闽东南火成岩地区地应力分布规律研究

■尹志芳

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

地应力是积存于天然岩体内部未扰动的应力,是岩体中存在的一种固有力学状态，是岩体区别于其他固体(如土体)的最基本特征。 地应力不仅是评价地壳稳定性的重要指标，也是深部地下工程设计与施工重要指标参数之一。 福建省受地形影响，省内的基础设施建设大多需要穿山越岭，深大隧道分布越来越多， 地应力对隧道工程的影响愈发显著，需要更深入地了解火成岩地区地应力的分布规律，为深埋地下工程岩爆预测提供可靠依据，从而科学地指导深埋地下工程的设计与施工。

由于受大地构造、地形地貌、不同岩石特征等的影响，地应力的分布呈现为非均匀性，为了探求地应力的分布的规律性，世界许多学者对地应力分布规律做了大量的统计分析，取得了许多有意义的成果。 霍克和布朗(Hoek & Brown)[1]统计了大量的实测地应力资料后指出，一般而言，岩体结构中的铅垂向地应力主要由上覆岩体的自重产生，水平向地应力介于同一深度的铅垂向地应力分量的0.5～3 倍。朱焕春等[2]统计世界范围内不同岩石的地应力分布规律， 发现岩石的地应力与岩石的成因密切相关。景锋等[3]统计我国范围内三大类岩石（岩浆岩、变质岩及沉积岩）垂直应力、水平应力分布规律，不同成因的岩性地应力分布特征有一定的差别。 赵德安等[4]在前人的分析基础上，统计分析了我国不同岩性侧压比随埋深的变化规律，并根据不同岩性形成不同机理探讨了侧压比变化规律的差异。

因福建省大部分地区岩性为火成岩，福建省的实测地应力数据也大都集中于火成岩分布区。 本次搜集了福建省闽东南地区深部地下工程近20 多个钻孔的地应力实测数据，通过多组数据统计，建立闽东南火成岩岩石的垂直应力、最大和最小主应力随埋深的变化规律图，根据统计可知，火成岩的侧压系数一般大于1， 表明闽东南地区地应力以构造应力为主。

1 垂直应力随埋深分布特征

本次搜集的垂直应力实测资料主要来源于福建省内公路、 水电等项目深埋隧道的实测资料，其实测资料大都分布于600 m 以内。 根据对垂直应力实测资料进行统计分析，建立了火成岩垂直应力与其埋深的散点关系图（图1）。

图1 闽东南地区火成岩垂直应力与埋深关系

由图1 可知，闽东南地区火成岩的垂直应力与埋深基本上呈线性关系，并对其两者关系进行回归统计分析，得到式（1）。

式中：σv为垂直应力（MPa）；H 为埋深（m）；R为线性相关系数。

从式（1）可知，垂直应力与埋深的线型相关性好。 垂直应力与埋深的变化梯度基本上与火成岩的重度吻合，表明火成岩的重度是垂直应力的重要组成部分。

2 水平应力随埋深分布特征

本研究中所搜集的岩体中的最大和最小主应力值一般采用钻孔中的水压致裂法试验获得。 水压致裂法是以平面弹性力学为基础，假设被测岩体为各向同性的线弹性体，主要原理是利用钻杆将一对可膨胀的橡胶封隔器放置在钻孔预定深度，然后采用增压装置对该段钻孔增压，根据该段孔壁压裂过程曲线的压力特征值计算地应力， 由此得到最大、最小主应力。 因该方法具有操作简单、周期短、测试深度深等有优点，广泛应用于水电、交通、矿山等岩石工程以及地球动力学研究的各个领域。

根据搜集的闽东南地区火成岩最大、最小水平主应力实测资料，建立最大、最小主应力与埋深关系图，如图2、图3 所示。

图2 最大主应力随埋深变化关系

由图2、图3 可知，在埋深100～550 m 实测范围内， 闽东南地区火成岩的最大主应力为3.47～16.07 MPa，最小主应力为3.22～12.79 MPa，最大、最小主应力与埋深表现为线性关系，并对其两者关系进行回归统计分析，得到式（2）～（3）。

图3 最小主应力随埋深变化关系

对比两者公式， 闽东南地区火成岩的最大、最小水平主应力的回归梯度小于景锋[3]等统计的全国范围内的结果，最大主应力回归公式的常数项也偏小，但最小主应力回归公式的常数项偏大；表明福建地区最大、最小主应力随埋深变化梯度明显小于全国范围的统计结果， 深部的水平应力明显偏小，闽东南地区整体地应力表现不高。 这可以为该区域深部地下工程的岩爆等方面预测提供较好的参考意义。

3 最大主应力方向

本次搜集的实测的最大主应力方向主要表现为两组：一是NE30°～NE63°；二是NW10°～NW56°。最大主应力方向玫瑰花图见图4， 最大主应力方向主要表现为NE 和NW 向， 这与福建省地区区域地质构造的走向表现一定的相关性。 根据福建省区域地质资料， 福建省大地构造上长期受到太平洋板块、 菲律宾板块与欧亚大陆板块NW 向不同的碰撞、挤压影响，该地区地质历史上经历了多次地壳运动， 从而造就了福建地区多条NE 及NW 向的规模巨大的区域断裂带，这些断裂带晚更新世以来仍有活动[5]。 最大主应力方向区域上受到区域地壳构造活动控制，从而印证了最大主应力方向表现与区域地质构造走向的相关性。

图4 最大主应力方向玫瑰花图

4 侧压系数随深度特征

目前，国内外习惯采用两个水平方向应力的平均值σh.av与垂直向应力的比值σv的比值来表示侧压系数。 根据我国已有的地应力测试结果表明，在测试深度较浅(一般小于1 000 m)时，侧压系数比较分散，数值也较大。 随着测试深度的增加，侧压系数分散减小，并且向趋于1 附近集中[2]。

根据搜集的闽东南地区地应力实测资料，建立侧压系数随深度散点变化图（图5）。 分析侧压系数随深度的散点变化图可知：（1）闽东南地区地应力侧压系数一般大于1，总体在0.9～2.0 变化，表明闽东南地区地应力以构造应力为主，但总体构造应力不高。 （2）侧压系数随着测试深度增加变化规律与我国其他地方地应力测试结果表现一致，主要表现为随埋深的增加，侧压系数分散性减少，并且向数值1 附近集中。

图5 侧压系数随埋深变化散点图

5 结论

本研究通过搜集闽东南地区多个工程的地应力实测资料，统计分析了闽东南地区火成岩的地应力分布规律，可以得到的结论如下：（1）闽东南火成岩地区地应力在测试深度范围内表现为与深度呈线性相关。 浅部水平应力明显偏小于全国范围内的统计结果，整体表现为低应力区，为该区域深部地下工程的岩爆预测等方面提供较好的参考意义。（2）闽东南最大主应力的方向受到区域地壳构造活动控制，与区域断裂带的走向存在相关性，主要表现为NE 和NW 两个方向。 （3）闽东南火成岩地区地应力以构造应力为主， 侧压系数总体在0.9～2.0，总体构造应力不高。 随埋深的增加，侧压系数分散性减少，并且向数值1 附近集中。 （4）福建省闽东南地区位于台湾海峡西岸，受欧亚板块与太平洋板块构造运动影响，福建省地质构造复杂多变，且向内陆延伸岩性也变化多端，对变质岩和沉积岩的地应力实测数据较少，特别是三大类岩石更深部实测数据都偏少，对其规律性认识还存在不足的地方。 但本研究统计的火成岩地应力的一些变化规律，可以为福建省内相关地壳区域稳定性研究及深部地下工程行业提供一定的参考。