4.5 钻孔局部壁面应力全解除法
葛修润、侯明勋[16]提出了一种测定深部岩体地应力的新方法――钻孔局部壁面应力全解除法，该方法不仅可以解决套孔应力解除法在较深钻孔中应用时出现的断芯问题，而且也克服了水力压裂法必须假定地应力张量的一个主方向与钻孔轴向一致的前提条件，并且从理论上讲，本文提出的岩体应力测定方法将不受测量深度的限制。它将为地应力测量，尤其是深部地应力测量提供新的方法和途径，完全可以适应大陆科学钻探计划中深部岩体地应力测量的需要。
总的说来，基于钻孔进行地应力测量的方法不外乎以上几种类型：水力压裂法，Kaiser效应法，孔壁轴向切槽法。套孔应力解除法，可以测定二维及三维地应力的主值及方向，但由于需要进行套钻，当钻孔较深时容易产生断芯问题，因此，该方法在深孔，尤其是在大陆科学深钻孔钻探计划中将无法得到应用。水力压裂法是目前深部应力测量中应用较广的一种方法，通过对传统水力压裂法进行改进，该方法已在德国大陆科学深钻计划(KTB)中用于6000m以上深孔的地壳应力测量和评价。但水力压裂法的理论基础是地应力张量的一个主方向必须与钻孔轴向一致，从而影响了测量结果的可靠性。Kaiser效应法是基于岩石材料的声发射效应来测定岩体地应力的一种方法，实际上测的是岩体在历史上所受的最大应力值，在测定现今地应力方面显得无能为力，因而只能作为钻孔应力测量的一种辅助手段。而孔壁轴向切槽法只能测得垂直于钻孔轴线平面内的二维应力状态，并且只能用于孔深不超过 30 m 的干钻孔中 [17-18] 。
5. 岩体地应力测量研究分析的主要问题5.1 地应力测量状态影响因素与可靠性分析
对于所测地应力状态需要进行区域地质背景和各种影响因素分析，确定测值的可靠性，否则测值的质量大大降低。从Zoback所编世界应力图可以看出，我国已有的地应力数据需加强地质背景和影响因素分析。地应力测量状态影响因素与可靠性分析的重要性在某种程度超过测量本身，一个不确定的测值是没有意义的，甚至会产生误导作用。一个典型的实例是长江三峡地区，地应力测量与区域构造地质分析、震源机制等所得的应力状态存在差异，如果没有必要的影响因素和可靠性分析，将会给构造应力场分析和地壳稳定性评价带来很大困难，甚至可能导致错误的结论[19-20]。为了从有限的应力测值推广到区域范围，需进行构造应力场分析和模拟，而模拟的应力边界条件该如何确定，是当时研究的一个难题，因为不正确的应力场模拟结果将直接影响地壳稳定性评价结果(袁登维等,1996)[21]。
5.2 岩石力学性质对地应力测量大小的影响及其校正分析
众所周知，不同岩性的强度差异导致应力测值的差异，高强度岩石中所测应力较低强度岩石中高，一个典型实例是长江三峡库区秭归测孔的泥岩段测值较其上下砂岩段低许多。不同地点测值的对比分析的前提是同一岩性和同一测量深度，否则对比分析是不确切、不科学的。这就需要对不同地点的测值在岩石物理力学参数现场和室内测试的基础上进行岩性校正，然后在同一深度或同一高程进行对比分析。
5.3 地应力测量状态代表性分析
对所测地应力状态需进行代表性分析，确定测值是代表局部应力场，还是代表区域应力场。在进行实测应力代表性分析过程中，要考虑构造应力随时间的变化情况，往往在重大地质事件(如地震)的前后，由于构造应力存在积累、加强、释放和调整的变化过程，在一定时间和地区范围内，应力场可能发生较大变化。
5.4 地应力状态沿地下工程设计线路变化的分析
由于具体地下工程设计线路穿越不同构造部位、不同岩性、不同岩体结构、不同埋藏深度，以及工程本身不同的设计结构、尺寸等，均会造成沿地下工程线路不同地点局部地应力状态的变化和差异。因此，在工程设计时需要充分考虑这种变化，在工程施工过程中预防工程地质灾害的发生。随着我国西部大开发的不断深入，由于我国西部构造强烈活动，地下工程建设将面临越来越多的工程地质和灾害问题。一个典型的实例是我国甘肃境内的亚洲第一特长山岭隧道乌鞘岭隧道在建设过程，由于对地应力状态沿隧道设计线路的变化考虑不够充分，而直接运用局部地点所测地应力状态进行穿越隧道设计，结果在施工过程中出现了许多没有预期到的重大工程地质问题，如塌方、隧道变形等。
5.5 地应力状态在不同深度的变化分析
地应力测量和各种工程建设已证实，在深切峡谷地区地壳浅表层，地应力大小随深度变化分为应力降低(或卸荷)区、应力增高(或集中)区和原始应力区，最大水平主应力方向一般随深度也发生变化。但到目前为止，尚没有从理论和实践中总结出具有普遍实用性的三个应力深度区间参考值和最大水平主应力方向随深度的变化规律。三个应力区间的岩体特征和地应力状态存在显著差异：应力降低(或卸荷)区岩体由于卸荷作用而较为破碎，实测地应力大小较正常值偏低，最大水平主应力方向离散度大；应力增高(或集中)区岩体结构又分为两种情况，一种由于应力长期集中作用已造成岩体出现饼状岩芯而使应力释放，实测地应力大小仅稍高于正常值，另一种岩体仍为完整状态，应力集中尚未造成岩体出现饼状岩芯现象而释放应力，实测地应力大小远远高于正常值，应力增高(或集中)区最大水平主应力方向离散度一般也较大；原始应力区一般岩体较完整，实测地应力大小趋于正常值，最大水平主应力方向相对较稳定、离散度小。因此，地下工程应尽量避开应力降低(或卸荷)区和应力增高(或集中)区，前者在工程施工和安全运营过程中将会出现一系列工程地质和灾害问题，后者一方面会造成建设成本大大提高，另一方面受应力集中长期作用，地下工程也将会出现不同程度的工程地质和灾害问题。从安全施工和运营、节约建设成本等方面考虑，根据具体地下工程，适当增大地下深度而把工程设计在原始地应力区，可能是未来地下工程设计值得考虑的一种优选方案，也是未来地下工程适宜性分析需要考虑的重要因素之一。
6. 结论与展望(1)岩体中的地应力场是一个具有三维空间的复杂应力场，它的大小和分布规律受到多种因素的影响，这也对地应力场的测量带来了很大的影响和不确定因素。水平初始应力随深度的变化并不存在线性增大的变化关系，在地壳浅部与深部的变化规律是不同的。在众多的地应力分布影响因素中，地质构造历史、岩性和河谷切割地貌是主要因素。
(2) 对于地表剥蚀作用因素是导致常规初始应力反演中重力因子大于 1 的原因,易达根据地表剥蚀作用对地应力场反演影响的研究成果对此问题做了假定分析。假定对远古地形计算基本初始应力场时进行剥蚀模拟计算，以远古地形的参数作为变量在回归分析中加以考虑，按此方法得出的地应力场，较为准确，且在全计算域内有效。
(3) 对于地表剥蚀作用对初始地应力反演的影响问题，若不能考虑剥蚀作用，仅考虑自重和构造作用进行回归分析，但重力因子也会大于1，此时，不宜用所有测点去拟合地应力场，用于各部位(边坡、地下洞室)的分析计算，而应当进行边坡和坝肩分析，宜用近地表测值反演。
(4) 考虑了近地表受影响较大的剥蚀作用，故重力因子会较大，反演的近地表的地应力却是合理的，满足边坡和坝肩分析的要求；故在进行深埋地下洞室分析时，宜采用深部相关部位的测值进行反演。由于该部位受剥蚀影响不大，重力因子可能接近于1，但反演的深部地应力场是合理的，满足洞室分析的需求。
(5) 对于岩体地应力的测量，我国科学家廖椿庭对今后地应力测量工作提出：必须在国内开展较系统的测量研究工作[22]。建立4条贯穿我国不同构造单元的地表主干地应力测量剖面，在关键地域建立地应力监测系统，进行长期的地应力实时监测，同时在重点研究区开展深部地应力测量和构造应力场研究，基本摸清我国大陆地壳表层总体应力状态和分布规律，建立全国地应力信息系统，实现基础资料社会共享，为国家重大工程的规划和选址提供基础资料，为深部地下工程建设以及深部资源开发提供科学依据，同时为地质灾害的发生机理、预测预报和大陆动力学研究提供科学依据，为政府的宏观决策提供技术支撑。
参考文献：
[1] 张永兴,阴可,等.岩石力学[M].北京:中国建筑工业出版社.2004.90-104.
[2] 路兆溱.2001.工程地质学[M].北京:中国水利水电出版社.66-76.
[3] 李玉峰.地应力及其在地下工程中的应用[J].企业技术开发.2004.23(7):16-18
[4] 易达,陈胜宏.地表剥蚀作用对地应力场反演的影响[J].岩土力学.2003,24(2):254-256
[5] 曹建玲,石耀霖.地表温度年变化对地应力和地倾斜的影响[J].中国科学院研究生院学报.2005,22(3):303-308
[6] 陈庆宣,王维襄,孙叶,等.1998.岩石力学与构造应力场分析[M].北京:地质出版社.
[7] 谭成轩,孙炜锋,孙叶,等.地应力测量及其地下工程应用的思考[J].地质学报. 2006.80(10):1627-1632
[8] 高建理,丁建民,梁国平,等.1990.龙羊峡水电站水压致裂应力测量[J].岩石力学与工程学报,9(2):134-145.
[9] 李方全,孙世宗,李立球.华北及郯庐断裂带地应力测量[J].岩石力学与工程学报,1982,1(1):73-86.
[10] 苏生瑞,王士天,朱合华.2002.断裂对地应力场影响的研究[C].中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集.
[11] 陈 强,朱宝龙,胡厚田.岩石Kaiser效应测定地应力场的试验研究[J].岩石力学与工程学报.2006.25(7)
[12] 周小平,邓梦,章福生,等. 声发射凯塞效应结合岩体结构分析测量地应力的新进展[J]
重庆建筑大学学报.2001.23(6):109-113
[13] 张辉.水压致裂法应力测量及在工程中的应用[J].云南水力发电.2005.21(6):25-28
[14] 邱贤德,姜永东,卢黎.等.套孔应力解除法在危岩边坡地应力测量中的应用[J].重庆大学学报(自然科学版). 2004.27(11).
[15] 靳晓光,王兰生,李天斌.地应力测量的应力恢复法试验和数值模拟研究[J].成都理工学院学报.2000.26(3)
[16] 葛修润,侯明勋.一种测定深部岩体地应力的新方法――钻孔局部壁面应力全解除法[J].岩石力学与工程学报. 2004.23(23)：3923～3927
[17] 蔡美峰,乔 兰,李华斌.地应力测量原理和技术[M].北京:科学出版社.1995
[18] 苏恺之.地应力测量方法[M].北京:地震出版社.1985.
[19] 蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社.2002,129～179.
[20] 蔡美峰.地应力测量原理和方法的评述[J].岩石力学与工程学报.1993,12(3):275～283
[21] 袁登维,梅应堂,秦兴黎,等.长江三峡工程坝区及外围地壳稳定性研究[M].武汉:中国地质大学出版社. 1996.
[22] 于德福. 地应力测量:守望重大工程[N]. 地质勘察导报. 2005.7.28.第003版
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