摘 要：通過分析大量有關(guān)地應(yīng)力測量的相關(guān)研究資料，系統(tǒng)地概括了地應(yīng)力測量的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀，對地應(yīng)力測量方法進行了歸類分析，明確了各種方法的基本原理及優(yōu)缺點，認為現(xiàn)有地應(yīng)力測試手段均具有一定的適用條件，地應(yīng)力的精確測量是一項綜合性的測量，同時總結(jié)了地應(yīng)力測量時需要注意的關(guān)鍵問題，最后對地應(yīng)力測量的發(fā)展前景作了簡單探討。

關(guān)鍵詞：地應(yīng)力 測量方法 適用條件 發(fā)展前景

中圖分類號：P618.13 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（c）-0150-04

地應(yīng)力（in-situ stress），又稱原巖應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力或絕對應(yīng)力，是在漫長的地質(zhì)年代里，由于地質(zhì)構(gòu)造運動等原因產(chǎn)生的。在一定時間和一定地區(qū)內(nèi)，地殼中的應(yīng)力狀態(tài)是各種起源應(yīng)力的總和。地應(yīng)力對礦山開采、地下工程和能源開發(fā)等生產(chǎn)實踐均起著至關(guān)重要的作用。地應(yīng)力的測量是確定工程巖體力學屬性、進行圍巖穩(wěn)定性分析、實現(xiàn)巖土工程開挖設(shè)計和決策科學化的前提，所以選擇合理有效的地應(yīng)力測量方法意義重大。

1 國內(nèi)外地應(yīng)力測量的研究概況

人們最初對地應(yīng)力概念的認識以及地應(yīng)力測量技術(shù)的發(fā)展都源于早期的礦山工程建設(shè)，最早的原位地應(yīng)力測量起始于20世紀30年代。1932年，美國人勞倫斯（Lieurace）在胡佛壩（HooverDam）下面的一個隧道中采用巖體表面應(yīng)力解除法首次成功地進行了原巖應(yīng)力的測量。進入20世紀60年代中期之后，隨著巖石力學、數(shù)值分析、工程測試技術(shù)等學科的誕生和發(fā)展，地應(yīng)力測量理論和測試技術(shù)也得到了創(chuàng)新和發(fā)展，這時出現(xiàn)了三維地應(yīng)力測量技術(shù)，即通過一個單孔的測量就可以求得巖體中某一點的三維地應(yīng)力狀態(tài)，使鉆孔應(yīng)力測量技術(shù)進入了快速發(fā)展階段，其中以澳大利亞聯(lián)邦科學和工業(yè)研究組織（CSIRO）研制的CSIRO型空心包體應(yīng)變計應(yīng)用最為廣泛。60年代末，美國人費爾赫斯特和海姆森提出了水壓致裂法，成為和應(yīng)力解除法并駕齊驅(qū)的兩大地應(yīng)力測量方法；水壓致裂法的突出優(yōu)點是能夠測量地殼深部的地應(yīng)力。1977年美國人Haimson在深5.1 km處進行了水力壓裂地應(yīng)力測量，并對此作了大量理論和實驗研究。

我國的地應(yīng)力研究是在李四光教授的倡導(dǎo)下開展起來的。20世紀40年代，他就把地應(yīng)力作為地質(zhì)力學的一部分進行了研究。我國的地應(yīng)力測量技術(shù)和設(shè)備的研制工作起步較晚，起始于20世紀50年代末期，而地應(yīng)力實測工作從20世紀60年代初開始，到目前為止已經(jīng)取得了大量的測量數(shù)據(jù)。進入20世紀80年代以后，空心包體應(yīng)變計進入我國，隨后地質(zhì)力學研究所、長沙礦冶研究所和長江科學院等都研制了自己的空心包體應(yīng)變計，例如：KX-81，KX-2003，CKX-97，CKX-01型空心包體等在現(xiàn)場得到了廣泛的應(yīng)用。80年代以后，地殼應(yīng)力研究所率先在國內(nèi)開展了水力壓裂地應(yīng)力測量的研究工作，并于1980年10月在河北易縣首次成功進行了水力壓裂法地應(yīng)力測量。近年來提出了一種鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除法（葛修潤，侯名勛，2004）。胡斌，章光等在套孔應(yīng)力解除的基礎(chǔ)上提出了一次套鉆確定三維地應(yīng)力的新型鉆孔變形計，提高了測量元件的分辨率（0.000 l rnrn，精度達到0.2%）。

2 地應(yīng)力測量的主要方法

經(jīng)過幾十年的發(fā)展世界上已經(jīng)有幾十種地應(yīng)力的測量方法，相關(guān)儀器也達到200種以上，其中最為常用的是應(yīng)力恢復(fù)法、空芯包體應(yīng)力解除法和水壓致裂法。

2.1 應(yīng)力恢復(fù)法

應(yīng)力恢復(fù)法即應(yīng)力補償方法是最早使用的地應(yīng)力測試技術(shù)，其中扁千斤頂法應(yīng)用最廣。其測量地應(yīng)力的過程是，將扁千斤頂放入圍巖的開槽中，通過加壓使的槽兩側(cè)兩個測點的距離恢復(fù)開槽前的狀態(tài)，此時的壓力即為開槽前的圍巖應(yīng)力，布置示意圖如1所示。主要優(yōu)點：讀數(shù)直觀，直接獲得應(yīng)力值，不需要通過彈性模量、泊松比等換算，測試技術(shù)易于掌握。主要缺點：（1）扁槽只能獲得一個方向的應(yīng)力，而實際的應(yīng)力為6個應(yīng)力分量，無法在同一地點開6個槽進行測量；（2）僅能測得圍巖表面應(yīng)力，測量深度極大限制，其所獲得的應(yīng)力并非原巖應(yīng)力，而是地下工程開挖后的應(yīng)力重分布的二次應(yīng)力。

2.2 應(yīng)力解除法

應(yīng)力解除法的原理是，巖塊從具有一定應(yīng)力環(huán)境的巖體中取出后，巖石發(fā)生彈性變形，測量出接觸后巖塊的彈性變形，通過巖石力學實驗測定彈性模量，有胡克定律即可計算得到解除前巖體中的應(yīng)力大小及方向。操作過程是，將特制傳感器安裝在已施工好的待測巖體鉆孔中的同心小孔內(nèi)，同心套取巖心，巖心應(yīng)力解除發(fā)生彈性變形，通過儀器記錄應(yīng)變，在實驗室測量解除巖塊的彈性模量，計算獲得應(yīng)力矢量（包括大小和方向）。目前根據(jù)測試的應(yīng)變或變形，應(yīng)力解除法大體上可分為孔壁、孔徑、孔底應(yīng)變法。

孔底應(yīng)變法假設(shè)巖石是各向同性、均勻介質(zhì)、連續(xù)體、線彈性體，通過監(jiān)測6個孔壁上不同方向的應(yīng)變值間接獲得三維地應(yīng)力。應(yīng)變元件直接貼到孔壁中的測試儀器有CSIR型三軸應(yīng)變計。空心包體是將應(yīng)變元件貼到薄筒壁中，再用膠將薄筒和孔壁粘結(jié)，常見的有澳大利亞研制的CSIRO型空心包體應(yīng)變計，其測量地應(yīng)力步驟如圖2所示。主要優(yōu)點是：通過一個鉆孔即可準確獲得三維地應(yīng)力的6個值，并且鉆孔可以多次利用，多次測量，準確度高。主要缺點是：要求巖石完整，儀器安裝段完成巖心應(yīng)在50 cm左右，并且穿層鉆孔很難測試成功；儀器安裝過程復(fù)雜，操作難度大，測量技術(shù)難以掌握，成功率偏低；測量結(jié)果受溫度影響大，離散度高。

2.3 水壓致裂法

水壓致裂法的基本假設(shè)是巖石是各向同性、均勻介質(zhì)、連續(xù)體、線彈性體，此外還要假設(shè)鉆孔方向是一個主應(yīng)力方向，從而將問題轉(zhuǎn)換為測量平面內(nèi)另外兩個主應(yīng)力的問題，其測量系統(tǒng)如圖3所示。根據(jù)抗拉破壞準則，鉆孔在高壓水壓力作用下在垂直于最小主應(yīng)力方向出現(xiàn)裂縫，因此測量結(jié)果僅是垂直于鉆孔橫截面上的二維應(yīng)力。鉆孔垂直式，通常假設(shè)鉆孔軸線方向的應(yīng)力等于上覆巖層的重力。主要優(yōu)點是：測試周期短，不需要復(fù)雜的力學參數(shù)實驗及換算，操作較為簡便，易于掌握，是目前唯一一種可以遠距離測量深部地應(yīng)力方法。主要缺點是：水壓致裂法是一種平面應(yīng)力測量方法，其基本假設(shè)中的鉆孔軸線是一個主應(yīng)力方向多數(shù)情況不成立；水壓致裂段巖體完整性要求高，不能含有原生裂隙。

2.4 其他方法

2.4.1 地球物理法

地球物理法包括光彈性應(yīng)力測定法、波速法、X射線法、聲發(fā)射法等。

光彈性應(yīng)力測定法是用光彈性學原理測定巖體表面或在鉆孔中的應(yīng)力變化，這種方法的靈敏度低。

波速法是利用超聲波或地震波在巖石中的傳播速度的變化來測量應(yīng)力。巖石受到應(yīng)力作用時會影響到波的傳播速度。但是，波速法測定應(yīng)力在理論上存在問題，波速與應(yīng)力張量之間不存在明確關(guān)系，這種方法目前應(yīng)用還不廣泛。

X射線法測定巖石的應(yīng)力是測量接近拋光的定向石英晶片樣品原子間的間距d，把所得的原子間距d與無應(yīng)變的石英原子間距相比較可以計算出應(yīng)力。這種方法的明顯困難是如何將其用于測量巖體中的應(yīng)力，而不是測量表面的應(yīng)力。

2.4.2 地質(zhì)構(gòu)造信息法

現(xiàn)在的地應(yīng)力狀態(tài)與現(xiàn)存的地址構(gòu)造有密切關(guān)系，通過觀察這些構(gòu)造，可以獲得主應(yīng)力方向，而且只有最新的地質(zhì)構(gòu)造才能提供比較可靠的地應(yīng)力信息。它可以與現(xiàn)場原巖應(yīng)力實測結(jié)果相比較，證實其可靠性。主應(yīng)力方向可由大規(guī)模的斷層、褶曲走向判斷。在小范圍內(nèi)，可根據(jù)節(jié)理、裂隙的方向判斷。

2.4.3 鉆孔破壞信息法

大量的實踐表明，鉆孔的破壞主要由集中在孔壁的壓剪裂紋形成，其方向垂直于最小主應(yīng)力。目前測量鉆孔破壞的儀器主要是四臂測斜儀，此外也可用六臂測斜儀或鉆孔電視等儀器。由于鉆孔費用極高，所以這種方法只能用于為其他目的而打的鉆孔中。同時，此法只能提供地應(yīng)力的方向，而不能確定其大小。

2.4.4 井下應(yīng)力測繪法

觀測資料表明，在大偏應(yīng)力場中，煤層頂板中產(chǎn)生的水平應(yīng)力將會引起低角度剪切裂紋產(chǎn)生。如果頂板巖層暴露在外面，則在井下很容易測繪。在矩形巷道中，當主應(yīng)力方向近似水平和垂直時，裂紋走向?qū)⒋怪庇谧钚∷街鲬?yīng)力的方向。當矩形巷道與最大水平主應(yīng)力呈一定角度時，在掘進工作面一側(cè)將產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，巷道一側(cè)出現(xiàn)“槽溝破壞”。當巷道與最大水平主應(yīng)力方向平行時，巷道受力狀況最好。

3 地應(yīng)力測量時需注意的問題

3.1 測量孔位和深度的確定

在地表進行地應(yīng)力測量時通常要考慮地形地貌、測控周圍的斷裂分布、巖性、人工活動、地表風化等因素，盡量選擇在地勢平坦的地區(qū)，對于峽谷區(qū)，應(yīng)考慮測量深度超過非構(gòu)造應(yīng)力影響范圍達到構(gòu)造應(yīng)力影響區(qū)域。同時鉆孔位置的選擇應(yīng)以對測量地區(qū)的總體了解為基礎(chǔ)選擇典型區(qū)域。

井下及坑道地應(yīng)力測量同樣要選擇合適的測量空位，綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造和工程擾動影響，確保測量結(jié)果不受或少受工程應(yīng)力的影響，鉆孔的深度應(yīng)達到硐室開挖影響區(qū)外，同時還要結(jié)合測量方法的特點進行測試位置選擇和深度確定，如空心包體應(yīng)力解除法一般不能在穿層鉆孔中進行。

3.2 地形地貌對地應(yīng)力測量狀態(tài)的影響

我國學者譚成軒等對地形地貌對地應(yīng)力的影響進行了大量的研究，依據(jù)實測數(shù)據(jù)、實驗室三維模擬實驗提出了構(gòu)造應(yīng)力面的概念，即由三維空間不同地點非構(gòu)造應(yīng)力影響消失的深度點構(gòu)成的曲面。在構(gòu)造應(yīng)力面之上，非構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力同時存在，而在構(gòu)造應(yīng)力面之下，僅構(gòu)造應(yīng)力存在。

3.3 斷裂對地應(yīng)力測量狀態(tài)的影響

斷裂發(fā)育的復(fù)雜程度與地應(yīng)力狀態(tài)的變化密切相關(guān)，斷裂越發(fā)育，地應(yīng)力狀態(tài)的變化幅度越大，在斷裂極為發(fā)育的地區(qū)，應(yīng)力方向極為分散，應(yīng)力大小變化異常，并且斷裂對地應(yīng)力的影響范圍與斷裂的規(guī)模成正比。斷裂及其附近應(yīng)力量值的變化較為復(fù)雜，既有應(yīng)力增大的，也有降低的，這主要與斷裂帶附近應(yīng)力隨時間的變化有關(guān)。

4 地應(yīng)力測量的前景展望

地應(yīng)力的測量是一項綜合性的測量，可以說任何一種單一的方法都不能很好地保證測量精度，在將來可能更加傾向于采用多種方法聯(lián)合測量，實現(xiàn)不同觀測方法之間的優(yōu)勢互補，才可以保證結(jié)果的可靠性。

參考文獻

[1] 蔡美峰.地應(yīng)力測量原理和技術(shù)[M].科學出版社，2000.

Cai Meifeng.The principle and techniques of in-situ stress measurement [M].Science Press，2000.

[2] 蔡美峰.巖石力學與工程[M].科學出版社，2002.

Cai Meifeng.Rock mechanics and engineering[M].Cience Press，2002.

[3] 于學馥.地球構(gòu)造動力學.力學與生產(chǎn)建設(shè)[M].北京大學出版社，1982.

YuXuefu.The earth's tectonic dynamics.Mechanics and production and construction[M].Peking University Press，1982.

[4] 李宏，謝富仁，劉鳳秋，等.烏魯木齊市區(qū)斷層附近原地應(yīng)力測量研究[J].地震地質(zhì)，2007（4）：805-812.

Li Hong，Xie Furen，Liu Fengqiu，et al. In-situ stress measurement near the city of Urumqi fault[J].Seismology and geology，2007（4）：805-812.

[5] 譚成軒，孫煒鋒，孫葉，等.地應(yīng)力測量及其地下工程應(yīng)用的思考[J].地質(zhì)學報.2006（10）：1627-1632.

Tan Chengxuan，Sun Weifeng， Sun Ye， et al.Thinking of in-situ stress measurement and its application in underground engineering[J].Chinese Journal of geology，2006（10）：1627-1632.

[6] 吳捷.水力壓裂法在地應(yīng)力測量中的應(yīng)用[J].廣東化工，2012（13）：124-125.

Wu Jie.Hydraulic fracturing in-situ stress measurement in the application of[J].In Guangdong chemical，2012（13）：124-125.

[7] 景鋒，梁合成，邊智華，等.地應(yīng)力測量方法研究綜述[J].華北水利水電學院學報，2008（2）：71-75.

Jingfeng，Liang Hecheng，Bian Zhihua，et al.Research on in-situ stress measurement method[J].Journal of North China Institute of water conservancy and hydroelectric power，2008 （2）：71-75.

[8] 龔寶奇，王猛，湯國水.地應(yīng)力測量及其對巷道布置的影響分析[J].煤礦安全，2008（10）：94-95.

Gong Baoqi，Wang Meng，Tang Guoshui analysis of in-situ stress measurement and its impact on roadway layout[J].coal mine safety，2008（10）：94-95.

[9] 吳志剛.數(shù)字定向器在地應(yīng)力測量中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2008（6）：125-126.

Wu Zhigang.Digital orientator in stress measurement[J].Coal technology，2008 （6）：125-126.

[10] 于雷，王愛文，姜國成.空芯包體地應(yīng)力測量技術(shù)在紅廟煤礦中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2008（7）：128-130.

Yu Lei，Wang Aiwen，Jiang GuoCheng.Application of hollow inclusion stress measurement technology in Hongmiao Coal[J].Coal technology，2008（7）：128-130.

[11] 郭偉杰，龔成，李晶.地應(yīng)力測量方法及其需要注意的問題[J].價值工程，2010（25）：136-137.

Guo Weijie，Gong Cheng，Li Jing. Method of in-situ stress measurement and the need to pay attention to the problem of [J].Value engineering，2010 （25）：136-137.

[12]那世平.地應(yīng)力測量與采礦工程[J].當代礦工，1999（10）.

Na Shiping.in-situ stress measurement and mining engineering[J].Contemporary miners，1999（10）.

[13]勾攀峰，張延新.平頂山煤業(yè)（集團）公司一礦地應(yīng)力測量及分析[J].焦作工學院學報：自然科學版，2002（1）.

Gou Panfeng，Zhang Yanxin；Pingdingshan coal industry （Group） Corporation measurement and analysis of in-situ[J].Jiaozuo Institute of Technology：NATURAL SCIENCE EDITION，2002（1）.

[14]蘇普正，裴佃飛，焦富春，等；蠕變對堅硬巖體的地應(yīng)力測量的影響分析[J]；西安科技學院學報；2002（4）.

Su Puzheng，Pei Dianfei Jiao Fuchun， et al.Analysis of influence of creep stress measurements of hard rock mass[J].Journal of Xi'an Institute of technology，2002（4）.

[15]王連捷，張利容，袁嘉音，等.地應(yīng)力與油氣運移[J].地質(zhì)力學學報，1996（2）.

[15] Wang Lianjie，Zhang Lirong，Yuan Jiayin，et al.Stress and migration of oil and gas[J].Journal of geomechanics， 1996（2）.

[16]喬蘭，蔡美峰.應(yīng)力解除法在某金礦地應(yīng)力測量中的新進展[J].巖石力學與工程學報，1995（1）.

Qiao Lan，Cai Meifeng.New progress of stress relief method in the measurement of stress in a gold mine of [J].Chinese Journal of rock mechanics and engineering，1995（1）.

[17]蔡美峰，任奮華，來興平.靈新煤礦西天河下安全開采技術(shù)綜合分析[J].北京科技大學學報，2004（6）.

Cai Meifeng，Ren Fenhua，Lai Xingping.Ling coal mine safe mining under Xitian River comprehensive analysis technology of [J].Journal of University of Science and Technology Beijing，2004 （6）.

[18]李晉平，林健.水壓致裂法測量原巖應(yīng)力在潞安礦區(qū)的應(yīng)用[J].煤炭科學技術(shù)，2005（3）.

Li Jinping，Lin Jian.Application of hydro-fracturing measurement of rock stress in Lu'an mining area[J].Coal science and technology，2005（3）.

[19]張政輝，蔡美峰.巖石的卸載力學特性及其對地應(yīng)力測量的影響[J]，礦冶，2001（3）.

Zhang Zhenghui，Cai Meifeng.Unloading rock mechanics characteristic and its influence on the stress measurement[J].mining，2001（3）.