中国高放废物地质处置地下实验室场址深部岩体地应力测量及工程应用

赵星光，王驹，秦向辉，陈群策

(1.核工业北京地质院，国家原子能机构高放废物地质处置创新中心，北京，100029；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京，100081)

高放废物是一种放射性强、毒性大、含有半衰期长的核素并且发热的特殊废物，对其进行安全处置是关系到国家核安全、核工业可持续发展、人民健康和环境安全的战略性课题[1]。与常规地下工程(如采矿工程、水利水电工程)相比，高放废物处置库具有安全等级高、服务年限长等特点，缺乏工程实践经验。因此，在许多国家的高放废物处置研究规划中，都明确要求先建设一个或若干个地下实验室，进行处置技术相关的现场试验和验证，为处置库的设计、建设和运行提供必要的研究基础。目前，世界上已建有20 多个高放废物地质处置地下实验室，成为各国开展处置技术研究的必需手段，对最终处置库的研发具有极大的促进作用[2]。我国于1985年启动高放废物地质处置研究工作。通过开展华南、华东、西南、甘肃(北山)、内蒙古和新疆六大处置库预选区的综合比选，甘肃北山为我国高放废物处置库首选预选区。2016年，北山新场岩体已确定为我国高放废物处置地下实验室的场址。目前，核工业北京地质研究院在北山预选区已完成近60 个深钻孔的勘察和现场试验工作，系统获得了预选区地质、水文地质、工程地质和地球化学资料，为地下实验室场址的确定奠定了基础[3]。2021年启动地下实验室工程建设。

地应力是存在于岩层中的初始应力，也称原岩应力[4]。在地下实验室工程建设前期，只有获得了场址深部岩体的地应力分布规律，才能合理构架地下实验室主体结构的布局，确定适宜的施工工艺并优化施工参数，评价工程围岩的长期稳定性，确保其建设和运行安全。同时，地下实验室的重要功能之一是为开展大型现场试验提供科研服务平台，用于论证处置概念、研发处置技术、评价场址的适宜性等，而这些现场试验的设计和实施和都需要地应力作为边界条件。因此，在地下实验室场址开展地应力测量是实现上述目标的必要前提。国际岩石力学与岩石工程学会(ISRM)建议的地应力测试方法主要包括水压致裂法[5]和应力解除法[6]2 类。其中，水压致裂法是一种二维地应力测量方法，可确定垂直于钻孔平面内的最大和最小主应力[5]。例如，对于竖直钻孔的地应力测量，该方法可直接确定最大和最小水平主应力。水压致裂地应力测试技术已在国内外岩石工程中得到了广泛应用[7−12]。应该说明的是，对于地下实验室工程建设前期阶段的地应力测量，采用水压致裂法最为经济可行。当地下实验室已进行开挖或投入运行，可采用不同的应力解除法(如空心包体应力解除法[13]、钻孔局部壁面应力解除法[14])进行岩体三维地应力测量。

为了给我国首个高放废物处置地下实验室工程设计和后续现场试验研究提供输入条件，本文作者采用水压致裂法在地下实验室场址开展地应力测量，以获取场址现今地应力状态及其分布规律。并以实测地应力为边界条件，结合钻孔岩芯启裂应力测试结果，进行地下实验室主体结构受力行为的数值模拟研究，为试验硐室的布局和优化提供科学依据。

1 地下实验室场址概况

地下实验室场址位于甘肃北山预选区新场岩体中段，距玉门市直线距离约80 km，地处戈壁无人区。场址为低山丘陵地形(见图1)，海拔为1 700～1 800 m，岩体以二长花岗岩和花岗闪长岩为主，场址内无活动断裂。场址内部分布5个地应力测试钻孔，编号分别为BS06，BS28，BS32，BS33和BS37(如图2所示)，设计深度均为600 m，孔径为95 mm，钻孔倾斜度要求每100 m顶角小于1°。前期已在BS06 号钻孔完成了地应力测量[15]，为了系统揭示场址应力分布特征，本研究在场址内的其余4个钻孔进行地应力测试工作。钻孔勘察结果表明，岩石质量指标RQD>90(“很好”)的岩芯长度占岩芯总长度的86.2%，RQD>75(“好”)的岩芯长度占岩芯总长度的93.4%。此外，钻孔水文试验结果[3]显示，岩体的渗透系数主要集中在1×10−12～1×10−10m/s 范围内，表明场址深部岩石具有很好的完整性和极低的渗透性，为获得可靠的地应力提供了前提条件。

图1 北山地下实验室场址地貌特征Fig.1 Topography of Beishan URL site

图2 北山地下实验室场址地应力测量钻孔的位置Fig.2 Location of in-situ stress measurement boreholes at Beishan URL site

2 地应力测量

2.1 测量系统

图3所示为采用的单回路水压致裂测试系统。为了有效降低测试系统柔度和管线摩擦阻力对测量结果的影响[16−17]，提高测试精度，对传统测试系统中封隔器和压裂段结构进行改进，即把独立的压力传感器放置于试验段的中心杆内部，可在压裂试验过程中实时监测并记录压裂段内部的水压，实现了井下压力测量。测量采用的钻杆直径为50 mm，高压泵最大流量为15 L/min，最大压力为35 MPa，井下压力传感器的量程为0～138 MPa，精度为±0.03%，试验段长度为1 m。

图3 单回路水压致裂地应力测量示意图Fig.3 Schematic illustration of in-situ stress measurement using single-loop hydro-fracturing system

2.2 压裂试验

将封隔器下放至预先选择的测试段深度位置，利用水泵向封隔器加压至5 MPa，使其膨胀并与孔壁紧密接触，形成试验段(见图3)。随后，启动高压水泵向测试段增压，使孔壁开裂。此时，停止向测试段加压，裂缝趋于闭合，当作用于破裂面上的地应力与管路中的水压力达到暂时平衡，记录的压力为关闭压力Ps。当测试段内的压力逐渐趋于平稳，解除压力，测试束。完成第一个测试后，进行重复测试，使闭合的裂隙重新张开，根据压力−时间曲线增压速率的变化来确定重张压力Pr，即压力−时间曲线在增压阶段偏离其切线斜率时对应的压力。图4所示为在BS32 号钻孔306 m 深度测得的压力−时间曲线变化特征。对每个试验段均进行5 次加压测试循环，用第4 个测试的压力−时间曲线确定重张压力和关闭压力[10]。根据式(1)～(3)，可计算各测段的最大、最小水平主应力[18]和垂直应力分别为：

式中：σH为最大水平主应力；Po为孔隙水压力；σh为最小水平主应力；σv为垂直应力；γ为岩石容重；H为深度。

ISRM 建议至少采用2 种方法对Ps进行确定[5]。因此，本研究采用单切线法、dT/dP和dP/dT[19−20]判读Ps。根据图4(a)，Ps的求解结果如图4(b)～(d)所示。从图4(b)～(d)可以看出，3 种不同方法的求解结果较为接近，故取其平均值计算最大和最小水平主应力。

图4 BS32号钻孔306 m测段的压力−时间曲线及关闭压力的确定Fig.4 Pressure-time curve measured at depth of 306 m in borehole BS32 and determination of Ps using three methods

2.3 印模定向试验

压裂试验完成后，采用带有电子罗盘定向装置的印模试验系统对孔壁已形成的水压裂隙进行定向。由于场址花岗岩的脆性较强，压裂后裂隙扩展明显且近于竖直，水压裂隙印痕清晰(见图5)，为准确求解最大水平主应力方向提供了可靠资料。

图5 BS37号钻孔428 m测段的印模试验结果Fig.5 Fracture impression test result obtained at depth of 428 m in borehole BS37

2.4 测量结果分析

根据BS28，BS32，BS33和BS37 号钻孔共计90个测点的地应力测量结果，结合前期在BS06号钻孔获得的地应力数据[15]，场址岩体主应力随深度的变化特征如图6(a)所示。从图6(a)可以看出：主应力随深度的增加表现出增大的趋势。在深度为60～600 m范围内，最大水平主应力均小于25 MPa，与场址岩石的平均单轴压缩强度(170 MPa)相比，属低地应力水平。实测数据表明，在深度为60～200 m时，岩体水平应力总体大于垂直应力；随着深度的进一步增加(深度为200～400 m)，最小水平应力由中间主应力逐渐转变为最小主应力，而最大水平应力仍普遍高于垂直应力；在深度为400～600 m时，最大水平应力小于垂直应力的测点数占总测点数的41%，表明水平构造应力的主导作用有所削弱，垂直应力的作用加强。图6(a)中的线性拟合公式近似给出了主应力随深度的变化规律，从整体上反映出场址应力场以水平构造应力为主导的特点，在浅部(深度为60～240 m)，主应力的关系为σH>σh>σv；在深部(深度为240～600 m)，主应力的关系为σH>σv>σh。图6(b)和(c)所示分别为最大水平主应力与垂直应力的比率(KHv)和最大水平主应力与最小水平主应力的比率(KHh)随深度的变化。从图6(b)和(c)可知：KHv随着深度的增加而快速减小，该行为可用双曲线函数表达，揭示了水平构造应力场在深部岩体的主导作用要弱于其在浅部岩体的主导作用。此外，KHh随深度的增加表现出轻微减小的趋势，可采用线性方程表达其变化规律。

图6 地下实验室场址岩体主应力和主应力比值随深度的变化Fig.6 Variations of magnitude of principal stresses and stress ratios with depth at URL site

根据37 个测段的印模定向试验结果，场址岩体最大水平主应力方向的分布特征如图7所示。从图7可以看出：在测量深度范围内，最大水平主应力方向主要分布在N30°E～N75°E。同时，最大水平主应力方向的玫瑰花图显示，其优势方向集中在N50°E～N70°E(图7(b))，平均为N55°E。

图7 地下实验室场址最大水平主应力方向的分布特征Fig.7 Distribution characteristics of the maximum horizontal stress orientations at URL site

岩体地质结构特征可在一定程度上揭示其构造应力的状态。地下实验室场址所处的新场岩体内存在2 个主要断层组，分别为NE 向和EW 向，其中，NE 向断层主要分布于花岗岩体中(见图2)。地下实验室场址最大水平应力的优势方向为NEE向，与岩体内断层组的走向基本一致。同时，前期在新场岩体东部BS17～BS19 钻孔中揭示的地应力分布规律[15]与地下实验室场址的相似，表明本次测量结果可真实反映新场岩体的地应力特征。此外，图8所示为GPS观测获得的相对于稳定欧亚参考框架下的中国西部现今地壳运动速度场分布[21]。从图8可以看出：从印度板块与中国大陆板块的碰撞边界开始，速度场表现出从NNE 方向呈顺时针旋转的行为，至北山预选区的速度矢量近似为NE方向，与场址最大水平应力方向基本吻合，进而证实了地应力测量结果的准确性。从图8还可以看出：速度矢量由南向北逐渐递减，至北山已表现为微弱的地壳运动，这也说明了地下实验室场址岩体构造应力水平偏低的原因。

图8 中国西部现今地壳运动速度场的分布[21]Fig.8 Distribution of currently crustal velocity vectors in western China[21]

需要说明的是，地下实验室场址花岗岩为脆性硬岩，岩石完整且渗透性低，在很大程度上符合水压致裂法的理论假设。此外，场址内部地势平缓、断层不发育，具有地质条件简单的特点，各钻孔测得的地应力大小和方向并无显著差异性。因此，本次测量结果为准确揭示地下实验室场址地应力场的分布规律提供了研究基础。然而，单孔水压致裂法在准确获得测点的三维应力状态方面仍存在局限性，这需要在地下实验室开挖及运行过程中采用其他方法(如应力解除法)进行补充测量，获取地下实验室不同位置及深度处的三维地应力测试结果，结合现有的水压致裂地应力数据对场址地应力场进行综合分析与评价，这是今后重要的研究方向。

3 工程应用

3.1 地下实验室主体结构初步设计方案

北山地下实验室主体结构采用斜坡道+竖井方案，如图9所示。竖井包括人员提升井(直径6 m)、入风井和出风井(直径3 m)；斜坡道(直径7 m)为螺旋下行形式，采用TBM开挖，转弯半径为400 m，最大埋深为560 m。试验巷道主要分布在深度240 m和560 m。在深度240 m 处，巷道结构相对简单，是斜坡道与竖井的中部连接段，含有少量支巷；在深度560 m 处设置公共设施区和主巷道，公共设施区主要包括停车场、电气设备间、救援硐室等。该区域巷道密集，硐室交叉，结构相对复杂，公共设施区与主巷道相连，在主巷道上设置走向不同的试验硐室。

图9 北山地下实验室主体结构初步设计Fig.9 Preliminary design of Beishan URL

3.2 场址岩石的启裂应力特性

通过大量的地下工程案例研究，很多学者建议将室内完整岩石试件的启裂应力(σci)用于评价现场岩体的劈裂强度[22−24]。MARTIN 等[23]将室内测得的花岗岩启裂应力与现场岩体强度进行比较，得出室内岩石启裂应力与原位岩体的强度具有较好的一致性，并建议采用室内岩石启裂应力作为现场完整岩体劈裂强度的下限。为揭示地下实验室场址花岗岩的启裂应力特性，在0～600 m深度范围内，采用BS06，BS28，BS32和BS33 号钻采集岩芯，共制备90 个直径×长度为50 mm×100 mm 岩样。通过对岩样进行单轴压缩声发射监测试验，获得岩样在加载过程中的应力−应变关系和累计声发射撞击数曲线。声发射撞击的物理意义可理解为超过触发门槛而记录的声发射信号。BS28 号钻孔岩样的典型试验结果如图10所示。从图10可以看出：累计声发射撞击数随着荷载的增大呈非线性增长，揭示岩石从压密至内部损伤不断积累的过程。ZHAO等[25]在对多种启裂应力确定方法进行分析的基础上，提出了基于累计声发射撞击数的启裂应力求解法。该方法的优点是去除了研究人员对该应力的主观判断，保证了求解的唯一性。根据图10，岩样启裂应力的求解过程如图11所示，求解原理和具体方法见文献[25]。

图10 BS28号钻孔岩样单轴压缩应力−应变关系及对应的累计声发射撞击数曲线Fig.10 Stress−strain relationships associated with cumulative AE hits of a rock specimen in borehole BS28 under uniaxial compression

图11 采用累计声发射撞击数法求解岩样启裂应力过程Fig.11 Procedures of using cumulative AE hit method to determine crack initiation stress of rock specimen

北山地下实验室场址岩石σci与σc的关系如图12所示。从图12可以看出：地下实验室场址岩石启裂应力整体随单轴压缩强度的增加而逐渐增大。拟合结果表明，启裂应力与单轴压缩强度的比值近似为0.45。此外，根据北山和新疆预选区花岗岩204 个岩样的启裂应力数据[25]，得出我国高放废物处置库预选区花岗岩的启裂应力与单轴压缩强度的比值近似为0.46(图13)，与瑞典Äspö 地下实验室的闪长岩的启裂应力特性相似[26]。

图13 我国高放废物处置库预选区花岗岩σci与σc的关系Fig.13 Relationship between σci and σc of rock specimens in pre-selected regions for China′s HLW repository

3.3 地下实验室主体结构启裂指标分布特征

根据地下实验室初步设计方案、场址岩体地应力分布特征及岩石的启裂应力特性，采用FLAC3D对地下实验室主体结构进行数值模拟。针对工程的初步设计阶段，模拟的主要目的是获得地下实验室主体结构开挖后可能出现应力集中的部位，为优化试验硐室的布局提供依据，为进一步开展地下硐室长期稳定性精细化计算提供研究基础。首先，以北、东、下分别作为模型X，Y，Z轴的正方向构建场址区域的长方体网格模型(见图14)，并施加应力边界条件，完成场址初始应力场的还原。随后，采用FLAC3D内置的FISH语言识别单元应力张量信息，将最大、最小水平主应力和自重应力在整体坐标系下进行转换，获得单元所受的法向应力(σx，σy，σz)和剪切应力(τxy，τyz，τzx)。最后，将地下实验室主体结构导入上述模型中，监测主体结构轴线方向，将整体坐标系下的岩体应力向轴线方向以及与轴向垂直的方向进行分解，完成整体到局部坐标系下的空间应力转换。根据Kirsch解，圆形隧道边墙上的最大切向应力σmax为

图14 地下实验室主体结构在FLAC3D中的构建Fig.14 Establishment of main URL components in FLAC3D

式中：σmax为最大切向应力；σ1和σ3分别为最大和最小主应力。

围岩的启裂指标α为

式中：σci为启裂应力。

图15(a)所示为地下实验室主体结构启裂指标的分布特征。从图15(a)可见：地下实验室主体结构所有部位的启裂指标均小于1，表明该主体结构具有很好的工程稳定性。启裂指标α的最大值(0.6)位于竖井底部，这是由于垂直应力为中间主应力(见图6(a))，竖井开挖边界上的极限应力仅受埋深的影响，随着埋深的增加，应力水平不断提高，导致其成为应力最集中的部位。同时，斜坡道的启裂指标随深度的增加呈增大趋势(α最大值为0.5)，并在转弯部位出现不同程度的波动。在工程开挖过程中，应关注下行和转弯同时发生时的围岩应力变化，及时调整和优化相应的开挖参数。

深度560 m 是地下实验室重点关注的深度水平，图15(b)所示为工程结构在该深度水平的启裂指标分布。结合图9和15(b)可知：A区(公共设施区)硐室具有相互交叉的特点，受力较为复杂，主试验巷道走向垂直于最大主应力方向，在深度560 m水平中启裂接近度最高，在施工阶段研究其开挖响应特征具有较为重要的价值，可设置围岩开挖损伤区评价现场试验巷道、施工过程围岩应力、变形监测试验巷道。在B区(主试验巷道转弯区域)，主巷道走向由垂直于最大主应力方向逐渐向平行于最大主应力方向过渡，启裂指标呈现出先减小后增大的变化规律，其最小值(0.39)发生在该区域的中部，该区域基本覆盖了在深度560 m平台所能达到的所有应力条件，可根据对不同的应力条件设置不同现场试验硐室，例如高放废物处置工艺研究、工程屏障长期稳定性研究、安全评价技术研究硐室等。在C区(主试验巷道可扩展区)，主巷道走向与最大主应力方向平行，该区域主巷道围岩启裂接近度为0.42，属于低应力环境，为将来主巷道的进一步延伸和扩展提供了较为理想的应力环境。同时，与主巷道相垂直的支巷则处于应力集中区，目前在该区尚未设置试验硐室，随着地下实验室试验内容的完善，这一区域将得到有效利用。此外，示范处置巷道走向与最大水平应力方向平行，有利于原型处置库论证试验的开展。

图15 北山地下实验室主体结构启裂指标的分布Fig.15 Distribution of crack initiation index of the main components of the Beishan URL

4 结论

1)在深度为60～600 m 范围内，地下实验室场址地应力场以水平构造应力为主导，其在浅部岩体的主导作用要强于深部岩体。在测量深度范围内，最大水平主应力小于25 MPa，为低地应力水平，在浅部(深度为60～240 m)，主应力的关系为σH>σh>σv；在深部(深度为240～600 m)，主应力的关系为σH>σv>σh。

2)地下实验室场址最大水平主应力方向主要分布在N30°E～N75°E，优势方向集中在N50°E～N70°，平均为N55°E。这与区域地壳运动速度矢量监测结果基本一致，从而证实了地应力测量结果的准确性，为确定主巷道的走向提供了依据。

3)地下实验室场址岩石启裂应力随着单轴抗压强度的增加而增大，启裂应力与单轴抗压强度的比值近似为0.45；地下实验室主体结构的启裂指标均小于0.6，围岩稳定性好。在深度560 m 的公共区，围岩应力相对集中，是进一步开展长期稳定性分析的重点区域。