深勘察鉆孔ASR法地應力測試技術應用

張小林 應黎 趙冬安

摘要：寶靈山隧道是某鐵路先開段的重難點控制性工程，其中寶靈山DZ-06勘察鉆孔深2 118.00 m，是該段深度最大的控制性勘察鉆孔。在鉆孔的2 072.53、2 084.27 m深度選取合適巖心，采用ASR法（非彈性應變恢復法）開展了地應力測試，并與該鉆孔采用水壓致裂法獲取的地應力結果進行對比，同時驗證了ASR法對于估測超深鉆孔的三維地應力大小和方向的實用價值。結果表明：在鉆孔2 072.53～2 084.27 m深度范圍，ASR法2個測點獲取的最大主應力、中間主應力、最小主應力平均值分別為59.70、54.03、30.74 MPa，最大主應力近水平，方向近SN向，說明該區域以水平構造應力為主；ASR法的最大主應力測試結果均值與水壓致裂法測試結果回歸值一致性很好，最小主應力測試結果均值與水壓致裂法測試結果回歸值的一致性處于合理范圍，兩種方法的水平主應力方向測試結果基本一致。

關鍵詞：鐵路隧道；勘察鉆孔；地應力；ASR法；水壓致裂法

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220118

中圖分類號：TU452

文獻標志碼：A

收稿日期：2022-04-20

作者簡介：張小林（1972-）， 男， 高級工程師， 主要從事鐵路、公路、軌道、市政工程的勘察方面的設計研究工作，E-mail：176727655@qq.com

基金項目：國家自然科學基金項目（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

非彈性應變恢復法（anelastic strain recovery method，ASR法）是一種基于巖心的地應力測量方法，首先由Voight^[1]提出，Teufel^[2]進行了實用性研究和發展來解決二維問題，Matsuki^[3]又將其拓展為三維問題。其基本原理是：由于巖石是一種具有流變性的黏彈性材料，當其被鉆出后會脫離原始應力場，立即釋放彈性應變，緊接著發生非彈性應變恢復；因此測量應力釋放后巖心的非彈性應變恢復量，結合巖石的非彈性應變恢復柔量，可計算得到原地應力狀態。

隨著國內地震科學研究和某些鐵路等大型深部地下工程建設的深入開展，深部應力特征的研究需求愈來愈迫切，但實際中又缺乏經濟、簡便的深部地應力測量方法。因此，近年來ASR法依托其優勢越來越多的應用于實際的深部三維地應力測量中^[4-6]。例如：林為人^[5]介紹了ASR法的測試原理和實驗技術，并基于ASR法對臺灣車龍浦斷層鉆探A孔783 m深處砂巖樣品進行原地應力測定，指出ASR法對于測試三維地應力的主方向和估測主應力的大小有較大的實用價值，特別是在應力釋放法、水壓致裂法無法實施，或者需要通過多種方法補充驗證，增加結果可信度時，優勢更加明顯；王連捷等^[6-10]用ASR法得到了汶川地震斷裂帶科學鉆孔、騰沖科學鉆探孔深處的三維地應力狀態，并與震源機制解進行了對比，表明ASR法測試結果是可信的，可用于深孔三維地應力測量；孫東生等^[11]先在塔里木盆地采用ASR法與 DITF法（鉆井誘發張裂縫法）共同確定應力狀態，使ASR法應用深度達到 7 km，隨后結合某礦山測試案例，對比了水壓致裂和ASR兩種方法獲取的地應力量值，驗證了ASR法的有效性^[12]；許峰^[13]采用ASR法研究了某煤礦水害防治底板隔水層原始地應力分布狀態；上官拴通等^[14]實測獲取了唐山市樂亭縣馬頭營干熱巖勘探區3～4 km深度范圍的地應力狀態，并分析了研究區斷層穩定性；侯奎奎等^[15]通過3種不同方法獲取了三山島金礦2 005 m豎井建井區域的地應力狀態，通過對比指出，ASR法、水壓致裂法獲取的水平大小主應力比隨埋深的變化規律基本相同，與聲發射法的測試結果差異較大。類似地，王錦山、陳天星等學者對ASR法也進行了應用研究^[16-17]。盡管如此，ASR法還未完全成熟，還有一些因素對測試結果的影響尚不清楚，例如ASR法的測試和解算均基于巖心的均質且各向同性假設，未考慮巖心各向異性的影響等。此外測試過程中溫度變化、巖石的非彈性應變恢復柔量和礦物失水等因素均對測試結果有影響，雖然有些學者^[18-19]已經對此開展了部分研究，但仍需要大量的系統研究工作。本文通過對2 000 m級超深勘察鉆孔采用ASR法地應力測試，獲取工程區深部地應力狀態，并將測試結果與水壓致裂法對比，驗證ASR法的有效性，以期為今后超大埋深、高海拔、構造活動強烈工程地應力測試提供參考。

1 非彈性地應力測量方法簡介

1.1 ASR法基本原理

巖石的流變性是ASR法地應力測試的理論基礎，如圖1所示。對巖石施加載荷時，立即產生彈性變形，然后在恒定荷載下下產生蠕變；當荷載卸去時，彈性恢復瞬間完成，進而發生非彈性恢復。對于鉆孔取心，巖心被鉆取的過程即對應卸載過程，可通過測量非彈性恢復量推算地應力狀態。

Matsuki^[3]以一般應力狀態下任意方向非彈性應變恢復方程為基礎，結合拉普拉斯變換解中相似原理以及非彈性應變恢復柔量，給出了任意方向非彈性應變ε_a（t）的恢復方程：

式中：l，m，n為應變軸的余弦；σ_x，σ_y，σ_z，τ_xy，τ_zx，τ_yz分別為6個應力分量；J_as和J_av分別為剪切模式和體積模式下的非彈性應變恢復柔量；σ_m為平均應力（MPa）；p₀為孔隙壓力（MPa）；α_T為巖石的線性溫度膨脹系數；ΔT（t）為測量t時間內的溫度變化值。

并給出了三維主應力計算公式：

式中：e_i（t）為非彈性偏應變，i=1， 2， 3；ε_m（t）為平均正應變。由式（1）和式（2）可知，原地應力的大小與非彈性應變恢復量、測量期間溫度變化、巖石溫度膨脹系數、孔隙壓力、非彈性應變恢復柔量有關。假設測量期間溫度恒定、孔隙壓力不變，則可通過測量獲取的巖石非彈性應變恢復量和非彈性應變恢復柔量確定應力分量。

1.2 ASR法測量流程

ASR法現場測試流程如圖2所示。

首先從鉆孔中獲取剛從原位狀態解除的巖心。盡量挑選各向同性、均質、無裂隙的完整巖心，長度一般不少于15 cm。巖心須盡快進行測量以便獲得更多的巖石原位地應力信息，盡早測量能提高測量的可靠度，一般從取心到開始檢測不宜超過4 h，并保持其含水率不變。

到達實驗室后，首先用清洗試劑清潔表面的附著物（泥漿、機油等），若有凹凸不平的地方須先用砂紙進行輕微打磨，之后再用酒精濕紙巾擦拭干凈。按照設計位置粘貼3組應變片，盡量避免裂紋以及不平滑之處。沿被測巖心橫截面將圓周三等分并標記，沿標記線粘貼應變片，確保每組應變花之間夾角為120°。每一個應變花均包含4個應變片（-45°，0°，45°，90°），如圖3所示。確保應變儀工作正常后，連接應變儀后開始檢測巖石的非彈性應變恢復量，為了試驗的可靠度試驗時間一般不少于7 d。測量結束后，用計算機進行處理，通過應變恢復值得出測點的應力大小以及方向。

如果試樣在上述測試過程中可能發生溫度變化，測試過程中需同步獲取巖心的溫度變化情況，后期通過溫度標定實驗，剔除巖心非彈性應變測量過程中由溫度變化導致的溫度應變誤差；再結合非彈性應變恢復柔量實驗，根據ASR理論計算主應變及主應力。

2 某鐵路超深鉆孔測試案例

2.1 測試項目概況

寶靈山隧道位于四川省甘孜藏族自治州康定市，是某鐵路先開段的控制性工程之一，隧道設計全長26 445 m，最大埋深達到了1 810 m。根據勘察設計需要，計劃在寶靈山DZ-06鉆孔（以下簡稱DZ-06孔）開展地應力測試，獲取寶靈山隧道埋深附近的原地應力場特征。DZ-06孔位于瀘定縣黃草坪村附近，終孔深度為2 118.00 m，為某鐵路先開段深度最大的控制性勘察鉆孔之一。

隧址區位于甘孜藏族自治州康定市，在二級構造上處于鮮水河構造帶、龍門山構造帶、川滇南北向構造帶三大構造體系交會部位（圖4）。由于中生代以來多個陸塊碰撞拼接和長期的巖石圈伸展、收縮等作用，加之長期的巖漿作用和變質作用，此處形成了復雜的造山帶^[20]，地質構造極其復雜。

地層巖性為上覆第四系殘坡積物（Q^dl+el₄）粉質黏土，第四系更新統昔格達組（N₂x）黏土、粉細砂卵石，基巖為古元古代侵入巖奧長花崗巖（Pt₃γo）、花崗閃長巖（Pt₃γδ）。本次ASR法地應力測試深度為2 072.53～2 084.27 m，巖性為花崗閃長巖。

2.2 ASR法測試條件

本次在DZ-06孔選取了2段完整巖心開展測試。BLS-01試樣取樣深度為2 072.53 m，長度約25 cm；BLS-02試樣取樣深度2 084.27 m，長度約27 cm。2個試樣巖性均為花崗閃長巖。鉆孔巖心取樣前，及時跟蹤鉆孔進度以及巖心情況，選擇深度和完整性合適的部位為測點。當巖心從鉆孔中提出后，仔細挑選完整均勻且符合標準的巖樣，立即由索道運輸至山下并在2 h內完成應變片粘貼，密封巖樣以確保測試過程中的含水量不發生變化，現場巖心取樣照片如圖5所示。

2.3 ASR法標定實驗與測試結果

樣品現場非彈性恢復應變采集完成后，將試樣運回實驗室，對巖心進行室內溫度標定和非彈性應變恢復柔量實驗，然后再根據ASR理論計算主應變及主應力。

2.3.1 溫度標定實驗

由于試樣在取心和貼片過程中溫度會發生變化，進而導致試樣的溫度應變，給應變測量結果帶來誤差；因此需要通過溫度標定實驗，反算試樣在非彈性應變測量過程中的溫度變化情況。利用熱敏電偶記錄的溫度變化數據以及此過程中的應變數據，得到各通道的溫度系數，剔除巖心非彈性應變測量過程中由溫度變化導致的應變誤差。

標定試驗開始前首先打開巖心非彈性應變采集儀，將采集儀的數據接收間隔時間設定為10 min/次，隨后將整個系統放入可調節溫度的恒溫箱中，設定初始溫度為10 ℃，之后每隔3.5 h調節恒溫箱溫度，共有10、20、30 ℃ 3個溫度區間，標定完成后進行采集儀數據讀取。

2.3.2 計算應變選取

根據溫度標定實驗結果，對BLS-01、BLS-02試樣的應變采集數據進行溫度變化修正，兩個試樣的ASR法應變恢復測試曲線見圖6。

由圖6可見：測點巖心的非彈性恢復應變在采集前50 h增加迅速，隨后緩慢增加并最終趨于穩定，12個通道非彈性應變變化規律相同；2個試樣測量期間溫度均有波動，波動范圍±4 ℃，與現場實際情況相符。溫度增加而非彈性應變減小是由于巖石與應變片熱膨脹系數不同造成的。

在BLS-01、BLS-02試樣的應變-時間曲線穩定峰值階段數據選取數據，剔除溫度誤差后，可得寶靈山隧道BLS-01、BLS-02試樣計算應變值。

2.3.3 非彈性應變恢復柔量標定實驗

通過巖石的本構關系，計算巖樣剪切非彈性應變恢復柔量和體積非彈性應變恢復柔量^[5]：

Jav（t）=（ε_1a+2ε_3a）/（σ₁+2σ₃）； ???（3）

Jas（t）=（ε_1a-ε_3a）/（σ₁-σ₃）。 ???（4）

式中：σ₁為最大主應力（軸向應力）；σ₃為最小主應力（圍壓）；ε_1a為軸向非彈性恢復應變；ε_3a為徑向非彈性恢復應變。

對BLS-01試樣進行30 MPa的單軸加壓、卸壓室內實驗，在此過程中采集應變數據，計算獲取柔量比，應變曲線如圖7所示（在時間約40 h時卸壓）。

取卸載過程巖樣的非彈性應變恢復量進行計算柔量比：

J_as（t）/J_av（t）=1.90。 ???（5）

同時，由于BLS-02試樣與BLS-01試樣的巖性一致，取樣深度相差很小，故BLS-02試樣取相同的柔量比。

2.3.4 ASR地應力測量結果

根據BLS-01、BLS-02試樣的應變數據，剔除漂移明顯的應變數據后計算地應力。計算時，利用超聲波成像測井獲取的壓裂縫方向或鉆井誘導縫方向，確定最大水平主應力方向，在此基礎上確定ASR地應力測量巖心樣品上標志線方位，進而利用ASR法確定三維主應力方位，計算結果見表1。

表1數據表明，寶靈山隧道2個測點三向主應力平均值分別為：σ₁=59.70 MPa，σ₂=54.03 MPa，σ₃=30.74 MPa。

2.4 不同方法的測量結果對比

DZ-06鉆孔終孔后，于孔內開展了水壓致裂法地應力測試。采用單回路、雙封隔器測試系統。該方法是目前深鉆孔地應力測試的最常用方法^[21-23]，其測試原理、設備構成及測試流程參見相關規范^[24]。

水壓致裂法地應力測試，一般采用印模方法或孔內攝像^[25]方法確定主應力的方向。對于超深鉆孔測試，印模方法存在成功率不高、測試效率低等問題；孔內攝像方法由于巖粉、泥漿等因素難以取得清晰圖像。因此，對于DZ-06超深鉆孔，為避免少量巖粉、泥漿等對孔壁圖像清晰度的影響，主應力方向測試采用超聲成像測試技術。利用英國RG公司的超聲波成像測井儀，分別獲取鉆孔壓裂段巖體測試前、后的超聲成像圖，通過對比，確定壓裂段巖體裂縫的方位，同時還結合鉆孔巖體的崩落特征，綜合確定水平最大主應力的方向。

在420.00～2 032.00 m深度范圍內開展了多段測試。其中，深度大于1 000.00 m的6個測試段的測試結果如表2所示。鉆孔2 040.00 m深度存在局部坍塌，最大測試段深度為2 032.00 m。

壓裂完成后，根據水壓致裂地應力測試前后孔壁壓裂縫方位，結合成像測井獲取的鉆井誘導縫和孔壁崩落信息，統計了寶靈山DZ-06孔深部水平最大主應力方位（1 500.00 m以下由于塌孔，設備遇阻），見圖8。

將寶靈山DZ-06鉆孔兩種方法的地應力測試結果進行對比。由于兩種方法的測試深度不同，為方便比較，將ASR法和水壓致裂法測試結果作線性回歸圖（圖9），寶靈山DZ-06孔水壓致裂法測得的最大主應力線性回歸方程為σ_H=0.02698H-0.19885，R²=0.8463，H為深度（m）。結果（圖9）表明，ASR法的測試得到的最大主應力結果與水壓致裂法水平最大主應力結果一致性很高；ASR法測試得到的最小主應力結果較離散，與水壓致裂法水平最小主應力測試結果相比有一定偏差。

以水壓致裂法測試結果的回歸計算值為基數，分別計算了兩測點ASR法測試結果的偏差，結果見表3。由表3可知：ASR法的最大主應力測試值與回歸值偏差分別為3.8%和6.9%，兩測點均值偏差僅為5.4%，一致性很好；ASR法測試的最小主應力測試值與回歸值的偏差分別為-26.9%和-0.5%，兩測點均值偏差為-13.7%，一致性處于合理范圍。需要注意的是，水壓致裂最深測段（2 032.00 m，也是與ASR法測段深度最接近的點）測得的最大主應力與回歸值相比偏小，而ASR法與同深度回歸值相比偏大，提示我們在主應力大小取值時盡量取多點的線性回歸值，以避免偶然誤差。

水壓致裂法測試結果表明，水平最大主應力的優勢方向處于NW20°—NNE14°之間，ASR法測試的最大主應力方向處于NNE10.4°—NE22.9°之間，兩種方法的主應力方向測試結果基本一致。

3 討論

在工程勘察行業，水壓致裂法是目前最普遍使用、最成熟的深孔地應力測試方法，該方法操作較簡單、測試周期短，且無需巖石彈性參數參與計算，因此廣泛應用于工程勘察初期。

然而，隨著某些鐵路經歷強烈構造運動及復雜地質區域深埋工程勘察的深入開展，地面勘察深鉆孔甚至超深鉆孔越來越多，孔壁巖體往往存在局部破碎段，水壓致裂法測試設備時常無法順利下放至鉆孔底部（隧道埋置深度）附近開展測試，而地應力場特征又是隧道勘察設計的關鍵性基礎參數，這已經成為目前某些鐵路工程勘察工作中的顯著問題之一。同時，隨著超深鉆孔的水壓致裂設備復雜程度、現場條件要求的大幅提高，測試效率也隨之降低，測試周期加長，成本增加。因此，鐵路深部工程勘察工作對簡便、可靠的深部地應力測量方法的實際需求愈發迫切。

ASR法作為近年來出現的新方法，隨著解算理論和測試技術的進步，在國內外越來越多地應用于深部三維地應力測量。該方法基于鉆孔巖心的應變測量，僅需現場取得適合測試的巖心，在室內完成主要的測量工作，大大節約了現場測試工作時間和成本；測試過程無需鉆機配合，不會影響鉆機的工作效率；同時，由于基于巖心應變測量，單個測試點的測試周期不受深度影響。這些都是ASR法的顯著優勢。

本文針對某鐵路先開段最深的控制性勘察鉆孔——寶靈山隧道DZ-06孔進行的ASR法地應力測試工作，驗證了非彈性應變恢復法對工程勘察期間千米級勘探孔地應力估算的可靠性，這也為ASR法在后期超大埋深、高海拔、構造活動強烈工程的地應力測量工作提供了一種新的思路。

4 結論

1）ASR法測試結果表明，寶靈山DZ-06孔2 072.53～2 084.27 m深度范圍，2個測點三向主應力平均值分別為：σ₁=59.70 MPa，σ₂=54.03 MPa，σ₃=30.74 MPa。最大主應力近水平，說明該區域主要以水平構造為主。

2）與水壓致裂法測試結果相比，ASR法的最大主應力測試結果均值與水壓致裂法測試結果均值偏差僅為5.4%，一致性很好；ASR法的最小主應力測試值與水壓致裂法測試結果回歸值偏差分別為-26.9%和-0.5%，兩測點均值偏差為-13.7%，一致性處于合理范圍。ASR法測試的最大主應力方向為NNE 10.4°—NE 22.9°，與水壓致裂法測試結果基本一致。

3）寶靈山隧道DZ-06孔的ASR法地應力測試結果可靠，同時也表明非彈性應變恢復量測定法對于估測超深鉆孔的三維地應力大小和方向有較大的實用價值，特別是由于孔壁或巖心破碎導致水壓致裂法或應力釋放法等無法實施時，具有更高的應用價值。

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