1.1 研究背景和意义
地应力不仅能够决定区域的稳定性，并且还是地面沉降、山体滑坡、岩土工程的主要破坏作用力，因此，在工程初期需掌握工程区域的地应力特征，为保障工程安全以及施工安全提供依据[2]。地应力主要引发因素包括岩体自重、孔隙流体压力、岩体热应力、地表起伏以及构造运动等[3]。地应力因为多影响因子的作用和多源性，在地壳岩体中的分布复杂多变，即使在同一区域，不同点的地应力状态也可能存在很大差异。 地应力与围岩大变形、底板突水、岩爆、顶板垮落等一系列地质灾害有关，对工程的稳定性影响越来越大。岩体的地应力状态与工程和区域的稳定性具有直接关系，地应力测量对工程安全和资源节约有着重要作用。在大量的工程勘察、设计和施工建设中，人们逐步认识到地应力的重要作用，随着实践活动深入，地应力测量方法也不断完善和丰富。地应力测量与研究工作在许多国家都有开展，一直倍受国内外工程界和学术界的广泛关注，也是我国一个逐渐上升至战略层面的领域[4]。目前，国内外应用较为广泛的原地应力测试方法包括钻孔水压致裂原地应力测试方法[5-8]、解除法原地应力测试方法、利用钻孔岩芯或测井资料的间接测试方法等[9-11]。 地应力状态是开展地球动力学等基础研究、基础设施建设和资源开发利用的重要基础数据。因此，为了解某一区域的地应力状态，就需要通过大量原位应力测试，以获取必要的数据。因此，充分了解具体工程区域的地应力状况，从而为分析岩体工程受力情况提供依据，为支护和岩体加固工程提供决策支持。
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1.2 国内外研究进展
在早期的矿山、水电等工程建设中，国内外认识了地应力的概念，并逐步发展了地应力测量技术。世界上最早的原位地应力测量是 1932 年美国人采用应力解除法进行的原岩应力的岩体表面测量技术，该项技术被应用于美国哈佛坝泄水隧洞工程[20]。1958 年，哈斯特利用压磁应力计进行矿区地应力实测，研究表明，岩体内的应力状态不能像其他材料一样通过理论计算得到，而需要进行实测，并首次测得近地表地层中实测水平应力高于垂直应力，这一重要结论为地应力测量提供了新的研究方向[21]。1965 年以前，由于技术和设备限制以及认识的不足，通常只测量岩体的平面应力状态。对岩体的平面应力状态进行测量，所得结果是应力的变化值，并不是原始绝对应力值，这一时期通常采用的方法有应变计法、光弹应力计法、孔径变形计法、刚性圆柱应力计法等[22]。60 年代中期以后，三维地应力测量技术应运而生。1962 年，Scheidgger 首次利用油井孔底压力曲线分析了地应力[23]；1964 年，Fairhurst 首次利用水压致裂技术测量地应力[24]；1967 年，Fairhurst 和 Haimson 分析了水压致裂法的原理和影响因素，并在实践中得以成功应用[25]。Haimson 还进行了水压致裂法模拟试验和现场测量研究，并在理论研究中重新考虑了对孔隙水压和岩石渗透性的影响[26-28]。此外，Haimson 将水压致裂法的测量结果和其他方法所得结果进行了比较，显示良好的一致性[29]。1970 年，美国首先在油气井中运用水压致裂法测得地应力，随后很多学者开始对压力—时间曲线进行研究[30-37]，这表明水压致裂法的基本理论得到了认可。随着地应力测试方法和相关理论的不断成熟，20 世纪 70 年代以来，基于水压致裂法和应力解除法，相继出现了钻孔孔壁破坏、钻孔岩石弹性应变恢复、钻孔岩芯及地质与地球物理等四种原地应力测试方法。20 世纪 70 年代中期，大规模水利工程、地下工程等的建设促进了地应力测量工作的广泛开展，普遍采用的测量方法是水压致裂法和三轴孔壁应变计法。美国科罗拉多矿业学院的 Stephansson 教授在 20 世纪 80 年代初，进一步发展了水压致裂法，提出了适用于围岩应力测试的套筒致裂法[38]。
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2 研究区概况
2.1 概述
引汉济渭工程是大型跨流域调水工程。引汉济渭工程规划有两处水源区，一处为汉江干流黄金峡水利枢纽，另一处为汉江一级支流子午河三河口水利枢纽。调水工程通过黄金峡泵站从黄金峡水电枢纽水库中抽汉江水输入子午河上的三河口水库，经三河口水库调节后，再经秦岭长隧洞自流对关中地区供水，年供水量 15.5 亿 m3。 大黄公路是三河口水利枢纽通往黄金峡水电枢纽工程的公路。大坪公路隧道属于大黄公路的一部分，其进口位于佛坪县大河坝镇沙坪河右岸穆家湾（里程由 K4+490～6+590m），出口位于洋县金水镇东沟漆坪一组（K6+590～8+692m）。隧洞全长 4202m。进口高程 658.5m，出口高程 699.3m，断面为圆形，限高 5.00m，净宽 9.00m。
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2.2 工程地质条件
2.2.1 地形地貌
大坪隧道所在地区的地貌类型属于中山剥蚀地貌，地形起伏比较大，隧道轴线最大高程 1229 米，最小高程 653.70 米（隧道进口沟底），相对高差 575 米，属越岭隧道，山体近东西向展布，沟底遍布灌木及杂草，山脊基岩裸露。北端进口山坡坡向 N29°W。坡度约 35～45°，局部呈陡坎，有第四系松散的坡积土覆盖，上部相对较陡覆盖较薄；南端出口坡面呈直线型，山体坡度在 40～50°，基本基岩裸露，坡向 N39°W。
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3 地应力影响因素及分布规律 ...... 13
3.1 地应力基本概念 ........ 13
3.2 地应力主要影响因素 ....... 13
3.3 地应力分布规律 ........ 16
3.4 我国地应力场的区域划分....... 20
3.5 陕西省及邻区地应力场特征.......... 21
4 秦岭隧洞（黄三段）地应力测试方法 ..... 23
4.1 测试方法选择依据 .... 23
4.2 孔径变形法 ......... 24
4.3 水压致裂法 ......... 34
5 秦岭隧洞（黄三段）地应力测试...... 41
5.1 孔径变形法地应力测试 .......... 41
5.2 HZK06、HZK09 测试段水压致裂法地应力测试 .... 52
5 秦岭隧洞（黄三段）地应力测试
5.1 孔径变形法地应力测试
孔径变形法地应力测试在大坪隧道内进行。大坪隧道隧洞全长 4202m，桩号为 K4+490～K8+692m，进口高程 658.5m，位于佛坪县大河坝镇沙坪河右岸穆家湾，出口高程 699.3m，位于洋县金水镇东沟漆坪一组。隧道断面为圆形，高5.0m，宽 9.0m。在大坪隧道内，布设孔径变形法地应力测试点 HZK14 一处，该测试点位于隧洞中部 K6+790 断面，距隧道出口 1892m，洞底高程为 698m，埋深约 450m。 在测试点HZK14处布设测试钻孔3个，钻孔编号分别为HZK14-1、HZK14-2、HZK14-3。3 个钻孔布设在同一铅垂面上，其中 HZK14-1 钻孔为铅垂向，在17.3-20.0m 不同深度范围内选取了 5 段进行测试，获得了 3 组试验曲线；HZK14-2钻孔为斜孔，在 18.65-21.5m 不同深度范围内选取了 5 段进行测试，获得了 5 组试验曲线；HZK14-3 钻孔为斜孔，在 17.8-19.75m 不同深度范围内选取了 4 段进行测试，获得了 4 组试验曲线。
结论
本文通过分析总结地应力测试的国内外研究现状的基础上，结合工程情况和条件，选取孔径变形法和水压致裂法作为秦岭隧洞黄三段的地应力测试方法，并从测试原理、主要设备、测试步骤等方面对这两种方法进行详细的研究。通过孔径变形法对 HZK14 测试段及水压致裂法对 HZK06 测试段、HZK09 测试段进行地应力测试，主要研究结论如下：孔径变形法（三孔交汇）测试点 HZK14 位于大坪隧道 K6+790 断面，埋深约 450m，孔径变形法测的最大主应力为 24.08MPa，中间主应力为 18.98MPa，最小主应力为 4.90MPa，最大主应力倾角 4.30°，倾角较小，接近水平向。铅垂向应力分量 σz=5.46MPa 小于测试段自重应力（约 13MPa），铅垂向应力分量较小可能是由于地质构造及岩体结构等原因引起的。 从水压致裂法地应力测试结果可以看出，HZK06 实测深度 139.5～210.0m，最大水平主应力值为 13.66～15.45MPa，最小水平主应力值为 7.83～11.16MPa；HZK09 实测深度 187.0～206.0m，最大水平主应力值为 15.11～16.51MPa，最小水平主应力值为 9.22～9.85MPa。 在水压致裂法测试深度范围内，HZK06、HZK09 钻孔最大、最小水平主应力值随岩层深度增加均变化不大。 无论是孔径变形法还是水压致裂法地应力测试结果均表明，水平应力大于铅垂应力，由此可以看出，测试段地应力是以水平应力为主导的地应力场。
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参考文献（略）
