地应力测量技术方法分析

梁 晨，梁 昊，江 昊

（1.湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068；2.湖北新火炬科技有限公司，湖北 襄阳 441004）

0 引言

地应力可解释为在长期的地层自然形成的年代里，由于地球经过无数次的地壳运动及其他原因而赋存于地壳物质内的初始岩体应力。我国的基础建设需求日益增加，无论是在深山中开挖隧道等建设还是在城市中兴建地铁等工程，地应力对于工程来说都是无法避免的重要影响参数。在工程建设中，尤其是大型地下工程，对于地上和地下开挖的岩体稳定性以及工程安全性来说，地应力的影响可谓是决定性因素。因此，如何测定地应力就成为学术界及工程人员的当务之急。

文章回首世界地应力测量历史，并分析几种典型的地应力测量技术及方法，以期为国内地应力测量方法尽微薄之力。

1 世界地应力测量技术及方法的里程碑

尽管人类历史可追溯至几百万年前，但相比于人类历史，地应力测量史就如同浩瀚星空中一缕微光。第一次提出地应力观点的是瑞士某学者于1878年通过观察位于阿尔卑斯山的大型越岭隧道的施工过程，经过剖析引申出地应力这一概念。而世界上第一次进行地应力实测的则是位美国学者于1932年在胡佛水坝坝底的泄水隧道成功利用岩体表面应力解除法测量了隧道壁的初始岩体应力［1］。首次地应力实测的成功，虽然推动了地应力测量的发展，但此后近20年的时间，地应力测量技术及方法却依然停滞在测量表面应力。终于在20世纪50年代，瑞典人N Hast［2］将应力压磁测量器及应力解除法相结合并在瑞典的斯堪的纳维亚半岛进行了大规模的地应力测量，通过他其后公布的测量结果，得出了地表地层中的垂直应力是远小于水平应力的。自此，地应力测量的发展仿佛坐上了蒸汽机，尽管在20世纪60年代中期之前，地应力测量方法还只是平面应力测量，但是随着力学与有限元分析等学科的逐渐创立与完善，地应力测量理论与技术也亟需改革创新，伴同着地应力测量理论的完善及技术的创新和发展，地应力测量技术也由测量平面应力过渡到测量三维应力，其中最具代表性的则是在20世纪60年代末至70年代初，南非科学和工业研究委员会（Council of Scientific and Industrial Research，CSIR）研制的三轴孔壁应变计以及20世纪70年代中期，澳大利亚联邦科学和工业研究组织（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation，CSIRO）岩石力学部研制的CSIRO型三轴空心包体应变计并在全世界得到广泛运用。伴着地应力测量技术及方法的进步，当需要利用深部钻孔进行地应力测量时，钻孔中地下水的影响也成为“拦路虎”，在20世纪80年代初由瑞典国家电力局（Swedish State Power Board，SSPB）研制的水下钻孔三向应变计，测深记录最高已经超过500 m，这也意味着测量深部孔地应力的技术翻越了一座高峰［3］。

我国地应力测量技术研究及设备的研制相对于国外则是略迟，李四光院士和陈宗基院士是中国地应力测量史上的开拓者，20世纪50年代末期，李四光院士指导的中国地质科学院地质力学研究所不仅率先研制出压磁式应力计，更于1966年在河北省隆尧县建立了全国乃至全世界第一个地应力测量监测站台［2］。而随着陈宗基院士领导下的中国科学院武汉岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行的国内首次应力解除法测量的成功，则象征着中国测量地应力的技术有了巨大突破。年过几旬，国内对于测量地应力的技术及测量仪器的研制愈发重视，20世纪80年代初期，水压致裂法被引入中国来测量初始岩体应力，1980年河北易县，在地矿部地壳应力研究所的带领下，中国初度采用水压致裂法完成测量地应力的任务，为国内测量深部孔的地应力画下了浓墨重彩的一笔。

2 地应力测量技术及方法论述

自从人类首次提出地应力概念，对于地应力的测量便成为重要话题之一，而关于地应力测量的方法也层出不穷，100多年以来，国内外地应力测量的成果也收获颇丰，但总而言之，最常用的方法可概括成如下几类：水压致裂法（Hydraulic Fracturing Method）、声发射法（Acoustic Emission Method）、钻孔崩落法（Borehole Breakout Method）、应变恢复法（Strain Recovery Method）、应力解除法（Stress Relief Method）等其他测量方法。通俗来讲，既然是测量地应力，测量仪器是必不可少的，应力量值若能无需其他手段仅用测量仪器测出的即可视为直接测量法，上述方法的前3种即可划分为直接测量法，而应力解除法和应变恢复法则需要利用相应弹性力学等公式换算得出地应力［4］。

2.1 水压致裂法

水压致裂法测量的基本原理是在某一待测钻孔，利用一对可膨胀橡胶阻隔器将预定深度的钻孔封隔出一小段作为测量对象，然后将高压流体注入该测试段使得该测试段钻孔孔壁发生胀裂以此来确定地应力［5］。

水压致裂法设备简单、操作方便，在理论上也不受钻孔深度的约束，其测量数据代表性大，因此这也是该方法自发明以来到现在仍被世界通用的原因之一，虽然水压致裂法作为测量深部地应力最成功的方法，但是它也不是完美无瑕的［6］。水压致裂法的假设条件之一是钻孔轴线方向必须与地应力主轴方向一致，当不能保证测量地区地质条件时，其测量成本较高且测得数据的精确性及科学性是有异议的。

2.2 声发射法

声发射法，是指利用岩石的声发射来测定地应力的一种方法，声发射法又称Kaiser效应法。当金属材料受力时，若未达到曾经所受最大应力时，声发射现象便不存在，然而一旦应力值超过阀值即曾受最大应力之后，声发射现象会得到加强，这种现象被后人称为Kaiser效应。而在20世纪60年代初期国外学者又通过试验阐明Kaiser效应同样存在于岩体之中，因此这一技术才被应用于测量初始岩体应力。根据声发射法，可利用定位原岩中岩芯等其他方法确定岩芯曾受最大应力值并得出其三维应力状态。

声发射法的优点在于劳动量小且不会破坏所测场地完整性，但是通常来说，因为强度高且脆性大的岩石会有更显著的Kaiser效应，所以声发射法测出的数据更为精确。但是当所测场地岩体较为松软时，声发射法所测精度则会下降许多。正因如此，声发射法的运用多在于矿山、油田等工程中。

2.3 钻孔崩落法

在高地应力的作用下，利用岩石孔壁周围上的小型岩体发生脱落掉块的现象来测定地应力的方法称为钻孔崩落法。钻孔自然崩落破坏机理通常是因为孔壁所受切向应力太大，导致孔壁岩体剪切破坏而崩落。通过分析和判别钻孔崩落的形状要素既可以估算应力值，又可定位出岩体中原生裂缝及可能产生裂缝的位置。

由于钻孔崩落法对于最大水平主应力的大小及方向测量精确度大，广泛用于石油勘探开发、钻井稳定性分析等领域［7］，但由于需要钻孔崩落才能测出应力值，并且岩石的各向异性会导致测出应力量值的有效性而造成较大误差。

2.4 应力解除法

用一句话来概括应力解除法，就是人为解除应力，并根据应力解除所产生的应变转而求得相应应力的一种测量地应力的方法。用这种方法测量地应力时必须规定其前提条件，那就是必须假设待测岩体为均质连续且各向同性的弹性体，在测定岩体所受的地应力时，岩体本身是处于三向受压状态，通过切割或钻孔等方式人为地破坏待测岩体与周围岩体的联系，使之互相分离，即人为解除其应力，那么就一定会产生弹性恢复，再利用测量仪器测得其恢复的形变，最后应用理论及定理相结合计算出地应力。

我国专家、学者对于钻孔应力解除法技术进行了深切的讨论与研究，目前技术也相对纯熟，测量准确度好，可靠性强，尤其适用于矿山地区，但也限制了其测量区域，导致该方法有其局限性。

由于所应用测量原理与所测部位不尽相同，本文又可将应力解除法划分为如下几类：钻孔孔径形变测量法、钻孔孔壁应力测量法、钻孔孔壁应变测量法和钻孔孔底应变测量法。其中，钻孔孔壁应变测量法和钻孔孔底应变测量法可统称为钻控应变测量法。

2.5 应变恢复法

应变恢复法应变恢复法包括非（滞）弹性应变恢复法（Anelastic Strain Recovery，ASR）和微分应变曲线分析法（Differential Strain Curve Analysis，DSCA）。早在1968年B.Voight就已提出了非（滞）弹性应变恢复法的概念，但第一次将其运用于地应力测量还要追溯到1982年的L.W.Teufel。简单来说，ASR法是将待测岩体认作一种黏弹性材料，当岩芯从岩体中抽离出来后产生了非弹性的应变，通过测定这种应变来确定相应应力。Matsuki and Takeuchi在1993年将这一方法成功应用于三维地应力测量。

F.G.Strickland和N.K Ren在20世纪80年代初期提出了微分应变曲线分析法的概念，这一概念可归纳总结为：当岩芯被取出后会产生微裂隙，将微裂隙重新闭合后会产生形变，以此来确定原岩应力。DSCA法具有测深较大的特点，因而可用于深部地应力测量的研究。

2.6 其他

除去上述所提到的几种典型的地应力测量方法，还有一些着重测量大范围地壳应力状态的地球物理探测法。因此并不能为工程建设提供详细的地应力数据［8］，故不在此一一列举。

3 结语

从人类首次提出地应力的概念至今，人们已经在地应力测量的道路上留下一座座里程碑。时至今日，为了满足人类物质文化日益增长的需求，我国乃至世界上的隧道开挖、矿山开采、核能运用等地上地下工程也日渐增多，地应力测量的重要性也越来越被人们所熟知。

虽然现在对于一般工程来说，测深无需太深，也有技术相对成熟的测量方法，但在不久的将来，随着地下工程的增多，深部地应力测量会是新的难题，毕竟目前的测量技术、理论、方法还是存在局限性。但有挑战才会有动力，随着科技的进步与发展，未来对于地应力的测量及监测定会更加完善。

我国在世界地应力测量工作中起步较晚，虽然经过五十几年的努力，也在地应力测量工作中取得不少成绩，但相比其他国家还是有些差距。国外对于深部地应力测量工作可谓是异常看重，最大测深已达到9 000 m，国内相关专家、研究者依旧任重而道远。需要重视这个问题，在测量设备如传统水压致裂装备上应更新换代，并且在其他技术、理论上也应进行创新。当然，地应力成因是复杂的，应把地应力的测量看作综合测试，只应用单一的测量方法必定会产生误差。为了削弱误差的作用力，提升测量的精确性，理当将多种测量方法组合起来，互相取长补短，为中国测量地应力的事业锦上添花。