將發(fā)生滯后型變形破壞。中國(guó)青藏高原強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)大量深埋地下工程均遇到類(lèi)似變形破壞問(wèn)題，如果掌握工程區(qū)地應(yīng)力變化速率和趨勢(shì)，按工程使用周期，在工程設(shè)計(jì)時(shí)考慮預(yù)防變形破壞強(qiáng)度預(yù)留閾值設(shè)置，就可以避免類(lèi)似工程病害發(fā)生。

紅色箭頭點(diǎn)線表示北東方向地應(yīng)力呈長(zhǎng)期緩慢積累增大趨勢(shì)；綠色箭頭點(diǎn)線表示北西方向地應(yīng)力呈長(zhǎng)期緩慢松弛減小趨勢(shì)圖6 西藏山南地區(qū)乃東縣地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6 In-situ stress real-time monitoring results in Naidong County, Shannan region, TibetThe red arrow dotted line indicates a long-term slow and cumulative increase trend of the NE in-situ stress, while the green arrow dotted line indicates a long-term slow and relaxed decrease trend of the NW in-situ stress.

目前，在重大工程規(guī)劃建設(shè)之前，尤其是在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，為科學(xué)合理開(kāi)展工程規(guī)劃和確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，一般在工程沿線和場(chǎng)址均開(kāi)展深孔原位地應(yīng)力測(cè)量（王成虎等，2009，2011b，2014；張玉璽，2021；張重遠(yuǎn)等，2022；秦向輝等，2023），積累了豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)幾乎為空白，僅有個(gè)別重大工程結(jié)合相關(guān)項(xiàng)目工作部署有原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（張鵬等，2017b）。為此，當(dāng)大地震或重大工程地質(zhì)問(wèn)題發(fā)生后，為揭示其原位地應(yīng)力狀態(tài)變化和內(nèi)動(dòng)力機(jī)制，一般再進(jìn)行原位地應(yīng)力測(cè) 量（Liao et al.，2003；郭 啟 良 等，2009；張 鵬 等，2017a）。雖然這種工作思路也可以達(dá)到研究目的和解決相關(guān)問(wèn)題，但不能動(dòng)態(tài)揭示工程沿線和場(chǎng)址地應(yīng)力大小的相對(duì)變化趨勢(shì)和演化過(guò)程，無(wú)法預(yù)測(cè)未來(lái)重大工程地質(zhì)問(wèn)題發(fā)生的可能性和危險(xiǎn)程度，并且需要付出更多的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，造成更大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響。2022年1月8日青海門(mén)源MS6.9級(jí)地震誘發(fā)蘭新客專(zhuān)大梁隧道損毀及其修復(fù)過(guò)程就是一個(gè)典型案例（張玉芳等，2023），由于考慮社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，大梁隧道很快完成了隧道應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測(cè)，并修復(fù)通車(chē)，但是在大梁隧道損毀修復(fù)過(guò)程中，該構(gòu)造部位沒(méi)有進(jìn)行原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在缺少應(yīng)力應(yīng)變積累速率量化數(shù)據(jù)的情況下，將很難科學(xué)合理地考慮結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)、預(yù)防變形破壞應(yīng)力應(yīng)變預(yù)留閾值等。因此，在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，開(kāi)展原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于深埋地下工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)具有重要作用和意義。

3 建議

3.1 強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程原位地應(yīng)力測(cè)量的建議

在上述研究工作的基礎(chǔ)上，建議強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程原位地應(yīng)力測(cè)量在以下方面進(jìn)行實(shí)踐與探索。一是目前強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程原位地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)一般沿工程規(guī)劃線路最大埋深段正上方山峰、深切峽谷段谷底、斷裂帶兩盤(pán)等進(jìn)行部署（張重遠(yuǎn)等，2022；秦向輝等，2023），工程實(shí)踐證明無(wú)疑是必要的，但在最大埋深段正上方山峰進(jìn)行原位地應(yīng)力測(cè)量鉆探施工和測(cè)試難度極大、費(fèi)用極高，青藏高原某鐵路寶靈山深孔地應(yīng)力測(cè)量證明最大埋深段地應(yīng)力不是最大的，地應(yīng)力集中現(xiàn)象不顯著，基本屬于青藏高原正常地應(yīng)力梯度，建議可以考慮適當(dāng)調(diào)整地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置而減小施工和測(cè)試難度、節(jié)約成本；二是除深切峽谷段谷底之外，高山山坡坡腳（尤其是反向坡）距坡面一定水平深度往往也是地應(yīng)力易集中的位置（譚成軒等，2008；孫煒?shù)h等，2021），很容易誘發(fā)巖爆、大變形等工程地質(zhì)問(wèn)題，需要高度關(guān)注；三是開(kāi)展鉆孔餅狀巖芯發(fā)育高程、巖性、餅厚度、密度、餅狀巖芯發(fā)育段長(zhǎng)度、餅狀巖芯側(cè)面和端面斷口特征等統(tǒng)計(jì)分析，研究餅狀巖芯發(fā)育與構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度、構(gòu)造地貌演化過(guò)程、巖石強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)、鉆探工藝等相互關(guān)系；四是加強(qiáng)地應(yīng)力測(cè)量研究成果對(duì)深埋地下工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的應(yīng)用指導(dǎo)和實(shí)踐，比如：傍山深埋地下工程應(yīng)避開(kāi)應(yīng)力卸荷區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)，選擇原始應(yīng)力區(qū)；深埋地下工程除需關(guān)注餅狀巖芯發(fā)育深度范圍，更需關(guān)注餅狀巖芯發(fā)育深度范圍之下未來(lái)會(huì)形成但仍未形成餅狀巖芯的深度范圍，當(dāng)新的餅狀巖芯形成時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致深埋地下工程變形破壞。

3.2 強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的建議

地應(yīng)力測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)踐證明，當(dāng)大地震發(fā)生后，無(wú)論是近場(chǎng)還是遠(yuǎn)場(chǎng)（尤其是強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)）的地應(yīng)力狀態(tài)及其構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)往往會(huì)發(fā)生顯著變化（Liao et al.，2003；郭啟良等，2009；Lin et al.，2011，2013；譚成軒等，2015；張鵬等，2017b），直接影響區(qū)域地殼穩(wěn)定性、深埋地下工程地質(zhì)安全等。在初始絕對(duì)地應(yīng)力測(cè)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和解析計(jì)算分析，可以動(dòng)態(tài)揭示大地震發(fā)生后近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力大小的相對(duì)變化趨勢(shì)和演化過(guò)程，并可計(jì)算地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)期間不同時(shí)域地應(yīng)力狀態(tài)絕對(duì)值（豐成君等，2014；張鵬等，2017b），快速實(shí)現(xiàn)以下評(píng)價(jià)分析：一是配合巖石力學(xué)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)綜合分析、數(shù)值模擬等方法，及時(shí)量化評(píng)價(jià)區(qū)域地殼穩(wěn)定性、深埋地下工程地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)等；二是依據(jù)地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取的地應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化速率，為深埋地下工程損毀修復(fù)提供量化設(shè)計(jì)地應(yīng)力參數(shù)及預(yù)防變形破壞應(yīng)力應(yīng)變預(yù)留閾值；三是運(yùn)用巖石力學(xué)摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論，分析斷層活動(dòng)危險(xiǎn)性，開(kāi)展地震地質(zhì)研究（范玉璐等，2020，2021；Fan et al.，2022a，2022b）。

4 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)原位地應(yīng)力測(cè)量和地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)深埋地下工程應(yīng)用的分析和思考，獲得主要結(jié)論如下。

（1）在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，深埋地下工程不同位置應(yīng)采用不同的地應(yīng)力設(shè)計(jì)參數(shù)，避免因地應(yīng)力設(shè)計(jì)參數(shù)偏大或偏小造成工程建設(shè)浪費(fèi)或工程病害。

（2）在強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，餅狀密度與地應(yīng)力測(cè)量大小成反比；在餅狀巖芯發(fā)育深度范圍之下，未來(lái)會(huì)形成、但仍未形成餅狀巖芯的深度范圍往往地應(yīng)力最高、應(yīng)力最為集中，深埋地下工程應(yīng)避免該深度范圍。

（3）原位地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以動(dòng)態(tài)揭示某一構(gòu)造部位地應(yīng)力大小的相對(duì)變化趨勢(shì)和演化過(guò)程，并可計(jì)算地應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)期間不同時(shí)域地應(yīng)力狀態(tài)絕對(duì)值；當(dāng)大地震或重大工程地質(zhì)問(wèn)題發(fā)生后，不用開(kāi)展新的地應(yīng)力絕對(duì)測(cè)量，就可以快速評(píng)價(jià)區(qū)域地殼穩(wěn)定性、深埋地下工程地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)等，為深埋地下工程損毀修復(fù)提供量化設(shè)計(jì)地應(yīng)力參數(shù)及預(yù)防變形破壞應(yīng)力應(yīng)變預(yù)留閾值，評(píng)價(jià)斷層活動(dòng)危險(xiǎn)性。