汶川8.0級地震前后福堂隧道應力場變化研究

李天斌,陳國慶,嚴　駿,2,羅　凱

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059; 2.江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司,江蘇 南京 210028)

地應力場是地質環境和地殼穩定性評價,以及工程設計的重要參考指標,直接影響區域內工程的安全性和穩定性[1].如高地應力聚集是斷裂帶發生地震的重要原因[2],強震前后斷裂帶周邊區域應力量級和方向均產生較大變化[3],故地震對區域地應力環境產生了較大影響[4-9].

眾多學者運用地應力測量[10-11]與數值回歸分析[12]對地殼應力場開展了詳細研究.鄭兵等[13]對1989年巴塘6.7級地震和2001年雅江6.0級地震前后的應力場開展了研究,結果表明地震前三義口地區地應力集中,而震后應力有較大釋放.Wan以及Luo等[14-15]通過對汶川8.0級地震前后應力場的演化規律的研究,發現地震后區域構造應力場顯著改變;Liao等[16]發現昆侖山8.1級地震后淺表最大主應力值大幅下降;郭啟良等[4]對汶川地震前后斷裂帶中的廣元—青川周邊約400 m深內的地應力進行了測量,發現大震前應力高度集中和大震后應力大幅降低;Tanaka等[17]發現阪神7.2級地震后地應力場的方向發生了逆時針偏轉.

上述研究成果表明,強震后受板塊擠壓的高地應力區出現顯著的應力下降現象.“5·12”汶川地震后高地應力本應得以釋放,但處于龍門山中央斷裂帶上盤的福堂高速公路隧道卻出現了多次較強烈巖爆和巖芯餅裂等高地應力災害,對于這種震后高地應力現象和成因機理尚未得到較好解釋.結合實測地應力資料,采用數值模擬反演分析,對強震后發震斷裂帶上盤特殊高地應力的分布特征及成因展開了研究,揭示了福堂隧道所處區域地應力的變化特征,表明上盤區域地應力沒有釋放徹底且地應力值仍然較高.本文研究對保障都汶高速公路福堂隧道的順利施工具有實用價值,同時也深化了強震對地應力影響的認識.

1　高地應力現象與應力測試

全長約5 300 m的福堂隧道(圖1)地處汶川縣岷江河谷右岸,隧址區位于V型高山峽谷區,河流面高程為1 040 m,山嶺高程處于3 000 m以上,相對高差較大.隧址區地處發震斷裂上盤構造部位,位于茂汶和映秀斷裂之間,巖性以花崗巖為主.同時該地區經歷了多次區域地質構造影響,有一定程度的變晶與蝕變特征,另外斷層和節理也較發育.

福堂隧道離“映秀—北川斷裂”約20 km,離“茂—汶斷裂”約6 km.受龍門山斷裂帶NW向強烈的逆沖推覆作用,汶川8.0級地震作用促使區域地應力釋放,然而震后福堂隧道出現頻繁巖爆及巖芯爆裂的高地應力現象.為區別正常情況下震后地應力降低的常識,將此現象稱為“震后特殊高地應力現象”.

圖1　福堂隧道地質剖面略圖Fig.1　 Geological profile of the Futang tunnel

1.1　高地應力現象

自2010年以來,福堂隧道在施工中出現了數百次巖爆災害,持續發生巖爆的洞段占隧道總長度的25.37%,以標段K18+850至標段K21+450巖爆災害頻繁.依據相關公路行業隧道巖爆烈度RMS分級方法[18],福堂隧道輕微巖爆段占總巖爆段的71.32%,中等巖爆占22.64%,強烈巖爆占5.44%,劇烈巖爆約占0.6%.在標段K19+940地應力實測鉆孔中發現巖芯餅裂現象(圖2),該地段巖性堅硬,巖餅的厚度約占鉆孔直徑的0.2倍,巖餅表層均是新鮮的無風化破裂面.巖芯餅化現象反映該區域具有明顯的高地應力特征.

1.2　震前地應力實測

汶川8.0級地震前福堂隧道附近地應力實測值來自岷江左岸布置的太平驛引水隧洞2#施工平洞測得的地應力資料[19]及由中國電建集團成都公司測得的福堂壩電站施工洞地應力資料[20],具體數值見表1.

1.3　震后地應力實測

福堂隧道地應力實測值采用孔徑變形法,以3個互相不平行的鉆孔分別進行測試,得到多個應力分量值并代入觀測方程組求得該3孔交會“點”K19+940的地應力值[21],編號S1孔部位高出洞底1.5 m,埋深為432 m.第一鉆孔S1-1,位于K19+940,鉆孔方向308°,上傾2°;第二鉆孔S1-2,位于K19+939,鉆孔方向300°,上傾3°;第三鉆孔S1-3位于K19+941.5,鉆孔方向298°,上傾5°.

圖2　地應力測試鉆孔巖芯餅裂Fig.2　Core cracks produced by in-borehole geostress tests

測試結果見表2,測點巖性為花崗巖,埋深為432 m,S1測點最大主應力為20.8 MPa,投影方向為N34.0°E,與洞軸線(N8°E)小角度相交.

表1實測地應力與模擬計算結果表
Tab.1In-situ stress testing and the model calculation resultsMPa

時間測試位置實測地應力結果σ1σ2σ3轉換坐標后的結果SxxSyySzz模擬計算結果SxxSyySzz震前岷江左岸福堂電站地下廠房，測點埋深235m18．416．511．328．6514．3616．1828．411．419．23岷江左岸太平驛引水隧洞2#施工平洞，測點埋深200m31．317．510．416．1017．5912．5119．218．212．6震后都汶高速公路福堂隧道K19+940，測點埋深432m20．812．57．09．5815．5115．2110．315．714．5

說明:σ1為最大主應力;σ2為中間主應力;σ3為最小主應力,Sxx、Syy、Szz為計算坐標應力.

表2　福堂隧道地應力測試結果Tab.2　The stress test results in the Futang tunnel

2　隧道地應力場反分析

不斷調整模型邊界的分布荷載,使模型觀測點的地應力與實測值接近,可反演回歸出隧道區域的應力場.

2.1　地質概化模型

以隧道為中心向四周擴大反演模型的范圍,對地震前后隧道區域初始地應力場進行研究.計算模型坐標原點位于隧道映秀進口端,模型范圍分別為5 km和7 km,根據地質條件,在同一巖性中再考慮淺表生改造的影響,采用3種不同的介質,如表3所示,從上到下依次為山體表面強風化帶、弱風化帶和新鮮巖體.

計算模型見圖3,共有68 939個單元,76 734個節點,采用FLAC3D軟件進行計算.

表3　計算模型巖體力學參數Tab.3　The mechanical parameters of the rock mass for the numerical model

2.2　力學參數和邊界條件

由勘察所得的力學試驗結果并參照該地區同類巖體力學參數,確定了計算模型中巖體力學參數(表3),應用彈性模型進行計算分析.

因為模型長寬比較大,加之反演的目的是隧道的地應力特征,所以模型采用應力邊界.為了能模擬映秀—北川斷裂上盤向東南方向的構造運動特征,如圖4、5所示,在模型西側和北側加應力邊界,東側和南側采用固定約束位移邊界.

圖3　福堂隧址區三維地質模型Fig.3　3D geological model of the Futang tunnel site

圖4　垂直方向模型邊界條件Fig.4　The boundary conditions of the model in the vertical direction

圖5　水平方向模型邊界條件Fig.5　The boundary conditions of the model in the horizontal direction

2.3　反分析結果

強震前后的反演計算結果如表1所示,可見震前兩個測點的實測值與計算值誤差小,震后單一測點實測值與計算值近似相等,符合邊界荷載條件反分析法的判定標準.反演模型計算結果表明,震后最大主應力在隧道出口端應力釋放不明顯,處于高地應力狀態.隧道在ZK19+615等出口段內頻繁發生巖爆等高地應力現象,甚至局部出現巖爆烈度在Ⅲ級的強烈巖爆,與反演模型所得特征吻合.因此,反演結果能較好反映出隧道區域的地應力場規律.

3　隧道初始應力場對比分析

3.1　地震前后隧道軸向主應力特征

圖6、7分別為地震前后最大和最小主應力曲線,圖中左側縱坐標表示主應力值,右側縱坐標表示隧道埋深.具有特征如下:

(1) 主應力值的整體變化規律

由圖6可知,隧道軸線進出口和中部最大主應力釋放不明顯,其余部位有不同程度釋放,應力峰值由震前值30 MPa下降至震后值16 MPa,降幅達47%.由圖7可知,除隧道軸線進出口外,最小主應力值下降明顯,由震前值14 MPa下降至震后值6 MPa,降幅達57%.上述表明即伴隨地震作用導致的應力釋放,總體上主應力值表現出下降趨勢,原因是隧址區地處龍門山斷裂帶,而斷裂帶受板塊的長時間擠壓,累積的巨大能量快速釋放,導致震后應力與能量顯著降低.

圖6　強震前后最大主應力曲線(負值為壓應力,下同)Fig.6　Maximum principal stress curves before and after the earthquake (negative values mean compressive stress,the same below)

(2) 主應力值的局部變化規律

由圖6、7可知:福堂隧道進出口和中部陡坡段應力降幅較小,局部應力還有增大;緩坡段應力降幅顯著;地震前隧道最大主應力大于20 MPa的里程約有3 280 m長,占總長的61.9%;地震后隧道最大主應力大于20 MPa洞段約有1 900 m,占總長的35.8%,且均在隧道后半段出現;應力值在隧道前半段出現較大降幅,而應力值在后半段出現較小降幅,約2%～15%;隧道出口300 m左右有約5%的應力值出現增加.

(3) 地應力釋放量的距離效應(距離發震斷層的距離)

由圖6可知,總體趨勢上福堂隧道隧址區地應力的釋放具有距離效應,即與“映秀—北川斷裂”較近的徹底關溝之前的隧道洞段應力釋放程度大于隧道后半段.在隧道中間穿越徹底關溝地形較大起伏段及進出口段,因巖體松散而沒能聚集高應力值,地震后又形成新的松弛區域,與震前相比其應力值無變化,但在隧道深埋段高地應力釋放明顯,而且距離發震斷裂越近的映秀側應力釋放越多,距離發震斷裂越遠的汶川側地應力釋放越少.

圖7　強震前后最小主應力曲線Fig.7　Minimum principal stress curves before and after the earthquake

3.2　地震前后隧址區河谷應力分布特征

為進一步查明隧址區河谷應力值特征,對地應力實測點強震前后應力變化規律進行分析.根據三維模型地應力反演計算結果,選取通過具有實測地應力點洞段K19+940(y=3 932 m)的最大和最小主應力進行分析.應力分布特征如圖8、9所示,x正軸指向東,z軸為海平面高程,其應力分布具有如下特點:

地震前(圖8):河谷西岸最大主應力約為25 MPa.由于地形作用岷江河谷底部強震前分布有應力集中區,最大主應力約為30～40 MPa,海拔高程1 000 m以上的岷江東岸應力值明顯大于西岸,1 000 m以下應力值小于西岸.

地震后(圖9):總體上最大主應力呈下降趨勢.剖面最大主應力值約為20 MPa,與實測結果接近,相比震前下降約20%.

3.3　強震前后地應力變化的工程意義

地應力是引起地下工程變形及破壞的根本原因,不同應力量級對隧道工程建設也有不同影響.福堂隧道隧址區震前處于高地應力狀態,汶川地震后K16+186～K18+850段出現應力釋放現象,不再處于高地應力狀態.因此該洞段基本未出現巖爆災害等高地應力現象,按照常規隧道設計和施工即可.而K18+850～K21+450段強震后出現特殊高地應力現象,發生了巖爆災害及巖芯餅裂現象.為保證隧道安全施工、順利貫通,K18+850～K21+450洞段的圍巖支護參數、隧道造價及其施工方法采取高應力下硬巖隧道脆性破壞防治措施.由于福堂隧道靠映秀側洞段和靠汶川側洞段處于不同的地應力狀態,導致隧道圍巖表現出不同的力學特征和災害類型,處于高應力狀態的汶川側圍巖出現了巖爆災害,從而導致圍巖支護和造價也相應提高,影響了工程進度.

圖8　震前K19+940剖面最大主應力云圖Fig.8　Maximum principal stress cloud at section K19+940 before the earthquake

圖9　震后K19+940剖面最大主應力云圖Fig.9　Maximum principal stress cloud at section K19+940 after the earthquake

4　隧道震后高地應力成因分析

4.1　斷裂帶逆沖推覆作用和距離影響

福堂隧道靠汶川側的K18+850～K21+450段為堅硬花崗巖,巖體完整,加上距離發震斷裂帶的距離比隧道進口側大,即使在強震作用下該段巖體大部分能量未釋放,應力釋放也較少.圖7、9也表明,隧址區該段震后應力值仍處于20 MPa以上,處于高應力狀態.

出現這種應力釋放少、仍然處于高地應力狀態的原因可能與龍門山逆沖推覆作用保持不變以及距離發震斷裂距離較遠且巖體完整有關.福堂隧道靠汶川側巖體在強震后仍然受龍門山斷裂帶逆沖推覆的作用,又出現新一輪的能量聚集和應力的恢復.此外,由于在汶川地震中龍門山后山斷裂帶并未破裂和發震,因此,靠近后山斷裂帶的福堂隧道一側受中央發震斷裂導致應力釋放的影響相對小,表現出一定的距離效應.

4.2　地表的淺表生改造作用

由3.2節的計算結果可知,現代地貌演化中強烈的淺表生改造作用使得坡體形成應力松弛區、應力集中區和應力平穩區(圖10).坡體表面受風化、發育節理裂隙和應力釋放的影響,巖體處于應力松弛狀態.隨埋深增大,巖體應力增幅加快并進入應力集中區,而福堂隧道K18+850～K21+450段正好穿越了應力集中區,故巖爆災害頻發.而福堂隧道特殊高地應力現象也主要是由前述斷裂帶逆沖推覆作用和淺表生改造作用所致.

圖10　河谷岸坡應力場分區示意圖Fig.10　Sketch of stress field zoning of the valley slopes

5　結　論

(1) “5·12”汶川強震后,位于龍門山中央斷裂帶上盤區域的福堂隧道施工中頻繁出現巖爆以及巖芯餅狀化現象,與該隧道設計時認為強震后地應力釋放并下降的認識差異較大,也與強震后地應力會下降的一般認識不一致.本文將這一震后高應力現象定義為“震后特殊高地應力”進行探討.

(2) 基于實測地應力值進行了隧址區域三維地應力反演回歸分析.計算結果表明,強震后福堂隧道靠映秀側洞段應力有較大降幅,而靠汶川側洞段最大主應力值仍然處于較高的18～25 MPa之間.這種特殊的高地應力特征使得隧道兩端具有不同的工程特征和災害現象.

(3) 福堂隧道的“特殊高地應力”主要受斷裂帶逆沖推覆持續作用、淺表生改造、巖體介質差異及其距發震斷裂的距離效應等因素影響而綜合形成.汶川地震中受地應力釋放的距離效應影響,以徹底關溝為界該隧道靠映秀側地應力釋放程度明顯大于靠汶川側,導致強震后福堂隧道汶川側巖體仍然存有高地應力.

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