ASR法在隧道工程地应力测试中的应用前景分析

甘 俊，王海晓

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；3.内蒙古农业大学 能源与交通工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

地应力大致可分为原始地应力和诱发地应力，原地应力指的是岩体内部未受到工程干扰的原始应力，即(in-suit stress)。原地应力来自多方面[1]：岩体自重，地形(势)变化，板块运动，地壳剥蚀，封闭应力。在工程建设中，如隧道，地下工程，矿山，水电站等，原位地应力状态都是前期工程可行性的关键点[2]。目前主流的地应力测量方法包括空心包体应力解除法和水压致裂法地应力测量，空心包体应力解除法在实际测量过程中需考虑不能与孔壁完全贴合的情况，此外还容易受到温度以及电路情况的影响[3]。水压致裂法有诸多优点，因其适应性强，精度高，同时测试周期短，数据处理方便，在工程实践中应用广泛，但其设备繁琐，测试时受地质状况影响较大(需要测试段岩石完整度较好)，且成本较高。深部地层面临高温，高水压，高地应力的三高现象[4]，水压致裂测量法的成本随着测量深度不断加大。深部隧道工程中急需一种经济，高效，测量精度高的地应力测试方法。地应力测量近年来在矿区，隧道已有不少研究例子[5-9]。

ASR法因其不受测量深度影响，测试成本低精度高，并且测量工具简便易携带，是研究深部地应力状态的一种有效手段。汶川地震一号科学钻孔中国首次采用ASR法进行地应力测试[5]，之后该方法在深部科学钻孔，地震断裂带中开始陆续应用[10-15]。本文中采用ASR法对湖南慈利县某隧道进行地应力测量，取得了地下494米处的岩芯，通过定向岩芯卸载的非弹性应变恢复计算得出原位地应力状态。与同一深度范围内水压致裂测量法的数据相比较， ASR法测得的原位应力状态与水压致裂法基本一致。

1 ASR法基本原理

岩石具有流变性，是一种粘弹性组合体[16]。当岩芯从地底中取出时，离开地层中的应力场，处于卸载状态，发生应变恢复，初期为弹性应变恢复，后续为滞弹性应变恢复。通过测得的滞弹性应变变形恢复的变化推算该深度范围内的原地应力状态，是ASR测量法的理论基础。

图1 岩石流变性应力应变图[5]

国际上最早提出ASR法猜想的是Voight[17]，其理论 认为岩石的非弹性应变恢复与岩石的总应变恢复量(非弹性应变恢复和弹性应变恢复之和)成正比关系。Teufel将Voight的理论进行实践并制作了相关的设备[18]。ASR法的理论研究中，Blanton[19]建立了零阶模型，该模型假设岩芯为各向同性的材料，可由应变松弛过程中对应的时间计算得出主应变的变化量。Warpinski和Teufel等[20]将其发展为一阶蠕变模型，使用两个独立的蠕变柔度变量，即体积柔度和变形柔度。Matsuki将该理论进一步完善为二阶蠕变模型[21]，由此才是真正意义上的三维应力分析，测量中需要至少测得六个方向的应变测量值，并由应变恢复计算出应力的大小与方向[22]。

由拉普拉斯变换解中的相似原理和非弹性应变恢复柔度，任意方向岩芯卸载后其非弹性应变恢复与原地应力之间的关系可表示如式(1)所示。

(1)

式(1)中l,m,n是应变轴的余弦大小，σx,σy,σz,τxy,τxz,τyz为六个应力分量。Jas和Jav分别为剪切变形模量和体积变形模量，σm为平均主应力，p0为孔隙压力，αT和ΔT(t)分别为岩石的线性膨胀系数和温度变化值。此外三维主应力大小还可用下式(2)表达。

(2)

ei(t)为非弹性偏应变i=1，2，3，em(t)为平均正应变。由式(1)和式(2)可知原地应力的大小与非弹性应变大小、温度，以及岩石热膨胀系数、孔隙压力、非弹性应变恢复的体积模量和剪切模量有关。测量期间保持温度恒定，孔隙压力不变，同时测量装置稳定，此时可由测得的相关非弹性应变，以及岩石的非弹性应变恢复柔度计算得到岩石的原位应力状态。

2 ASR法测量流程

现场测试流程：①取芯：从钻孔中取出岩芯后须尽快进行测量以便获得更多的岩石原位地应力信息，初期岩芯的非弹性应变恢复数值比较大，尽早进行测量能提高结果的可靠度，一般从取芯到开始测量不宜超过四个小时。岩芯须挑选各项均质、无裂隙的完整岩芯，其长度一般不少于15cm。此外，为减少取芯的时间误差，应取靠近底部的岩芯。②清洁：取芯之后用保鲜膜包好，到达试验室，用酒精湿纸巾对岩芯进行清洁，除去其表面的附着物(泥浆，机油等),若有凹凸不平之处，须先用砂纸进行轻微打磨，之后再用酒精湿纸巾擦拭干净。岩芯的两头须标记好深度。③贴片：粘贴应变片之前须检查应变片是否正常。为防止端部效应的影响，应变片粘贴位置距离岩芯底部至少需一倍直径以上，应变片的粘贴位置用卷尺先量好，并做好标记。本文中选用-45°，0°，45°，90°四个方向分别进行应变片的粘贴，如图2所示，9个应变片具有独立方向。粘贴过程中应尽量避免裂纹及凹凸不平之处，胶水与岩芯粘贴需紧密，检查岩芯与应变片之间的空气是否排尽。应变片表面处涂些许胶水，起到防潮抗干扰效果。④连接应变仪：连接应变仪之前须检查应变仪是否正常，接上应变仪后开始检测岩石的非弹性应变恢复，为提高试验的可靠度，测量时间一般不少于7天。⑤数据处理：测量结束后，用计算机进行处理，通过非弹性应变恢复值计算得出测点的应力大小以及方向。

图2 岩芯应变片分布图

3 ASR法可靠性分析

3.1 测点地质概况

湖南发育的构造体系较多，有东西向构造体系、南北向构造体系、各种扭动构造体系、北西向构造体系以及体系归属不明的其他构造。慈利县处于湘西北的一个向北西方向凸出的弧形构造带的弧形转折部位，地壳构造较复杂。隧址区属构造侵蚀、溶蚀低的山丘陵地貌，隧道沿线范围内最高标高为911.3m，最低标高约222.3m，相对高差约689m，地形起伏大。谷中有零星侵蚀、溶蚀堆积地貌，山顶成驼峰、马鞍状地形，两侧高、中间低，进出口段为斜坡地貌，山坡呈陡缓相间的阶梯状。

3.2 ASR法与水压致裂法测量结果对比分析

来自底部的岩芯如图 3所示，岩芯取出后开始测量其弹性应变恢复值，连续监测七天。结果显示：曲线符合非弹性应变恢复的规律，曲线的应变变化量达300～700微应变，其变化远远超过仪器的误差，满足测量的要求。九个独立应变方向的应变观测曲线采用最小二乘法求出六个独立方向的应变恢复值，通过应变矩阵求得其主应变。

(a)现场取芯(b)粘贴应变片(c)连接应变采集仪图3 选芯、贴片及连接应变采集仪

其中9个方向的应变观测曲线如图4所示，计算得出三个主应变(ε1，ε2，ε3)以及平均应变εm，测量结果显示系统测量期间，数据比较稳定漂移较小可以忽略，温度变化控制在±0.5℃，应变皆为张拉，且初始应变大，6000min左右以后岩石的变形开始趋于稳定变化平缓，符合非弹性应变的变化规律。

(a)非弹性应变恢复值(b)主应变及平均应变值图4 非弹性应变恢复值及主应变和平均应变恢复

同一深度范围内，水压致裂法的应力-时间曲线如图 5所示，从曲线上可获得破裂压力以及多个回合的重张应力以及关闭压力(最小水平主应力)。当岩芯深度为494m时，ASR法和水压致裂法地应力测量结果，如表 1所示，其结果显示ASR测量的应力比水压致裂测量法测得最大水平应力值要大1.29Mpa，最小水平应力要小2.11Mpa，可能是井下的温度和室内的温度不一致以及钻孔处孔隙压力有差异等原因引起的。室内温度约为22℃，测量期间温度引起的应力已经释放，岩石在室内测量过程中水分的些许蒸发会导致其孔隙压力变化，两种方法得到的最小水平应力误差约15%左右，这也验证了ASR测量法的可靠性。

图5 水力致裂法应力-时间曲线

表1 ASR法与水压致裂法结果对比

4 应用前景分析

ASR法是直接测得岩石变形物理量的原位地应力测量方法，其基本原理与空心包体应力解除法相类似，理论基础都相对完善，其差异之处在于 ASR测量法主要测的是岩石的滞弹性应变恢复，而空心包体则是对岩石的弹性变形进行监测，水压致裂法地应力测量则是在测试深度范围中采用可膨胀的橡胶封隔器加压液体使岩石张开破裂，由压裂过程中的应力曲线得到原位地应力信息。与以上两种地应力测量法相比，ASR地应力测量法的优势可以概括为以下几点：①ASR法不受钻孔深度和地质条件的限制，特别是断裂带破碎带中，其他地应力测量方法无法实施时，ASR法取得一小段完整岩芯仍可进行测量；②ASR测量法在岩芯表面进行粘贴应变片，应变片所贴的位置可以有效避开裂隙处，且测量期间能够保证测试温度,湿度的相对稳定；③ASR测量法经济便捷，不需要像水压致裂法一样准备大型的机械设备，对于技术人员来讲只需一次取芯也提高了其工作效率，也更安全。

ASR测量法也有其局限性：①一般来讲ASR测量法适用于深孔取芯测量，钻孔不宜少于300米，若钻孔较浅其应变也会较小，ASR的测量精确也会受到影响；②测量期间一般七天以上，在测试过程中岩芯可能存在轻微失水收缩变形，这与岩芯脱离地下应力场的膨胀变形相反，对于黏土含量高的岩石这种现象尤为明显。③一般从钻孔底部取到岩芯到底面都需要一定的时间，若钻孔过深则早期的非弹性恢复变形无法测到，这会对测量精度有一定影响。

ASR测量法安全、经济、高效，受测试环境以及测试深度影响较小，未来地下深部科学勘察，工程勘察中ASR法与水压致裂法、钻孔崩落法等其他方法联合使用，可获得更可靠的原位地应力信息。

5 结论

本文介绍了ASR测量法的基本原理，测试流程，以及其在隧道工程中的应用前景。与同一深度范围内水压致裂对比，并分析了ASR在未来隧道工程中的应用前景，得出结论如下。

(1)ASR测量法理论完善能够测得地下的三维应力状态，是直接通过粘贴应变片获岩芯应变恢复的物理量，由应变以及柔度推算出原地应力状态。测试过程中保持温度、湿度恒定，同时保证粘贴应变片以及应变采集仪的稳定就能够获得相对可靠的地应力信息。

(2)ASR法与同一深度范围内的水压致裂法测得的应力大小相比，二者测得的应力大小相差15%左右，表明了ASR测量法的可靠性。

(3)ASR测量法应用范围广，只要能够取得均质完整的岩芯，就能进行地应力测量。并且其成本低，安全，高效，在隧道工程地应力测量有着广阔的应用前景。