第二节　地应力测试和分析方法

目前国际上确定岩体地应力的方法主要是三大类:地应力测试、经验估计及数值方法。2003年编写的《国际岩石力学学会建议测试方法》中对主要的地应力测试方法的流程、关键环节以及误差分析有详细的阐述。经验估计在生产实践中的应用比较普遍,工程的前期设计阶段一般采用地质分析手段进行估计,这种工作思路也为国际岩石力学学会所推荐,甚至作为指导地应力测试的准备工作(比如水压致裂地应力测试方法需要知道地应力的大致方向);深埋地下工程中利用揭露的高应力形态和位置来判断地应力状态是经验方法的一个重要内容,这种判断对岩石力学工程师也提出更高的要求。数值方法应用更普遍一些,比较典型的有地应力反演工作,这种方法建立在已经获得的数据资料和认识基础上帮助解决某个方面的问题。

一、地应力常用测试方法

水压致裂(hydro-fracturing)法和应力解除(overcoring)法是最常用的两种地应力测试方法,下面将重点介绍这两种测试方法。

(一)水压致裂法

水压致裂法是工程界普遍采用的地应力测试方法,该方法具备两个突出优点:一是测试数据的解译过程不需要依赖于岩体的弹性模量和泊松比,避免了这些指标取值误差可能导致的严重影响;二是测试段长度达到80cm左右,相当于该长度的综合结果,可以相对有效地克服岩体局部差异对测试结果的影响。

水压致裂技术被引进到我国后得到了广泛应用,不过或许是应用过于普遍,现实中比较普遍存在没有严格遵循该技术应用要求的现象。测试准备过程中存在的问题似乎与对水压致裂法原理和应用条件的把握有关,而数据处理环节的问题相对更普遍。为此,本节有针对性地叙述这两个环节的问题。

水压致裂是石油开采过程中的一项技术,20世纪中叶,C.Fairhurst将这一技术用于地应力测试。在20世纪中后期,这一技术被引进到中国,并得到广泛应用。与很多引进的技术一样,应用过程是否严格理解和遵循了这些技术手段的应用要求,是现实中需要注意的问题之一。事实上,水压致裂地应力测试技术在中国的应用过程中出现了创新和简化,这些改造直接影响到了测试成果的实际含义。本节就针对现实中出现的这些问题开展讨论。

水压致裂法地应力测试的原理相对简单。如图2-1所示,假设钻孔与中间主应力平行,此时钻孔断面上的平面主应力分别为σ1和σ3,如图2-1(a)所示,钻孔以后在σ1方向的孔壁形成的切向应力大小为3σ3-σ1,显然是孔壁上最小的切向应力。

当在钻孔内注入压力为p的水体时,劈裂效应使得孔壁的切向应力减小,如图2-1(b)所示,此时切向应力最小值为3σ3-σ1-p。如果这个值与岩石抗拉强度一致,理论上该部位的岩石将会开始被拉裂[图2-1(c)],此时得到的破裂开始的应力平衡方程为

其中的p值可以在测试过程中获得,如图2-1(d)所示曲线的峰值。T是岩石单轴抗拉强度,可以通过室内劈裂试验获得。

显然,上述一个方程不足以获得两个未知量σ1和σ3,为获得这两个参数的大小,还需要从测试中获得其他的信息。

当孔壁破裂以后孔内的水流会进入到裂缝内继续劈裂裂缝,即现实中孔壁破裂以后有一个发展过程,这样会有一部分的水流流入到裂缝中。当孔内水压力逐渐降低时,裂缝在逐渐闭合过程中也不断将裂缝内的水压入到孔内。当孔壁出现的裂缝刚好处于闭合状态时,此时裂缝的法向应力与水压力达到平衡状态,而这个法向应力就是σ3,此时的水压力称为封闭压力。当孔内水流不渗向岩体内时,测试过程中可以通过同时记录流量变化情况可靠地获得封闭压力大小。

为此测试过程中在获得峰值压力以后,一般需要减压获得封闭压力大小。并且,实际操作中,为控制误差一般在破裂以后进行几个加—卸载循环测试过程,以获得可靠的封闭压力值。

如图2-1(c)所示,裂缝对应在孔壁的方位就是最小主应力方向,但在试验过程中需要注意钻孔必须与其中的一个主应力平行,并且压水试验段岩体需要完整,不存在结构面。

如果钻孔不与其中的某一个主应力平行,则孔壁因为剪应力的存在,劈裂产生的裂纹方向就不与最小主应力方向一致。显然,这就要求在进行水压致裂地应力测试之前就比较可靠地判断主应力方位,使得布置的钻孔与其中一个主应力充分接近。

压水试验段是否存在结构面可以从钻孔岩心得到判断,也可以利用孔内成像技术获得信息。不过,最重要的还是记录测试过程中水压力、流量等相关数据资料,这些资料可以帮助准确地判断压水试验过程中是否出现渗漏现象,即判断测试段是否与结构面相连。

传统水压致裂测试的关键是要保证试验段内的压力水流与外界断开联系,不出现明显的渗漏现象,否则会影响到压力读数的可靠性,也难以保证获得的破裂主要是应力作用的结果,难以保证地应力方位测试结果的可靠性。此外,为保证获得良好的破裂效果,测试过程中也要求加载过程均匀和相对缓慢,一般一个加载循环需要3～5min。测试过程中记录流量变化情况显得非常重要,它可以帮助有效地判断测试过程中是否出现渗漏和渗漏量的大小,从而帮助判断测试数据是否有效。

(二)应力解除法

应力解除法全称为钻孔套芯应力解除法。其基本原理是在钻孔中安装变形或应变测试元件(位移传感器或应变计),通过量测套芯应力解除前后,钻孔孔径变化或孔底应变变化或孔壁表面应变变化值来确定天然应力的大小和方向。所谓套芯应力解除是用一个较测试孔径更大的岩心钻,对测试孔进行同芯套钻,把安装有传感器元件的孔段岩体与周围岩体隔离开来,以解除其天然受力状态,如图2-2所示。

根据传感器和测试物理量不同,可把钻孔套芯法划分为钻孔位移法、钻孔应力法和钻孔应变法三种。钻孔位移法又称钻孔变形法,其基本原理是通过量测套芯应力解除前后钻孔孔径变化值来确定天然应力值。这种方法所使用的传感器称为钻孔变形计;钻孔应力法是把一种刚性的钻孔变形计安装于钻孔内,通过量测套芯应力解除前后这种变形计上压力的变化,进而确定钻孔位移,最后推算岩体天然应力值,这种刚性变形计特称为钻孔应力计;钻孔应变法是通过量测应力解除前后孔底或孔壁壁面应变的变化来确定岩体天然应力状态,这种方法所使用的传感器称为钻孔应变计。目前常用的钻孔应变计有门塞式应变计、光弹性圆盘应变计和利曼三维应变计等。

图2-3中的HI Cell空心包体应力计封装在弹性模量已知的空心管壁上。用环氧树脂把应力计固定在钻孔中,然后监测在钻孔套芯应力解除过程中的应变响应,或者把应力计永久地留放在原地,用于监测相对应力随时间的变化。空心包体应力由9个(或12个)应变计组成3个(或6个)应变花,封装在环氧树脂壳内并从中引出一根12芯(或15芯)读数电缆。9个应变计构成的应力包可以测试计算各向同性岩体的应力场,12个应变计构成的应力包可以处理各向异性岩石问题。利用Amadei各向异性张量理论可以计算出应力值。

根据Sjöberg等人的统计资料,在最理想的情况下,应力值的测试精度介于10%～20%之间,方向的偏差不超过15°。

二、地应力经验判断方法

地应力的经验判断方法主要分成两大类:①依据地质现象的地质学分析方法;②依据人工诱发现象的岩石力学分析方法。

前者根据构造配套关系进行的构造地应力场方位特征分析,后者根据钻孔破坏、隧洞片帮等现象的分析。应该说,这两类分析方法没有本质性的区别,国内水电行业的地应力分析工作属于工程地质专业范畴,因此地质分析更普遍和更容易被接受。而在国外一些地区的地应力分析则属于岩石力学专业范畴,岩石力学分析更普遍,比如,根据高地应力条件下钻孔破坏特征专门开发的地应力场特征估计的方法和设备(钻孔崩落法地应力测试),该方法取得的成果已用于世界地应力图制作项目。这里所叙述的经验判断方法主要针对隧洞开挖以后可资利用的信息,即岩石力学经验判断方法。

(一)地应力方位的经验判断

隧洞开挖以后在与断面最大主应力相切的方向上会出现应力集中现象,在深埋条件下,应力集中可以导致围岩出现高应力破坏,因此,可以根据断面上高应力破坏的位置判断断面上初始地应力方位特征,即平面地应力状态,主要反映断面上主应力的倾角大小。当破坏部位位于顶拱一带时,意味着断面上的最大主应力呈水平状,反之在边墙一带时,则呈垂直状。一般地,破坏部位的切线方向代表了断面上最大主应力的方向。

现场的围岩高应力可能还受到其他因素的影响,比如结构面分布,这使得现实中采用上述判断标准时需要充分认识现场破坏的机理和控制条件,清楚哪些破坏可以用来解译初始地应力场特征,哪些破坏不能用来解译初始地应力场特征。比如锦屏二级隧洞NWW节理发育洞段切性状较差时,隧洞边墙部位的破坏往往超过顶拱和拱肩部位的破坏,因此很容易误判为该洞段断面初始地应力状态以垂直为主。总体上,结构面发育洞段的围岩破坏同时受控于初始地应力状态和结构面本身,判断起来具有相当的难度,某种程度上非连续的数值方法或许可以帮助验证经验判断工作的一些推断,但仍需指出的是这些环节的工作需要良好岩石力学工作经验为基础,需要对岩体参数和结构面参数有比较深入的认识。正是出于这种困难,不推荐采用结构面发育洞段的围岩破坏信息作为地应力状态经验判断的现场工作依据,比较而言,完整岩体洞段的围岩高应力破坏更为明确地指示了地应力状态,相应的解译成果具有很高的可靠性。

(二)地应力相对大小关系的经验判断

地应力相对大小主要指三个主应力分量之间的比值关系。完整岩体洞段,隧洞开挖以后的围岩破坏程度实际上只取决于断面上初始最大、最小主应力的差别(也称断面应力比),断面应力比越大,越容易导致破坏的发生,并且破坏后所产生的V形也越尖,即破坏深度越大;反之V形破坏的形态越舒缓。锦屏辅助洞之所以在严重缺乏支护条件仍能成洞,隧洞断面上地应力比值较小是主要原因之一。

三、地应力现场判断方法

虽然地应力是岩体工程的基本荷载,但是只有当地应力荷载的水平足以导致工程问题时才需要引起足够重视。地应力测试是评估地应力水平的重要方法。事实上,很多地应力测试方法都建立在对测试区地应力状态经验判断的基础上。比如水压致裂测试要求钻孔方位和一个主应力大致平行,这就要求在测试前对主应力方位有一个基本判断,其依据就是现场条件和现象,特别是当地下工程开挖以后围岩出现了应力型破坏时,破坏现象可以反过来可靠地指示初始地应力状态,帮助把握场址区地应力特征。同时破坏现象还清楚地指示了地应力对工程的影响程度及重要性。否则,当工程开挖没有揭示任何应力型破坏时,地应力对工程的影响一般处于次要地位。

既往研究和工程实践中已经积累的认识,比如世界地应力图、大地构造和地表变形的研究成果等都可以帮助判断一个地区地应力总体状态。具体工程场址的岩性组成和构造特征是影响地应力分布的重要因素,相关研究和实践积累也可以帮助认识和判断场址范围内的地应力状态。在工程勘探之前即可以获得这些信息,因此也可以对地应力状态作出基本判断。不过这些不是本节叙述的内容,这里所讨论的地应力现场判断的基本依据是勘探或施工期现场所揭露的一些现象,特别是洞室开挖以后高应力破坏的分布和形态等。

在硬质岩石地区进行勘探和地下工程开挖时,如果地应力水平足够高,开挖过程中或者是开挖以后围岩中会出现一些浅埋工程所不具备的现象。最常见的现象是围岩出现规模不等的破裂,其产状和形态特征显著区别于节理等构造现象。比如这些破裂面呈新鲜状,往往相对密集出现,与开挖面平行分布,空间形态上呈弧形等。虽然破坏的规模不等,但一般相对较小,多在数十厘米的水平。这类破裂一般属于程度相对较弱的应力型破坏,指示应力水平和岩体强度的矛盾并不突出,地应力水平相对岩体强度而言不是很高。

按照勘探和开挖过程中揭露的应力型破坏程度,可以对地应力量值水平进行大体判断,这方面的既往成果很多,这里不一一介绍,主要叙述已经形成的相关认识。

(1)低地应力水平。指勘探和开挖过程中不产生应力型破坏现象,一般认为最大初始地应力量值不超过15%的岩石单轴抗压强度。

(2)中等地应力水平。开挖以后出现程度相对不高的应力型破坏。比如滞后掌子面一段距离出现的围岩破裂现象、围岩的片状破落等,此时最大初始地应力和岩石单轴抗压强度之比在15%～40%之间。一般开始观察到应力型破坏现象(如滞后掌子面一段距离的破裂)时,该比值大致在30%～33%的水平,当接近到40%时,即可观察到比较明显的片状破坏,掌子面一带开始出现声响。

(3)高地应力水平。开挖以后出现普遍的应力型破坏,破坏位置不仅出现在掌子面以后一段距离的围岩中,还普遍出现在掌子面,形式上也可以比较强烈,如出现强烈的声响和破坏岩块的弹射等。此时对应的应力强度比一般在40%以上,如果钻孔内揭露饼化现象,饼化岩芯对应部位初始地应力水平一般可以达到60%的岩石单轴抗压强度。

以上的经验认识可以帮助通过现场现象判断地应力量值水平,但是它们之间并不存在绝对性关系,现实中的应力型破坏程度不仅和应力强度比有关,还受到初始地应力场中三个主应力比特别是开挖断面上主应力比值大小的影响,但这并不意味着上述经验判断就失去了工程适用价值,而是强调实际工作中不要过于单一地依赖某一个方面的经验依据和准则,而是要综合考虑。垂直地应力大小往往可以通过自重估算,因此也可以估算出给定埋深条件下应力强度比大致水平。当估计的结果和现场实际破坏条件存在差异时,断面应力比则很可能是需要考虑的原因。当现场的破坏条件弱于估计结果时,则可能指示断面应力比较小,反之断面应力比较大。

利用现场现象还可以比较可靠地判断主应力方位和三个主应力的比值关系。前者依据的是应力型破坏出现的位置,后者则依据破坏形态、不同轴线方位洞室围岩应力型破坏程度的差异。

地下洞室开挖以后应力型破坏是围岩应力集中的结果,因此断面上应力破坏的位置也指示了应力集中区的位置。在均质岩体条件下,圆形洞室断面上应力集中区部位的切线位置指示了断面初始最大主应力的方位,注意这一认识的两个基本前提:一是岩体的均质性;二是圆形洞室断面。

在深埋地下工程实践中,掌子面一带的应力破坏现象可以只在某些部位或洞段出现,意味着这些部位或洞段的初始地应力状态与其他洞段的差异,往往是岩体结构不均匀性作用的结果,比如掘进到向斜核部一带或接近断层影响带。例如严重的岩爆破坏往往与这种局部构造有关,此时围岩应力型破坏位置的切向和断面最大主应力方位之间的关系可能比较复杂。特别是存在构造时,往往不能可靠地揭示断面最大主应力方位。

图2-4是白鹤滩工程左岸导流中导洞开挖以后局部地应力导致的边墙鼓帮现象,指示了该部位断面主应力中可能以垂直分量为主的特点,但是地应力测试和其他洞段的大量迹象显示隧洞沿线最大主应力近于水平,顶部应力型破坏普遍。图2-4所示边墙鼓帮所指示的地应力特征显著区别于其他洞段,是小构造导致的局部地应力场特征。因此不宜利用该应力型破坏指示的结果判断沿线地应力场的一般特征。在该鼓帮区下游约20m部位,隧洞顶拱出现了严重的应力型破坏,指示了和鼓帮区不同的初始地应力条件。

洞室开挖以后的应力集中区位置和应力集中程度不仅受到初始地应力状态的影响,而且还与断面形态密切相关。比如在水平应力为主的条件下,圆形洞室开挖以后顶拱是最容易导致应力型破坏的部位。但当断面形态为城门洞形时,破坏首先出现在底部的两个拱脚,并不指示断面最大主应力方位和拱脚部位切线方向一致,而是受到断面形态影响的结果。

图2-5是白鹤滩左岸1号导流洞导洞开挖以后拱脚的应力型破坏。导洞断面为城门洞形,在距离掌子面后方约55m以外的洞段开始观察到连续出现的拱脚应力型破坏,指示了断面水平应力为主的基本特征。此外,破坏滞后掌子面数十米出现,且顶拱未出现破坏的现象指示了应力量值相对不高的特点,表明应力强度比在33%左右。还值得注意的是,出现破坏洞段的埋深并不很大,在300m左右,指示了断面应力比可能较高的特点。

以上对断面应力比的判断主要是基于破坏出现的埋深条件。在锦屏二级工程中,当埋深达到1500m时才开始出现零星的应力型破坏,程度也弱于图2-5所示的结果,类比结果指示了这两个工程主应力的显著差别。当围岩应力型破坏比较严重时,破坏形态还可以揭示断面应力比的大小。

以上的叙述中都强调了“断面应力”的概念,但围岩破坏现象只能可靠地指示开挖洞段横断面上初始地应力的一些特征,并非三维地应力状态。当工程中具备不同轴线方位的洞室时,这些洞室断面上应力型破坏程度的差异程度可以帮助揭示三维地应力状态。

现场经验判断和地应力测试是相互补充的两种工作方式,前者的优点在于宏观性,反映了大尺度岩体地应力的基本特征,缺点是定量程度不高。而后者的优、缺点刚好相反,地应力测试,尤其是解除法测试的最大问题是测试面积过小,易于受到局部地质条件变化的影响,其优点是定量程度高。因此,现实工作中不应该将这两种方法或者更多的其他方法相互独立开,而是需要联合使用,相互弥补。

四、地应力数值分析

国际上专门针对地应力的数值模拟方法并不多,一些研究人员采用数值方法模拟地应力测试过程。在深埋地下工程实践中,经常利用数值方法模拟现场的某种破坏,其中的一个目的是验证所采用的初始地应力场等基本条件是否符合实际。这种分析不是独立的,建立在现场调查和对现场现象深刻理解的基础上。由于这种工作思路建立在工程开挖以后的现场现象基础上,因此一般具有高度可靠性。

五、地应力测试实例

(一)超高压地应力测试系统应用成果

2007年以前锦屏二级水电站所有地应力测试工作均为常规水压致裂法测试完成,2008年以后,随着锦屏辅助洞的掘进越来越深,竖向埋深逐步增加,均已超过1500～1800m,岩体地应力越来越高,采用常规的水压致裂法地应力测试设备已无法满足测试要求。随后采用多种地应力测试方法进行尝试性研究,包括孔径变形法、孔底应变法、表面应变法、声发射法和钻孔局部壁面应力解除法。

以上介绍的尝试研究方法,均以间接测量方法为主,这些方法往往借助物理参数进行成果计算,而不是直接获取应力值,这些方法的测试受很多主观和客观因素的制约,以上方法均无法客观真实地反映出锦屏隧洞超高应力状况下的岩体地应力特征,而水压致裂法数据可以最直观可靠地反应应力量级及方向,最后确定仍以水压致裂法为主。对常规水压致裂法设备存在的主要问题(供压系统的不足,管路系统承受压力不足,封隔器系统、印模系统承受压力不足)进行改进创新。

2010年试验取得突破性的成功,测试记录资料达到优良(见图2-6),岩体劈裂压力92.47MPa,最大水平主应力113.87MPa,最小水平主应力62.87MPa,此点自重应力54.88MPa,此测点也是整个锦屏深埋隧洞应力测量最高的部位。

(二)水压致裂测试成果解译实例分析

水压致裂地应力测试主要获得三个方面的测试数据,即裂纹、压力曲线和流量曲线,这些数据是否真实可靠地揭示了测试段的地应力状态,是现实工作中需要关注的问题。水压致裂地应力测试数据质量评价遵循的原则和实施过程如下:

(1)审查所有垂直孔水压致裂测试获得的裂纹方位和形态,只有获得裂纹的测试段才能判断是否真正出现破裂,没有裂纹资料的测试段不能说明劈裂不是沿结构面产生的。国内的很多测试段数据成果中并没有包括裂纹资料,缺乏裂纹的测试数据也就缺乏现实使用价值,一般应予剔除。反过来,鉴于裂纹对水压致裂的重要性,测试过程中的裂纹采集技术显得很有必要,在国内仍然大量采用印模方式,国际上已经被现代方法如ATV(超声钻孔成像)或OTV(钻孔摄像)技术所取代。

(2)考察裂纹形态,以贯穿测试段的平直裂纹最佳。裂纹方向显著偏离钻孔轴线时往往意味着钻孔方向和主应力方位的严重偏差,常规的解译方法不能获得可靠的地应力方位和大小等信息。在获得裂纹以后,还需要考察裂纹形态,满足质量要求的测试结果才可能具备实用价值。

(3)当裂纹质量满足要求时,解译工作需要联合考察压力曲线和流量曲线,从这两条曲线可以判断压裂过程中裂纹是否充分张开,以及是否存在向压裂段以外出现渗漏等信息,从而判断压力曲线特征值的可靠性。

国内完成的水压致裂地应力测试很少记录有完整的流量曲线,因此也难以实现压力和流量曲线联合解译。即便如此,由于测试孔横断面上最大、最小主应力方位独立地由裂纹解译,因此在获得丰富的裂纹资料以后,特别是不同方位钻孔内的裂纹以后,可以可靠地解译出主应力相对大小关系和主应力的方位。针对裂纹的解译也是本节叙述的重点。

鉴于水压致裂测试获得的裂纹资料在整个地应力测试成果可靠性评价和解译中的重要作用,这里选择一些代表性的裂纹印模照片资料叙述它们的意义。

图2-7(a)表示了实际工程水压致裂地应力测试获得的三种典型裂纹形态,左侧所示测试段获得的裂纹平直、连续地贯穿测试段,系完整岩体测试段的典型裂纹形态,裂纹的方位可靠地代表了水平主应力方位。相对应地,如果没有出现管路和测试段部位的渗漏现象,此时的压力读数可靠地反映了最小水平应力的大小。

图2-7(b)表示的裂纹形态相对复杂一些。其上段裂纹平直连续分布,代表了完整岩体劈裂后的结果。中端裂纹不断偏转,反映了主应力方位发生变化。而下段裂纹代表了结构面被劈裂的结果,即裂纹为结构面在孔壁出露迹线。该测试段内从上至下,裂纹的变化反映了主应力方位受到结构面的影响而不断变化。由于结构面被劈裂,测试中的水压力并不代表完整岩体劈裂时的压力,因此利用该测试段的封闭压力与计算最小水平主应力时,很可能会低估实际地应力水平,是导致测值偏低的另一原因。

图2-7(c)所示的全段范围内裂纹呈羽列状排列,是该段钻孔方位和主应力方位严重偏离的结果,裂纹方位和压力读数不能直接用以计算水平主应力方位和大小。如果该孔其他部位裂纹形态发生变化,如一些测试段出现图2-7(a)的形态,则说明了沿钻孔主应力方位的空间变化性。反之,如果普遍出现这种羽列现象,则说明钻孔方位布置不满足测试要求。

金沙江白鹤滩水电站前期勘察过程中在左右两岸和坝基河床岩体开展了大量的水压致裂测试工作,虽然相当数量的测试段内没有取得裂纹或者裂纹质量相对较差,但仍然获得了很多质量满足要求的裂纹资料,特别是在重要部位都进行了三孔交会测试。虽然三孔交汇测试数据联合求解全应力张量不被推荐采用,但三个不同方位钻孔的裂纹资料可以可靠地判断三个主应力的相对大小和方位。本小节以白鹤滩右岸的裂纹资料为例,帮助解译从岸坡到地下厂房部位的地应力变化特征。

图2-8表示了靠近岸坡的PD102勘探平洞与岸坡地形的相对关系,沿平洞在距离洞口大约30m和160m处各布置了两组三向水压致裂地应力测孔,平洞高程大致在683m,略高于厂房PD62平洞620m的高程。

距离岸坡仅30m的PD102-1孔所在部位地应力显然地会受到地形的影响,自重为主的特点非常典型。即便是距离岸坡160m的PD102-2孔,由于岸坡高度大,仍然可能受到岸坡地形的明显影响,在此希望通过这种典型案例的分析揭示在683m高程一带岸坡地形的影响方式。

PD102-1三向孔分别由垂直布置的PD102-1-1孔和两个水平布置的PD102-1-2、PD102-1-3组成。由于平洞仅东西向布置,为使得水平孔进入到远离平洞的围岩内,两个水平孔都与平洞轴线保持40°～45°的交角(图2-8)。也就是说,水平孔方向的布置并非遵照“与主应力平行”的原则布置,而是根据现场实际条件布置。显然,如果岩体处于静水压力状态,这种布置也是可行的,否则,测试的裂纹质量相对不高。因此,从不同方向钻孔内获得的裂纹质量可以反过来了解地应力状态。

图2-9给出了PD102-1三个不同方向钻孔的裂纹和测试段对应的条件,其中铅直布置的PD102-1孔内获得的两个测试段裂纹指示了水平面上最大主应力方向为近SN—NNE,即与岸坡走向基本保持一致,这符合一般认识和一般力学原理。

尽管两个水平孔PD102-1-2和PD102-1-3的方向与平面主应力差异很大,但这两个水平孔中5个测试段内的裂纹并没有出现明显的羽状排列现象,说明沿钻孔方向的剪应力分量相对较小,即两个水平主应力大小比较接近。综合PD102-1-1的测试成果,以沿河流岸坡方向的水平主应力略高一些。

图2-9中的β表示水平钻孔中水压致裂破裂面的倾角,除PD102-1-2孔第一测试段中裂纹倾角中等以外,其余测试段裂纹均呈陡倾状,指示了在与这两个钻孔垂直的断面上都存在自重应力明显高于水平应力的特点。

因此,综合这三个钻孔的裂纹资料,PD102-1三向孔所在部位岩体地应力总体上有以垂直应力显著大于水平应力、两个水平应力分量接近且以顺河向者略高一些的特点,即总体上表现为以自重为主的特点。

这种近岸坡部位岩体一般都比较破碎,岩芯记录也揭示了这一特点,岩体完整性往往会严重影响到测试成果。不论是从工程应用价值还是从测试看,可以将该部位的岩体看作为自重应力控制区域。

图2-10表示了距离岸坡160m的三个测孔中的垂直孔(PD102-2-1)和与层面走向近于平行的水平孔(PD102-2-2)的测试成果和测试条件。根据垂直孔内的测试成果,不论是在角砾熔岩还是在玄武岩中,裂纹质量均相对较好,表明垂直应力与其中的一个主应力近于平行。这三个测试段内裂纹出现的方位指示了水平面上的最大主应力均为NNE方向,两个水平孔均明显偏离水平主应力方位。

不过,即便是水平孔偏离垂直钻孔内裂纹指示的水平主应力方位,但除少数几个部位的裂纹有呈现羽裂状趋势以外,两个水平孔内的裂纹分布均相对正常。这似乎与垂直孔内获得的成果相矛盾。与层面走向相对平行的钻孔PD102-2-2内裂纹均呈中等程度倾角,结合垂直钻孔内裂纹状态揭示垂直应力接近主应力的结论,这种中等倾角的破裂面预示着水平主应力和垂直主应力接近,相当于静水压力状态的特点。

图2-11所示的水平钻孔方向与岩层倾向方向接近一致,两个岩性层分界线分别在孔深7.1m和35.3m左右被揭露,获得裂纹的5段测孔有两段位于角砾熔岩中,其余三段位于玄武岩内。两段位于角砾熔岩中的破裂角均相对较大,揭示在垂直钻孔平面上垂直应力更高一些的特点。但是,考虑到裂纹质量仍然相对较好的特征,结合垂直孔的解译结果,可以认为角砾熔岩中地应力总体接近静水压力状态,但垂直应力略高一些。玄武岩中三个测试段中两个测试段破裂角中等,结合PD102-2-2的解译结果,似乎揭示玄武岩中垂直应力和水平应力更接近。

根据上述解译,地应力在岸坡附近以自重场为主,沿PD102平洞从岸坡到160m深度处,水平应力增大更快一些,达到与垂直应力接近的水平。特别地,玄武岩中的这种变化似乎更突出,而角砾熔岩中则相对缓和一些。如果按照这种变化趋势,在更水平深度更大一些的部位,水平应力可以超过垂直应力,且以玄武岩中突出。

也就是说,岸坡一带的地应力总体上取决于岸坡地形,从岸坡到山体内水平应力不断增大,在PD102平洞高程上在距离岸坡160m处水平应力逐渐上升到垂直应力的水平。不过,这些变化与岩性似乎有关,玄武岩中典型而角砾熔岩中相对不明显一些。

以上对裂纹特征的分析显示,沿PD102平洞从岸坡到160m深度处,岩体中两个水平主应力差别相对不大,因此,当利用水平孔进行水压致裂地应力测试时,裂纹质量对钻孔方位布置的要求实际不是很高。按照沿PD102从岸坡到山体的水平应力不断增高的变化规律推测,厂房区很可能以水平应力为主,当两个水平应力之间存在明显差别时,对水平测孔方位选择的要求即显现出来。反过来,通过对不同方位水平孔中获得的裂纹质量的分析,也可以获得地应力状态的可靠信息。

图2-12表示了右岸距离岸坡水平距离更大一些部位(测点DK6-1距岸坡262m、DK5-1为383m)地下厂房区几个地应力测点的布置,其中的DK6-1、DK5-1和DK4-1均位于主洞内,DK4-1位于厂房区范围内。这几个测试点均进行了三孔交汇水压致裂地应力测试,测试资料相对完善。

图2-13给出了在DK6-1、DK6-2测点处的测试成果,其中的DK6-1为垂直孔,DK6-2为N45°W方向布置的水平孔,另一个水平孔内未获得裂纹资料。

从垂直孔DK6-1内获得的四段裂纹的分布特征看,在孔深10.7m处获得的裂纹质量相对最好,而后几个测试段的裂纹羽状排列特征逐渐增强,表明沿该垂直孔从上至下主应力逐渐偏离垂直方向。该测试孔内获得的可以信赖的最大水平主应力方向大致在N20°E至N36°E之间。

垂直布置的DK6-1孔揭露在孔深19.3～22.3m和26.9～27.8m存在的两个厚度不大的角砾熔岩段。根据测试成果,这两个角砾熔岩段所隔离的玄武岩中主应力状态存在比较明显的差别。第二个熔岩段以下的主应力之一偏离铅直方向,这一特点清楚地揭示了白鹤滩地应力场受到岩性层的影响,表明相对软弱岩层隔离的硬岩中的地应力场状态可以发生比较明显的变化,但目前还不清楚这种影响会波及多大的范围。

在假设平洞高程附近的最大水平主应力方向大致在N30°E左右时,DK6-2钻孔N45°W的方位大体可以满足要求,所获得的裂纹质量总体一般,其中第三段也开始出现羽状排列的迹象,表明该钻孔也或多或少地偏离主应力方位。

获得了裂纹的三个测试段中的第一段位于柱状节理玄武岩内,较小的破裂面倾角说明该测试段内NE向的水平主应力高于垂直应力。不过,鉴于柱状节理玄武岩的特殊性,这种结论一般只适用于该测试段。根据目前获得的资料看,可能不宜外推到厂房整个柱状节理玄武岩中,这是因为起伏的柱状节理面的接触状态对柱体的地应力状态可能起到显著影响。

DK6-2孔内另外两个获得裂纹的测试段均位于角砾熔岩内,裂纹的倾角要大一些,这与PD102-2-3中揭示的情况相符,但倾角总体小于PD102-2-3。

由此可见,从岸坡沿水平方向到160m和大约260m深度处,玄武岩中的地应力状态大致经历了自重、相对均匀、水平应力为主的转化特征;角砾熔岩中的地应力状态则经历了自重、自重为主和相对均匀的转化特征。

也就是说,在一定水平深度处的同一部位,角砾熔岩和玄武岩中的地应力状态存在明显差别,说明了岩性的影响。

图2-14给出了水平深度更大一些的DK5-1、DK5-2和DK5-3三个测试孔内获得的测试结果,其中DK5-1铅直,DK5-2和DK5-3分别沿N60°W和N30°E方向布置。

铅直孔内获得的裂纹均位于隐晶玄武岩中,其中中心深度位于12.3m测试段内明显存在一结构面,结构面上下两侧裂纹方位存在明显差别,清楚地指示了小型结构面导致的地应力分布局部异常现象。垂直孔裂纹指示的最大水平主应力方位在N8°E～N22°E之间,水平钻孔布置方位基本满足要求。

两个水平孔均位于柱状节理玄武岩内,除DK5-3孔第一段测试裂纹不具备解译条件以外,其他裂纹、特别是DK5-2孔内质量良好的裂纹近水平或与岩层倾角相当,揭示该部位柱状节理玄武岩中两个水平应力均高于垂直应力的特点。由此可见,尽管柱状节理玄武岩中的柱状节理发育,但由于这些节理以刚性为主的特点,在山体内一定深度处仍然可以维持较高的水平主应力。

与DK6-1所在部位相比,DK5-1处水平应力更突出一些,表现为水平测试孔内的裂纹更平缓。

然而当把上述认识(从岸坡沿水平方向到山体内的地应力变化)与图2-15所示的DK4-1测试成果相比时,二者之间似乎存在一定差异。如DK4-1水平孔内的裂纹以中等—陡倾为主,与此前揭示的近水平状为主形成明显差别。这里首先分析测试结果可能指示的真实意义,以帮助理解这种异常现象。

垂直孔DK4-1内获得的四段裂纹仍然指示了NNE向的最大水平主应力,这一特征与此前的测试成果基本相同。这几个测试段均位于玄武岩中(分别为杏仁玄武岩和隐晶玄武岩),中等没有出现角砾熔岩分割现象,裂纹质量总体可靠,相对较破碎一些的第三段裂纹分布略嫌不够整齐,可能受到岩体完整性的影响。

DK4-4沿260°的方位水平布置,与PD62平洞轴线方位非常接近,二者之间的交角仅在10°以内,孔深10m、16m和23.5m处与平洞壁的距离分别不超过1.7m、2.8m和4.1m,按平洞开挖以后应力强烈扰动区和影响区分别为1.5倍和3倍平洞直径估计,这两个区的深度分别为3m和6m左右。因此DK4-4因为布置方面的问题,所有这些测试成果特别是前两个测试段的成果不能直接反应初始地应力场特征。

即便是DK4-4第三个测试段裂纹受平洞的影响不大,但由于DK4-4孔260°的方位与垂直孔DK4-1测试成果揭示的水平主应力方位差别相对较大(27°～40°之间),测试成果的可靠性也可能受到影响。事实上,第三个测试段的裂纹也确实呈典型的羽裂状排列,也表明钻孔方位明显偏离主应力方向,同时说明两个水平主应力之间存在相对明显的差别。

向正北方向布置的DK4-3孔与垂直孔揭示的最大水平主应力方向的夹角在17°～30°之间,获得的裂纹均呈现不同程度的羽状排列现象。相比较PD102-2部位的水平测试孔和DK6-2,该钻孔方位的偏离现象并不严重,但裂纹的羽列状特征更明显,表明该部位两个水平主应力之间的差别更突出一些。

由此可见,从岸坡沿水平向山体内,水平应力不断增大的同时,两个水平主应力之间的差别也逐渐增大,后者增加的幅度更大一些,使得从岸坡到厂房区岩体地应力总体上经历了以自重为主、三向等压状态、水平应力为主的变化过程。

六、地应力现场判断与数值验证实例

(一)锦屏二级工程辅助洞

上述这些经验性判断都是定性的认识,也都可能不是定论性意见。但是这些宏观判断无论是工程实践还是科学研究不可缺少的重要基础,特别是数值计算的重要基础。这里就以锦屏二级工程辅助洞的实践为例,介绍经验判断和数值计算联合应用,帮助确定初始地应力状态的过程。

由于现实条件限制,锦屏二级工程前期工作阶段未能获得深埋段的初始地应力资料,先于主体工程开挖的辅助洞(起交通和勘探洞作用)为分析判断深埋段岩体初始地应力条件提供了良好条件。

图2-16是2005年1月、8月以及2006年6月三次现场考察辅助洞时观察到的高应力破坏在洞周的分布。2005年1月西端掘进到大约1500m的深度,该洞段岩层走向与洞轴线小角度相交,倾角45°左右。断面上可以比较普遍地观测到小范围、破坏深度一般在20cm以内的片帮破坏现象,呈大约45°的夹角分布在左上拱和右下脚部位,表示了一种与层面近似平行的断面主应力状态的作用结果。该洞段断面上的水平和垂直应力分量基本相等,呈现一种均匀地应力场特征。

2005年8月辅助洞西端掘进到大约1800m深度的板岩段,现场的高应力破坏现象明显不如此前在大理岩中普遍,表明了脆性特征不强的板岩在积聚能量方面的不足。此时的一些轻微的破坏状态出现在顶拱左侧一带,表明此时的主应力倾角向水平方向转化的趋势。此时东端完整性良好的Ⅱ类大理岩中的岩爆现象已经出现,并相对严重,现场估计的破坏深度可以达到40cm左右,集中在顶拱偏右侧(面向掌子面)的部位,对应于近水平应力作用的结果。

2006年6月在东端7号横通洞一带的B洞的盐塘组Ⅲ类岩体中并没有直接观察到显著的片帮破坏现象,但其正顶拱部位的挂网和喷护破坏表明了顶拱岩体的不稳定性,在这种高地应力条件下,这种顶板破坏很可能与高应力作用有关。在两侧边墙的下部拐角一带,岩体的高应力破坏非常普遍,其中以下游侧(面向掌子面的右侧典型)边墙底部典型,破坏高度50～70cm,一些洞段沿洞壁在约40m的长度范围内可以看到连续的破坏现象,破坏深度20～30cm。这些破坏特征有力地说明了断面上的初始地应力场不以垂直应力为主,相反地,以水平应力占主导地位。

对辅助洞周边围岩中的高应力破坏结果的三次现场观察都一致性地指示了垂直应力总体上的非主导性,特别是在深度较大的洞段上,洞室断面上的水平应力占主导地位而不是垂直应力。但是这两个应力分量的大小相差不大,表现为破坏对应的埋深水平较大,超过1500m。取大理岩岩石单轴抗压为100MPa,应力强度比40%,显著高于开始出现应力型破坏的经验标准(30%)。

综合辅助洞内观察到的现象,判断锦屏隧洞沿线地应力具备的基本特征为:三个主应力中至少有一个水平应力分量大于垂直应力分量,但应力比值不大,一般应在1.3以内。

以上的判断只能给出辅助洞横断面上主应力总体状态。工程设计需要定量化程度更高的数据资料,在没有开展地应力测试的情况下,工程中采取了科研分析的方式,其基本思路为:首先利用现场开挖的辅助洞和与辅助洞大角度相交的横通道获得不同轴线方位隧洞围岩应力集中区的部位和破坏程度的差异,大致判断三个主应力的方位特征;然后以现场现象为对象,建立三维数值计算模型模拟辅助洞和横通洞的开挖。计算过程中在上述判断基础上不断调整初始地应力状态(大小和比例),使得计算结果指示的围岩破坏特征与现场充分接近。

由于当时条件下已经开挖的辅助洞和横通道内的应力型破坏现象并不普遍,现场难以寻找到横通道及附近辅助洞内同时存在的比较典型的应力型破坏,不过为满足补充勘探和测试工作的需要,现场在横通道内进行了取芯钻孔,岩芯饼化现象普遍,帮助指示横通道断面地应力状态。结合对辅助洞的判断,可以帮助揭示三维地应力场状态。

图2-17表示了辅助洞东段2号横通洞(埋深640m)内的FZK2-15孔和4号横通洞(埋深1300m)内的FZK4-1孔内所发现的岩饼。这两个钻孔都位于横通道的底部,揭示了横通道开挖以后底部拱脚一带出现了应力集中现象。由于钻孔布置在横通道中间洞段,钻孔岩饼指示的应力集中受辅助洞开挖影响较小,因此可以认为横通道断面上也以水平应力分量大于垂直应力。由于埋深达到1300m的横通道内围岩破坏现象也不严重,判断横通道断面上两个主应力比值相对较小。

图2-18中埋深1050m的3号横通道位于底板以上1.3m的钻孔内也揭示了连续分布的岩饼,开始出现的位置为孔深5.6m,大于2号横通道的2.2m,但小于4号横通道的9.8m。钻孔内开始见到岩饼的深度和埋深呈正比,可以帮助证明钻孔浅表连续分布的岩饼属于横通道开挖应力集中作用的结果,即岩饼区代表了应力集中位置。

上述判断结果的合理性可以通过数值计算的方式得到验证,并且在假设孔口和饼化岩芯之间为屈服区的基础上,数值计算的验证结果还可提供地应力状态的定量信息。基本思路是进行多种地应力场假设条件下的隧洞开挖计算,使得屈服区深度与现场饼化岩芯指示的结果相符。图2-19为数值验证的模型,计算中先开挖辅助洞,再开挖横通道。

图2-20为以3号横通道为对象的计算结果,以平切面形式表示东端3号横通洞高于底板1.3m(水平钻孔所在平面)的应力分布。在钻孔所在位置,计算结果显示应力集中区和洞壁(孔口)的距离为5～6m,与钻孔揭示的岩饼发生深度基本一致,并且达到近50MPa的应力水平应可以导致该部位岩芯的饼化。

获得上述计算结果时假设包括:①最大主应力和辅助洞轴线基本平行,自西向东小角度倾斜;中间主应力垂直辅助洞轴线,自NW向SE缓倾;最小主应力陡倾;②最小主应力略小于岩体自重(0.95倍),中间和最大主应力和自重的比值分别为1.16和1.34。

利用该地应力假设以2号和4号横通道为对象进行计算,计算结果揭示的屈服区深度和钻孔岩饼指示的结果相符,进一步验证了上述地应力场假设的现实可能。

(二)白鹤滩勘探平洞

白鹤滩右岸地下厂房勘探平洞开挖过程中在4个不同方位的支洞内都出现了片帮破坏,虽然导致具体各片帮的内在机制和条件存在一定的差别,但不同方位支洞内片帮破坏的强弱程度还是能够反映各支洞断面应力状态,特别是应力比值大小的差异。

图2-21表示了右岸勘探平洞各不同方位支洞内的典型片帮破坏形态,其中左侧为破坏形态现场量测结果,中间为片帮破坏形态的照片,最右侧则表示了各支洞的方位以及照片拍摄位置。

上述四个不同方位平洞中的片帮形态特征也存在一定差别。PD62-2和PD62平洞的典型片帮都呈典型的V形特征,V尖端挤压出明显的破裂状,破裂深度也较大。PD62-1平洞的片帮总体上也呈比较典型的V形,但尖端形态相对于前两个方位的平洞要差一些,略显平缓。与这几个方位平洞的片帮破坏形态不同地,尽管PD62-4段的最强烈片帮破坏深度也较大,但形态上要舒缓得多。考虑到PD62-4平洞MJ段56m处一带的片帮深度受到结构面影响,则可以认为在同等条件下,PD62-4的片帮显著地弱于其他方位的支洞。各支洞内片帮强弱程度的相对关系可以概括如下:

(1)NEE向的PD62-2平洞中片帮最突出。

(2)近E—W向的PD62平洞中片帮严重程度居次位,总体上仅略弱于PD62-2支洞。

(3)NW向的PD62-1平洞内片帮要相对比较明显地较PD62和PD62-2平洞中弱,但明显要比NNW向的PD62-3和PD62-4平洞中强。

(4)NNW向的PD62-3和PD62-4中也出现了片帮,但总体强度最弱。

鉴于上述位于四个不同方位平洞的四处典型片帮破坏发生部位的岩体质量特征接近,片帮破坏程序的差异实质上是这些支洞与三维初始地应力场中最大主应力方位的不同。与最大主应力交角越大,片帮破坏程度越强。据此判断的最大主应力方位应接近SN向,与PD62-2交角最大,其次分别为PD62、PD62-1,和NNW向的PD63-3和PD63-4交角最小。

现场还统计了各支洞片帮破坏的频度,即片帮段总长度占洞室长度的比值。结果显示以PD62-2最突出,其次为PD62洞,再次为PD62-1,最后为NNW方位的PD62-3和PD62-4。根据图中资料获得的在这4个不同方位平洞的比值分别为83%、49%、35%和30%,从一个方面说明了最大主应力和这四个支洞轴向方位之间的交角关系。

所有支洞内片帮都出现在顶拱一带,明确指示了三个主应力中两个近水平、一个近直立的特点,且两个水平应力分量均大于垂直应力。考虑到即便是和最大主应力交角最小的PD62-3和PD62-4支洞内也出现了片帮破坏,判断最大和中间主应力(水平状)量值相对接近而与最小主应力的差值相对较大。

上述现场调查和经验判断为数值验证和深度分析创造了良好的工作基础,针对白鹤滩右岸勘探平洞的数值分析也是在获得认识的基础上,适当调整不确定性指标,当获得的应力破坏分布特征与现场结果充分接近时,即认为采用的初始地应力场代表了现实情形。

数值计算先采用平面程序UDEC,在假定的三维地应力基础上分别针对四个不同方位的支洞进行计算。

图2-22表示了相应的计算结果。在假设岩体均质的条件下,PD62-2、PD62、PD62-1和PD62-4这四个不同方位平洞的片帮破坏深度分别为0.89m、0.87m、0.81m和0.20m,其相对顺序关系与现场调查结果一致。在剔除PD62-4内因为结构面导致的强烈片帮破坏后,计算指示的破坏深度也与现场统计结果保持良好的吻合性。

获得上述平面计算结果采用的地应力场假设为:最大主应力方位为345°,近水平状,大小为26MPa;中间主应力水平,大小为18MPa;最小主应力垂直。

为进一步论证上述假设的合理性,数值验证还采用了三维计算软件3DEC。建立的三维模型中同时包含了四个不同方位的勘探平洞,即主要体现统一地应力场和完全相同的岩体力学条件情况下不同方向勘探平洞中二次围岩应力状态所揭示的工程意义,并以对上面的经验分析进行验证。

图2-23给出了3DEC验证模型获得的计算结果,计算获得应力分析特征如下。

(1)四个不同方位平洞的应力集中区全部位于顶拱,与现场观察到的片帮位置相同,证明模型中初始地应力场中三个主应力的倾角与实际非常接近,即最大和中间主应力近水平,最小主应力近铅直。

(2)应力集中区深度在PD62-2、PD62、PD62-1和PD62-3等四个不同方位的平洞中呈逐渐降低的特点,且PD62-2和PD62比较接近,PD62-1与前两者的差别小于PD62-3,符合现场特征,证明了模型中选取的三个主应力的方位正确,三个主应力之间的相对大小也与实际比较接近,即证明了上述经验分析成果的可靠性。

(3)应力集中区总体上呈倒立的V形特征,且也以PD62-3更舒缓一些,与片帮破坏形态具有一致性。

对应力集中区位置和深度是否能与片帮对应还需要看这种应力集中是否能导致围岩的屈服,同时围岩在什么样的应力状态下屈服是建立应力集中区和片帮区一致性关系时需要考察的内容。为此图2-24列出了这四个不同方向的勘探平洞应力集中区部位的应力状态。

图2-24中四个不同方位平洞在开挖应力调整达到稳定时的应力状态都达到了围岩的峰值强度,即图中最大、最小主应力坐标下的应力点位于峰值强度包线上,表明应力集中导致了岩体的屈服。并且这种屈服发生时最小主应力仍然维持一定的水平(最高为6MPa左右),即破坏时围岩积累了一定的能量,说明应力集中区导致岩体破坏时可以伴随一定的能量释放,符合片帮破坏的力学特点。上述的应力集中特征可以对应于现场的片帮。

其次,图2-24还从能量角度显示了这四个不同方位勘探平洞片帮破坏程度的差异,PD62-2和PD62发生屈服(片帮)时对应的应力状态很接近,说明片帮发生时的能量积累水平和释放水平相当,以PD62-2略高(图中PD62-2的应力状态点略靠右侧一些)。因此这两个方位的片帮破坏程度也应基本相当,以PD62-2略强一些,与现实吻合。

与PD62-2和PD62相比,PD62-1屈服(片帮)时对应的应力状态是最大和最小主应力均要低一些,表明破坏前的能量积累水平相对要低,其中PD62-3破坏前的能量积累水平最低。

图2-24验证了如下两个方面的内容:

(1)图2-23表示的各不同方位勘探平洞应力集中程度的差别反映了片帮破坏程度的差别,并与现场吻合,反映模型中选择的初始地应力场特征可靠地描述了现场实际。

(2)各不同方向勘探平洞应力集中区围岩破坏前能量积累水平的差异与现场各平洞片帮程度的差异具有定量规律上的一致性,从能量积累水平的角度验证了模型中选择的初始地应力场特征的正确性和可靠性。

以上的分析判断依据是现场勘探平洞围岩破坏现象,从一个方面分析了白鹤滩右岸地下厂房区的地应力状态,但并不一定是最终结果。其中的重要原因是平洞片帮与地应力局部异常密切相关。因此虽然在引入数值计算以后可以提高分析结果的定量化水平,但依据仍然是对现场现象的宏观判断,是对测试工作的补充,但不能取代测试手段。

七、地应力分析方法总结

地应力是深埋地下工程重要的荷载组成,因此被深埋地下工程实践所广泛关注。不过,在工程开挖之前存在的一个现实问题是地应力到底起多大作用和在什么样的深度条件下开始起作用。虽然工程前期阶段可以依据一般性经验作出判断,但往往存在可靠性问题。一旦工程开展包括钻探、平洞勘探或探井开挖以后,就可以比较可靠地寻找到答案。一般当工程勘探或施工开挖过程中没有出现应力型破坏迹象或破坏程度很弱时,地应力一般不作为主导性因素。在地质调查、测试、分析和设计工作中也可以不作为重点因素考虑。不过,如果前期阶段勘探平洞出现片帮、钻孔岩性出现饼化时,无论地应力测试结果如何,都应当重视地应力因素的潜在作用,特别是出现片帮和岩饼现象对应的工程部位。

1.基本理念和认识

当地应力是需要重点考察的因素时,需要特别强调如下的基本理念和认识。

(1)地应力作为地质体诸多内容的一个组成部分,考察岩体地应力必须结合地质体的具体条件,如宏观上工程场址所处的构造板块位置和区域构造背景、河谷演化历史和河谷结构特征、建筑物所在部位的具体岩性和地质构造条件等,其中任何一个条件的变化都可以影响到地应力分布,或者说,地应力状态是影响这些地质条件的一个重要因素,它们之间相互牵制和相互影响。

(2)地应力往往被作为地质工程设计的基本荷载,其实际影响远非如此。工程设计关心的是围岩潜在破坏方式和程度,地应力除以荷载方式发生作用以外,还可以改变岩体的基本力学特性(如围压效应),不仅涉及岩石试验设计和岩体强度参数取值、围岩潜在破坏方式和程度,还涉及监测、支护设计和施工技术要求。

(3)地应力的空间分布非常复杂,现实中还不存在某种单一的技术手段可以可靠地获得工程设计需要的地应力条件。虽然目前测试是获得岩体地应力的唯一技术手段,但几乎所有的测试方法都建立在均质各向同性弹性介质假设基础上,现实中理想条件下可以接受20%的测试误差。在开始测试之前,特别需要相对可靠地判断测试区地应力场基本特征和影响因素,避免地应力测试的盲目性。另一个现实困难是地应力分布的变化性。测试结果往往只代表数厘米至数十厘米范围内的地应力状态,地应力变化性往往会导致测试结果的分散性,甚至出现测点越多,分散性越突出的情形。也就是说,虽然地应力测试是目前获得地应力状态的唯一直接方法,但不是唯一方法,也不保证成果的可靠性和代表性。

(4)利用可以收集到的信息和资料综合判断地应力场条件是解决问题的正确办法。可以收集和利用的信息主要包括区域构造条件、世界地应力图、区域性地壳运动条件、场址区和建筑物区基本地质条件、勘探和工程施工揭露的应力型迹象、地应力测试结果、其他监测和测试结果等。因此估计和判断岩体地应力场特征不应该局限于某种特定的技术手段,而是需要综合各方面的信息,特别是具体部位的应力型现象和监测测试数据。

(5)工程实践中研究地应力的原因是潜在的工程影响。当地应力影响不突出时,地应力不应作为主导性研究考察。鉴于地应力分布的空间变化性和测试结果代表性问题,评价地应力潜在工程影响的最可靠手段是勘探过程中是否出现应力型破坏和破坏的类型指示的严重程度,其次才是测试成果和强度应力比等指标。导致工程出现严重应力型问题的原因往往是和地质条件密切相关的局部异常现象,从判断工程风险和帮助解决工程问题的角度,研究地应力异常和具体地质条件的关系显得非常重要和实用。目前还不很清楚地应力局部异常的具体表现方式,但了解地应力场中主应力比值大小和了解主应力绝对值同样重要,甚至具有更强的工程实际意义。

2.工作思路

在实际工作过程中,从宏观到具体的工作思路显得非常重要,它可以保证融合各方面的信息,在相互印证和完善基础上给出最可靠的判断。从宏观到具体的工作思路可以概括为如下方面。

(1)了解工作地区所在大地构造背景及其决定的地应力场基本格局。大地构造地质研究成果、世界地应力图、地表运行卫星监测成果等都可以帮助获得区域性地应力背景的认识,如最大主应力可能的方向等。

(2)分析场址区的具体地质构造条件和历史演变过程。上述区域背景往往以数百公里的尺度度量,涉及地应力场问题的工程场址范围多为数公里。由于地质构造的复杂性,现实中并不保证这种小范围的地应力场和大区域背景之间的一致性,但二者之间存在内在联系。分析局部地应力场条件及其和区域背景的关系可以帮助判断局部地应力场基本特征及其和区域地应力之间的联系,更好地认识和理解问题的本质。

(3)在深切河谷地区,地形地貌和河谷演变历史是需要关注的重要因素,它可以显著改变场址区范围内各工程建筑物岩体的地应力状态。或者说,在确定场址区地应力基本特征基础上,需要考虑场地内主要地质条件对各主要具体部位地应力的影响,前者可以起到重要的指导性作用。比如,在同等条件下,场址区最大主应力和河流方向之间的关系可以显著改变河谷岸坡相当范围内地应力分布特征,揭示了场址区地应力条件和具体建筑物所在部位地应力之间的内在连续。要始终保持以综合方式看问题的思路。

(4)测点地应力分散性是常见问题,但任何测试都包含了某些内在的含义。比如测试误差、具体部位地质条件的影响等。试图甄别每个测点数据的可靠性、从测点部位具体地质条件分析数据的含义,是帮助获得正确认识的重要环节,往往也是很困难的环节。

(5)善于抓住现场出现的应力型现象对获得可靠的认识有着至关重要的作用。任何应力型破坏现象都能够比较可靠地揭示地应力场的某种特征,比如不同部位破坏程序差异、破坏出现的部位、破坏区形态等,都是至关重要的信息。