地應力測量技術方法分析

梁 晨，梁 昊，江 昊

（1.湖北工業大學土木建筑與環境學院，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

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

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

1 世界地應力測量技術及方法的里程碑

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

我國地應力測量技術研究及設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力測量史上的開拓者，20世紀50年代末期，李四光院士指導的中國地質科學院地質力學研究所不僅率先研制出壓磁式應力計，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力測量監測站臺［2］。而隨著陳宗基院士領導下的中國科學院武漢巖土力學研究所在湖北大冶鐵礦進行的國內首次應力解除法測量的成功，則象征著中國測量地應力的技術有了巨大突破。年過幾旬，國內對于測量地應力的技術及測量儀器的研制愈發重視，20世紀80年代初期，水壓致裂法被引入中國來測量初始巖體應力，1980年河北易縣，在地礦部地殼應力研究所的帶領下，中國初度采用水壓致裂法完成測量地應力的任務，為國內測量深部孔的地應力畫下了濃墨重彩的一筆。

2 地應力測量技術及方法論述

自從人類首次提出地應力概念，對于地應力的測量便成為重要話題之一，而關于地應力測量的方法也層出不窮，100多年以來，國內外地應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）、聲發射法（Acoustic Emission Method）、鉆孔崩落法（Borehole Breakout Method）、應變恢復法（Strain Recovery Method）、應力解除法（Stress Relief Method）等其他測量方法。通俗來講，既然是測量地應力，測量儀器是必不可少的，應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，而應力解除法和應變恢復法則需要利用相應彈性力學等公式換算得出地應力［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生脹裂以此來確定地應力［5］。

水壓致裂法設備簡單、操作方便，在理論上也不受鉆孔深度的約束，其測量數據代表性大，因此這也是該方法自發明以來到現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］。水壓致裂法的假設條件之一是鉆孔軸線方向必須與地應力主軸方向一致，當不能保證測量地區地質條件時，其測量成本較高且測得數據的精確性及科學性是有異議的。

2.2 聲發射法

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

聲發射法的優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，所以聲發射法測出的數據更為精確。但是當所測場地巖體較為松軟時，聲發射法所測精度則會下降許多。正因如此，聲發射法的運用多在于礦山、油田等工程中。

2.3 鉆孔崩落法

在高地應力的作用下，利用巖石孔壁周圍上的小型巖體發生脫落掉塊的現象來測定地應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力太大，導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力值，又可定位出巖體中原生裂縫及可能產生裂縫的位置。

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

2.4 應力解除法

用一句話來概括應力解除法，就是人為解除應力，并根據應力解除所產生的應變轉而求得相應應力的一種測量地應力的方法。用這種方法測量地應力時必須規定其前提條件，那就是必須假設待測巖體為均質連續且各向同性的彈性體，在測定巖體所受的地應力時，巖體本身是處于三向受壓狀態，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系，使之互相分離，即人為解除其應力，那么就一定會產生彈性恢復，再利用測量儀器測得其恢復的形變，最后應用理論及定理相結合計算出地應力。

我國專家、學者對于鉆孔應力解除法技術進行了深切的討論與研究，目前技術也相對純熟，測量準確度好，可靠性強，尤其適用于礦山地區，但也限制了其測量區域，導致該方法有其局限性。

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

2.5 應變恢復法

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

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

2.6 其他

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

3 結語

從人類首次提出地應力的概念至今，人們已經在地應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，地應力測量的重要性也越來越被人們所熟知。

雖然現在對于一般工程來說，測深無需太深，也有技術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，深部地應力測量會是新的難題，畢竟目前的測量技術、理論、方法還是存在局限性。但有挑戰才會有動力，隨著科技的進步與發展，未來對于地應力的測量及監測定會更加完善。

我國在世界地應力測量工作中起步較晚，雖然經過五十幾年的努力，也在地應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。國外對于深部地應力測量工作可謂是異常看重，最大測深已達到9 000 m，國內相關專家、研究者依舊任重而道遠。需要重視這個問題，在測量設備如傳統水壓致裂裝備上應更新換代，并且在其他技術、理論上也應進行創新。當然，地應力成因是復雜的，應把地應力的測量看作綜合測試，只應用單一的測量方法必定會產生誤差。為了削弱誤差的作用力，提升測量的精確性，理當將多種測量方法組合起來，互相取長補短，為中國測量地應力的事業錦上添花。