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【摘要】如何评价工程岩体中赋存的高应力状态一直是工程设计人员需要考虑的问题，对原地应力状态的准确把握是地下工程稳定性评价的重要基础，而选择可行的高地应力判据是进行地应力状态评价的前提条件。通过前人的研究成果，在详细分析现有各种原地应力评价判据的基础上，对原高地应力评价的评价方法和判别标准进行了概括总结，以方便其他工程参考使用。
【关键词】高地应力；判别；研究现状
Analysis of the Present Situation of High Earth Stress Interpretation Technology
Wang Rui1，Li Ming-liang1，Deng Xiang-hui1，Zhang Jin-zeng2
（1.School of Civil and Architecture Engineering ， Xi'an Technological UniversityXi'anShanxi710021；
2.China Railway eighteen Bureau Fifth Engineering Co.， LtdTianjin300222）
【Abstract】How to evaluate the high stress state in engineering rock mass has always been a problem that should be taken into account by engineering designers. Accurate grasping of in-situ stress state is an important foundation for the stability evaluation of underground engineering， and the selection of feasible high ground stress criterion is carried out Prerequisite for the evaluation of in - situ stress state. Based on the research results of the predecessors， this paper summarizes the evaluation methods and criteria of original highland stress evaluation in detail based on the analysis of existing in-situ stress evaluation criteria， so as to facilitate the reference of other projects.
【Key words】High earth stress；Distinguish；Current research situation
1. 引言
近年来，随着我国资源开发和基础设施建设的不断发展，隧道和地下工程建设进入了大发展时代。我国山脉众多，地形地质条件复杂，重大工程中需要建设的深埋长大隧道越来越多，目前长度超过10Km，埋深超过1000m的隧道已司空见惯。尤其在西部地区，隧道工程穿越的地质体多经历强烈的地质构造改造和浅表生改造，其地质结构复杂，地应力高，例如西康线秦岭铁路隧道最大埋深1600m，花岗岩强度为325MPa，初始地应力最大值达86.16MPa；成昆线关坝村隧道埋深1650m，硅质灰岩强度120MPa，地应力高达35MPa；重庆渝长线铁坪山公路隧道隧道埋深480～550m，石英砂岩强度80～110MPa，最大地应力为28.4MPa。对于这种深埋隧道，由于围岩处于较高的初始地应力状态（简称高地应力区），且洞室周围的岩体一般是高强度的脆性硬岩，在三维高地应力条件下表现为延性，但当开采扰动发生卸荷时又表现为脆性（转化为平面应力或单轴受力状态），致使岩体经常发生弹射、膨胀突出、崩塌、甚至岩爆等猛烈的破坏，这种现象将极大地威胁隧道施工的安全。快速、准确的判释围岩的初始应力场是否属于高地应力，将对隧道工程设计施工提供有力的技术支持。
2. 高地应力判别标准
2.1我国陶振宇教授（1983） [1]对高地应力给出了一个定性的规定：高地应力是指岩体的初始应力场中水平初始应力分量，大大地超过其上覆岩层的岩体重量。
2.2孙广忠教授（1993）[2]认为高地应力还与岩石所受的应力历史和岩石弹性模量等诸多因素有关。同时提出了高应力地区和低地应力的一些地质标志（表1），可大致区别地应力的高低水平。
2.3目前定量判别高地应力的方法主要有三种：
（1）以地应力的绝对大小划分，认为最大主应力达到20～30MPa时，就可以认为岩体处在高应力状态。
（2）天津大学薛玺成（1987）[3～4]提出高地应力区的划分应以构造应力在应力场中的贡献大小为根据。以此为基本出发点，用多元回归分析可分别求出自重应力场与构造应力场，分析两者在地应力场中的贡献大小与配比。建议用下式划分地应力区：
n=I1/I10
式中：I1 ——实测地应力的主应力之和；I10 ——相应测点的自重应力主应力之和；n——比值.。
n>2，为高地应力区，即50%以上的地应力值是由构造应力产生的；
n=1.5-2，为较高地应力区，在应力场中有30～50%是构造应力产生的，其余为重力场应力；
n=1-1.5，属一般地应力区，n=1时是纯自重应力场。
（3）利用岩石单轴抗压强度（σci ）和最大地应力（ σ1 ）的比值，即： Gn = σci σ1
式中：σci ——围岩单轴抗压强度；σ1 ——围岩最大地应力值。
不同国家对于地应力的高低界定值却有很大的差别，部分国内外分级方案（见表3）。虽然其分级标准各有不同，但国内大都以《工程岩体分级标准》（GB/T 50218-2014）为准（见表2）。
3. 高地应力判别方法
3.1基于以上三种判别标准，在实际工程中主要采用现场测试法和理论分析法来分析围岩的初始应力状态。
3.1.1现场测试法。
（1）由于岩石单轴抗压强度较易获得，故测试围岩最大地应力成为该方法的难点。蔡美峰教授依据测量基本原理将现场测量方法分为直接法和间接法两大类[5]。直接测量地应力大小和方向的方法主要有应力解除法、应力恢复法、水压致裂法、钻孔崩落分析法等。间接推断地应力大小和方向的方法有测量岩芯波速各向异性法、岩芯微裂隙取向统计法、震源机制推断法、横波分裂法等。相对而言，直接测量法比间接推断法更为可靠、准确。
（2）近年来，研究人员又提出了一种相对简便的室内测试方法Kaiser效应测试法[6]。这种方法在现场采得定向岩芯，在室内取定向岩样放在压力机上加载检测岩石试样声发射。根据岩石声发射的Kaiser效应，判定试样的先存应力，由此确定现场采岩心地点的地应力。该方法简便经济，可测得岩石历史最大应力，对于地质力学及工程应用都有重要意义。
3.1.2理论分析法。
近年来国内外很多的学者对地应力值的大小开展了大量理论推导研究，总结起来地应力的计算分析主要经历了定性研究和定量研究两个阶段。
（1）定性研究。
这种分析方法主要在地应力研究的早期，海姆[7]提出的“静水应力式”分布认为地应力以水平应力为主；前苏联学者金尼克[8]根据平面应变弹性理论提出了垂直应力为主的观点，水平应力为垂直应力与侧压系数的乘积。这些工作揭示了地应力的分布规律，认识到了地应力对工程影响的重要性，但是却无法给出具体的量值来指导工程设计与施工。
（2）定量研究。
地应力的现场观测可以得到测点“真实”的地应力资料，特别是随着科学技术的发展，观测设备和观测方法也越来越先进和准确，但是现场观测的最大缺点就是费用太高。因而，根据有限的观测资料进行初始地应力场分析计算，以得到整个工程区的初始应力值及分布规律就显得具有极其重要的意义。现阶段主要有粘弹性理论为基础的解析法计算、基于有限元软件的数值计算法和位移（应力）反分析法都有着广泛的应用。
3.2以粘弹塑性理论为基础的解析法，根据现场得到的位移观测资料，按照地应力形成理论来计算工程区的地应力。这种方法的最大优点是计算简单方便，理论严谨，可以节约大量的地应力测点费用，在地质条件不是特别复杂的地区应用这种方法会取得比较满意的结果。这种方法的缺点就是不能充分考虑地质条件的复杂性，况且每一种解析方法的假定与实际条件都有较大的差距。人们普遍认为这种将按复杂规律分布的初始地应力进行正演计算的研究实用价值不大，但可以作为初期对工程区地应力场的一种估算方法。
3.3近二、三十年来，随着计算机技术和数值分析计算方法的进步，使得进行大型的数值模拟和计算成为可能，各种数值计算方法不断涌现。位移图谱反分析法、初始地应力的反推原理、初始地应力位移反分析计算的有限单元法等，通过位移反分析推求初始应力场。边界荷载调整法、岩体初始地应力场的分析方法、地应力场趋势分析等，通过应力反分析推求初始应力场。
3.4在国外，这方面的理论研究主要集中在位移反分析上。其中，比较著名的是
日本神户大学的樱井春辅[16]等人提出的位移-应变反馈确定初始地应力与地层参数值的有限单元法。美国学者古德曼（R.E.Goodman） [17]在岩石力学专著中已提到可依据位移量反算初始地应力，意大利学者焦德（Q.Gioda） [18]己从事位移反演理论研究多年，并已取得系列成果，包括可同时确定初始地应力场和地层特性参数的优化反演分析理论。
4. 结论
综上所述，高地应力的判别方法很好地体现了多角度多指标分析的思路，对其他工程有较大的借鉴意义。初始地应力场的分析依旧是工程界的难题，现场测试操作复杂且成本过高，而仅靠理论分析结论的准确性难以保证，在实际工程中有可能出现判定略有差别的情况，故结合围岩稳定性分析对初始地应力状态进一步深入研究，是高地应力判释技术亟待解决的问题和发展的方向。
参考文献
[1]陶振宇. 试论高地应力区的岩体特性[J]. 地下工程，1983（3）：5～9.
[2]孙广忠. 工程地质与地质工程[M]. 北京：地震出版社，1993.
[3]薛玺成，郭怀志，马启超. 岩体高地应力及其分析[J]. 水利学报，1987（3）：52～58.
[4]姚宝魁，张承娟. 高地应力坝区硐室围岩岩爆及其断裂破坏机制. 水文地质与工程地质，1985（6）：17～20.
[5]蔡美峰. 地应力测量原理和技术[M]. 北京：科学出版社，2000.
[6]LI C，NORDLUND E. Experimental verification of the Kaiser effect in rocks[J]. Rock Mech Rock Engng，1993，26（4）：333～351.
[7]谢和平，陈忠辉著. 岩体力学[M]. 北京：科学出版社，2004.
[8]沈明荣，陈建峰编. 岩体力学[M]. 上海：同济大学出版社，2006.
[9]杨志法，刘竹华. 位移反分析法在地下工程设计中的初步应用[J]. 地下工程，1981（2）：20～24. [10]冯紫良，杨林德，李成江. 初始地应力的反推原理[J]. 隧道工程，1985（4）：42～48.
[11]杨林德，黄伟，王幸. 初始地应力位移反分析计算的有限单元法[J]. 同济大学学报，1985，20（4）：69～76.
[12]白世伟，李光煌. 二滩水电站坝区应力场研究[J]. 岩石力学与工程学报，1982（1）：45～56.
[13]郭怀志，马启超，薛玺成等. 岩体初始应力场的分析方法[J]. 岩土工程学报，1983，5（3）：64～75.
[14]张有天，胡惠昌. 地应力场的趋势分析[J]. 水利学报，1984，5（4）：31～38.
[15]肖明. 三维初始应力场反演与应力函数拟合[J]. 岩石力学与工程学报，1989，8（4）： 337～345.
[16]樱井春辅. 关于岩石力学领域的研究[J]. 世界隧道，1992（2）：1～7.
[17]凌贤长，蔡德所等. 岩体力学[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.
[18]杨林德. 岩土工程问题的反演理论与工程实践[M]. 北京：科学出版社，1999.
[19]谢和平. 矿山岩体力学及工程的研究进展与展望[J]. 中国工程学报，2003，5（3）：31～38.
[20]陈士林， 钱七虎， 王明洋. 深部坑道围岩的变形与承载能力问题[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24（13）：2203～2212.
[21]王明洋，周泽平，钱七虎. 深部岩体的构造和变形与破坏问题[J]. 岩石力学与工程学报，2006，25（3）：448～455.
[22]冯夏庭，江权，苏国韶. 高应力下硬岩地下工程的稳定性智能分析与动态优化[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27（7）：1341～1352.
[23]王孝健，高地应力区地下工程围岩变形破坏模式研究[D]. 西安： 长安大学，2013.
[24]王成虎， 宋成科， 刘立鹏. 地下洞室围岩脆性破坏时的应力特征研究[J]. 岩土力学：2012，33（增1）：1～7.
[25]李鸿博. 高地应力软岩公路隧道大变形机理及工程应用研究[D]. 武汉：华中科技大学， 2012.
[26]李自强，王明年，于丽. 深埋硬岩特长隧道快速掘进技术研究[J]. 隧道建设， 2015，35（3）： 232～237.
[27]姜跃东，王玉米. 山区特长公路隧道高地应力问题分析评价及防治措施[J]. 公路， 2013（1）：278～283.
[28]陈国庆，冯夏庭，张传庆等. 深埋硬岩隧洞开挖诱发破坏的防治对策研究[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27（10）：2064～2071.
[29]李建军. 大相岭泥巴山隧道高地应力段施工技术[J]. 铁道建筑技术，2012（1）：85～89.
[30]王毅东. 木寨岭隧道高地应力大变形施工技术[J]. 2004（增）：246～249.
[31]李廷春. 毛羽山隧道高地应力软岩大变形施工控制技术[J]，现代隧道技术，2011，45（2）：59～66.
[32]卢波，丁秀丽，邬爱清. 高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31（增2）：3831～3846.
[基金项目]基金资助：陕西省教育厅专项科研计划项目（15JK1337）
[作者简介] 王睿（1981-），男，职称：讲师，博士研究生，研究方向为岩土与隧道工程。
【关键词】高地应力；判别；研究现状
Analysis of the Present Situation of High Earth Stress Interpretation Technology
Wang Rui1，Li Ming-liang1，Deng Xiang-hui1，Zhang Jin-zeng2
（1.School of Civil and Architecture Engineering ， Xi'an Technological UniversityXi'anShanxi710021；
2.China Railway eighteen Bureau Fifth Engineering Co.， LtdTianjin300222）
【Abstract】How to evaluate the high stress state in engineering rock mass has always been a problem that should be taken into account by engineering designers. Accurate grasping of in-situ stress state is an important foundation for the stability evaluation of underground engineering， and the selection of feasible high ground stress criterion is carried out Prerequisite for the evaluation of in - situ stress state. Based on the research results of the predecessors， this paper summarizes the evaluation methods and criteria of original highland stress evaluation in detail based on the analysis of existing in-situ stress evaluation criteria， so as to facilitate the reference of other projects.
【Key words】High earth stress；Distinguish；Current research situation
1. 引言
近年来，随着我国资源开发和基础设施建设的不断发展，隧道和地下工程建设进入了大发展时代。我国山脉众多，地形地质条件复杂，重大工程中需要建设的深埋长大隧道越来越多，目前长度超过10Km，埋深超过1000m的隧道已司空见惯。尤其在西部地区，隧道工程穿越的地质体多经历强烈的地质构造改造和浅表生改造，其地质结构复杂，地应力高，例如西康线秦岭铁路隧道最大埋深1600m，花岗岩强度为325MPa，初始地应力最大值达86.16MPa；成昆线关坝村隧道埋深1650m，硅质灰岩强度120MPa，地应力高达35MPa；重庆渝长线铁坪山公路隧道隧道埋深480～550m，石英砂岩强度80～110MPa，最大地应力为28.4MPa。对于这种深埋隧道，由于围岩处于较高的初始地应力状态（简称高地应力区），且洞室周围的岩体一般是高强度的脆性硬岩，在三维高地应力条件下表现为延性，但当开采扰动发生卸荷时又表现为脆性（转化为平面应力或单轴受力状态），致使岩体经常发生弹射、膨胀突出、崩塌、甚至岩爆等猛烈的破坏，这种现象将极大地威胁隧道施工的安全。快速、准确的判释围岩的初始应力场是否属于高地应力，将对隧道工程设计施工提供有力的技术支持。
2. 高地应力判别标准
2.1我国陶振宇教授（1983） [1]对高地应力给出了一个定性的规定：高地应力是指岩体的初始应力场中水平初始应力分量，大大地超过其上覆岩层的岩体重量。
2.2孙广忠教授（1993）[2]认为高地应力还与岩石所受的应力历史和岩石弹性模量等诸多因素有关。同时提出了高应力地区和低地应力的一些地质标志（表1），可大致区别地应力的高低水平。
2.3目前定量判别高地应力的方法主要有三种：
（1）以地应力的绝对大小划分，认为最大主应力达到20～30MPa时，就可以认为岩体处在高应力状态。
（2）天津大学薛玺成（1987）[3～4]提出高地应力区的划分应以构造应力在应力场中的贡献大小为根据。以此为基本出发点，用多元回归分析可分别求出自重应力场与构造应力场，分析两者在地应力场中的贡献大小与配比。建议用下式划分地应力区：
n=I1/I10
式中：I1 ——实测地应力的主应力之和；I10 ——相应测点的自重应力主应力之和；n——比值.。
n>2，为高地应力区，即50%以上的地应力值是由构造应力产生的；
n=1.5-2，为较高地应力区，在应力场中有30～50%是构造应力产生的，其余为重力场应力；
n=1-1.5，属一般地应力区，n=1时是纯自重应力场。
（3）利用岩石单轴抗压强度（σci ）和最大地应力（ σ1 ）的比值，即： Gn = σci σ1
式中：σci ——围岩单轴抗压强度；σ1 ——围岩最大地应力值。
不同国家对于地应力的高低界定值却有很大的差别，部分国内外分级方案（见表3）。虽然其分级标准各有不同，但国内大都以《工程岩体分级标准》（GB/T 50218-2014）为准（见表2）。
3. 高地应力判别方法
3.1基于以上三种判别标准，在实际工程中主要采用现场测试法和理论分析法来分析围岩的初始应力状态。
3.1.1现场测试法。
（1）由于岩石单轴抗压强度较易获得，故测试围岩最大地应力成为该方法的难点。蔡美峰教授依据测量基本原理将现场测量方法分为直接法和间接法两大类[5]。直接测量地应力大小和方向的方法主要有应力解除法、应力恢复法、水压致裂法、钻孔崩落分析法等。间接推断地应力大小和方向的方法有测量岩芯波速各向异性法、岩芯微裂隙取向统计法、震源机制推断法、横波分裂法等。相对而言，直接测量法比间接推断法更为可靠、准确。
（2）近年来，研究人员又提出了一种相对简便的室内测试方法Kaiser效应测试法[6]。这种方法在现场采得定向岩芯，在室内取定向岩样放在压力机上加载检测岩石试样声发射。根据岩石声发射的Kaiser效应，判定试样的先存应力，由此确定现场采岩心地点的地应力。该方法简便经济，可测得岩石历史最大应力，对于地质力学及工程应用都有重要意义。
3.1.2理论分析法。
近年来国内外很多的学者对地应力值的大小开展了大量理论推导研究，总结起来地应力的计算分析主要经历了定性研究和定量研究两个阶段。
（1）定性研究。
这种分析方法主要在地应力研究的早期，海姆[7]提出的“静水应力式”分布认为地应力以水平应力为主；前苏联学者金尼克[8]根据平面应变弹性理论提出了垂直应力为主的观点，水平应力为垂直应力与侧压系数的乘积。这些工作揭示了地应力的分布规律，认识到了地应力对工程影响的重要性，但是却无法给出具体的量值来指导工程设计与施工。
（2）定量研究。
地应力的现场观测可以得到测点“真实”的地应力资料，特别是随着科学技术的发展，观测设备和观测方法也越来越先进和准确，但是现场观测的最大缺点就是费用太高。因而，根据有限的观测资料进行初始地应力场分析计算，以得到整个工程区的初始应力值及分布规律就显得具有极其重要的意义。现阶段主要有粘弹性理论为基础的解析法计算、基于有限元软件的数值计算法和位移（应力）反分析法都有着广泛的应用。
3.2以粘弹塑性理论为基础的解析法，根据现场得到的位移观测资料，按照地应力形成理论来计算工程区的地应力。这种方法的最大优点是计算简单方便，理论严谨，可以节约大量的地应力测点费用，在地质条件不是特别复杂的地区应用这种方法会取得比较满意的结果。这种方法的缺点就是不能充分考虑地质条件的复杂性，况且每一种解析方法的假定与实际条件都有较大的差距。人们普遍认为这种将按复杂规律分布的初始地应力进行正演计算的研究实用价值不大，但可以作为初期对工程区地应力场的一种估算方法。
3.3近二、三十年来，随着计算机技术和数值分析计算方法的进步，使得进行大型的数值模拟和计算成为可能，各种数值计算方法不断涌现。位移图谱反分析法、初始地应力的反推原理、初始地应力位移反分析计算的有限单元法等，通过位移反分析推求初始应力场。边界荷载调整法、岩体初始地应力场的分析方法、地应力场趋势分析等，通过应力反分析推求初始应力场。
3.4在国外，这方面的理论研究主要集中在位移反分析上。其中，比较著名的是
日本神户大学的樱井春辅[16]等人提出的位移-应变反馈确定初始地应力与地层参数值的有限单元法。美国学者古德曼（R.E.Goodman） [17]在岩石力学专著中已提到可依据位移量反算初始地应力，意大利学者焦德（Q.Gioda） [18]己从事位移反演理论研究多年，并已取得系列成果，包括可同时确定初始地应力场和地层特性参数的优化反演分析理论。
4. 结论
综上所述，高地应力的判别方法很好地体现了多角度多指标分析的思路，对其他工程有较大的借鉴意义。初始地应力场的分析依旧是工程界的难题，现场测试操作复杂且成本过高，而仅靠理论分析结论的准确性难以保证，在实际工程中有可能出现判定略有差别的情况，故结合围岩稳定性分析对初始地应力状态进一步深入研究，是高地应力判释技术亟待解决的问题和发展的方向。
参考文献
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[32]卢波，丁秀丽，邬爱清. 高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31（增2）：3831～3846.
[基金项目]基金资助：陕西省教育厅专项科研计划项目（15JK1337）
[作者简介] 王睿（1981-），男，职称：讲师，博士研究生，研究方向为岩土与隧道工程。