千米地下深部，给大山“量血压”！长江科学院攻克超深定向钻孔水压致裂法地应力测试难题，为国家水网深埋隧洞提前“排雷”

极目新闻通讯员 张新辉

在大山肚子里挖一条几十上百公里的隧洞，最怕的不是石头硬，而是一股看不见的“劲儿”，这就是山体内部的地应力，通俗来讲就是地壳里的岩石“自带的应力”。在深埋长隧洞工程中，最怕高地应力突然释放，带来岩爆、大变形等威胁。

长江科学院岩土重点实验室地应力团队历时两年集中攻关，攻克了超深定向钻孔水压致裂法地应力测试这一技术难题，为国家水网深埋隧洞装上了探测岩体应力的“透视眼”。

隧洞开挖前，先给大山“号脉”

山体内部的地应力，其形成与演化主要来自三方面：一是头顶山体的重量，二是地壳板块挤压、构造运动，三是地表的剥蚀卸荷改造。

地应力形成与演化

深埋地下的岩体，亿万年来被四周山体死死压住，像一根根拧紧的发条。埋得越深，岩石被压得越紧、应力通常越高。平时安安静静，可隧洞一旦挖开，这股劲儿没了去处，就可能瞬间爆发——岩爆、塌方、大变形、突水，往往由此而来。

深埋隧洞高地应力的隐形威胁

因此，在深埋长隧洞工程中，地应力是需要提前探明的“第一张底牌”。能否在隧洞开挖前，精准掌握地应力的量级大小与作用方向，是工程面临的核心问题。

给大山做“地应力体检”，就是在隧洞开挖前先钻取测试钻孔，利用专有地应力测试设备，测定目标岩体在三个主方向上的应力大小和方位。

山体隧洞三维地应力场分布示意

知道了最大应力在哪儿、有多大，设计人员才能给隧洞选出最安全的路线、配上够用的支护，施工时才能提前防范岩爆和大变形。这就像给大山号脉——把到了脉，才知道哪里会“出问题”。

可难题随之而来：国家水网的深埋隧洞往往藏在崇山峻岭之下，常规钻孔基本垂直向下，上千米厚陡峭的山岭，钻探设备与人员进场困难，成为制约勘探与测试工作的一大瓶颈。

钻孔“拐弯”，精准点穴

定向钻孔是一种有效的勘探技术手段。常规钻孔多为垂直钻进，而定向钻孔可实现轨迹可控“拐弯”与“线状勘察”，沿设计轨迹斜向乃至近水平钻进山体，自山体外侧绕行至隧洞上方或前方目标区域；在合理方案下还可沿隧洞轴线布设，提前查明隧洞沿线地质条件。

该技术如同给山体实施“微创手术”，无需在山顶布设大型勘探场地，仅在山坡或山脚开设孔口，即可将地应力探头送达目标区段，实现地应力靶向测试。

长江科学院岩土重点实验室地应力团队历时两年集中攻关，攻克了超深定向钻孔水压致裂法地应力测试这一技术难题，为国家水网深埋隧洞装上了探测岩体应力的“透视眼”。

定向钻孔水压致裂法地应力测试示意图

需要说明的是，孔深≠埋深。孔深，是沿钻孔轨迹量出的长度，即钻头走过多少路；埋深，是测点到地表的垂直距离，即头顶压着多厚的山。定向钻孔常倾斜钻进，所以会出现“孔深1228米、埋深却达1486米”的情况。

千米地下“注水加压”，探出岩石的“血压”

怎么测？团队用的是水压致裂法——和给人量血压异曲同工。

封隔：用一对可膨胀的封隔器，在钻孔里把待测的一小段岩石“隔离”出来，类似量血压时先扎紧袖带。

加压：向这段封闭空间注入高压水，让压力一点点升高。

压裂：当水压超过岩石承受极限，岩石被压开一道裂缝，记下此时的“破裂压力”。

读数：反复加压、卸压，记录裂缝重新张开、闭合的临界压力，再结合裂缝方向，计算出钻孔横截面内的主应力大小与方向。

在抵抗力最薄弱的孔壁先产生张裂缝。因此那条压力曲线，就是岩石的一张“血压图”。而在一千多米深的地下，孔底根本传不上信号，这就要靠井下自动采集：把探管送到孔底，仪器自动记录，测完再“捞”上来读数。

水压致裂法地应力测试曲线图（孔口+孔底采集）

井下采集：技术人员在孔口连接采集探管，将在千米井下自动采集并存储数

现场数据采集：平板实时显示水压致裂压力曲线

1296米，这场“超深考试”难在哪

在超深、超高压的地层里测应力，是一连串“极限挑战”：

极高应力：要把承压45兆帕量级的岩石“压开”，地面和井下装备以及千米长加压管路都得扛得住超高压。

高承压水：千米地下的地下水本身积蓄着巨大压力，持续从孔口喷涌。推送设备时必须同步疏导涌水，仪器才能顺利抵达测点；测试密封过程也需谨慎，稍有疏漏，整个试验就会前功尽弃。

复杂地层：断层、破碎带与软硬互层等复杂地层条件下，定向钻孔在重力效应下极易出现掉块、孔道变形及孔壁失稳垮塌，设备顺利输送至目标岩体段是亟待解决的重点问题。

在这样的测试环境下，长江科学院地应力团队自主研发、反复迭代，开发了无轴向力高压一体式测试、欠稳定地层内置高压管路测试、多印模器联合测试等关键核心技术，形成了整套适用于超深定向钻孔的水压致裂法地应力测试装备、测试方案与井下自动采集技术，多项核心技术获得国内外发明专利授权。

钻场作业：技术人员安装设备、监控孔口压力

团队在高承压水、高应力、复杂地层条件下连续作业

截至目前，该团队已在国家水网骨干工程引大济岷工程、彭汶高速等水利、交通重大工程，累计完成10余个定向钻孔水压致裂地应力测试，其中千米级超深钻孔5个，最大测试孔深1296米，创下了国内外该领域的新深度纪录，地层最大埋深1486米，现场实测最大应力达45.3MPa。

一系列现场试验充分验证了这套完全自主研发的成套装备与技术在高承压水、高应力、复杂地层等极端地质环境下的可靠性与适应性，测试全过程实现“零事故、高效率”，整套技术体系逐步成熟，相关测试技术处于国内外前沿水平。

下一步，该团队将继续推进超高压超深定向钻孔地应力测试装备与技术升级，进一步完善测试理论与方法，加快科技成果转化、拓展应用场景，持续攻克深埋长隧洞高地应力原位测试“卡脖子”难题，以原创岩土科研力量，支撑国家重大水利工程高质量建设。

（来源：极目新闻）

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