《岩石工程地应力评价技术规范》

1岩石工程地应力评价规范仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本GB/T7714信息与文献参考文献著录规则GB/T*****原位地应力测量方法(国标计划号：20253519-T-469)3术语和定义2根据地应力的量值和方向，结合岩体强度或三向应力大小比值，对地应力场状态进行系统性的等级划分。注：主要用于评估地应力对岩体工程稳定性的影响程度。强度应力比strength-stressratio岩体单轴抗压强度与工程区最大主应力量值的比值。注：用于评价地应力对岩体稳定性影响的关键指标。侧压系数lateralpressurecoefficient水平主应力量值与垂向应力量值的比值。注：分为最大水平主应力侧压系数、最小水平主应力侧压系数和平均侧压系数。4基本规定4.1岩石工程地应力评价应遵循安全可靠、技术先进、经济合理、节能环保的原则，以工程安全为导向，注重评价成果的科学性、实用性和可操作性，确保评价内容与工程建设需求相匹配。4.2地应力评价应与岩石工程勘察阶段相匹配，遵循先资料分析、后现场测试、再综合评价的流程，评价资料应准确、完整、可追溯。4.3地应力评价应包含工程场地地质条件、区域构造应力场、工程扰动、生产开采扰动等方面的分析，覆盖工程全生命周期的应力影响评估需求。4.4地应力评价应优先采用现场实测数据，实测数据应占评价依据的主导地位，室内试验、数值反演计算及地质类比方法可作为补充。4.5地应力测试方法应根据工程规模、岩体完整度、地质条件及评价精度要求综合确定，可单独或组合采用水压致裂法、应力解除法、声发射法等，地应力测试方法应符合GB50021和GB/T50266的规4.6地应力评价前应收集以下资料：a)应收集工程区域的基础地质资料；b)应收集岩石室内试验资料；c)对资料缺失或存在矛盾的区域，应及时开展现场测试或室内试验，大型复杂工程宜采用多种测试方法相互验证；d)矿山工程应额外收集采矿工程设计资料，包括采矿方法、巷道与竖井部署、开采深度、开采范围及采动影响分区等资料；e)石油天然气、地热工程应额外收集地震反演波阻抗、声波时差及密度测井等地球物理资料、储层特征、井身结构、压裂改造等资料；f)地应力现场测试成果。4.7地应力评价结果包括地应力大小、主地应力方向、地应力场分布。4.8地应力评价除应符合本文件规定外，尚应符合国家现有相关标准的规定。5评价内容5.1一般规定35.1.1评价内容包括区域地质与构造、岩石力学参数、地应力实测数据、地应力场分区、三维地应力场、地应力特征；5.2区域地质与构造a)工程区域构造背景：明确大地构造单元、构造演化历史，分析构造运动对地应力场的控制作用，结合工程类型关注重点构造特征；b)地层产状：查明地层走向、倾向、倾角及分布连续性，分析其对地应力分布的影响；c)岩性组合：梳理岩性构成、分布及接触关系，明确软硬岩分层及岩体完整性；d)断裂特征：查明断层分布、规模、充填物及活动性质，分析断层对地应力的分流、集中作用；e)节理裂隙发育程度：调查节理裂隙组数、产状、间距等参数，评价其对岩体完整性及地应力传递的影响。5.2.2地震活动强度包括：收集地震动参数及历史记录，评价地震活动对地应力场稳定性的影响，划分地震危险等级。5.3岩石力学参数a)核心力学参数：测定单轴抗压强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比等参数，明确其统计特征，结合工程类型补充专项参数；b)空间分布规律：分析力学参数随深度、空间位置及岩性的变化规律，绘制空间分布图；c)参数适用性修正：结合工程实际工况，对实测参数进行修正，确保与实际应力环境一致；5.3.2岩体质量关联分析：结合岩体质量分级，建立岩体质量与力学参数的关联关系，工程岩体按照GB/T50218的要求进行分级。5.4地应力测试数据5.4.1地应力测试数据包括：a)地应力测试的方法；b)不同岩性、深度及构造单元等关键工程部位测点的地应力实测数据；c)最大、中间、最小主应力的量值及空间方向。5.4.2地应力测试数据的合理性和可靠性分析。5.5地应力场分区5.5.1地应力场分区应依据区域地质与构造、岩石力学参数、地应力测试数据，遵循“地质一致性、应力相似性、工程关联性”原则，结合工程类型明确分区指标；5.5.2地应力场应明确各分区地应力机制类型、主应力量值范围、方向及分布均匀性，标注重点应力异常区域。5.6三维地应力场a)根据区域地质与构造及地应力测试数据，明确建模范围、精度及边界条件；b)采用专业数值软件，构建三维地质-工程耦合模型，通过数值反演校准岩石力学参数；c)模拟地应力场随深度、空间位置的演化特征，及工程全生命周期内的动态变化。45.7.4关键参数分析：最大、最小、垂向主应力及方向，强度应力比5.7.5变化规律分析：分析地应力随深度、空间位置、岩性及构造单元的变化规律，明确应力突变6.1.1地应力评价方法主要包括理论模型计算法、经验评估法、反演分析法6.1.2对于钻孔、油气井筒等点状或线性延伸的工程，当可获取连续测试数6.1.3对于水电、隧道等线性工程，可简化工程边界条件，采用6.2.1理论模型计算法适用于岩层受力6.2.2理论模型计算以获取地应力沿单6.2.3计算模型可参考附录A.1,应结合工程区域的地层岩性、地质构造条件，选择适配的地应力解释模型；不同模型的适用条件、优缺点可参考附录A.2。a)地质学分析法：应系统查阅工程区域相关地质勘察资料，或开展现场实地勘察，优先选取56.4.1反演分析法适用于勘察设计阶段的6.4.2应基于数值模拟与回归分析原理，以6.4.4应选取可靠、具有代表性的地应力实测数据作为反演约束条件，实测数据的数量应满足反范围；反演结果与实测值的拟合误差应小于±15%,且符合工程区域的地质构造特征。6.5.1数值模拟法适用于大型复杂岩石工程的三维应力场求解，主要应用于水电洞室群、矿山采6.5.2建立三维地质模型应基于工程区6.5.3室内试验反演的等效岩体力学6.5.4三维地应力场的求解应采用有6.5.5数值模拟结果应选取工程区域内的6.5.6岩体力学参数、模型边界条件等参数应根据数值模拟结果与整，直至拟合误差满足工程精度要求(拟合误差小于±15%)。6.5.7数值模拟结果应输出工程区域三维主应力分布特征和地应6.5.8应对工程建设过程中的应力重分布特征进行分析，明确工程施工、采矿、压裂等活动引发6.6.1地震反演法适用于缺乏现场实测条件6.6.2工程区域的地震勘探数据应收集型及地震属性数据(如纵波速度、横波速度、泊松比、弹性模量等);收集的数据应进行去噪、去66.6.4地震属性与岩体力学参数的关联模型，应通过已知测点的岩体力学参数(弹性模量、泊松比等)与对应地震属性的拟合分析建立，确定两者的量化关系，实现岩体力学参数的三维空间插值。6.6.5地震反演法初始约束条件的设定应结合区域地质构造背景，包括地层自重应力分布、区域构造应力方向，将地震反演得到的三维岩体力学参数作为输入，采用弹性波传播理论构建地应力反演模型。6.6.6反演工程区域三维主应力的量值及空间方向，应基于地震波速度各向异性特征，重点分析构造断裂带、岩性突变区的应力分布差异，量化各向异性对地应力分布的影响。6.6.7地震反演得到的地应力数据，应选取工程区域内已有的地应力实测数据、室内试验反演结果进行校核，计算拟合误差，误差应控制在工程允许范围内。6.6.8对拟合误差超标的区域，应调整地震数据预处理参数、岩体力学参数与地震属性的关联模型，重新进行反演计算，直至满足精度要求。6.6.9工程区域地应力的空间分布规律，应输出三维预测数据体进行表征，明确最大、中间、最小主应力的空间分布，以及应力集中区、应力释放区的位置和范围，结合工程类型分析地应力演化特征，为工程设计、施工风险防控提供依据。6.6.10地震反演结果应与数值模拟法、现场实测法结果相互印证，形成综合评价结论，提高三维地应力评价的科学性和可靠性。7评价结果7.1一般规定7.1.1应结合工程特点及要求明确评价的重点区域、深度范围、精度要求及核心目标。7.1.2地应力分级应根据主应力量值、强度应力比及工程类型划分。7.1.3主应力方向应采用地理方位角(0°~360°)或与正北夹角表示，并通过玫瑰图、等值线图等可视化方式呈现。7.1.4应采用先进的评价方法，除了符合本文件，还应符合国家现有相关标准的规定。7.1.5地应力评价结果应直接应用于工程布局、支护结构设计、施工方案制定、采矿方法选择及工程风险防控等环节，并对高地应力区(如岩爆、大变形风险区)提出专项控制措施。7.1.6所有地应力评价结果均应进行合理性验证，结合区域地质构造背景及已有实测数据进行校核；当评价结果与实测数据偏差较大时，应调整模型参数或补充现场测试工作，重新开展评价。7.1.7评价结果包括地应力大小、方向和三维空间相对分布情况。7.1.8石油天然气、水利、水电、矿山、地热等不同工程领域可结合本行业特点，对地应力大小结果进行相对性分级评价。7.1.9地应力评价结果与地应力测试结果对比，大小误差宜控制在(±)15%以内，方向误差宜控制在(±)10°以内，地应力三维空间分布大小、方向相对变化趋势应一致，且无奇异极值，具体工程领域可作进一步要求。7.2地应力大小7.2.1明确工程区域内垂向、最大水平和最小水平主应力的实测值、计算值及量值范围，给出各主应力的平均值、最大值、最小值和梯度。不同深度地应力分级可根据水平应力梯度相对大小进行评价，并符合表1的规定。三向应力梯度评价应力等级不统一时按最高等级评价，不同工程领域可结合本行业特点，根据地应力绝对大小分别进行地应力等级评价。7深度(m)垂向应力梯度最大水平主应力最小水平主应力地应力等级低中高低中高低中高低中高7.2.2绘制地应力随深度的变化曲线，分析垂向主应力、水平主应力的深度变化规律，确定7.2.3给出工程各分区的地应力量值范围和地应力分级结果，明确相对高、低地应力区和量值界定标准。7.2.4计算工程区域的侧压系数和强度应力比，给出各系数的空间分布特征。7.3.2地应力方向的空间分布规律，应通过绘制主应力方向玫瑰图、等方位线图进行分析，明确褶皱)的关联性。7.3.4工程区域内主应力的方向应分区给出范围，明确不同分区的优势主应力方向。7.4.2三维地应力场分布应明确工程区域应力集中区、低应应力集中的成因(地质构造、岩性突变、工程扰动等),并明确其对工程施工的影响。7.4.3三维地应力场的分区结果应根据地应力大小、方向、强度应7.4.4三维地应力场的演化应根据不同工程阶段7.4.5三维地应力场分布的表征，可参考附录D.2.2的形式绘制垂向应8应包含工程区域地应力机制类型(正断型、逆断型、走滑型)划分结果；地应力分级与地应力场分9(资料性)μ——岩石泊松比(无量纲);S——垂向应力(MPa),按S=pgh计算，其中p为上覆岩层平均密度，g为重力加速度，h为计算深度；若上覆岩层分层明显，按Sv=∑'=1Pigh;计算，pi为第i层岩层平均密度，h;为第i层岩层厚度，n为岩层数。K——岩石骨架应力系数(无量纲);A.1.3Eaton模型S₁——最大水平构造应力增量(MPa);S——最小水平构造应力增量(MPa)。Newberry模型βr——最大水平应力系数(无量纲);β₂——最小水平应力系数(无量纲)。……(A.11)8H——最大水平主应变(无量纲);Eh——最小水平主应变(无量纲)。y——与Biot系数和泊松比有关的系数(无量纲);EH、EH₂——最大水平构造应变(斯伦贝谢核心标定参数);αveri——垂直方向的有效应力系数(无量纲);αhor——水平方向的有效应力系数(无量纲)。D₁——非平衡构造因子(无量纲)。vv——垂直泊松比(无量纲);Vi——水平泊松比(无量纲)。β——地层倾角(°);δ——地层倾向();0——最大水平主应力方向(°)。μg——骨架非平衡因子(无量纲).不同一维地应力计算模型的适用条件、优缺点及提出时间如表A表A.1一维水平地应力解释模型的适用性—资料性优缺点提出时间均匀各向同性介质优点：公式简单，计算便捷；缺点：未考虑孔隙压力、构造应力影响型均匀各向同性介质优点：考虑了地层孔隙压力；隙介质优点：引入Biot系数，改进孔隙压力项；缺点：未考虑构造应力优点：改进Anderson模型，适配低渗地层；缺点：未考虑构造残余应力三向地应力不等的区域优点：考虑了构造残余应力；缺点：忽略杨氏模量对水平应力的影响组合弹簧模型三向地应力不等的区域算精度高；多孔弹性应变模型氏模量变化，适用范围广；优点：多孔弹性应变模型的特例，计算简便；优点：通过测井资料间接计算现今地应力；优点：考虑岩石各向异性；改进SN模型缺点：模型参数复杂A.3模型选择原则A.3.1对于均匀、各向同性的简单地层，可选用Dinnik模型、Matthews-Kelly模型等简单模型；对于低渗地层，优先选用Newberry模型。A.3.2对于考虑孔隙压力的地层，优先选用Anderson模型、修正Anderson模型；对于存在明显构造应力的区域，优先选用黄氏模型、组合弹簧模型。A.3.3对于砂泥岩互层、各向异性显著的地层，优先选用ADS法、SN模型、改进SN模型；对于大多数工程地层，多孔弹性应变模型、双轴应变模型为通用优选模型。A.3.4工程中可采用多种模型进行对比计算，结合现场实测数据校核，选取与实测结果偏差最小的模型作为最终计算模型。(规范性)适用深度范围<2000m(浅-中深部)完整、无明显裂隙的结晶岩(花岗岩、玄武岩等)>1000m(深部)岩、灰岩等)积岩(页岩、砂岩等)套管井，套管固井质量良好无限制体求无限制孔径变形法(应力解除优点缺点直接获取水平最大、最小主应力大小和方向；果表B.2地应力测试方法的特点(续)优点缺点10%以内);适用于复杂应力场分析对岩心质量和定向精度要求极高；实验周析三维地应力测量；测量深度无限制复柔量，参数选取复杂；测试周期较长B.3测试方法选择原则B.3.1对于深部、完整坚硬岩体，优先选用水压致裂法，可直接获取水平主应力的大小和方向；若需补充历史应力场信息，可联用声发射法。B.3.2对于完整、均质的中浅部岩体，优先选用孔径变形法，测试精度高，可获取三维应力信息；对于取心困难的岩体，可选用小压测试法。B.3.3对于需快速获取主应力方向的工程，可选用钻孔崩落与破裂法，配合成像测井提高测试效率；对于复杂应力场分析，优先选用差应变曲线法。B.3.4对于软岩、较破碎岩体，优先选用滞弹性应变恢复法，适配性强；对于砂泥岩、页岩等沉积岩，可选用差应变曲线法、ADS法。B.3.5大型复杂工程应采用两种及以上测试方法联用，实现测试结果的相互验证，降低测试误差。(规范性)C.1水压致裂法计算细则C.1.2关键压力值判读a)瞬时闭合压力Ps:压裂裂缝停止扩展并开始闭合的压力，表征最小水平主应力的作用；b)破裂重张压力Pr:压裂裂缝重新张开的压力；c)临界破裂压力Pb:岩石发生破裂的初始压力；d)孔隙压力Po:岩体中的天然孔隙水压力，可通过现场测试或测井资料获取。C.1.3主应力量值计算C.1.3.1当垂直主应力与钻孔轴线平行时，最小水平主应力T₀——岩石的抗拉强度，可通过室内巴西劈裂试验获取。p——上覆岩层平均密度(kg/m³);h——测试段深度(m)。b)当测试段上覆岩层分层明显时，按式(C.4)分层叠加计算：p——第i层岩层的平均