ASR法在隧道工程地應力測試中的應用前景分析

甘 俊，王海曉

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430071；3.內蒙古農業大學 能源與交通工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

地應力大致可分為原始地應力和誘發地應力，原地應力指的是巖體內部未受到工程干擾的原始應力，即(in-suit stress)。原地應力來自多方面[1]：巖體自重，地形(勢)變化，板塊運動，地殼剝蝕，封閉應力。在工程建設中，如隧道，地下工程，礦山，水電站等，原位地應力狀態都是前期工程可行性的關鍵點[2]。目前主流的地應力測量方法包括空心包體應力解除法和水壓致裂法地應力測量，空心包體應力解除法在實際測量過程中需考慮不能與孔壁完全貼合的情況，此外還容易受到溫度以及電路情況的影響[3]。水壓致裂法有諸多優點，因其適應性強，精度高，同時測試周期短，數據處理方便，在工程實踐中應用廣泛，但其設備繁瑣，測試時受地質狀況影響較大(需要測試段巖石完整度較好)，且成本較高。深部地層面臨高溫，高水壓，高地應力的三高現象[4]，水壓致裂測量法的成本隨著測量深度不斷加大。深部隧道工程中急需一種經濟，高效，測量精度高的地應力測試方法。地應力測量近年來在礦區，隧道已有不少研究例子[5-9]。

ASR法因其不受測量深度影響，測試成本低精度高，并且測量工具簡便易攜帶，是研究深部地應力狀態的一種有效手段。汶川地震一號科學鉆孔中國首次采用ASR法進行地應力測試[5]，之后該方法在深部科學鉆孔，地震斷裂帶中開始陸續應用[10-15]。本文中采用ASR法對湖南慈利縣某隧道進行地應力測量，取得了地下494米處的巖芯，通過定向巖芯卸載的非彈性應變恢復計算得出原位地應力狀態。與同一深度范圍內水壓致裂測量法的數據相比較， ASR法測得的原位應力狀態與水壓致裂法基本一致。

1 ASR法基本原理

巖石具有流變性，是一種粘彈性組合體[16]。當巖芯從地底中取出時，離開地層中的應力場，處于卸載狀態，發生應變恢復，初期為彈性應變恢復，后續為滯彈性應變恢復。通過測得的滯彈性應變變形恢復的變化推算該深度范圍內的原地應力狀態，是ASR測量法的理論基礎。

圖1 巖石流變性應力應變圖[5]

國際上最早提出ASR法猜想的是Voight[17]，其理論 認為巖石的非彈性應變恢復與巖石的總應變恢復量(非彈性應變恢復和彈性應變恢復之和)成正比關系。Teufel將Voight的理論進行實踐并制作了相關的設備[18]。ASR法的理論研究中，Blanton[19]建立了零階模型，該模型假設巖芯為各向同性的材料，可由應變松弛過程中對應的時間計算得出主應變的變化量。Warpinski和Teufel等[20]將其發展為一階蠕變模型，使用兩個獨立的蠕變柔度變量，即體積柔度和變形柔度。Matsuki將該理論進一步完善為二階蠕變模型[21]，由此才是真正意義上的三維應力分析，測量中需要至少測得六個方向的應變測量值，并由應變恢復計算出應力的大小與方向[22]。

由拉普拉斯變換解中的相似原理和非彈性應變恢復柔度，任意方向巖芯卸載后其非彈性應變恢復與原地應力之間的關系可表示如式(1)所示。

(1)

式(1)中l,m,n是應變軸的余弦大小，σx,σy,σz,τxy,τxz,τyz為六個應力分量。Jas和Jav分別為剪切變形模量和體積變形模量，σm為平均主應力，p0為孔隙壓力，αT和ΔT(t)分別為巖石的線性膨脹系數和溫度變化值。此外三維主應力大小還可用下式(2)表達。

(2)

ei(t)為非彈性偏應變i=1，2，3，em(t)為平均正應變。由式(1)和式(2)可知原地應力的大小與非彈性應變大小、溫度，以及巖石熱膨脹系數、孔隙壓力、非彈性應變恢復的體積模量和剪切模量有關。測量期間保持溫度恒定，孔隙壓力不變，同時測量裝置穩定，此時可由測得的相關非彈性應變，以及巖石的非彈性應變恢復柔度計算得到巖石的原位應力狀態。

2 ASR法測量流程

現場測試流程：①取芯：從鉆孔中取出巖芯后須盡快進行測量以便獲得更多的巖石原位地應力信息，初期巖芯的非彈性應變恢復數值比較大，盡早進行測量能提高結果的可靠度，一般從取芯到開始測量不宜超過四個小時。巖芯須挑選各項均質、無裂隙的完整巖芯，其長度一般不少于15cm。此外，為減少取芯的時間誤差，應取靠近底部的巖芯。②清潔：取芯之后用保鮮膜包好，到達試驗室，用酒精濕紙巾對巖芯進行清潔，除去其表面的附著物(泥漿，機油等),若有凹凸不平之處，須先用砂紙進行輕微打磨，之后再用酒精濕紙巾擦拭干凈。巖芯的兩頭須標記好深度。③貼片：粘貼應變片之前須檢查應變片是否正常。為防止端部效應的影響，應變片粘貼位置距離巖芯底部至少需一倍直徑以上，應變片的粘貼位置用卷尺先量好，并做好標記。本文中選用-45°，0°，45°，90°四個方向分別進行應變片的粘貼，如圖2所示，9個應變片具有獨立方向。粘貼過程中應盡量避免裂紋及凹凸不平之處，膠水與巖芯粘貼需緊密，檢查巖芯與應變片之間的空氣是否排盡。應變片表面處涂些許膠水，起到防潮抗干擾效果。④連接應變儀：連接應變儀之前須檢查應變儀是否正常，接上應變儀后開始檢測巖石的非彈性應變恢復，為提高試驗的可靠度，測量時間一般不少于7天。⑤數據處理：測量結束后，用計算機進行處理，通過非彈性應變恢復值計算得出測點的應力大小以及方向。

圖2 巖芯應變片分布圖

3 ASR法可靠性分析

3.1 測點地質概況

湖南發育的構造體系較多，有東西向構造體系、南北向構造體系、各種扭動構造體系、北西向構造體系以及體系歸屬不明的其他構造。慈利縣處于湘西北的一個向北西方向凸出的弧形構造帶的弧形轉折部位，地殼構造較復雜。隧址區屬構造侵蝕、溶蝕低的山丘陵地貌，隧道沿線范圍內最高標高為911.3m，最低標高約222.3m，相對高差約689m，地形起伏大。谷中有零星侵蝕、溶蝕堆積地貌，山頂成駝峰、馬鞍狀地形，兩側高、中間低，進出口段為斜坡地貌，山坡呈陡緩相間的階梯狀。

3.2 ASR法與水壓致裂法測量結果對比分析

來自底部的巖芯如圖 3所示，巖芯取出后開始測量其彈性應變恢復值，連續監測七天。結果顯示：曲線符合非彈性應變恢復的規律，曲線的應變變化量達300～700微應變，其變化遠遠超過儀器的誤差，滿足測量的要求。九個獨立應變方向的應變觀測曲線采用最小二乘法求出六個獨立方向的應變恢復值，通過應變矩陣求得其主應變。

(a)現場取芯(b)粘貼應變片(c)連接應變采集儀圖3 選芯、貼片及連接應變采集儀

其中9個方向的應變觀測曲線如圖4所示，計算得出三個主應變(ε1，ε2，ε3)以及平均應變εm，測量結果顯示系統測量期間，數據比較穩定漂移較小可以忽略，溫度變化控制在±0.5℃，應變皆為張拉，且初始應變大，6000min左右以后巖石的變形開始趨于穩定變化平緩，符合非彈性應變的變化規律。

(a)非彈性應變恢復值(b)主應變及平均應變值圖4 非彈性應變恢復值及主應變和平均應變恢復

同一深度范圍內，水壓致裂法的應力-時間曲線如圖 5所示，從曲線上可獲得破裂壓力以及多個回合的重張應力以及關閉壓力(最小水平主應力)。當巖芯深度為494m時，ASR法和水壓致裂法地應力測量結果，如表 1所示，其結果顯示ASR測量的應力比水壓致裂測量法測得最大水平應力值要大1.29Mpa，最小水平應力要小2.11Mpa，可能是井下的溫度和室內的溫度不一致以及鉆孔處孔隙壓力有差異等原因引起的。室內溫度約為22℃，測量期間溫度引起的應力已經釋放，巖石在室內測量過程中水分的些許蒸發會導致其孔隙壓力變化，兩種方法得到的最小水平應力誤差約15%左右，這也驗證了ASR測量法的可靠性。

圖5 水力致裂法應力-時間曲線

表1 ASR法與水壓致裂法結果對比

4 應用前景分析

ASR法是直接測得巖石變形物理量的原位地應力測量方法，其基本原理與空心包體應力解除法相類似，理論基礎都相對完善，其差異之處在于 ASR測量法主要測的是巖石的滯彈性應變恢復，而空心包體則是對巖石的彈性變形進行監測，水壓致裂法地應力測量則是在測試深度范圍中采用可膨脹的橡膠封隔器加壓液體使巖石張開破裂，由壓裂過程中的應力曲線得到原位地應力信息。與以上兩種地應力測量法相比，ASR地應力測量法的優勢可以概括為以下幾點：①ASR法不受鉆孔深度和地質條件的限制，特別是斷裂帶破碎帶中，其他地應力測量方法無法實施時，ASR法取得一小段完整巖芯仍可進行測量；②ASR測量法在巖芯表面進行粘貼應變片，應變片所貼的位置可以有效避開裂隙處，且測量期間能夠保證測試溫度,濕度的相對穩定；③ASR測量法經濟便捷，不需要像水壓致裂法一樣準備大型的機械設備，對于技術人員來講只需一次取芯也提高了其工作效率，也更安全。

ASR測量法也有其局限性：①一般來講ASR測量法適用于深孔取芯測量，鉆孔不宜少于300米，若鉆孔較淺其應變也會較小，ASR的測量精確也會受到影響；②測量期間一般七天以上，在測試過程中巖芯可能存在輕微失水收縮變形，這與巖芯脫離地下應力場的膨脹變形相反，對于黏土含量高的巖石這種現象尤為明顯。③一般從鉆孔底部取到巖芯到底面都需要一定的時間，若鉆孔過深則早期的非彈性恢復變形無法測到，這會對測量精度有一定影響。

ASR測量法安全、經濟、高效，受測試環境以及測試深度影響較小，未來地下深部科學勘察，工程勘察中ASR法與水壓致裂法、鉆孔崩落法等其他方法聯合使用，可獲得更可靠的原位地應力信息。

5 結論

本文介紹了ASR測量法的基本原理，測試流程，以及其在隧道工程中的應用前景。與同一深度范圍內水壓致裂對比，并分析了ASR在未來隧道工程中的應用前景，得出結論如下。

(1)ASR測量法理論完善能夠測得地下的三維應力狀態，是直接通過粘貼應變片獲巖芯應變恢復的物理量，由應變以及柔度推算出原地應力狀態。測試過程中保持溫度、濕度恒定，同時保證粘貼應變片以及應變采集儀的穩定就能夠獲得相對可靠的地應力信息。

(2)ASR法與同一深度范圍內的水壓致裂法測得的應力大小相比，二者測得的應力大小相差15%左右，表明了ASR測量法的可靠性。

(3)ASR測量法應用范圍廣，只要能夠取得均質完整的巖芯，就能進行地應力測量。并且其成本低，安全，高效，在隧道工程地應力測量有著廣闊的應用前景。