原位地应力测量与实时监测在强构造活动区深埋地下工程中应用的思考

谭成轩， 张 鹏， 王继明， 丰成君， 戚帮申， 王惠卿，李 滨， 陈群策， 吴满路， 孙炜锋， 秦向辉， 张重远

1.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；

2.自然资源部新构造与地壳稳定性科技创新团队，北京 100081；

3.自然资源部活动构造与地质安全重点实验室，北京 100081；

4.中国联合工程有限公司，浙江 杭州 310051；

5.中国地质环境监测院，北京 100081

0 引言

在青藏高原强构造活动区，由中国开展的交通（铁路、公路）、水电工程规划建设和安全运维方兴未艾、如火如荼，同时也面临大型工程地质安全问题和挑战（郭长宝等，2017；彭建兵等，2020；薛翊国等，2020），如交通深埋隧道活动断裂错断（梁宽等，2022；薛善余等，2022；朱爽等，2022）与硬岩岩爆和软 岩 大 变 形（Hoek，et al.，1997，1998； Martin，et al.，2003；刘高等，2005；郭啟良等，2006；张文新等，2013；张鹏等，2017a；王庆武等，2018；严健等，2019；Sun et al.，2021；魏鹏等，2022）、水电深埋地下厂房变形破坏（张勇等，2012；黄书岭等，2014；陈长江等，2016；Song et al.，2016；杨静熙等，2019）、大型水库谷幅变形（杨强等，2015；高克静等，2018；程恒等，2020；邹旭明，2022）等，究其内动力机制无不与现今区域构造活动诱发地应力变化息息相关。因此，探索思考原位地应力测量与实时监测在强构造活动区深埋地下工程中应用的相关理论、方法和技术已成为重大工程建设亟待解决的地球科学问题。

在强构造活动区，无论是构造应力还是非构造应力各向异性更为显著、应力集中更为强烈、局部地应力场特征更为突出、区域地应力场代表性更差，如何利用重大工程沿线和场址有限的深孔地应力测量结果支撑服务重大工程规划建设，一直是工程规划、设计和建设技术人员与地学工作者探索的关键科学问题（王连捷等，1991；谭成轩等，2003，2004，2006，2014；Tan et al.，2004；王 成 虎 等，2009，2011b，2014，2019；孙炜锋等，2021；张玉玺，2021；张重远等，2022；秦向辉等，2023）。

因此，论文首先分析原位地应力测量在强构造活动区深埋地下工程中应用的经验和不足，然后重点研究原位地应力实时监测在强构造活动区深埋地下工程中的应用方法技术及其作用和意义，最后给出原位地应力测量与实时监测在强构造活动区深埋地下工程中的应用建议，以期为强构造活动区重大工程规划建设和安全运维提供理论支撑。

1 原位地应力测量在强构造活动区深埋地下工程的应用分析

1.1 高地应力的界定与评价

高地应力是一个相对概念，它与岩体经历的构造运动和地质历史、岩体结构和强度等因素有关。对于高地应力的判定，尚无统一规定，国内外常用的地应力判定划分标准如表1所示。从表中可以看出，中国与其他一些国家的地应力判定划分标准差别较大，反映不同国家高地应力的定义及其内涵存在差异（王成虎等，2009；李国良等，2020；张广泽等，2022）。此外，国内外不同学者所运用的高地应力的判据也存在较大的差异（王成虎等，2009，2011a）。

1.2 原位地应力测量结果在深埋地下工程中的应用分析

关于地应力测量在青藏高原强构造活动区深埋地下工程中的应用，国内学者进行了大量的探索研究（廖椿庭和施兆贤，1983；吴满路等，2008；张重远等，2013；王成虎等，2014，2019；唐浩等，2015；王庆武等，2016；王栋等，2017；严健等，2019），取得了宝贵的经验和认识。然而，由于强构造活动区地质体在横向和纵向上的各向异性、极度复杂性和不可知性，对于深埋地下工程，已采用的各种方法仍有一定的局限性，不能完全科学合理地评价地应力状态，很难得到可靠的地应力状态指导深埋地下工程的结构设计、施工建设和安全运维（王成虎等，2019；徐安等，2022）。

为此，王成虎等（2009）系统总结了一般原位地应力状态分析评价的4个步骤：首先对工程区的原地应力实测点工程地质特征进行研究，一般采用地质体强度指标（GSI）系统对测点岩体进行详细的围岩分类和评价（Hoek et al.，1998）；其次利用Hoek-Brown 强度理论对工程岩体的强度参数进行估算（Hoek et al.，1997）；然后利用Sheorey 模型拟合分析实测原地应力值（Sheorey，1994）；最后综合考虑地应力判定划分标准对原位地应力测量结果进行评价，确定应力级别。谭成轩等（2006）讨论了地应力测量及其地下工程应用值得注意的问题：地应力测量前应充分考虑测量孔位的选定和地形地貌、岩性、断裂等的影响；地应力测量后应对测值的各种影响因素和可靠性进行分析、进行岩石力学性质校正（秦向辉等，2012）和对比分析以及测值的代表性分析等（孙元春等，2022）；工程应用应考虑具体工程所处不同构造部位、不同岩性、不同岩体结构、不同深度等局部地应力状态的变化和差异，此外，工程本身不同的设计结构、尺寸等引起的局部地应力状态变化也需予以充分考虑。根据Hoek and Brown（1997）的现场实地研究，发现地下洞室开挖面附近的岩体最大强度约为岩块单轴抗压强度的40%；Martin et al.（2003）也通过在各种岩体中的广泛研究发现在完整岩体和中等节理化岩体中，岩体强度约为室内试验所得单轴抗压强度的50%。因此，在一般研究论证的情况下，可以近似地取岩体整体强度为岩块单轴抗压强度的50%。

近年来，青藏高原及其周缘铁路规划建设过程中大量深孔地应力测量和工程应用进一步证明（刘高等，2005；郭啟良等，2006；张文新等，2013；张鹏等，2017a；王庆武等，2018；严健等，2019； Sun et al.，2021；张重远等，2022），在强构造活动区深埋地下工程规划设计中更需要综合考虑原位地应力测量结果的各种影响因素，应对地应力测量结果进行影响因素校正综合分析，而不能直接用若干个深孔地应力测量结果确定深埋地下工程总体的地应力设计参数，这也是为什么中国几乎所有的重大工程在规划设计阶段都进行了地应力测量工作，但在工程建设过程中或运行期仍然会出现因地应力导致的工程病害的原因。基于工程实践和地应力测量经验，以及强构造活动区地质构造、地层结构和岩性、地形地貌等复杂性和差异性，在综合考虑原位地应力测量结果各种影响因素的基础上，需要依据强构造活动区深埋地下工程围岩岩体结构构造、岩性、地形地貌等地质特征构建三维地质模型，开展三维地应力场仿真数值模拟，揭示其三维地应力场空间分布特征（谭成轩等，2006；王成虎等，2011b），实现深埋地下工程不同位置采用不同的地应力设计参数，并且近水平孔或平硐地应力测量也验证了距离山体坡面不同水平深度地应力状态的差异性（李宏等，2006；谭成轩等，2008；孙炜锋等，2021），避免因地应力设计参数偏大或偏小造成工程建设浪费或工程病害。

1.3 饼状岩芯钻孔原位地应力测量结果分析

强构造活动区一般在深切峡谷的谷底和坡脚，也有在山脊之下（如喜马拉雅东构造结多雄拉山脊），钻孔中由于高地应力导致的饼状岩芯极度发育（白世伟和李光煜，1982），地应力测量结果变化较大，并在钻孔中一定深度范围地应力测量值异常增大，出现显著的地应力集中。针对这种现象，基于地应力测量现场经验和钻孔岩芯观察，文章尝试从岩体结构方面解释其成因机制和变化规律。大量饼状钻孔岩芯观察和地应力测量结果表明：①饼状岩芯一般在钻孔一定深度自浅部往深部发展；②由于饼状岩芯发育导致岩体结构损伤，饼状岩芯密度与地应力测量大小成反比，在饼状岩芯发育深度范围内地应力大小往往不是最高、也不是最集中，而在饼状岩芯发育深度范围之下未来会形成但仍未形成饼状岩芯的深度范围内往往才是地应力最高、最为集中的，这种现象在河北省昌黎县碣石山坡脚一处钻孔地应力测量中被发现（图1，图2），该钻孔饼状岩芯发育的深度范围为430～450 m，从图2可以看出，在该深度范围之上地应力测量值没有出现显著增大的现象，而在该深度范围之下453.50 m地应力测量值则明显增大。由于所使用高压泵量程限制，从压裂曲线可以看出该深度段没有压裂成功，但从压力数值上明显高于该饼状岩芯深度范围之上的测量深度段，也明显高于453.50 m之下的测量深度段。

图2 河北省昌黎县钻孔水压致裂地应力测量压力-时间曲线Fig.2 Pressure–time curves of hydrofracturing stress measurement in boreholes in Changli County, Hebei Province

2 原位地应力实时监测在强构造活动区深埋地下工程应用分析

2.1 原位地应力实时监测方法简介

原位地应力实时监测包括钻孔压磁电感法、分量应变法、体应变法、压容法等（王连捷等，1991）。压磁电感法在20世纪60年代由李四光先生倡导、在全国范围内得到了应用和推广，其地应力实时监测是通过压磁应力传感器核心元件实现的（邱泽华，2010；谭成轩等，2020）。压磁应力传感器是基于一种特殊铁磁材料（含镍65%的铁镍合金）的“磁致伸缩原理”研制的，主要由特殊铁磁材料制造的心轴及其上绕制的线圈构成（图3）。所谓“磁致伸缩原理”就是铁磁材料在外力（F）作用下其磁导率（µ）发生变化，反之，其磁导率（µ）的变化可以反映外力（F）作用的改变。具有这种特性的铁磁材料通常称为压磁材料。依据电磁学原理，当铁磁材料磁导率（µ）发生变化时，会引起线圈的电感量（L）发生变化，进而线圈的阻抗值（Z）发生变化，最后导致线圈的电压值（V）发生变化。通过测量电压值（V），并依据四者之间的换算关系，获得由于外力（F）作用导致的应力（σ）变化量。通过实时监测线圈电压值的变化量，依据室内围压标定曲线，即可得到作用于监测探头中测量元件的应力变化。

图3 压磁法地应力实时监测原理示意图Fig.3 Schematic diagram of the principle of real-time in-situ stress monitoring by piezomagnetic inductance method

根据广义胡克定律（σ＝Eε，其中地壳岩石弹性模量（E）一般为104～105MPa量级大小、ε为应变值），应力变化相比较应变会相对显著，实践证明进行地应力（如压磁电感法地应力等）实时监测较为有效（张鹏等，2017b ；谭成轩等，2019）。

原位地应力实时监测可以动态揭示某一构造部位地应力大小的相对变化趋势和演化过程，并可计算地应力实时监测期间不同时域地应力状态绝对值（丰成君等，2014；张鹏等，2017b），而不用开展新的地应力绝对测量。

2.2 原位地应力实时监测结果分析

2.2.1 西藏林芝八一台站地应力实时监测结果

在地应力测量和结果分析的基础上，考虑钻孔岩体完整性、岩石强度、区域构造应力场方向等，确定在94.50 m深度安装四分量压磁电感地应力监测探头，其4个测向分别位于北西290°（测向a）、北东20°（测向b，监测深度最大水平主应力方向）、北东65°（测向c）和北西335°（测向d）。

自2015年1月24日以来，林芝八一钻孔四分量压磁电感地应力监测探头已经稳定、连续获得了地应力相对变化监测数据（图4）。2015年4月25日14时11分尼泊尔MS8.1级地震发生后，北东20°地应力相对大小减小了约95 kPa，北东65°地应力相对大小减小了约30 kPa，北西290°地应力相对大小减小了约25 kPa，北西335°地应力相对大小减小了约10 kPa（图4）。总体来看，平行俯冲方向即北东方向地应力相对大小减小较多，而垂直俯冲方向即北西方向地应力相对大小减小较少。尼泊尔MS8.1级地震导致该地应力实时监测台站4个测向地应力变化，是由于印度板块向欧亚板块俯冲诱发位于上盘的林芝地应力实时监测台站及其周围地壳浅表层向西南同震位移而出现的张性效应（张贝等，2015），该地应力实时监测台站较好地揭示了尼泊尔MS8.1级地震的构造作用动力学机制和远场效应。

图4 林芝地应力实时监测结果与2015年尼泊尔地震事件Fig.4 Results of stress monitoring in Linzhi with the 2015 Nepal earthquake event

为详细分析尼泊尔MS8.1级地震对林芝地应力实时监测台站附近及其区域震前、同震及震后应力调整的影响情况，根据地应力实时监测曲线的变化幅度特征，将2015年1月24日0:00至2015年8月25日23:00时间段的地应力实时监测数据分为3个阶段分别计算地应力状态。

（1）地应力缓慢增加阶段：2015年1月24日0:00至2015年4月25日14:00，与2015年1月24日0:00相比，在尼泊尔MS8.1级地震发生之前（2015年4月25日14:00）各测向分量总体趋势为缓慢增加。

（2）尼泊尔MS8.1级地震同震快速变化阶段：2015年4月25日14:00至4月25日23:00，与2015年4月25日14:00相比，在地震发生之后10个小时（2015年4月25日23:00），各测向分量呈现同震突然降低状态。

（3）震后地应力调整阶段：2015年4月26日0:00至8月25日23:00，与2015年4月26日0:00相比，在尼泊尔MS8.1级地震发生之后（2015年8月25日23:00），各测向分量总体趋势呈相对平稳状态。

2.2.2 最大、最小水平主应力变化分析

假设a、c、b三个测向相互夹角为45°，并且3个测向上正应力（或正应力变化量）分别为σa、σc、σb，最大、最小水平主应力分别为σHmax、σhmin；σHmax与b测 向 的 夹 角 为θ（图5），则 由 公 式（1）可 计 算 出σHmax、σhmin和θ：

图5 4个测向（夹角45°）正应力与最大水平主应力示意图Fig.5 Diagram between normal stresses of four directions (angle of 45 degrees) and maximum horizontal principal stress

建立直角坐标系xoy，其中x正方向与正东方向一致，y正方向与正北方向一致，根据二维平面应力状态下应力张量坐标转换关系，由公式（1）获得的主应力变化量经计算得到其在坐标系xoy下的平面应力分量变化。而林芝八一钻孔地应力实时监测台站采用的是四分量压磁电感地应力监测探头，故基于四分量任意3个测向上的正应力变化量，即①（测向a、c、b），②（测向b、d、a），③（测向c、b、d）和④（测向d、a、c），通过计算可以得到二维平面应力张量σxx、σyy、τxy及σHmax、σhmin和θ，其中τ为剪应力（张鹏等，2017b）。

2.3 原位地应力实时监测在强构造活动区深埋地下工程地质安全评价中的作用和意义

2023年在喜马拉雅构造带北侧，某铁路处于完整岩体中的深埋隧道路基在铁路运营多年后发生滞后岩体变形破坏，附近地应力实时监测显示北东方向有长期缓慢积累增大趋势，而北西方向有长期缓慢松弛减小趋势（图6），由此也引起工程建设者们对强构造活动区深埋地下工程长期安全运维风险的反思。该深埋隧道在建设时其强度可以抵抗高地应力作用而不被破坏，但随着工程区地应力在北东方向有长期缓慢积累增大（图6），当高地应力超过隧道设计强度时将发生滞后型变形破坏。中国青藏高原强构造活动区大量深埋地下工程均遇到类似变形破坏问题，如果掌握工程区地应力变化速率和趋势，按工程使用周期，在工程设计时考虑预防变形破坏强度预留阈值设置，就可以避免类似工程病害发生。

红色箭头点线表示北东方向地应力呈长期缓慢积累增大趋势；绿色箭头点线表示北西方向地应力呈长期缓慢松弛减小趋势图6 西藏山南地区乃东县地应力实时监测结果Fig.6 In-situ stress real-time monitoring results in Naidong County, Shannan region, TibetThe red arrow dotted line indicates a long-term slow and cumulative increase trend of the NE in-situ stress, while the green arrow dotted line indicates a long-term slow and relaxed decrease trend of the NW in-situ stress.

目前，在重大工程规划建设之前，尤其是在强构造活动区，为科学合理开展工程规划和确定相关设计参数，一般在工程沿线和场址均开展深孔原位地应力测量（王成虎等，2009，2011b，2014；张玉玺，2021；张重远等，2022；秦向辉等，2023），积累了丰富的工程实践经验，但原位地应力实时监测几乎为空白，仅有个别重大工程结合相关项目工作部署有原位地应力实时监测（张鹏等，2017b）。为此，当大地震或重大工程地质问题发生后，为揭示其原位地应力状态变化和内动力机制，一般再进行原位地应力测 量（Liao et al.，2003；郭 啟 良 等，2009；张 鹏 等，2017a）。虽然这种工作思路也可以达到研究目的和解决相关问题，但不能动态揭示工程沿线和场址地应力大小的相对变化趋势和演化过程，无法预测未来重大工程地质问题发生的可能性和危险程度，并且需要付出更多的人力、物力、财力和时间，造成更大的社会和经济影响。2022年1月8日青海门源MS6.9级地震诱发兰新客专大梁隧道损毁及其修复过程就是一个典型案例（张玉芳等，2023），由于考虑社会和经济效益，大梁隧道很快完成了隧道应力应变等监测，并修复通车，但是在大梁隧道损毁修复过程中，该构造部位没有进行原位地应力实时监测，在缺少应力应变积累速率量化数据的情况下，将很难科学合理地考虑结构和强度设计参数、预防变形破坏应力应变预留阈值等。因此，在强构造活动区，开展原位地应力实时监测对于深埋地下工程地质安全评价具有重要作用和意义。

3 建议

3.1 强构造活动区深埋地下工程原位地应力测量的建议

在上述研究工作的基础上，建议强构造活动区深埋地下工程原位地应力测量在以下方面进行实践与探索。一是目前强构造活动区深埋地下工程原位地应力测点一般沿工程规划线路最大埋深段正上方山峰、深切峡谷段谷底、断裂带两盘等进行部署（张重远等，2022；秦向辉等，2023），工程实践证明无疑是必要的，但在最大埋深段正上方山峰进行原位地应力测量钻探施工和测试难度极大、费用极高，青藏高原某铁路宝灵山深孔地应力测量证明最大埋深段地应力不是最大的，地应力集中现象不显著，基本属于青藏高原正常地应力梯度，建议可以考虑适当调整地应力测点位置而减小施工和测试难度、节约成本；二是除深切峡谷段谷底之外，高山山坡坡脚（尤其是反向坡）距坡面一定水平深度往往也是地应力易集中的位置（谭成轩等，2008；孙炜锋等，2021），很容易诱发岩爆、大变形等工程地质问题，需要高度关注；三是开展钻孔饼状岩芯发育高程、岩性、饼厚度、密度、饼状岩芯发育段长度、饼状岩芯侧面和端面断口特征等统计分析，研究饼状岩芯发育与构造活动强度、构造地貌演化过程、岩石强度、应力状态、钻探工艺等相互关系；四是加强地应力测量研究成果对深埋地下工程规划设计的应用指导和实践，比如：傍山深埋地下工程应避开应力卸荷区和应力集中区，选择原始应力区；深埋地下工程除需关注饼状岩芯发育深度范围，更需关注饼状岩芯发育深度范围之下未来会形成但仍未形成饼状岩芯的深度范围，当新的饼状岩芯形成时往往会导致深埋地下工程变形破坏。

3.2 强构造活动区深埋地下工程原位地应力实时监测的建议

地应力测量和实时监测实践证明，当大地震发生后，无论是近场还是远场（尤其是强构造活动区）的地应力状态及其构造应力场往往会发生显著变化（Liao et al.，2003；郭啟良等，2009；Lin et al.，2011，2013；谭成轩等，2015；张鹏等，2017b），直接影响区域地壳稳定性、深埋地下工程地质安全等。在初始绝对地应力测量的基础上，通过原位地应力实时监测和解析计算分析，可以动态揭示大地震发生后近场或远场地应力大小的相对变化趋势和演化过程，并可计算地应力实时监测期间不同时域地应力状态绝对值（丰成君等，2014；张鹏等，2017b），快速实现以下评价分析：一是配合岩石力学和构造应力场综合分析、数值模拟等方法，及时量化评价区域地壳稳定性、深埋地下工程地质安全风险等；二是依据地应力实时监测获取的地应力动态变化速率，为深埋地下工程损毁修复提供量化设计地应力参数及预防变形破坏应力应变预留阈值；三是运用岩石力学摩尔库伦强度理论，分析断层活动危险性，开展地震地质研究（范玉璐等，2020，2021；Fan et al.，2022a，2022b）。

4 结论

文章通过对原位地应力测量和地应力实时监测在强构造活动区深埋地下工程应用的分析和思考，获得主要结论如下。

（1）在强构造活动区，深埋地下工程不同位置应采用不同的地应力设计参数，避免因地应力设计参数偏大或偏小造成工程建设浪费或工程病害。

（2）在强构造活动区，饼状密度与地应力测量大小成反比；在饼状岩芯发育深度范围之下，未来会形成、但仍未形成饼状岩芯的深度范围往往地应力最高、应力最为集中，深埋地下工程应避免该深度范围。

（3）原位地应力实时监测可以动态揭示某一构造部位地应力大小的相对变化趋势和演化过程，并可计算地应力实时监测期间不同时域地应力状态绝对值；当大地震或重大工程地质问题发生后，不用开展新的地应力绝对测量，就可以快速评价区域地壳稳定性、深埋地下工程地质安全风险等，为深埋地下工程损毁修复提供量化设计地应力参数及预防变形破坏应力应变预留阈值，评价断层活动危险性。