宮鳳強 代金豪 王明洋 黃書嶺 徐 磊

(①東南大學土木工程學院， 南京 211189， 中國) (②爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室， 中國人民解放軍陸軍工程大學， 南京 210007， 中國) (③長江科學院， 水利部巖土力學與工程重點實驗室， 武漢 430010， 中國)

0 引 言

隨著我國對能源、資源和交通日益增長的需求，資源開采和基礎設施建設不斷向地球深部進軍，很多國家重大工程中涉及的深埋隧道或水電廠房、深部礦井等深部工程數(shù)量越來越多、規(guī)模越來越大(黃潤秋等， 1997； 何滿潮等， 2005)。目前，在交通隧道領域，峨漢高速公路隧道最大埋深1944m，某交通線路隧道最大埋深2600m(李利平等， 2021)； 在水電隧洞領域，引漢濟渭輸水隧洞最大埋深2012m，錦屏水電站引水隧洞最大埋深2025m(李利平等， 2021)； 在地熱開采領域，文登-威海-榮成-威海深部地熱測溫孔達3000m(李利平等， 2021)； 在金屬資源開采領域， 2000年以前我國只有2座礦山開采深度達到或接近1000m(王瓊杰， 2017)，目前開采深度超過1000m的金屬礦山有16座(趙興東等， 2021)； 在深部地下實驗室領域，中國錦屏地下實驗室垂直巖石覆蓋厚度達2400m(李邵軍等， 2021)。可見，深部資源開采和地下空間開發(fā)建設已趨于常態(tài)化。

隨著深部工程數(shù)量日益增多，開挖過程中諸如礦柱劈裂、地下廠房高邊墻劈裂縫、洞壁板裂、巖爆等圍巖非常規(guī)破壞現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)(宮鳳強等， 2007a， 2007b， 2010； 王明洋， 2010； 王明洋等， 2010， 2021； 王錢款等， 2021； 趙興東等， 2021； 張重遠等， 2022)，嚴重威脅地下工程的安全建設。例如，我國最大埋深為2525m的錦屏二級水電站的輔助洞、施工排水洞開挖發(fā)生巖爆570多次，洞壁多呈片狀或板狀破裂、剝落或崩出，常造成支護結構失效以及工期延誤(Li et al.，2011)； 發(fā)生在該工程引水隧洞的“11·28”極強巖爆災害更是造成了7名施工人員遇難，造價昂貴的TBM報廢以及停工半年(錢七虎， 2014， 2017)。拉薩至林芝段的巴玉隧道全長13073m，其中94%均位于巖爆區(qū)，被稱為“石頭像炮彈一樣飛”的隧道，巖爆造成隧道內(nèi)的鋼臺架多次被砸損毀以及施工人員受傷(韓侃等， 2020)。引漢濟渭秦嶺輸水隧洞累計發(fā)生巖爆4000余次，其中中等巖爆以上3000余次，最大震級1.6級，多次砸壞錨桿鉆機和TBM附屬結構(薛景沛， 2019； 中國水利報， 2022)。

巖爆、板裂及其他圍巖破壞現(xiàn)象本質(zhì)上都是深部巖石力學問題。在對深部巖石力學問題進行研究時，必然涉及到深部的界定問題。深部最早并沒有明確的界定，后來以工程所在的絕對深度為指標進行定義，但這種做法以單一的絕對深度為指標界定深部區(qū)間缺乏實用性，不具科學性，何滿潮(2005)認為深部是指工程巖體開始出現(xiàn)非線性力學現(xiàn)象的深度及以下的區(qū)間； 錢七虎(2004)，王明洋等(2006)建議基于分區(qū)破裂化現(xiàn)象來界定深部； 謝和平等(2015)建議深部概念應綜合反映深部的應力特征、應力狀態(tài)和圍巖屬性； 李夕兵等(2017)認為深部的界定應根據(jù)科學產(chǎn)能要求和資源賦存條件，并包含高應力、高地溫和高井深等綜合因素。

與深部概念相比，高地應力作為深部工程最典型的環(huán)境賦存特征，更能從定量化角度反映深部工程巖石變形破壞和工程地質(zhì)災害顯現(xiàn)的力學本質(zhì)。鑒于上述工程地質(zhì)災害的嚴重危害性，人們逐漸重視對高地應力區(qū)的判別，以期在勘察設計階段評估開挖過程可能會出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象并據(jù)此制定相應的防控措施。在高應力定量判據(jù)方面，早期很多專家學者主要以工程現(xiàn)場的地應力量值及相對大小作為高地應力指標，后來逐漸認識到還需要考慮圍巖的物理力學性質(zhì)。隨后，以巖石(或巖體)強度應力比為指標提出了眾多評價高地應力的分級判據(jù)。然而，根據(jù)這類分級判據(jù)劃分的地應力等級與圍巖實際破壞現(xiàn)象仍存在差別。事實上，以強度應力比為指標的地應力定量分級判據(jù)本質(zhì)上是一維形式的比值，僅能反映巖石強度和地應力水平的相對大小，而未充分考慮兩者的絕對值大小及耦合關系，故在實際應用時仍存在誤判，影響了工程穩(wěn)定性的準確評價。因此，非常有必要對現(xiàn)有的高地應力定量分級判據(jù)進行深入研究。

根據(jù)已收集的歷史文獻，本文首先介紹高應力術語及概念的發(fā)展歷史和國內(nèi)現(xiàn)有的地應力定量分級判據(jù)研究進展。然后，在收集大量地下工程實例數(shù)據(jù)的基礎上討論現(xiàn)有分級判據(jù)的合理性及不足。最后，結合地下巖體在高地應力下的典型破壞現(xiàn)象以及巖石強度、地應力數(shù)據(jù)，從考慮最大主應力和巖石飽和單軸抗壓強度的絕對值大小及其耦合關系出發(fā)，提出高地應力“強度 & 應力”耦合判據(jù)，以期為工程區(qū)巖體高地應力的判別及開挖過程的安全評價提供參考。

1 高地應力的概念和定義

概念是對客觀事物的本質(zhì)屬性在人們頭腦中的概括反映，這種反映往往以術語來標示。在特定學科領域當新事物或新概念出現(xiàn)時，需要通過術語作為代表或者標記(我國又稱為名詞或科技名詞)。“高地應力”術語出現(xiàn)和概念形成經(jīng)歷了一個認識不斷加深的發(fā)展過程。1929年，Crane在報告“Rock Bursts in the Lake Superior Copper Mines， Keweenaw Point， Michigan”中認為巖爆(rock burst，圖 1所示)與深部采礦相關，強度通常與深度成正比，隨著開采深度的增加和隨之而來的更高巖石壓力(higher rock pressures)，巖爆的規(guī)模和強度都會增加，上覆巖石的重量是直接原因； 同時也分析了板裂(spalling，圖 2所示)的產(chǎn)生原因(Crane， 1929)。1946年Spalding在“Some aspects of ground movement”分析巖爆原因時認為“存在差異應力時，即當處于高應力(high stress)下的巖石與處于低應力下的巖石相鄰時，就會產(chǎn)生剪切傾向，這種剪切作用通常會悄悄發(fā)生，但可能會突然劇烈地發(fā)生巖爆”(Spalding， 1946)。1958年Hast在“The measurement of rock pressure in mines”一文中發(fā)現(xiàn)在南非某鉆石礦中的高應力巖石(highly stressed rock)中獲取不到連續(xù)的巖芯，巖芯表現(xiàn)“圓盤狀”(disk)(Hast， 1958)。1962年Cook進一步發(fā)現(xiàn)這些“圓盤”的厚度與直徑之比隨著應力增高而減小(Cook， 1962)。1963年Jaeger和Cook在“Pinching off and discing of rock”一文中發(fā)現(xiàn)鉆孔巖芯斷裂強度小于巖石單軸抗壓強度，這與在高應力地面(highly stressed ground)上進行金剛石鉆孔時巖芯破碎成圓盤有關，而且隨著應力增加，圓盤厚度減小，圖 3為在某工程埋深2438m處的巖芯(Jaeger et al.，1963)。1964年Leeman認為從鉆穿高應力地面(highly stressed ground)的金剛石鉆孔中獲得的巖芯呈薄圓盤狀，因此鉆心的狀態(tài)也可以提供有關巖體中應力的定性信息(Leeman， 1964)。1965年Obert和Stephenson發(fā)現(xiàn)巖芯餅化主要與地應力差有關(Obert et al.，1965)。1966年Fairhurst和Cook在分析地下1219m石英巖“slabbing”(即板裂或?qū)恿?現(xiàn)象時，認為高應力脆性巖石表面(highly stressed brittle rock face)由平行于表面的巖板組成(Fairhurst et al.，1966)。

圖 1 礦柱巖爆破壞(Crane， 1929)Fig. 1 Pillar shattered by rock burst

圖 2 礦柱板裂破壞(Crane， 1929)Fig. 2 Failure of pillar by spalling(Crane， 1929)

圖 3 從2438m深度處鉆取的直徑10cm“盤狀”石英巖 巖芯(Jaeger et al.，1963)Fig. 3 “Disking” of quartzite core in 10cm in diameter drilled at a depth of 2438m(Jaeger et al.，1963)

國內(nèi)對高地應力的認識同樣經(jīng)歷了一個不斷加深的發(fā)展過程，最初用術語“高壓”進行表述。1955年錢鳴皋(疑為錢鳴高)在“介紹煤及瓦斯突出的性質(zhì)與力學作用的現(xiàn)代學說”一文中認為“在地下由于巷道的開掘使巖體應力發(fā)生了變化，使圍巖產(chǎn)生了移動… 圍巖壓力分布不均勻… 是集中的。壓力的分布可能使其中某一部分很快地由承受高壓的情況而至完全不承受壓力的情況，或者相反”(1955，錢鳴皋)。1959年林景云在著作《撫順勝利礦的沖擊地壓》中給出了1933～1935年沖擊地壓的傷亡事故統(tǒng)計表(可能是中國最早的沖擊地壓事故統(tǒng)計)，認為“沖擊地壓的發(fā)生隨著深度的增加，情況日趨嚴重”，論述沖擊地壓與地質(zhì)條件的關系時“地層壓力分為下向和橫向，下向壓力由地心引力所起，橫向壓力發(fā)生在造山運動… 當煤層被采掘時，打破了地層內(nèi)部的平衡關系，在一定高壓下由于潛在壓力激劇發(fā)散的結果，遂形成了沖擊地壓”，“地壓隨著深度的增加而加大，沖擊地壓時地壓顯現(xiàn)的激烈形式，深度是發(fā)生沖擊的主要因素… 地下200m以上地點，因為地壓小，根本不發(fā)生沖擊”(林景云， 1959)。

研究高地應力必須首先認識巖體初始應力。1965年金漢平在“巖體初始應力測量技術綜述”一文中，認為“巖體初始應力就是巖體處于自然狀態(tài)中所受的應力，因而也稱為自然應力、內(nèi)應力或預應力，有時也將巖體中的初始應力當作各種地質(zhì)因素長期作用下的目前殘存的應力，因而稱之為殘余應力… 過大的初始應力往往引起圍巖過大的變形或壓碎，當隧洞深度大且?guī)r石堅硬時，往往引起巖石爆破或稱為礦山?jīng)_擊，即巖石成碎片狀從洞壁射出，對安全有很大的威脅(金漢平， 1965)。1973年《勘察技術資料》編輯組在《勘察技術資料》上撰文“國外地下工程勘察技術簡介”，文中認為“巖爆主要是由于巖體內(nèi)的殘余構造應力在某一局部產(chǎn)生過度的應力集中，當掘進開挖時開挖面上的主應力解除而使巖體內(nèi)應力失去平衡，致產(chǎn)生巖爆… 國外對于預測巖體中高應力集中帶問題，常通過鉆探所取的巖芯完整程度及鉆孔孔壁的破壞程度進行定性的判定。例如，南非的研究表明，當鉆孔達到高應力集中帶時，所取的巖芯不再是完整的圓柱體，而呈現(xiàn)為圓形的薄片或不規(guī)則的碎片… 這種現(xiàn)象表明采取的巖芯曾經(jīng)是承受著巖體內(nèi)高應力的作用，既經(jīng)采取為巖芯后，其表面應力解除，而其內(nèi)應力劇烈地失掉平衡，致使巖芯的結構崩解，支離破碎”(《勘察技術資料》編輯組， 1973)。1975年冶金部礦冶研究所礦山壓力研究室在“巖體初始應力場及巖體應力測量”一文中論述“巖體的初始應力場也稱巖體一次應力場，是指沒有開挖地下工程之前，巖體中各空間點的應力狀態(tài)及分布規(guī)律，是客觀存在于巖體之中的自然力場… 地下工程的開挖或采掘在巖體中造成空場，打破了巖體的初始應力平衡狀態(tài)，在空場的周圍及其附近產(chǎn)生新的應力分布(也稱二次應力場)，造成應力降低區(qū)(也稱卸載區(qū))和應力增高區(qū)(也稱支撐壓力區(qū))”(冶金部礦冶研究所礦山壓力研究室， 1975)。1976年陶振宇在專著《水工建設中的巖石力學問題》第四章“巖體的初始應力”中認為，“巖體的初始應力是指巖體處于天然產(chǎn)狀條件下所具有的內(nèi)應力，又稱之為巖體內(nèi)應力或天然巖體內(nèi)應力，主要是由于巖體(包括覆蓋它的巖體)的自重和地質(zhì)構造作用的結果； 當?shù)叵聨r體中進行挖空后，巖體的初始應力場便在圍巖中發(fā)生重新分布，從而引起圍巖的變形或破壞”； 文中還認為“在堅硬而完整的巖體內(nèi)，由于地殼構造運動的影響，可以聚集大量的能量，從而形成高的天然內(nèi)應力，這是深埋地下工程開挖過程中產(chǎn)生“巖爆”現(xiàn)象的主要原因”(陶振宇， 1976)。1978年華安增在“地應力與煤和瓦斯突出的關系”一文中分析怎樣認識到構造應力的作用時認為，“地質(zhì)構造劇變的地帶，煤層受到挫揉，強度較弱，易于大量地突然破碎，這確是原因之一，但強度是相對應力而言的，更重要的是地質(zhì)構造劇變帶集中著較高的地應力，即地質(zhì)構造應力… 煤巖中地應力比較高(或深度比較大，自重應力比較大，或還有構造應力)… 破碎煤塊迅速從高應力狀態(tài)下解除出來”(華安增， 1978)。1978年張曼江在“地應力對工程的影響”一文中認為“堅硬巖石中如果初始應力很高，貯存在巖層中的應變能有時會猛烈釋放，造成巖爆，不僅威脅人身安全，并給生產(chǎn)造成巨大損失。一切巖爆都產(chǎn)生地震波、最大巖爆的震級可達里氏震級5.5級”(張曼江， 1978)。

學術論文正文和標題中以術語形式最早出現(xiàn)“高地應力(區(qū))”概念的來自于1979年全國首屆工程地質(zhì)學術會議論文集中的2篇論文。在“論巖體工程地質(zhì)力學的基本力學問題”一文中提到“西藏鐵路建設要穿越深大斷裂和高地應力區(qū)”(谷德振等， 1979)； 在“高地應力區(qū)巖石的脆性破裂”一文中在對二灘水電站的勘探工程中，在新鮮完整的正長巖體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)巖芯“餅化”… 這個新異的地質(zhì)現(xiàn)象，…研究其生成機理，提出高地應力作用下的堅硬巖在特定的條件下發(fā)生脆性破裂的認識(石金良， 1979)。后來，很多研究人員關注巖芯餅化及巖爆現(xiàn)象，并進一步證實了兩種現(xiàn)象的嚴重程度與高地應力水平密切相關(白世偉等， 1983； 侯發(fā)亮等， 1984； 劉世煌， 1988； Martin.，1990； 尚岳全等， 1991； Li et al.，1998； Bunger，2010； Lim et al.， 2010； 王明洋等， 2010， 2011； Li et al.，2019； 張豐收等， 2022)。

定義是對于概念的內(nèi)涵和外延所作的簡要說明。關于高地應力的定義， 1985年姚寶魁和張承娟在“高地應力壩區(qū)硐室圍巖巖爆及其斷裂破壞機制”一文中認為“對于高應力至今還沒有明確定義，工程實踐中往往將200～250kg·cm-2左右的巖體初始應力稱為高應力… 高應力是一個相對的概念，且與巖體的強度及剛度特性有關”(姚寶魁等， 1985)。孫廣忠認為“地應力具有雙重性，一方面它是巖體賦存條件，另一方面它又賦存于巖體之內(nèi)，和巖體組成成分一樣，左右著巖體特性，是巖體力學特性的組成成分”(孫廣忠， 1988)。徐林生等認為國內(nèi)外對高地應力的含義迄今還未達成統(tǒng)一的認識… 高地應力是一個相對的概念，并且它與巖體所經(jīng)受的應力歷史和巖體強度、巖石彈性模量等諸多因素有關(徐林生等， 2002)。陳菲等給出了高地應力的一種定義，即量值足以導致結構體或巖塊破壞的地應力(陳菲等， 2015)。

綜上所述，地下工程進入深部之后，遇到巖爆、巖芯餅化、板裂、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等很多新的工程地質(zhì)現(xiàn)象。這類現(xiàn)象原來在自然界并不存在，完全是由于地下工程到了一定深度誘發(fā)的，不進行深部工程建設則不會遇到，而且發(fā)生時往往對地下工程建設造成災害，因此均屬于典型的地下工程地質(zhì)災害或深部工程地質(zhì)災害(宮鳳強等， 2021)。在從力學角度分析上述新的工程地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生機理時，高地應力的術語和概念隨之產(chǎn)生。因此，地下工程中的“高地應力”屬于工程概念范疇，主要用于解決地下工程問題。中國知網(wǎng)檢索顯示，目前標題中出現(xiàn)和地下工程相關的“高地應力”和“高應力”學術論文和學位論文已達2727篇，正文中提及“高地應力”的論文已達55222篇，說明和高地應力相關的地下工程問題已經(jīng)是巖石力學與地質(zhì)工程界研究的普遍問題和常態(tài)問題。因此可知，高地應力的概念已經(jīng)深入人心并廣泛應用，成為地下工程領域約定俗成的專門用語，但是其定義尚未有比較統(tǒng)一的說法。

2 高地應力的定性判據(jù)

人們對事物的認識，基本都是從現(xiàn)象開始的，尤其是對工程地質(zhì)災害現(xiàn)象，而且一般從初步的定性認識逐漸走向定量性精準認識。如上節(jié)所述，高地應力概念是研究人員用于解釋巖爆、巖芯餅化等新的工程地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生機理才出現(xiàn)的，并認為高地應力是這些工程地質(zhì)現(xiàn)象的主導因素，地質(zhì)調(diào)查也說明只有在高地應力環(huán)境中才會出現(xiàn)這些新的工程地質(zhì)現(xiàn)象，因此巖爆、巖芯餅化、板裂、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等自然屬于高地應力定性判別依據(jù)。此外，高地應力定性判據(jù)還有其他表現(xiàn)形式或地質(zhì)標志。

張志良和徐志英在“高地應力區(qū)地下洞室圍巖穩(wěn)定和變形分析”一文中引用了1984年陶振宇的“天然巖石中的三維應力狀態(tài)”中高地應力區(qū)的巖體特性，如餅狀巖芯、巖爆、塑性擠出、錯動臺階都與高地應力密切相關； 應力-應變關系主要為上彎型； 顯微鏡下可以看到巖塊中發(fā)育密集的微裂隙…高地應力區(qū)巖石一經(jīng)破壞不是形成明顯的破壞面，而是碎散成塊度大小均勻的一堆碎塊； 巖體總是表現(xiàn)出彈塑性性質(zhì)，由于高地應力的壓密作用，結構面影響效應減弱，完整性提高(張志良等， 1991)。1987年薛璽成等在“巖體高地應力及其分析”認為巖爆、巖芯餅化、裂隙巖體的滲透性小、巖體彈性模量與室內(nèi)巖塊彈性模量試驗值近似相等等高地應力區(qū)巖體物理力學現(xiàn)象(薛璽成等， 1987)。1988年孫廣忠在著作《巖體結構力學》中給出了高地應力區(qū)的地質(zhì)標志，包括(1)餅狀巖芯：作者本人1954年在秦嶺北坡進行壩基工程地質(zhì)勘探工作中發(fā)現(xiàn)過餅狀巖芯現(xiàn)象， 1970年代后在金川、大冶、白云鄂博、大同等礦區(qū)鉆孔巖芯中見過大量這種現(xiàn)象； (2)探洞和地下洞室在施工過程中出現(xiàn)巖爆、剝離、巖體錘擊有啞聲現(xiàn)象：脆性巖石在高地應力條件下產(chǎn)生張破裂的地質(zhì)標志； (3)隧洞、巷道鉆孔、縮徑：高地應力區(qū)軟巖中出現(xiàn)的地質(zhì)標志； (4)邊坡上出現(xiàn)錯動臺階：大壩廠房基坑開挖過程中的典型現(xiàn)象； (5)巖石物理力學性質(zhì)指標野外原位測得的結果比實驗室?guī)r塊試驗結果高：西南地區(qū)壩址地質(zhì)勘探工作中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象； (6)原位變形測試曲線有截距：二灘壩址原位彈性模量測試中見到的現(xiàn)象，高地應力環(huán)境下巖塊壓縮變形曲線存在預壓縮的初始地應力值，該值是測點巖石內(nèi)應力貢獻，是高地應力區(qū)的標志(孫廣忠， 1988)。隨后孫廣忠在著作《工程地質(zhì)與地質(zhì)工程》中給出了高地應力區(qū)和低地應力區(qū)的地質(zhì)標志，如表 1所示(孫廣忠， 1993)。丁恩寶在“低地應力及其工程地質(zhì)意義”一文中給出了識別低地應力的工程地質(zhì)標志，包括(1)巖體風化破碎，結構面普遍張開； (2)壓性斷層破碎帶松弛； (3)坍方和縱張裂縫； (4)圍巖強透水性； (5)巖體低波速； (6)室內(nèi)巖石試驗和現(xiàn)場試驗所獲變形模量值差別很大，有時達十倍到數(shù)十倍。彈(變)?，F(xiàn)場試驗的應力-應變曲線常為軟化變形和有明顯的壓密段(丁恩寶， 1993)。1994年頒布的《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-94)和《工程巖體分級標準》(GB50218-94)把高初始應力區(qū)分為高應力和極高應力，并對硬質(zhì)巖和軟質(zhì)巖的高地應力現(xiàn)象進行定性區(qū)分，如表2所示?！稁r土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)修訂時刪除了圍巖分級及高地應力相關內(nèi)容，推薦采用《工程巖體分級標準》。目前《工程巖體分級標準》(GB/T500218-2014)則采用表 3所示的高地應力分級判據(jù)。表 3中不再用極高應力和高應力進行區(qū)分，定性判據(jù)內(nèi)容中對巖芯餅化現(xiàn)象從軟質(zhì)巖調(diào)整到了硬質(zhì)巖部分，更加符合硬質(zhì)巖工程現(xiàn)場的高應力現(xiàn)象。需要說明的是，在本文中主要關注堅硬巖中的高地應力破壞現(xiàn)象，對于發(fā)生在深部煤層開采過程中的沖擊地壓、瓦斯突出等現(xiàn)象不作討論。煤屬于可燃有機固體，巖石屬于不可燃無機固體，并且兩者具有獨立的力學屬性(宮鳳強等，2022)，因此煤礦工程和巖石工程中涉及高地應力判定時應區(qū)別對待。

結合表 1～表 3，高地應力的定性判據(jù)總結在表 4中，并在圖 4中給出了部分堅硬巖中的高地應力破壞現(xiàn)場圖(李術才等， 2008； Bunger et al.，2010； 馬行東等， 2020； 趙興東等， 2021)。

表 1 高地應力地區(qū)和低地應力地區(qū)的地質(zhì)標志 (孫廣忠， 1993)Table1 Geologic indicators of high and low geostress areas

表 2 《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-94)中的 高初始應力區(qū)分級判據(jù)Table2 Initial geostress rating criterion in Code for Investigation of Geotechnical Engineering(GB 50021-94)

表 3 《工程巖體分級標準》(GB/T500218-2014)中的 高地應力分級判據(jù)Table3 High geostress rating criterion in Standard for Engineering Classification of Rock Mass(GB/T500218-2014)

3 高地應力的定量判據(jù)

圖 4 地下工程堅硬巖高地應力破壞現(xiàn)場圖(李術才等， 2008； Bunger et al.，2010； 馬行東等， 2020； 趙興東等， 2021)Fig. 4 Scene diagrams of partial high ground stress failure phenomenon in underground works

在高地應力定量判據(jù)方面，早期很多專家學者主要以工程現(xiàn)場的地應力量值及相對大小為指標判別高地應力，如劉國昌(1983)最早提出高地應力判別標準，即水平應力大于垂直應力的1.0～1.2倍為高地應力區(qū)。姚寶魁和張承娟提及工程實踐中將200～250kg·cm-2左右的巖體初始應力為高地應力(姚寶魁等， 1985)。陶振宇(1987)認為高地應力是指水平初始應力分量大大超過覆蓋巖層的重量。薛璽成等(1987)建議高地應力區(qū)的劃分應綜合考慮自重應力和構造應力，通過分析兩者在地應力場的貢獻大小及占比，認為高地應力區(qū)的構造應力占實測地應力的50%以上。

表 4 高地應力定性判據(jù)Table4 Qualitative criterion of high geostress

《水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘查技術規(guī)程》(DL/T5415—2009)中規(guī)定初始最大主應力大于20MPa時為高或極高地應力(中華人民共和國國家電力行業(yè)標準編寫組， 2009)。目前，仍存在采用這類方法評價地應力等級的情況(賈哲強等， 2016)。另一方面，很多專家認為高地應力是一個相對概念，評價地應力的高低和圍巖潛在破壞問題聯(lián)系緊密。圍巖破壞問題的產(chǎn)生均要以巖石為媒介，因此高地應力判據(jù)不應僅依據(jù)地應力量值及相對大小進行評判，還需要考慮圍巖的物理力學性質(zhì)。同時，單純根據(jù)地應力量值和某些高應力判據(jù)界定為高地應力區(qū)的巖體并未出現(xiàn)相應的高地應力破壞現(xiàn)象，也反映出這類判據(jù)還不完善，例如溪洛渡水電站右岸地下廠房初始大主應力為20.49MPa，但開挖過程并未出現(xiàn)高地應力破壞現(xiàn)象； 而江邊水電站引水隧洞和桑珠嶺隧道的某開挖段初始最大主應力均低于20MPa(低地應力區(qū))，但開挖過程卻出現(xiàn)了巖爆現(xiàn)象。

另外一類判據(jù)以巖石(或巖體)強度應力比為指標，例如法國隧協(xié)、日本應用地質(zhì)協(xié)會和蘇聯(lián)斯巴頓礦區(qū)都采用巖石強度應力比指標σc/σ1<2時判定為高地應力(丁恩寶， 1993； 徐林生等，2002)； Hoek et al. (1995)則建議σc/σ1<10為高地應力的判別依據(jù)； 還有眾多研究人員對強度應力比指標作為高地應力判據(jù)進行了深入研究(王成虎等， 2009， 2011； 申艷軍等， 2014； 陳菲等， 2015； 楊靜熙等， 2019； 段淑倩等， 2022)。下面介紹兩種代表性判據(jù)。

現(xiàn)行的工程巖體分級標準(GB/T500218-2014)給出的巖體初始地應力分級判據(jù)(簡稱國家標準GB/T500218-2014)如表 3所示(中華人民共和國國家標準編寫組， 2014)，此判據(jù)中采用的定量分級指標為：

(1)

式中：Rc為巖石飽和單軸抗壓強度(MPa)；σmax為垂直洞軸線方向的最大初始應力(MPa)?，F(xiàn)行的水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘查技術規(guī)程(DL/T5415—2009)和水電工程地下建筑物工程地質(zhì)勘察規(guī)程(NB/T10241-2019)中的地應力定量分級判據(jù)與表 2一致(中華人民共和國國家電力行業(yè)標準編寫組， 2009； 中華人民共和國能源行業(yè)標準編寫組， 2019)。

表 5 《水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-2016)中的巖體初始地應力分級判據(jù)Table5 Initial geostress rating criterion in Code for Hydropower Engineering Geological Investigation(GB50287-2016)

水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50287-2016)也給出了巖體初始地應力分級判據(jù)(簡稱國家標準GB50287-2016)，如表 5所示(中華人民共和國國家標準編寫組， 2016)，此判據(jù)中采用的定量分級指標為：

(2)

式中：σ1為初始最大主應力(MPa)。

由式(1)和式(2)可知，兩個標準中的地應力定量分級判據(jù)相同之處是均采用了巖石飽和單軸抗壓強度Rc，不同之處是兩者所采用的地應力含義不同，即國家標準(GB/T500218-2014)采用是垂直洞軸線方向的最大初始應力σmax，而國家標準(GB50287-2016)則采用初始最大主應力σ1。此外，兩個標準對高地應力的劃分區(qū)間不同，如前者規(guī)定Rc/σmax≤7時為高地應力，后者則為Rc/σ1≤4。可見，兩個標準中的強度應力比含義及高地應力劃分區(qū)間并不統(tǒng)一，這將給地應力等級的定量評價帶來困惑，亟需對現(xiàn)有的地應力定量分級判據(jù)進一步考察和優(yōu)化。此外，根據(jù)這類分級判據(jù)劃分的地應力等級與圍巖實際破壞現(xiàn)象仍存在差別。例如，魯布革水電站地下廠房的巖體強度應力比為6.22，根據(jù)《工程巖體分級標準》(GB/T500218-2014)給出的地應力定量分級判據(jù)，可判定該工程處于高地應力區(qū)，而實際開挖過程并未出現(xiàn)高地應力破壞現(xiàn)象(陳菲等， 2015)； 漁子溪水電站引水隧洞某開挖段的巖石強度應力比為13.82，《水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-2016)將該開挖段判別為低地應力區(qū)，但在實際開挖過程中卻發(fā)生了數(shù)十次巖爆(巖片彈射、崩落現(xiàn)象并伴有爆裂聲)(陶振宇， 1988)。事實上，以強度應力比為指標的地應力定量分級判據(jù)本質(zhì)上是一維形式的比值，其僅反映了巖石強度和地應力水平的相對大小，而未充分考慮兩者的絕對關系，故在實際應用時仍存在誤判，影響了工程穩(wěn)定性的準確評價。因此，非常有必要對現(xiàn)有的高地應力定量分級判據(jù)進行深入研究。

4 高地應力定量判據(jù)的準確性對比

為了評價現(xiàn)有地應力定量分級判據(jù)的準確性，本文統(tǒng)計了50個巖石地下工程案例的主要現(xiàn)象以及基本參數(shù)，如表 6所示。其中：序號為1～25的案例來源于陳菲等的研究(陳菲等， 2015)，序號為26～50的案例源自其他工程實例(賈愚如等， 1990； 黃潤秋等， 1997； 王元漢等， 1998； 薛奕忠， 2005； 張德永， 2011； 柳紅全等， 2012； 尚彥軍等， 2013； 賈哲強等， 2016； 陳衛(wèi)忠等， 2017； 于洋等， 2018； 唐杰靈等， 2019； 何佳其， 2020； 周航等， 2020； 吳枋胤等， 2021)。這50個案例均包含σ1、Rc、和Rc/σ1這3個參數(shù)，其中前25個案例還包含了σmax以及Rc/σmax參數(shù)。針對這些案例在勘探或開挖過程實際發(fā)生的破壞現(xiàn)象，利用高地應力定性判據(jù)對地應力情況進行了定性分級(表 6)。

對于初始地應力的定量分級，國家標準(GB50287-2016)給出了中等-極高地應力等級的定量分級標準，但中等地應力對應的定性判別依據(jù)中提及的硬質(zhì)巖存在局部剝離等現(xiàn)象也符合表 4所示的高地應力破壞特征，故可將中-極高地應力統(tǒng)一劃分為高地應力范疇。因此，國家標準(GB/T500218-2014)與(GB50287-2016)可分別視為滿足Rc/σmax≤7和Rc/σ1≤7時為高地應力區(qū)，表 6也列出了地應力等級的定量判別結果，并標注了與定性判別結果對比后的高判或低判情況?？梢?，兩個標準均出現(xiàn)了誤判。為進一步分析造成這種現(xiàn)象的原因，考慮到上述定量判據(jù)在形式上(Rc/σmax和Rc/σ1)均為一維比值，故可將表 6中的數(shù)據(jù)展示在一維坐標軸中，如圖 5所示?？汕宄乜吹?，低和高地應力案例交錯分布，沒有明顯的分界線。圖 6在二維圖中顯示了數(shù)據(jù)點及地應力定量判據(jù)的分布情況?？梢?，兩個標準均出現(xiàn)不同程度的誤判，即在認定為高地應力區(qū)的范圍也包含了低地應力案例，而在低地應力區(qū)也包含了高地應力案例。由上述事實可知，以強度應力比為指標的比值判據(jù)很難完全區(qū)分低和高地應力區(qū)。

圖 5 兩個國家標準中對地下工程的地應力分級結果對比Fig. 5 Comparison of geostress rating results of underground engineering in two national standards a. Rc/σmax 數(shù)據(jù)； b. Rc/σ1數(shù)據(jù)

圖 6 兩個國家標準對地下工程地應力的分級結果Fig. 6 Rating results of geostress of underground engineering in two national standards a. 國家標準(GB/T500218-2014)； b. 國家標準(GB50287-2016)

為定量分析兩個標準中高地應力定量判據(jù)的準確性，以準確率為指標對整體地應力等級(包含低和高地應力)以及高地應力評價結果進行考察，如圖 7所示。可以看到，針對表 6中前25個包含Rc/σmax數(shù)據(jù)的案例，國家標準(GB/T500218-2014)對整體地應力等級評價結果準確率為76.0%，對其中14個高地應力案例評價結果準確率為71.4%。針對表 6中50個包含Rc/σ1數(shù)據(jù)的案例，國家標準(GB50287-2016)對整體地應力等級評價結果準確率為90.0%，對其中36個高地應力案例評價結果準確率為94.4%。上述分析表明，兩個標準對地應力等級評價結果的準確率均低于95%，可見兩個標準在高地應力定量判別方面仍需進一步優(yōu)化。

圖 7 兩個國家標準對地下工程的地應力分級結果準確率Fig. 7 The accuracy rate of the geostress rating results by using two national standards in underground projects

5 高地應力“強度 & 應力”耦合判據(jù)

5.1 高地應力“強度 & 應力”耦合判據(jù)的建立

事實上，自然狀態(tài)的地下巖體并不會出現(xiàn)高地應力破壞現(xiàn)象，它們完全是人類進行工程活動時產(chǎn)生的。開挖前地下巖體處于初始應力平衡狀態(tài)，開挖后初始地應力狀態(tài)被打破并誘發(fā)應力釋放和應力重分布，當?shù)貞φ{(diào)整到一定程度時圍巖出現(xiàn)強度弱化或失效并以高地應力破壞現(xiàn)象顯現(xiàn)。故高地應力定量分級判據(jù)可以理解為開挖過程中圍巖出現(xiàn)高地應力破壞現(xiàn)象時地應力與圍巖強度需滿足的某些關系。顯然兩個國家標準所采用的這個關系是強度應力比指標?；趶姸葢Ρ戎笜说母叩貞Χ糠旨壟袚?jù)對實際地應力等級雖未能實現(xiàn)完全準確的評價，但其準確率均超過70%，側(cè)面證實了從初始地應力及巖石強度角度考慮地應力定量分級判據(jù)具有一定合理性。然而，這種以比值形式呈現(xiàn)的強度應力比指標本質(zhì)上是一維尺度判據(jù)，其僅考慮了巖石強度與地應力之間的相對關系這一無量綱量，而沒有充分考慮這兩個因素的絕對關系。

根據(jù)上述高地應力破壞現(xiàn)象的顯現(xiàn)過程可知，巖石強度、初始地應力及其兩者存在的某些關系都是高地應力現(xiàn)象顯現(xiàn)的必要因素。實際上，這3個必要因素僅涉及兩個獨立要素，即巖石強度和初始地應力，故可在包含這兩個獨立要素的二維圖中探索高地應力定量分級判據(jù)。從圖 7可知，國家標準(GB50287-2016)對高地應力的判別準確率較高，故將該標準采用的Rc和σ12個參數(shù)設置為兩個維度，將表 6中50個案例展示在二維圖中，如圖 8所示。根據(jù)數(shù)據(jù)點的分布特征，可以明顯地劃分為3個區(qū)域，即堅硬巖高地應力區(qū)、堅硬巖低地應力區(qū)以及非堅硬巖待定區(qū)，由3個區(qū)域交界處的關鍵點可得到各邊界線的方程，則表征堅硬巖高地應力區(qū)的邊界方程為：

(3)

圖 8 堅硬巖高地應力“強度 & 應力”耦合判據(jù)圖Fig. 8 The diagram of high geostress criterion for hard rocks based on “strength-stress” double constraint

顯然，從式(3)中的4個約束條件可以看出，當堅硬巖的強度、應力及兩者關系分別滿足條件①、②和③～④時可判定為高地應力區(qū)， 故該公式較充分考慮了巖石強度、初始地應力以及兩者的絕對關系， 式(3)可稱為堅硬巖高地應力的“強度 & 應力”耦合判據(jù)。需要說明的是， 在采用“強度 & 應力”耦合判據(jù)判別這50個案例的地應力等級時，從表 6中可以看到結果存在兩個高判的案例，分別為黃金坪水電站地下廠房和龍灘水電站地下廠房，對應的基本參數(shù)和主要現(xiàn)象來自于陳菲等的研究(陳菲等， 2015)。為核實這兩個案例的具體情況，作者進行了大量文獻調(diào)研。對于黃金坪水電站地下廠房，龔軍(2013)結合現(xiàn)場勘查、地應力反演及數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析認為地下廠房屬于中高地應力區(qū)，圍巖的穩(wěn)定性較差； 張金龍等(2021)報道了該工程中與地下廠房巖性及地應力水平相似的引水隧洞在開挖過程洞壁成形性較差且新生裂縫多，根據(jù)表 4所示的高地應力定性判據(jù)，可認為黃金坪水電站地下廠房為高地應力區(qū)。針對龍灘水電站地下廠房，龔光偉(1985)提及該廠房勘測過程中無巖爆現(xiàn)象及餅狀巖芯； 劉欣(2007)數(shù)值模擬后認為該廠房開挖過程較為穩(wěn)定，故表 6中將該案例定性分級為低地應力是合理的。然而，梅松華等(2004)在龍灘水電站地下廠房可行性研究階段做了4組地應力測試點，得到初始最大主應力σ1=6.00～19.88MPa(平均值為12.94MPa)，顯然陳菲等(2015)對該廠房的地應力σ1=12.94MPa取的是現(xiàn)場實測地應力的平均值，而非高地應力考察段的真實地應力值，該數(shù)據(jù)點也可能分布在圖 5中堅硬巖低地應力區(qū)的可能(如保持Rc=155.00MPa不變，當σ1=6.00MPa時)。根據(jù)龍灘水電站地下廠房對應的σ1=6.00～19.88MPa和Rc=155.00MPa，采用“強度 & 應力”耦合判據(jù)對該案例地應力的定量分級結果應為低-高地應力。為了更清楚顯示高地應力“強度 & 應力”耦合判據(jù)的邊界，依據(jù)上述調(diào)研事實，將黃金坪水電站地下廠房視為高地應力案例，并將龍灘水電站地下廠房的數(shù)據(jù)修改為σ1=6.00MPa和Rc=155.00MPa展示在圖 5中。由此，式(3)表示的“強度 & 應力”耦合判據(jù)能夠明顯地區(qū)分出堅硬巖低和高地應力區(qū)。

表 7 36個堅硬巖地下工程的地應力分級結果對比Table7 Comparison of geostress rating results for 15 underground projects with hard rocks

5.2 準確性檢驗

為進一步檢驗“強度 & 應力”耦合判據(jù)的準確性，表 7收集了36個來自于國內(nèi)外多個行業(yè)領域(如鐵路、水利、金屬礦等)的地下工程案例(陶振宇， 1988； 張志強等， 1998； 張樂文等， 2010； 張德永， 2011； 申艷軍等， 2014； 馬振旺等， 2019； 劉東坡， 2020； 周航等， 2020； 吳枋胤等， 2021； 段淑倩等， 2022)。由于源文獻中僅有σ1和Rc數(shù)據(jù)，故此表中僅給出國家標準(GB50287-2016)及本文判據(jù)對高地應力的判別結果?？梢钥吹?，國家標準(GB50287-2016)將兩個高地應力案例誤判為低地應力，評價結果準確率為94.4%，而本文判據(jù)對所有案例的地應力等級均判別正確。由此證明本文提出的“強度 & 應力”耦合判據(jù)非常適用于堅硬巖高地應區(qū)的評價。

圖 9 地下工程高地應力“強度 & 應力”耦合判據(jù)圖Fig. 9 The diagram of high geostress criterion for surrounding rocks based on “strength-stress” double constraint

需要補充說明的是，上述“強度 & 應力”耦合判據(jù)未涉及非堅硬巖，即圖 5中存在一個非堅硬待定區(qū)。為了更好地指導工程實踐，本文收集了一些非堅硬巖案例(陳子全， 2018； 陳衛(wèi)忠等， 2019； 孟陸波等， 2022)，并展示在如圖 9所示的二維圖中。參考國家標準(GB50287-2016)的高地應力定量判據(jù)(Rc/σ1≤7)，可將非堅硬待定區(qū)劃分為非堅硬巖低地應力區(qū)和高地應力區(qū)。故對于非堅硬巖，建議采用如下邊界方程判別高地應力區(qū)：

(4)

表 8 24個非堅硬巖地下工程的地應力分級結果Table8 Rating results of geostress for 24 underground projects with non-hard rocks

由式(3)和式(4)組成的約束條件可稱為地下工程高地應力的“強度 & 應力”耦合判據(jù)。然而，非堅硬巖與堅硬巖的物理力學性質(zhì)存在較大差異，高地應力條件下的破壞現(xiàn)象也截然不同，故針對式(4)作為非堅硬高地應力判據(jù)的正確性以及此區(qū)可能存在的其他約束關系，需要在未來統(tǒng)計更多案例的基礎上開展深入探討，本文不作過多討論。

6 基于“強度 & 應力”耦合判據(jù)的高地應力定量分級標準

在實際工程中，高地應力區(qū)內(nèi)不同巖石強度和地應力條件下的高地應力破壞現(xiàn)象的劇烈程度也有所差別。較輕微的破壞(如巖芯餅化、劈裂和輕微巖爆等)對工程影響較小，而諸如強烈或極強巖爆因伴隨著大塊巖石的拋射常帶來較大的危害。為了更好地指導工程實踐，兩個國家標準均對高地應力區(qū)進行了細化分級，如國家標準(GB/T500218-2014)劃分了兩個等級(4≤Rc/σmax<7和Rc/σmax<4)； 國家標準(GB50287-2016)將高地應力區(qū)進一步細分為極高(Rc/σ1<2)、高(2≤Rc/σ1<4)和中等地應力(4≤Rc/σ1<7)3級。為了檢驗這類比值型判據(jù)能否對不同劇烈程度的高地應力破壞現(xiàn)象進行較好的判別，將表 6和表 7的86個案例數(shù)據(jù)展示在如圖 10所示的二維圖中?？梢钥吹?，在每個區(qū)域中都存在多種高地應力圍巖破壞現(xiàn)象，說明利用一維形式的比值判據(jù)難以區(qū)分不同破壞程度的案例。以國家標準(GB50287-2016)為例，將中等-極高地應力的分級標準顯示在該圖中，可見，在中等地應力范圍中不僅出現(xiàn)了巖芯餅化、剝裂等輕微破壞案例，而且分布著中等巖爆、中-強烈?guī)r爆這些破壞較嚴重的案例； 在高和極高地應力范圍存在輕微巖爆和剝裂這些較輕微的破壞現(xiàn)象。

圖 10 國家標準(GB50287-2016)對地下工程高地應力的分級結果Fig. 10 Rating results for high geostress of underground projects in national standard(GB50287-2016)

圖 11 基于“強度 & 應力”耦合判據(jù)對地下工程高地應力的分級結果Fig. 11 Rating results for high geostress of underground projects based on “strength-stress” double constraint

圖 12 高地應力“強度 & 應力”耦合判據(jù)分級標準圖Fig. 12 The diagram of “strength-stress” double constraint rating standard for high ground stress

根據(jù)前述分析可知，“強度 & 應力”耦合判據(jù)能夠準確地區(qū)分出低和高地應力區(qū)。因此，本文嘗試用“強度 & 應力”耦合判據(jù)對高地應力區(qū)進行進一步分級劃分，如圖 11所示。從圖中可以看出，根據(jù)圍巖的破壞形式和巖爆劇烈程度，高地應力區(qū)可被細分為中、中-高、高、高-極高以及極高地應力等5個區(qū)域。在這5個區(qū)域中，隨著地應力等級的增高，圍巖破壞程度也大體上呈現(xiàn)逐漸嚴重的趨勢。相對于圖 10而言，耦合判據(jù)分級標準對低地應力區(qū)和極高應力區(qū)這2個極端區(qū)間而言，可以準確判別無誤。此外，中-高、高-極高兩個過渡區(qū)的存在，一方面反映了深部圍巖破壞程度由輕微到強烈的自然演化規(guī)律，另一方面充分反映了高地應力破壞現(xiàn)象顯現(xiàn)過程中“強度 & 應力”的耦合作用，也說明了耦合判據(jù)的合理性和科學性。從偏于安全的角度出發(fā)，這5個區(qū)域可以以圖中淺藍線(

R

c

+8

σ

1

=320)和紫線(

R

c

+8

σ

1

=540)作為邊界線劃分為中等、高和極高地應力3個范圍。為便于應用，各個范圍的邊界方程以及控制點坐標清晰地展示在圖 12中。

綜上所述，在實際工程中，針對堅硬巖的高地應力區(qū)的判別及分級，首先獲取Rc和σ12個參數(shù)并根據(jù)式(3)判別高地應力區(qū)； 在此基礎上，以圖 12中各個邊界方程為分級標準對地應力等級進行進一步劃分，從偏于安全的考慮評價開挖過程圍巖可能存在的破壞形式及其劇烈程度，為合理地制定災害防控措施提供參考。

7 結 論

通過上述研究分析和討論，得到如下主要結論：

(1)高地應力術語及概念的出現(xiàn)和形成，和地下工程中特殊的圍巖破壞現(xiàn)象(如巖芯餅化、巖爆等)密切相關，因此屬于巖體工程范疇。研究高地應力判據(jù)是以服務于地下工程災害防治為目的。雖然高地應力的概念已被廣泛使用，但是目前還未有比較統(tǒng)一的定義。

(2)高地應力判據(jù)及其分級標準的建立經(jīng)歷了由定性判據(jù)到定量判據(jù)的發(fā)展過程，這和人們對深部圍巖特殊破壞形式的認識加深過程密切相關，符合人類認識事物本質(zhì)的一般規(guī)律。

(3)現(xiàn)有國家標準所采用的強度應力比指標是一維比值形式，不能全面考慮巖石強度、地應力的絕對值大小，也不能反映“強度 & 應力”的耦合關系，具體應用時也存在判別結果難以符合工程實際的情況。

(4)基于巖石強度和地應力兩個要素，從二維尺度提出了高地應力“強度 & 應力”耦合判據(jù)。該判據(jù)不僅考慮了巖石強度和地應力的絕對邊界，而且包含了兩者耦合后的約束條件。眾多工程實例檢驗結果證實該判據(jù)能非常準確地判別高地應力區(qū)，可在工程實踐中推廣應用，并進一步檢驗或改進該判據(jù)的合理性。

(5)提出了基于“強度 & 應力”耦合判據(jù)的高地應力區(qū)分級標準。整體上，該分級標準可以把地應力區(qū)分為低、中、中-高、高、高-極高以及極高等5個區(qū)間，中-高和高-極高等2個過渡區(qū)的存在反映了“強度 & 應力”的耦合關系，同時也證實了耦合判據(jù)及其分級標準的合理性和科學性。該分級標準能較好地判別圍巖破壞現(xiàn)象的劇烈程度，可為地下工程穩(wěn)定性分析和工程地質(zhì)災害預防提供參考。