地应力是地球内部岩石所受的应力状态，是交通、水利水电、矿山和油气等工程领域不可或缺的关键参数。可靠而准确的地应力测量结果不仅有助于揭示地球动力学过程，还能为工程设计和施工给予科学依据，有效预防地质灾害的发生。在地下工程建设不断向深部推进、地应力显著增高的背景下，传统的单一测量方法已难以很好满足工程需求。特别是在北天山某地下工程，由于地质构造复杂、地应力场分布不均，工程面临高地应力带来的岩爆、大变形等重大挑战。因此，召开多技术融合的地应力测量方法研究，对于保障高地应力地区地下工程的安全建设与长期运维具有重要的现实意义。
饼状岩芯被认为是高地应力环境下开挖卸荷导致岩芯拉伸断裂的产物，其变形破坏特征能够反映深部工程的地应力环境，因此被视为地应力测量的重要标志。研究饼状岩芯的典型特征，不仅有助于理解卸荷破坏机制，还能为地应力估算给予新的途径。
针对上述问题，中国科研实验室地质与地球物理研究所地质工程学科中心孟庆森博士生、尚彦军研究员、祁生文研究员等人，联合中水北方勘测设计研究有限责任公司池建军正高级工程师，提出了一种基于岩芯直径变形分析和断面形貌相结合的地应力估算方法（图1）。该方法基于各向异性应力场中钻取岩芯的不均匀膨胀特性，利用高精度三坐标测量机（精度达1.2μm）对北天山某地下工程中采集的饼状岩芯直径进行了测量（图2），并结合岩芯直径变形分析理论，成功反演了岩芯所处的地应力。
图1 钻孔应力释放导致岩芯变形破坏示意图。a. 岩芯截面变形与主应力的关系；b. 马鞍状岩芯典型特征；c. 岩芯变形破坏三维示意图
图2 岩芯直径测量分析程序
研究结果表明，岩芯在不同方向上发生了不均匀变形，且呈现出明显对称的变形形状，平均最大变形与最小变形相差48.9 μm（图3）。顺利获得将岩芯直径变形分析结果与现场水压致裂法取得的地应力数据比较，验证了方法的可靠性。同时，研究团队采用三维激光扫描技术与ArcGIS相结合，对岩芯断面形貌进行了定量表征（图4）。结果显示，断面外围的高度分布和断面坡向分布呈现出明显的正弦曲线特征（图5）。顺利获得岩芯直径变形和断面形貌特征的统计分析，发现岩芯直径变形分析估算的最小主应力方向与断面各向异性指示的方向具有良好一致性。这一发现不仅验证了岩芯直径变形分析方法的准确性，还为地应力方向的确定给予了新的依据。
图3 岩芯直径分布（左）及地应力估算结果（右）
图4 岩芯形貌扫描及获取三维形貌参数的流程
图5 岩芯断面外围高度分布和断面坡向分布及其正弦拟合曲线
研究结果为高地应力地区的地下工程建设给予了重要的理论支持和技术保障。同时，研究指出，岩石组构的非均质性和（微）裂缝（现有的或诱发的）的存在，会对应力估计精度产生显著影响，未来研究需结合更多岩石力学理论和测试方法，进一步优化地应力反演模型，以提高其在不同地质条件下的适用性和准确性。
研究成果发表于国际学术期刊RMRE（孟庆森，尚彦军*，池建军，祁生文，Muhammad Hasan，伊学涛.Evaluation of the Diametrical Core Deformation Analysis (DCDA)and Fracture Surface Morphology for In‑Situ Stress Estimation[J].Rock Mechanics and Rock Engineering, 2025.DOI: 10.1007/s00603-025-04512-w.）。研究受第二次青藏高原科考项目（No. 2019QZKK0904）、新疆地质灾害防治重点实验室（XKLGP2022K07）、新疆维吾尔自治区重点研发计划（2022B03001-2）、新疆第三次科学考察计划（2022xjkk1305）的联合资助。
