原位地應力測量與實時監測在強構造活動區深埋地下工程中應用的思考

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， 孫煒鋒， 秦向輝， 張重遠

1.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081；

2.自然資源部新構造與地殼穩定性科技創新團隊，北京 100081；

3.自然資源部活動構造與地質安全重點實驗室，北京 100081；

4.中國聯合工程有限公司，浙江 杭州 310051；

5.中國地質環境監測院，北京 100081

0 引言

在青藏高原強構造活動區，由中國開展的交通（鐵路、公路）、水電工程規劃建設和安全運維方興未艾、如火如荼，同時也面臨大型工程地質安全問題和挑戰（郭長寶等，2017；彭建兵等，2020；薛翊國等，2020），如交通深埋隧道活動斷裂錯斷（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；黃書嶺等，2014；陳長江等，2016；Song et al.，2016；楊靜熙等，2019）、大型水庫谷幅變形（楊強等，2015；高克靜等，2018；程恒等，2020；鄒旭明，2022）等，究其內動力機制無不與現今區域構造活動誘發地應力變化息息相關。因此，探索思考原位地應力測量與實時監測在強構造活動區深埋地下工程中應用的相關理論、方法和技術已成為重大工程建設亟待解決的地球科學問題。

在強構造活動區，無論是構造應力還是非構造應力各向異性更為顯著、應力集中更為強烈、局部地應力場特征更為突出、區域地應力場代表性更差，如何利用重大工程沿線和場址有限的深孔地應力測量結果支撐服務重大工程規劃建設，一直是工程規劃、設計和建設技術人員與地學工作者探索的關鍵科學問題（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；孫煒鋒等，2021；張玉璽，2021；張重遠等，2022；秦向輝等，2023）。

因此，論文首先分析原位地應力測量在強構造活動區深埋地下工程中應用的經驗和不足，然后重點研究原位地應力實時監測在強構造活動區深埋地下工程中的應用方法技術及其作用和意義，最后給出原位地應力測量與實時監測在強構造活動區深埋地下工程中的應用建議，以期為強構造活動區重大工程規劃建設和安全運維提供理論支撐。

1 原位地應力測量在強構造活動區深埋地下工程的應用分析

1.1 高地應力的界定與評價

高地應力是一個相對概念，它與巖體經歷的構造運動和地質歷史、巖體結構和強度等因素有關。對于高地應力的判定，尚無統一規定，國內外常用的地應力判定劃分標準如表1所示。從表中可以看出，中國與其他一些國家的地應力判定劃分標準差別較大，反映不同國家高地應力的定義及其內涵存在差異（王成虎等，2009；李國良等，2020；張廣澤等，2022）。此外，國內外不同學者所運用的高地應力的判據也存在較大的差異（王成虎等，2009，2011a）。

1.2 原位地應力測量結果在深埋地下工程中的應用分析

關于地應力測量在青藏高原強構造活動區深埋地下工程中的應用，國內學者進行了大量的探索研究（廖椿庭和施兆賢，1983；吳滿路等，2008；張重遠等，2013；王成虎等，2014，2019；唐浩等，2015；王慶武等，2016；王棟等，2017；嚴健等，2019），取得了寶貴的經驗和認識。然而，由于強構造活動區地質體在橫向和縱向上的各向異性、極度復雜性和不可知性，對于深埋地下工程，已采用的各種方法仍有一定的局限性，不能完全科學合理地評價地應力狀態，很難得到可靠的地應力狀態指導深埋地下工程的結構設計、施工建設和安全運維（王成虎等，2019；徐安等，2022）。

為此，王成虎等（2009）系統總結了一般原位地應力狀態分析評價的4個步驟：首先對工程區的原地應力實測點工程地質特征進行研究，一般采用地質體強度指標（GSI）系統對測點巖體進行詳細的圍巖分類和評價（Hoek et al.，1998）；其次利用Hoek-Brown 強度理論對工程巖體的強度參數進行估算（Hoek et al.，1997）；然后利用Sheorey 模型擬合分析實測原地應力值（Sheorey，1994）；最后綜合考慮地應力判定劃分標準對原位地應力測量結果進行評價，確定應力級別。譚成軒等（2006）討論了地應力測量及其地下工程應用值得注意的問題：地應力測量前應充分考慮測量孔位的選定和地形地貌、巖性、斷裂等的影響；地應力測量后應對測值的各種影響因素和可靠性進行分析、進行巖石力學性質校正（秦向輝等，2012）和對比分析以及測值的代表性分析等（孫元春等，2022）；工程應用應考慮具體工程所處不同構造部位、不同巖性、不同巖體結構、不同深度等局部地應力狀態的變化和差異，此外，工程本身不同的設計結構、尺寸等引起的局部地應力狀態變化也需予以充分考慮。根據Hoek and Brown（1997）的現場實地研究，發現地下洞室開挖面附近的巖體最大強度約為巖塊單軸抗壓強度的40%；Martin et al.（2003）也通過在各種巖體中的廣泛研究發現在完整巖體和中等節理化巖體中，巖體強度約為室內試驗所得單軸抗壓強度的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度為巖塊單軸抗壓強度的50%。

近年來，青藏高原及其周緣鐵路規劃建設過程中大量深孔地應力測量和工程應用進一步證明（劉高等，2005；郭啟良等，2006；張文新等，2013；張鵬等，2017a；王慶武等，2018；嚴健等，2019； Sun et al.，2021；張重遠等，2022），在強構造活動區深埋地下工程規劃設計中更需要綜合考慮原位地應力測量結果的各種影響因素，應對地應力測量結果進行影響因素校正綜合分析，而不能直接用若干個深孔地應力測量結果確定深埋地下工程總體的地應力設計參數，這也是為什么中國幾乎所有的重大工程在規劃設計階段都進行了地應力測量工作，但在工程建設過程中或運行期仍然會出現因地應力導致的工程病害的原因?；诠こ虒嵺`和地應力測量經驗，以及強構造活動區地質構造、地層結構和巖性、地形地貌等復雜性和差異性，在綜合考慮原位地應力測量結果各種影響因素的基礎上，需要依據強構造活動區深埋地下工程圍巖巖體結構構造、巖性、地形地貌等地質特征構建三維地質模型，開展三維地應力場仿真數值模擬，揭示其三維地應力場空間分布特征（譚成軒等，2006；王成虎等，2011b），實現深埋地下工程不同位置采用不同的地應力設計參數，并且近水平孔或平硐地應力測量也驗證了距離山體坡面不同水平深度地應力狀態的差異性（李宏等，2006；譚成軒等，2008；孫煒鋒等，2021），避免因地應力設計參數偏大或偏小造成工程建設浪費或工程病害。

1.3 餅狀巖芯鉆孔原位地應力測量結果分析

強構造活動區一般在深切峽谷的谷底和坡腳，也有在山脊之下（如喜馬拉雅東構造結多雄拉山脊），鉆孔中由于高地應力導致的餅狀巖芯極度發育（白世偉和李光煜，1982），地應力測量結果變化較大，并在鉆孔中一定深度范圍地應力測量值異常增大，出現顯著的地應力集中。針對這種現象，基于地應力測量現場經驗和鉆孔巖芯觀察，文章嘗試從巖體結構方面解釋其成因機制和變化規律。大量餅狀鉆孔巖芯觀察和地應力測量結果表明：①餅狀巖芯一般在鉆孔一定深度自淺部往深部發展；②由于餅狀巖芯發育導致巖體結構損傷，餅狀巖芯密度與地應力測量大小成反比，在餅狀巖芯發育深度范圍內地應力大小往往不是最高、也不是最集中，而在餅狀巖芯發育深度范圍之下未來會形成但仍未形成餅狀巖芯的深度范圍內往往才是地應力最高、最為集中的，這種現象在河北省昌黎縣碣石山坡腳一處鉆孔地應力測量中被發現（圖1，圖2），該鉆孔餅狀巖芯發育的深度范圍為430～450 m，從圖2可以看出，在該深度范圍之上地應力測量值沒有出現顯著增大的現象，而在該深度范圍之下453.50 m地應力測量值則明顯增大。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有壓裂成功，但從壓力數值上明顯高于該餅狀巖芯深度范圍之上的測量深度段，也明顯高于453.50 m之下的測量深度段。

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

2 原位地應力實時監測在強構造活動區深埋地下工程應用分析

2.1 原位地應力實時監測方法簡介

原位地應力實時監測包括鉆孔壓磁電感法、分量應變法、體應變法、壓容法等（王連捷等，1991）。壓磁電感法在20世紀60年代由李四光先生倡導、在全國范圍內得到了應用和推廣，其地應力實時監測是通過壓磁應力傳感器核心元件實現的（邱澤華，2010；譚成軒等，2020）。壓磁應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）作用下其磁導率（μ）發生變化，反之，其磁導率（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為壓磁材料。依據電磁學原理，當鐵磁材料磁導率（μ）發生變化時，會引起線圈的電感量（L）發生變化，進而線圈的阻抗值（Z）發生變化，最后導致線圈的電壓值（V）發生變化。通過測量電壓值（V），并依據四者之間的換算關系，獲得由于外力（F）作用導致的應力（σ）變化量。通過實時監測線圈電壓值的變化量，依據室內圍壓標定曲線，即可得到作用于監測探頭中測量元件的應力變化。

圖3 壓磁法地應力實時監測原理示意圖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量級大小、ε為應變值），應力變化相比較應變會相對顯著，實踐證明進行地應力（如壓磁電感法地應力等）實時監測較為有效（張鵬等，2017b ；譚成軒等，2019）。

原位地應力實時監測可以動態揭示某一構造部位地應力大小的相對變化趨勢和演化過程，并可計算地應力實時監測期間不同時域地應力狀態絕對值（豐成君等，2014；張鵬等，2017b），而不用開展新的地應力絕對測量。

2.2 原位地應力實時監測結果分析

2.2.1 西藏林芝八一臺站地應力實時監測結果

在地應力測量和結果分析的基礎上，考慮鉆孔巖體完整性、巖石強度、區域構造應力場方向等，確定在94.50 m深度安裝四分量壓磁電感地應力監測探頭，其4個測向分別位于北西290°（測向a）、北東20°（測向b，監測深度最大水平主應力方向）、北東65°（測向c）和北西335°（測向d）。

自2015年1月24日以來，林芝八一鉆孔四分量壓磁電感地應力監測探頭已經穩定、連續獲得了地應力相對變化監測數據（圖4）。2015年4月25日14時11分尼泊爾MS8.1級地震發生后，北東20°地應力相對大小減小了約95 kPa，北東65°地應力相對大小減小了約30 kPa，北西290°地應力相對大小減小了約25 kPa，北西335°地應力相對大小減小了約10 kPa（圖4）?？傮w來看，平行俯沖方向即北東方向地應力相對大小減小較多，而垂直俯沖方向即北西方向地應力相對大小減小較少。尼泊爾MS8.1級地震導致該地應力實時監測臺站4個測向地應力變化，是由于印度板塊向歐亞板塊俯沖誘發位于上盤的林芝地應力實時監測臺站及其周圍地殼淺表層向西南同震位移而出現的張性效應（張貝等，2015），該地應力實時監測臺站較好地揭示了尼泊爾MS8.1級地震的構造作用動力學機制和遠場效應。

圖4 林芝地應力實時監測結果與2015年尼泊爾地震事件Fig.4 Results of stress monitoring in Linzhi with the 2015 Nepal earthquake event

為詳細分析尼泊爾MS8.1級地震對林芝地應力實時監測臺站附近及其區域震前、同震及震后應力調整的影響情況，根據地應力實時監測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時間段的地應力實時監測數據分為3個階段分別計算地應力狀態。

（1）地應力緩慢增加階段：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級地震發生之前（2015年4月25日14:00）各測向分量總體趨勢為緩慢增加。

（2）尼泊爾MS8.1級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，在地震發生之后10個小時（2015年4月25日23:00），各測向分量呈現同震突然降低狀態。

（3）震后地應力調整階段：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級地震發生之后（2015年8月25日23:00），各測向分量總體趨勢呈相對平穩狀態。

2.2.2 最大、最小水平主應力變化分析

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

圖5 4個測向（夾角45°）正應力與最大水平主應力示意圖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，根據二維平面應力狀態下應力張量坐標轉換關系，由公式（1）獲得的主應力變化量經計算得到其在坐標系xoy下的平面應力分量變化。而林芝八一鉆孔地應力實時監測臺站采用的是四分量壓磁電感地應力監測探頭，故基于四分量任意3個測向上的正應力變化量，即①（測向a、c、b），②（測向b、d、a），③（測向c、b、d）和④（測向d、a、c），通過計算可以得到二維平面應力張量σxx、σyy、τxy及σHmax、σhmin和θ，其中τ為剪應力（張鵬等，2017b）。

2.3 原位地應力實時監測在強構造活動區深埋地下工程地質安全評價中的作用和意義

2023年在喜馬拉雅構造帶北側，某鐵路處于完整巖體中的深埋隧道路基在鐵路運營多年后發生滯后巖體變形破壞，附近地應力實時監測顯示北東方向有長期緩慢積累增大趨勢，而北西方向有長期緩慢松弛減小趨勢（圖6），由此也引起工程建設者們對強構造活動區深埋地下工程長期安全運維風險的反思。該深埋隧道在建設時其強度可以抵抗高地應力作用而不被破壞，但隨著工程區地應力在北東方向有長期緩慢積累增大（圖6），當高地應力超過隧道設計強度時將發生滯后型變形破壞。中國青藏高原強構造活動區大量深埋地下工程均遇到類似變形破壞問題，如果掌握工程區地應力變化速率和趨勢，按工程使用周期，在工程設計時考慮預防變形破壞強度預留閾值設置，就可以避免類似工程病害發生。

紅色箭頭點線表示北東方向地應力呈長期緩慢積累增大趨勢；綠色箭頭點線表示北西方向地應力呈長期緩慢松弛減小趨勢圖6 西藏山南地區乃東縣地應力實時監測結果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，在重大工程規劃建設之前，尤其是在強構造活動區，為科學合理開展工程規劃和確定相關設計參數，一般在工程沿線和場址均開展深孔原位地應力測量（王成虎等，2009，2011b，2014；張玉璽，2021；張重遠等，2022；秦向輝等，2023），積累了豐富的工程實踐經驗，但原位地應力實時監測幾乎為空白，僅有個別重大工程結合相關項目工作部署有原位地應力實時監測（張鵬等，2017b）。為此，當大地震或重大工程地質問題發生后，為揭示其原位地應力狀態變化和內動力機制，一般再進行原位地應力測 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到研究目的和解決相關問題，但不能動態揭示工程沿線和場址地應力大小的相對變化趨勢和演化過程，無法預測未來重大工程地質問題發生的可能性和危險程度，并且需要付出更多的人力、物力、財力和時間，造成更大的社會和經濟影響。2022年1月8日青海門源MS6.9級地震誘發蘭新客專大梁隧道損毀及其修復過程就是一個典型案例（張玉芳等，2023），由于考慮社會和經濟效益，大梁隧道很快完成了隧道應力應變等監測，并修復通車，但是在大梁隧道損毀修復過程中，該構造部位沒有進行原位地應力實時監測，在缺少應力應變積累速率量化數據的情況下，將很難科學合理地考慮結構和強度設計參數、預防變形破壞應力應變預留閾值等。因此，在強構造活動區，開展原位地應力實時監測對于深埋地下工程地質安全評價具有重要作用和意義。

3 建議

3.1 強構造活動區深埋地下工程原位地應力測量的建議

在上述研究工作的基礎上，建議強構造活動區深埋地下工程原位地應力測量在以下方面進行實踐與探索。一是目前強構造活動區深埋地下工程原位地應力測點一般沿工程規劃線路最大埋深段正上方山峰、深切峽谷段谷底、斷裂帶兩盤等進行部署（張重遠等，2022；秦向輝等，2023），工程實踐證明無疑是必要的，但在最大埋深段正上方山峰進行原位地應力測量鉆探施工和測試難度極大、費用極高，青藏高原某鐵路寶靈山深孔地應力測量證明最大埋深段地應力不是最大的，地應力集中現象不顯著，基本屬于青藏高原正常地應力梯度，建議可以考慮適當調整地應力測點位置而減小施工和測試難度、節約成本；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力易集中的位置（譚成軒等，2008；孫煒鋒等，2021），很容易誘發巖爆、大變形等工程地質問題，需要高度關注；三是開展鉆孔餅狀巖芯發育高程、巖性、餅厚度、密度、餅狀巖芯發育段長度、餅狀巖芯側面和端面斷口特征等統計分析，研究餅狀巖芯發育與構造活動強度、構造地貌演化過程、巖石強度、應力狀態、鉆探工藝等相互關系；四是加強地應力測量研究成果對深埋地下工程規劃設計的應用指導和實踐，比如：傍山深埋地下工程應避開應力卸荷區和應力集中區，選擇原始應力區；深埋地下工程除需關注餅狀巖芯發育深度范圍，更需關注餅狀巖芯發育深度范圍之下未來會形成但仍未形成餅狀巖芯的深度范圍，當新的餅狀巖芯形成時往往會導致深埋地下工程變形破壞。

3.2 強構造活動區深埋地下工程原位地應力實時監測的建議

地應力測量和實時監測實踐證明，當大地震發生后，無論是近場還是遠場（尤其是強構造活動區）的地應力狀態及其構造應力場往往會發生顯著變化（Liao et al.，2003；郭啟良等，2009；Lin et al.，2011，2013；譚成軒等，2015；張鵬等，2017b），直接影響區域地殼穩定性、深埋地下工程地質安全等。在初始絕對地應力測量的基礎上，通過原位地應力實時監測和解析計算分析，可以動態揭示大地震發生后近場或遠場地應力大小的相對變化趨勢和演化過程，并可計算地應力實時監測期間不同時域地應力狀態絕對值（豐成君等，2014；張鵬等，2017b），快速實現以下評價分析：一是配合巖石力學和構造應力場綜合分析、數值模擬等方法，及時量化評價區域地殼穩定性、深埋地下工程地質安全風險等；二是依據地應力實時監測獲取的地應力動態變化速率，為深埋地下工程損毀修復提供量化設計地應力參數及預防變形破壞應力應變預留閾值；三是運用巖石力學摩爾庫倫強度理論，分析斷層活動危險性，開展地震地質研究（范玉璐等，2020，2021；Fan et al.，2022a，2022b）。

4 結論

文章通過對原位地應力測量和地應力實時監測在強構造活動區深埋地下工程應用的分析和思考，獲得主要結論如下。

（1）在強構造活動區，深埋地下工程不同位置應采用不同的地應力設計參數，避免因地應力設計參數偏大或偏小造成工程建設浪費或工程病害。

（2）在強構造活動區，餅狀密度與地應力測量大小成反比；在餅狀巖芯發育深度范圍之下，未來會形成、但仍未形成餅狀巖芯的深度范圍往往地應力最高、應力最為集中，深埋地下工程應避免該深度范圍。

（3）原位地應力實時監測可以動態揭示某一構造部位地應力大小的相對變化趨勢和演化過程，并可計算地應力實時監測期間不同時域地應力狀態絕對值；當大地震或重大工程地質問題發生后，不用開展新的地應力絕對測量，就可以快速評價區域地殼穩定性、深埋地下工程地質安全風險等，為深埋地下工程損毀修復提供量化設計地應力參數及預防變形破壞應力應變預留閾值，評價斷層活動危險性。