■尹志芳

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004）

地應(yīng)力是積存于天然巖體內(nèi)部未擾動的應(yīng)力,是巖體中存在的一種固有力學(xué)狀態(tài)，是巖體區(qū)別于其他固體(如土體)的最基本特征。 地應(yīng)力不僅是評價地殼穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，也是深部地下工程設(shè)計與施工重要指標(biāo)參數(shù)之一。 福建省受地形影響，省內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大多需要穿山越嶺，深大隧道分布越來越多， 地應(yīng)力對隧道工程的影響愈發(fā)顯著，需要更深入地了解火成巖地區(qū)地應(yīng)力的分布規(guī)律，為深埋地下工程巖爆預(yù)測提供可靠依據(jù)，從而科學(xué)地指導(dǎo)深埋地下工程的設(shè)計與施工。

由于受大地構(gòu)造、地形地貌、不同巖石特征等的影響，地應(yīng)力的分布呈現(xiàn)為非均勻性，為了探求地應(yīng)力的分布的規(guī)律性，世界許多學(xué)者對地應(yīng)力分布規(guī)律做了大量的統(tǒng)計分析，取得了許多有意義的成果。 霍克和布朗(Hoek & Brown)[1]統(tǒng)計了大量的實測地應(yīng)力資料后指出，一般而言，巖體結(jié)構(gòu)中的鉛垂向地應(yīng)力主要由上覆巖體的自重產(chǎn)生，水平向地應(yīng)力介于同一深度的鉛垂向地應(yīng)力分量的0.5～3 倍。朱煥春等[2]統(tǒng)計世界范圍內(nèi)不同巖石的地應(yīng)力分布規(guī)律， 發(fā)現(xiàn)巖石的地應(yīng)力與巖石的成因密切相關(guān)。景鋒等[3]統(tǒng)計我國范圍內(nèi)三大類巖石（巖漿巖、變質(zhì)巖及沉積巖）垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力分布規(guī)律，不同成因的巖性地應(yīng)力分布特征有一定的差別。 趙德安等[4]在前人的分析基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析了我國不同巖性側(cè)壓比隨埋深的變化規(guī)律，并根據(jù)不同巖性形成不同機(jī)理探討了側(cè)壓比變化規(guī)律的差異。

因福建省大部分地區(qū)巖性為火成巖，福建省的實測地應(yīng)力數(shù)據(jù)也大都集中于火成巖分布區(qū)。 本次搜集了福建省閩東南地區(qū)深部地下工程近20 多個鉆孔的地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)，通過多組數(shù)據(jù)統(tǒng)計，建立閩東南火成巖巖石的垂直應(yīng)力、最大和最小主應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律圖，根據(jù)統(tǒng)計可知，火成巖的側(cè)壓系數(shù)一般大于1， 表明閩東南地區(qū)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主。

1 垂直應(yīng)力隨埋深分布特征

本次搜集的垂直應(yīng)力實測資料主要來源于福建省內(nèi)公路、 水電等項目深埋隧道的實測資料，其實測資料大都分布于600 m 以內(nèi)。 根據(jù)對垂直應(yīng)力實測資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，建立了火成巖垂直應(yīng)力與其埋深的散點(diǎn)關(guān)系圖（圖1）。

圖1 閩東南地區(qū)火成巖垂直應(yīng)力與埋深關(guān)系

由圖1 可知，閩東南地區(qū)火成巖的垂直應(yīng)力與埋深基本上呈線性關(guān)系，并對其兩者關(guān)系進(jìn)行回歸統(tǒng)計分析，得到式（1）。

式中：σv為垂直應(yīng)力（MPa）；H 為埋深（m）；R為線性相關(guān)系數(shù)。

從式（1）可知，垂直應(yīng)力與埋深的線型相關(guān)性好。 垂直應(yīng)力與埋深的變化梯度基本上與火成巖的重度吻合，表明火成巖的重度是垂直應(yīng)力的重要組成部分。

2 水平應(yīng)力隨埋深分布特征

本研究中所搜集的巖體中的最大和最小主應(yīng)力值一般采用鉆孔中的水壓致裂法試驗獲得。 水壓致裂法是以平面彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，假設(shè)被測巖體為各向同性的線彈性體，主要原理是利用鉆桿將一對可膨脹的橡膠封隔器放置在鉆孔預(yù)定深度，然后采用增壓裝置對該段鉆孔增壓，根據(jù)該段孔壁壓裂過程曲線的壓力特征值計算地應(yīng)力， 由此得到最大、最小主應(yīng)力。 因該方法具有操作簡單、周期短、測試深度深等有優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水電、交通、礦山等巖石工程以及地球動力學(xué)研究的各個領(lǐng)域。

根據(jù)搜集的閩東南地區(qū)火成巖最大、最小水平主應(yīng)力實測資料，建立最大、最小主應(yīng)力與埋深關(guān)系圖，如圖2、圖3 所示。

圖2 最大主應(yīng)力隨埋深變化關(guān)系

由圖2、圖3 可知，在埋深100～550 m 實測范圍內(nèi)， 閩東南地區(qū)火成巖的最大主應(yīng)力為3.47～16.07 MPa，最小主應(yīng)力為3.22～12.79 MPa，最大、最小主應(yīng)力與埋深表現(xiàn)為線性關(guān)系，并對其兩者關(guān)系進(jìn)行回歸統(tǒng)計分析，得到式（2）～（3）。

圖3 最小主應(yīng)力隨埋深變化關(guān)系

對比兩者公式， 閩東南地區(qū)火成巖的最大、最小水平主應(yīng)力的回歸梯度小于景鋒[3]等統(tǒng)計的全國范圍內(nèi)的結(jié)果，最大主應(yīng)力回歸公式的常數(shù)項也偏小，但最小主應(yīng)力回歸公式的常數(shù)項偏大；表明福建地區(qū)最大、最小主應(yīng)力隨埋深變化梯度明顯小于全國范圍的統(tǒng)計結(jié)果， 深部的水平應(yīng)力明顯偏小，閩東南地區(qū)整體地應(yīng)力表現(xiàn)不高。 這可以為該區(qū)域深部地下工程的巖爆等方面預(yù)測提供較好的參考意義。

3 最大主應(yīng)力方向

本次搜集的實測的最大主應(yīng)力方向主要表現(xiàn)為兩組：一是NE30°～NE63°；二是NW10°～NW56°。最大主應(yīng)力方向玫瑰花圖見圖4， 最大主應(yīng)力方向主要表現(xiàn)為NE 和NW 向， 這與福建省地區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的走向表現(xiàn)一定的相關(guān)性。 根據(jù)福建省區(qū)域地質(zhì)資料， 福建省大地構(gòu)造上長期受到太平洋板塊、 菲律賓板塊與歐亞大陸板塊NW 向不同的碰撞、擠壓影響，該地區(qū)地質(zhì)歷史上經(jīng)歷了多次地殼運(yùn)動， 從而造就了福建地區(qū)多條NE 及NW 向的規(guī)模巨大的區(qū)域斷裂帶，這些斷裂帶晚更新世以來仍有活動[5]。 最大主應(yīng)力方向區(qū)域上受到區(qū)域地殼構(gòu)造活動控制，從而印證了最大主應(yīng)力方向表現(xiàn)與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造走向的相關(guān)性。

圖4 最大主應(yīng)力方向玫瑰花圖

4 側(cè)壓系數(shù)隨深度特征

目前，國內(nèi)外習(xí)慣采用兩個水平方向應(yīng)力的平均值σh.av與垂直向應(yīng)力的比值σv的比值來表示側(cè)壓系數(shù)。 根據(jù)我國已有的地應(yīng)力測試結(jié)果表明，在測試深度較淺(一般小于1 000 m)時，側(cè)壓系數(shù)比較分散，數(shù)值也較大。 隨著測試深度的增加，側(cè)壓系數(shù)分散減小，并且向趨于1 附近集中[2]。

根據(jù)搜集的閩東南地區(qū)地應(yīng)力實測資料，建立側(cè)壓系數(shù)隨深度散點(diǎn)變化圖（圖5）。 分析側(cè)壓系數(shù)隨深度的散點(diǎn)變化圖可知：（1）閩東南地區(qū)地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)一般大于1，總體在0.9～2.0 變化，表明閩東南地區(qū)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，但總體構(gòu)造應(yīng)力不高。 （2）側(cè)壓系數(shù)隨著測試深度增加變化規(guī)律與我國其他地方地應(yīng)力測試結(jié)果表現(xiàn)一致，主要表現(xiàn)為隨埋深的增加，側(cè)壓系數(shù)分散性減少，并且向數(shù)值1 附近集中。

圖5 側(cè)壓系數(shù)隨埋深變化散點(diǎn)圖

5 結(jié)論

本研究通過搜集閩東南地區(qū)多個工程的地應(yīng)力實測資料，統(tǒng)計分析了閩東南地區(qū)火成巖的地應(yīng)力分布規(guī)律，可以得到的結(jié)論如下：（1）閩東南火成巖地區(qū)地應(yīng)力在測試深度范圍內(nèi)表現(xiàn)為與深度呈線性相關(guān)。 淺部水平應(yīng)力明顯偏小于全國范圍內(nèi)的統(tǒng)計結(jié)果，整體表現(xiàn)為低應(yīng)力區(qū)，為該區(qū)域深部地下工程的巖爆預(yù)測等方面提供較好的參考意義。（2）閩東南最大主應(yīng)力的方向受到區(qū)域地殼構(gòu)造活動控制，與區(qū)域斷裂帶的走向存在相關(guān)性，主要表現(xiàn)為NE 和NW 兩個方向。 （3）閩東南火成巖地區(qū)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主， 側(cè)壓系數(shù)總體在0.9～2.0，總體構(gòu)造應(yīng)力不高。 隨埋深的增加，側(cè)壓系數(shù)分散性減少，并且向數(shù)值1 附近集中。 （4）福建省閩東南地區(qū)位于臺灣海峽西岸，受歐亞板塊與太平洋板塊構(gòu)造運(yùn)動影響，福建省地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變，且向內(nèi)陸延伸巖性也變化多端，對變質(zhì)巖和沉積巖的地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)較少，特別是三大類巖石更深部實測數(shù)據(jù)都偏少，對其規(guī)律性認(rèn)識還存在不足的地方。 但本研究統(tǒng)計的火成巖地應(yīng)力的一些變化規(guī)律，可以為福建省內(nèi)相關(guān)地殼區(qū)域穩(wěn)定性研究及深部地下工程行業(yè)提供一定的參考。