深勘察钻孔ASR法地应力测试技术应用

张小林 应黎 赵冬安

摘要：宝灵山隧道是某铁路先开段的重难点控制性工程，其中宝灵山DZ-06勘察钻孔深2 118.00 m，是该段深度最大的控制性勘察钻孔。在钻孔的2 072.53、2 084.27 m深度选取合适岩心，采用ASR法（非弹性应变恢复法）开展了地应力测试，并与该钻孔采用水压致裂法获取的地应力结果进行对比，同时验证了ASR法对于估测超深钻孔的三维地应力大小和方向的实用价值。结果表明：在钻孔2 072.53～2 084.27 m深度范围，ASR法2个测点获取的最大主应力、中间主应力、最小主应力平均值分别为59.70、54.03、30.74 MPa，最大主应力近水平，方向近SN向，说明该区域以水平构造应力为主；ASR法的最大主应力测试结果均值与水压致裂法测试结果回归值一致性很好，最小主应力测试结果均值与水压致裂法测试结果回归值的一致性处于合理范围，两种方法的水平主应力方向测试结果基本一致。

关键词：铁路隧道；勘察钻孔；地应力；ASR法；水压致裂法

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220118

中图分类号：TU452

文献标志码：A

收稿日期：2022-04-20

作者简介：张小林（1972-）， 男， 高级工程师， 主要从事铁路、公路、轨道、市政工程的勘察方面的设计研究工作，E-mail：176727655@qq.com

基金项目：国家自然科学基金项目（41972284）

Supported by the National Natural Science Foundation of China （41972284）

Application of In-Situ Stress Measurement Technology of

Ultra Deep Survey Borehole ASR MethodZhang Xiaolin， Ying Li， Zhao Dongan

China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China

Abstract： Baolingshan tunnel is a key and difficult control engineering in the first section of a certain railway. The depth of survey Borehole DZ-06 is 2 118.00 m， which is the deepest survey borehole in this railway. Appropriate cores were selected at the depths of 2 072.53 m and 2 084.27 m， and in-situ stress test was carried out by anelastic strain recovery method（ASR）. The results show that in the depth range of 2 072.53-2 084.27 m， the average values of the maximum principal stress， intermediate principal stress and minimum principal stress obtained from the two measuring points of ASR method are 59.70， 54.03 and 30.74 MPa respectively. The maximum principal stress is nearly horizontal and the direction is close to SN direction， indicating that the area is dominated by horizontal tectonic stress. The average value of the maximum principal stress test result of ASR method is in good agreement with the regression value from the hydraulic fracturing method test， the consistency of the minimum principal stress test value and the regression value of the hydraulic fracturing method test result is in a reasonable range， and the horizontal principal stress direction test results from the two methods are basically consistent.

Key words： railway tunnel; survey boreholes; in situ stress; ASR method; hydraulic fracturing measurement

0 引言

非弹性应变恢复法（anelastic strain recovery method，ASR法）是一种基于岩心的地应力测量方法，首先由Voight^[1]提出，Teufel^[2]進行了实用性研究和发展来解决二维问题，Matsuki^[3]又将其拓展为三维问题。其基本原理是：由于岩石是一种具有流变性的黏弹性材料，当其被钻出后会脱离原始应力场，立即释放弹性应变，紧接着发生非弹性应变恢复；因此测量应力释放后岩心的非弹性应变恢复量，结合岩石的非弹性应变恢复柔量，可计算得到原地应力状态。

随着国内地震科学研究和某些铁路等大型深部地下工程建设的深入开展，深部应力特征的研究需求愈来愈迫切，但实际中又缺乏经济、简便的深部地应力测量方法。因此，近年来ASR法依托其优势越来越多的应用于实际的深部三维地应力测量中^[4-6]。例如：林为人^[5]介绍了ASR法的测试原理和实验技术，并基于ASR法对台湾车龙浦断层钻探A孔783 m深处砂岩样品进行原地应力测定，指出ASR法对于测试三维地应力的主方向和估测主应力的大小有较大的实用价值，特别是在应力释放法、水压致裂法无法实施，或者需要通过多种方法补充验证，增加结果可信度时，优势更加明显；王连捷等^[6-10]用ASR法得到了汶川地震断裂带科学钻孔、腾冲科学钻探孔深处的三维地应力状态，并与震源机制解进行了对比，表明ASR法测试结果是可信的，可用于深孔三维地应力测量；孙东生等^[11]先在塔里木盆地采用ASR法与 DITF法（钻井诱发张裂缝法）共同确定应力状态，使ASR法应用深度达到 7 km，随后结合某矿山测试案例，对比了水压致裂和ASR两种方法获取的地应力量值，验证了ASR法的有效性^[12]；许峰^[13]采用ASR法研究了某煤矿水害防治底板隔水层原始地应力分布状态；上官拴通等^[14]实测获取了唐山市乐亭县马头营干热岩勘探区3～4 km深度范围的地应力状态，并分析了研究区断层稳定性；侯奎奎等^[15]通过3种不同方法获取了三山岛金矿2 005 m竖井建井区域的地应力状态，通过对比指出，ASR法、水压致裂法获取的水平大小主应力比随埋深的变化规律基本相同，与声發射法的测试结果差异较大。类似地，王锦山、陈天星等学者对ASR法也进行了应用研究^[16-17]。尽管如此，ASR法还未完全成熟，还有一些因素对测试结果的影响尚不清楚，例如ASR法的测试和解算均基于岩心的均质且各向同性假设，未考虑岩心各向异性的影响等。此外测试过程中温度变化、岩石的非弹性应变恢复柔量和矿物失水等因素均对测试结果有影响，虽然有些学者^[18-19]已经对此开展了部分研究，但仍需要大量的系统研究工作。本文通过对2 000 m级超深勘察钻孔采用ASR法地应力测试，获取工程区深部地应力状态，并将测试结果与水压致裂法对比，验证ASR法的有效性，以期为今后超大埋深、高海拔、构造活动强烈工程地应力测试提供参考。

1 非弹性地应力测量方法简介

1.1 ASR法基本原理

岩石的流变性是ASR法地应力测试的理论基础，如图1所示。对岩石施加载荷时，立即产生弹性变形，然后在恒定荷载下下产生蠕变；当荷载卸去时，弹性恢复瞬间完成，进而发生非弹性恢复。对于钻孔取心，岩心被钻取的过程即对应卸载过程，可通过测量非弹性恢复量推算地应力状态。

Matsuki^[3]以一般应力状态下任意方向非弹性应变恢复方程为基础，结合拉普拉斯变换解中相似原理以及非弹性应变恢复柔量，给出了任意方向非弹性应变ε_a（t）的恢复方程：

式中：l，m，n为应变轴的余弦；σ_x，σ_y，σ_z，τ_xy，τ_zx，τ_yz分别为6个应力分量；J_as和J_av分别为剪切模式和体积模式下的非弹性应变恢复柔量；σ_m为平均应力（MPa）；p₀为孔隙压力（MPa）；α_T为岩石的线性温度膨胀系数；ΔT（t）为测量t时间内的温度变化值。

并给出了三维主应力计算公式：

式中：e_i（t）为非弹性偏应变，i=1， 2， 3；ε_m（t）为平均正应变。由式（1）和式（2）可知，原地应力的大小与非弹性应变恢复量、测量期间温度变化、岩石温度膨胀系数、孔隙压力、非弹性应变恢复柔量有关。假设测量期间温度恒定、孔隙压力不变，则可通过测量获取的岩石非弹性应变恢复量和非弹性应变恢复柔量确定应力分量。

1.2 ASR法测量流程

ASR法现场测试流程如图2所示。

首先从钻孔中获取刚从原位状态解除的岩心。尽量挑选各向同性、均质、无裂隙的完整岩心，长度一般不少于15 cm。岩心须尽快进行测量以便获得更多的岩石原位地应力信息，尽早测量能提高测量的可靠度，一般从取心到开始检测不宜超过4 h，并保持其含水率不变。

到达实验室后，首先用清洗试剂清洁表面的附着物（泥浆、机油等），若有凹凸不平的地方须先用砂纸进行轻微打磨，之后再用酒精湿纸巾擦拭干净。按照设计位置粘贴3组应变片，尽量避免裂纹以及不平滑之处。沿被测岩心横截面将圆周三等分并标记，沿标记线粘贴应变片，确保每组应变花之间夹角为120°。每一个应变花均包含4个应变片（-45°，0°，45°，90°），如图3所示。确保应变仪工作正常后，连接应变仪后开始检测岩石的非弹性应变恢复量，为了试验的可靠度试验时间一般不少于7 d。测量结束后，用计算机进行处理，通过应变恢复值得出测点的应力大小以及方向。

如果试样在上述测试过程中可能发生温度变化，测试过程中需同步获取岩心的温度变化情况，后期通过温度标定实验，剔除岩心非弹性应变测量过程中由温度变化导致的温度应变误差；再结合非弹性应变恢复柔量实验，根据ASR理论计算主应变及主应力。

2 某铁路超深钻孔测试案例

2.1 测试项目概况

宝灵山隧道位于四川省甘孜藏族自治州康定市，是某铁路先开段的控制性工程之一，隧道设计全长26 445 m，最大埋深达到了1 810 m。根据勘察设计需要，计划在宝灵山DZ-06钻孔（以下简称DZ-06孔）开展地应力测试，获取宝灵山隧道埋深附近的原地应力场特征。DZ-06孔位于泸定县黄草坪村附近，终孔深度为2 118.00 m，为某铁路先开段深度最大的控制性勘察钻孔之一。

隧址区位于甘孜藏族自治州康定市，在二级构造上处于鲜水河构造带、龙门山构造带、川滇南北向构造带三大构造体系交会部位（图4）。由于中生代以来多个陆块碰撞拼接和长期的岩石圈伸展、收缩等作用，加之长期的岩浆作用和变质作用，此处形成了复杂的造山带^[20]，地质构造极其复杂。

地层岩性为上覆第四系残坡积物（Q^dl+el₄）粉质黏土，第四系更新统昔格达组（N₂x）黏土、粉细砂卵石，基岩为古元古代侵入岩奥长花岗岩（Pt₃γo）、花岗闪长岩（Pt₃γδ）。本次ASR法地应力测试深度为2 072.53～2 084.27 m，巖性为花岗闪长岩。

2.2 ASR法测试条件

本次在DZ-06孔选取了2段完整岩心开展测试。BLS-01试样取样深度为2 072.53 m，长度约25 cm；BLS-02试样取样深度2 084.27 m，长度约27 cm。2个试样岩性均为花岗闪长岩。钻孔岩心取样前，及时跟踪钻孔进度以及岩心情况，选择深度和完整性合适的部位为测点。当岩心从钻孔中提出后，仔细挑选完整均匀且符合标准的岩样，立即由索道运输至山下并在2 h内完成应变片粘贴，密封岩样以确保测试过程中的含水量不发生变化，现场岩心取样照片如图5所示。

2.3 ASR法标定实验与测试结果

样品现场非弹性恢复应变采集完成后，将试样运回实验室，对岩心进行室内温度标定和非弹性应变恢复柔量实验，然后再根据ASR理论计算主应变及主应力。

2.3.1 温度标定实验

由于试样在取心和贴片过程中温度会发生变化，进而导致试样的温度应变，给应变测量结果带来误差；因此需要通过温度标定实验，反算试样在非弹性应变测量过程中的温度变化情况。利用热敏电偶记录的温度变化数据以及此过程中的应变数据，得到各通道的温度系数，剔除岩心非弹性应变测量过程中由温度变化导致的应变误差。

标定试验开始前首先打开岩心非弹性应变采集仪，将采集仪的数据接收间隔时间设定为10 min/次，随后将整个系统放入可调节温度的恒温箱中，设定初始温度为10 ℃，之后每隔3.5 h调节恒温箱温度，共有10、20、30 ℃ 3个温度区间，标定完成后进行采集仪数据读取。

2.3.2 计算应变选取

根据温度标定实验结果，对BLS-01、BLS-02试样的应变采集数据进行温度变化修正，两个试样的ASR法应变恢复测试曲线见图6。

由图6可见：测点岩心的非弹性恢复应变在采集前50 h增加迅速，随后缓慢增加并最终趋于稳定，12个通道非弹性应变变化规律相同；2个试样测量期间温度均有波动，波动范围±4 ℃，与现场实际情况相符。温度增加而非弹性应变减小是由于岩石与应变片热膨胀系数不同造成的。

在BLS-01、BLS-02试样的应变-时间曲线稳定峰值阶段数据选取数据，剔除温度误差后，可得宝灵山隧道BLS-01、BLS-02试样计算应变值。

2.3.3 非弹性应变恢复柔量标定实验

通过岩石的本构关系，计算岩样剪切非弹性应变恢复柔量和体积非弹性应变恢复柔量^[5]：

Jav（t）=（ε_1a+2ε_3a）/（σ₁+2σ₃）；    （3）

Jas（t）=（ε_1a-ε_3a）/（σ₁-σ₃）。    （4）

式中：σ₁为最大主应力（轴向应力）；σ₃为最小主应力（围压）；ε_1a为轴向非弹性恢复应变；ε_3a为径向非弹性恢复应变。

对BLS-01试样进行30 MPa的单轴加压、卸压室内实验，在此过程中采集应变数据，计算获取柔量比，应变曲线如图7所示（在时间约40 h时卸压）。

取卸载过程岩样的非弹性应变恢复量进行计算柔量比：

J_as（t）/J_av（t）=1.90。    （5）

同时，由于BLS-02试样与BLS-01试样的岩性一致，取样深度相差很小，故BLS-02试样取相同的柔量比。

2.3.4 ASR地应力测量结果

根据BLS-01、BLS-02试样的应变数据，剔除漂移明显的应变数据后计算地应力。计算时，利用超声波成像测井获取的压裂缝方向或钻井诱导缝方向，确定最大水平主应力方向，在此基础上确定ASR地应力测量岩心样品上标志线方位，进而利用ASR法确定三维主应力方位，计算结果见表1。

表1数据表明，宝灵山隧道2个测点三向主应力平均值分别为：σ₁=59.70 MPa，σ₂=54.03 MPa，σ₃=30.74 MPa。

2.4 不同方法的测量结果对比

DZ-06钻孔终孔后，于孔内开展了水压致裂法地应力测试。采用单回路、双封隔器测试系统。该方法是目前深钻孔地应力测试的最常用方法^[21-23]，其测试原理、设备构成及测试流程参见相关规范^[24]。

水压致裂法地应力测试，一般采用印模方法或孔内摄像^[25]方法确定主应力的方向。对于超深钻孔测试，印模方法存在成功率不高、测试效率低等问题；孔内摄像方法由于岩粉、泥浆等因素难以取得清晰图像。因此，对于DZ-06超深钻孔，为避免少量岩粉、泥浆等对孔壁图像清晰度的影响，主应力方向测试采用超声成像测试技术。利用英国RG公司的超声波成像测井仪，分别获取钻孔压裂段岩体测试前、后的超声成像图，通过对比，确定压裂段岩体裂缝的方位，同时还结合钻孔岩体的崩落特征，综合确定水平最大主应力的方向。

在420.00～2 032.00 m深度范围内开展了多段测试。其中，深度大于1 000.00 m的6个测试段的测试结果如表2所示。钻孔2 040.00 m深度存在局部坍塌，最大测试段深度为2 032.00 m。

压裂完成后，根据水压致裂地应力测试前后孔壁压裂缝方位，结合成像测井获取的钻井诱导缝和孔壁崩落信息，统计了宝灵山DZ-06孔深部水平最大主应力方位（1 500.00 m以下由于塌孔，设备遇阻），见图8。

将宝灵山DZ-06钻孔两种方法的地应力测试结果进行对比。由于两种方法的测试深度不同，为方便比较，将ASR法和水压致裂法测试结果作线性回归图（图9），寶灵山DZ-06孔水压致裂法测得的最大主应力线性回归方程为σ_H=0.02698H-0.19885，R²=0.8463，H为深度（m）。结果（图9）表明，ASR法的测试得到的最大主应力结果与水压致裂法水平最大主应力结果一致性很高；ASR法测试得到的最小主应力结果较离散，与水压致裂法水平最小主应力测试结果相比有一定偏差。

以水压致裂法测试结果的回归计算值为基数，分别计算了两测点ASR法测试结果的偏差，结果见表3。由表3可知：ASR法的最大主应力测试值与回归值偏差分别为3.8%和6.9%，两测点均值偏差仅为5.4%，一致性很好；ASR法测试的最小主应力测试值与回归值的偏差分别为-26.9%和-0.5%，两测点均值偏差为-13.7%，一致性处于合理范围。需要注意的是，水压致裂最深测段（2 032.00 m，也是与ASR法测段深度最接近的点）测得的最大主应力与回归值相比偏小，而ASR法与同深度回归值相比偏大，提示我们在主应力大小取值时尽量取多点的线性回归值，以避免偶然误差。

水压致裂法测试结果表明，水平最大主应力的优势方向处于NW20°—NNE14°之间，ASR法测试的最大主应力方向处于NNE10.4°—NE22.9°之间，两种方法的主应力方向测试结果基本一致。

3 讨论

在工程勘察行业，水压致裂法是目前最普遍使用、最成熟的深孔地应力测试方法，该方法操作较简单、测试周期短，且无需岩石弹性参数参与计算，因此广泛应用于工程勘察初期。

然而，随着某些铁路经历强烈构造运动及复杂地质区域深埋工程勘察的深入开展，地面勘察深钻孔甚至超深钻孔越来越多，孔壁岩体往往存在局部破碎段，水压致裂法测试设备时常无法顺利下放至钻孔底部（隧道埋置深度）附近开展测试，而地应力场特征又是隧道勘察设计的关键性基础参数，这已经成为目前某些铁路工程勘察工作中的显著问题之一。同时，随着超深钻孔的水压致裂设备复杂程度、现场条件要求的大幅提高，测试效率也随之降低，测试周期加长，成本增加。因此，铁路深部工程勘察工作对简便、可靠的深部地应力测量方法的实际需求愈发迫切。

ASR法作为近年来出现的新方法，随着解算理论和测试技术的进步，在国内外越来越多地应用于深部三维地应力测量。该方法基于钻孔岩心的应变测量，仅需现场取得适合测试的岩心，在室内完成主要的测量工作，大大节约了现场测试工作时间和成本；测试过程无需钻机配合，不会影响钻机的工作效率；同时，由于基于岩心应变测量，单个测试点的测试周期不受深度影响。这些都是ASR法的显著优势。

本文针对某铁路先开段最深的控制性勘察钻孔——宝灵山隧道DZ-06孔进行的ASR法地应力测试工作，验证了非弹性应变恢复法对工程勘察期间千米级勘探孔地应力估算的可靠性，这也为ASR法在后期超大埋深、高海拔、构造活动强烈工程的地应力测量工作提供了一种新的思路。

4 结论

1）ASR法测试结果表明，宝灵山DZ-06孔2 072.53～2 084.27 m深度范围，2个测点三向主应力平均值分别为：σ₁=59.70 MPa，σ₂=54.03 MPa，σ₃=30.74 MPa。最大主应力近水平，说明该区域主要以水平构造为主。

2）与水压致裂法测试结果相比，ASR法的最大主应力测试结果均值与水压致裂法测试结果均值偏差仅为5.4%，一致性很好；ASR法的最小主应力测试值与水压致裂法测试结果回归值偏差分别为-26.9%和-0.5%，两测点均值偏差为-13.7%，一致性处于合理范围。ASR法测试的最大主应力方向为NNE 10.4°—NE 22.9°，与水压致裂法测试结果基本一致。

3）宝灵山隧道DZ-06孔的ASR法地应力测试结果可靠，同时也表明非弹性应变恢复量测定法对于估测超深钻孔的三维地应力大小和方向有较大的实用价值，特别是由于孔壁或岩心破碎导致水压致裂法或应力释放法等无法实施时，具有更高的应用价值。

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