跨程海活動(dòng)斷裂帶隧址區(qū)的地應(yīng)力特征分析

摘要：地應(yīng)力對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定和施工的安全性有著重要的影響，因此在隧道修建之前應(yīng)對(duì)隧址區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)反演，分析地應(yīng)力特征，從而指導(dǎo)科學(xué)施工、設(shè)計(jì)及災(zāi)害預(yù)防。文章以東馬場(chǎng)1號(hào)隧道為依托工程，采用水壓致裂法基本查明了跨程海活動(dòng)斷裂帶隧址區(qū)的地應(yīng)力分布特征，為日后穿越活動(dòng)斷裂帶隧道工程的相關(guān)研究提供有效的借鑒和參考。相關(guān)結(jié)論有：程海斷裂帶區(qū)域大體上處于以NNE～NEE近水平的主壓應(yīng)力為主的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，其主應(yīng)力關(guān)系為SH＞SV＞Sh，NE75°左右可能為最大水平主應(yīng)力方向，隧址區(qū)最大水平主應(yīng)力量值水平：12 MPa為埋深240 m左右時(shí)的最大水平主應(yīng)力值，16 MPa為埋深約600 m時(shí)的最大水平主應(yīng)力值。

關(guān)鍵詞：軟巖隧道； 水壓致裂法； 地應(yīng)力； 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)

中國(guó)分類號(hào)：U451+.2A

［定稿日期］2022-03-16

［基金項(xiàng)目］中建股份科技研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：CSCEC-2021-Z-26）

［作者簡(jiǎn)介］司曉麗（1979—），女，碩士，工程師，主要從事公路工程、市政工程、隧道工程方面工作；雷軍（1973—），男，本科，高級(jí)工程師，從事隧道、地鐵工程工作；賈鋒（1979—），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事土木工程工作；趙書濤（1971—），男，本科，高級(jí)工程師，從事公路、地鐵工程工作；聶金誠(chéng)（1999—），男，碩士，研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程。

［通信作者］謝金池（1998—），男，碩士，研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程。

0 引言

近年來(lái)，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的落實(shí)以及川藏鐵路等重大項(xiàng)目的相繼開(kāi)展，國(guó)家加強(qiáng)了在西部地區(qū)的交通建設(shè)，中國(guó)西部山區(qū)逐漸涌現(xiàn)出大量線路長(zhǎng)、規(guī)模大、埋深大、穿越復(fù)雜地質(zhì)的隧道。在這些隧道中暴露出越來(lái)越多的問(wèn)題，也有很多因素影響著隧道圍巖的穩(wěn)定和施工的安全性，地應(yīng)力是其中的一個(gè)重要地質(zhì)因素。因此，在開(kāi)始修建隧道之前，在隧址區(qū)開(kāi)展地應(yīng)力場(chǎng)反演，從而進(jìn)一步開(kāi)展地應(yīng)力特征分析，對(duì)指導(dǎo)科學(xué)施工、設(shè)計(jì)及災(zāi)害預(yù)防有著重大的意義［1］。

為了解區(qū)域的地應(yīng)力分布，大量學(xué)者也開(kāi)展過(guò)許多研究。進(jìn)行地應(yīng)力反演的總體思路就是基于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果逼近實(shí)測(cè)值的回歸過(guò)程［2-3］。當(dāng)前，多元線性回歸法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法為主的地應(yīng)力反演方法［4-5］。汪波等［6］通過(guò)三維數(shù)值模擬并結(jié)合回歸分析原理的方法，反演回歸對(duì)象取自蒼嶺隧道隧址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中比較有代表性、可靠的實(shí)測(cè)點(diǎn)，最終獲取了隧址區(qū)全部的地應(yīng)力場(chǎng)分布狀況。周子寒等［1］發(fā)現(xiàn)隧址區(qū)僅有單個(gè)鉆孔時(shí)反演有較高的精度，采用多元線性回歸原理并結(jié)合最小二乘法尋優(yōu)準(zhǔn)則分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因，發(fā)現(xiàn)可對(duì)隧址區(qū)的多個(gè)鉆孔進(jìn)行分段處理并分別開(kāi)展單鉆孔回歸反演。周子寒等［7］根據(jù)火山隧道地勘資料建立三維數(shù)值模型，以現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂法實(shí)測(cè)原位地應(yīng)力數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，隧址區(qū)域的初始地應(yīng)力場(chǎng)最終通過(guò)多元線性回歸法反演獲得，重點(diǎn)討論了花崗閃長(zhǎng)巖侵入面附近地應(yīng)力分布規(guī)律。裴啟濤等［8］先通過(guò)一次反演結(jié)果，再選取小范圍復(fù)雜巖體進(jìn)行精細(xì)化建模，通過(guò)遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法開(kāi)展了二次反演，對(duì)于局部地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，并且不連續(xù)結(jié)構(gòu)面發(fā)育等特殊的地質(zhì)狀況下，提高了反演精度。徐衛(wèi)中等［9］同時(shí)利用了多元回歸方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法3種方法反演了重慶蟠龍抽水蓄能電站工程地下廠房地應(yīng)力場(chǎng)，從而探討分析了這3種反演分析方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

本文結(jié)合東馬場(chǎng)1號(hào)隧道工程，采用水壓致裂法基本查明了跨程海活動(dòng)斷裂帶隧址區(qū)的地應(yīng)力分布特征，為日后穿越活動(dòng)斷裂帶隧道工程的相關(guān)研究提供有效的借鑒和參考。

1 程海斷裂帶區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)

程海-賓川斷裂帶在區(qū)域內(nèi)延長(zhǎng)了大約150 km，屬于殼斷裂。北部開(kāi)始于寧范，在穿越永勝、程海、賓川、祥云后，在彌渡附近被NW向的紅河斷裂帶斷開(kāi)，其北延近似甘孜-理塘斷裂帶。斷層面傾向西，傾角為70°～80°，由幾條其派生形成的南北向平行斷層所構(gòu)成。具有明顯的斷裂帶特點(diǎn)，有破碎帶、斷層角堿巖和擦痕，巖層直立或有明顯的被拖拽現(xiàn)象［10］。

根據(jù)文獻(xiàn)，如圖1所示，麗江-劍川地區(qū)目前NNW-NW向是最大主壓應(yīng)力方位，與20世紀(jì)80年代中期相比較，主壓應(yīng)力方位（NNE-NE向）發(fā)生明顯的逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)跡象［11］。

根據(jù)滇中引水工程香爐山隧洞地應(yīng)力測(cè)試，隧洞沿線NNE～NEE向是最大水平主應(yīng)力方向的主要分布。如圖2所示，最大水平主應(yīng)力方向受全新世活動(dòng)斷裂控制，測(cè)試方向表現(xiàn)為平行于或小角度相交于全新世活動(dòng)斷裂走向。研究區(qū)楔形塊體沿著其邊界斷裂朝南南西方向滑移，塊體在所受力源的驅(qū)動(dòng)下，其內(nèi)部的構(gòu)造主壓應(yīng)力方向與塊體的運(yùn)動(dòng)方向具有一致性，表現(xiàn)為南南西向。

根據(jù)營(yíng)盤山隧道YPS-ZKC02、YPS-ZKC03鉆孔測(cè)試結(jié)果，N40°W向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方位。2.9～15.5 MPa為YPS-ZKC02孔測(cè)試深度范圍的最大水平主應(yīng)力值，2.3～10.8 MPa為最小水平主應(yīng)力值，垂直應(yīng)力SZ為1.7～14.0 MPa。最大水平主應(yīng)力方向穩(wěn)定在N27°W～N46°W。5.0～16.9MPa為YPS-ZKC03測(cè)試深度范圍的最大水平主應(yīng)力值，4.1～12.2 MPa為最小水平主應(yīng)力值，4.9～16.8 MPa為鉛直應(yīng)力SZ的值。N33°W～N52°W為該孔的最大水平主應(yīng)力方向。在兩測(cè)孔深部應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)，主要體現(xiàn)了σHgt;σZgt;σh這一特點(diǎn)（圖3）。

綜上所述，這一區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主要為NNE～NEE近水平主壓應(yīng)力，以走滑為主或走滑兼具傾滑型的斷層活動(dòng)，容易在這樣的應(yīng)力場(chǎng)作用下發(fā)生。區(qū)域地震震源機(jī)制解P軸方向水平投影分布見(jiàn)圖4。

2 跨程海斷裂帶隧址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布特征

該隧址區(qū)的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主要為NNE～NEE近水平的主壓應(yīng)力，隧道最大埋深達(dá)大約為620 m，埋深不大，因此以構(gòu)造應(yīng)力為主，在隧道評(píng)估時(shí)，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響大小應(yīng)該充分考慮。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試

在2019年5月期間，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所采用水壓致裂法在東馬場(chǎng)1號(hào)隧道K71+288、K73+860里程處進(jìn)行了地應(yīng)力實(shí)測(cè)。

（1）進(jìn)口K71+288里程斷面：垂直鉆孔JK02布置在臨近掌子面的底板處，鉆孔成孔深度均為45 m，該處埋深為240 m。

受巖體完整程度限制，實(shí)際獲得的有效測(cè)段結(jié)果不多，應(yīng)力方向測(cè)試效果不佳。垂直鉆孔JK02最大測(cè)試深度為42.5 m，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

（2）出口K73+860里程斷面：垂直鉆孔CK02布置在附近底板處，鉆孔成孔深度均為45 m，該處的埋深約為597 m。

受巖體完整程度影響，僅CK02鉆孔獲取了較理想的主應(yīng)力方向測(cè)試結(jié)果。垂直孔CK02最大測(cè)試深度為42.6 m，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表1、表2所示，在測(cè)試深度的范圍內(nèi)，東馬場(chǎng)1號(hào)隧道所處的最大水平主應(yīng)力值SH為16.24 MPa，NE75°左右為最大水平主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)方向，和隧道未開(kāi)挖段的軸線走向夾角范圍為75°～85°，與未開(kāi)挖隧道段的軸向大角度相交。

受巖體完整程度限制，地應(yīng)力方向測(cè)試效果不佳，僅在CK02鉆孔獲得了有效結(jié)果，NE75°左右為最大水平主應(yīng)力方向，與隧道未開(kāi)挖段的軸線走向夾角為65°～85°左右。

另外，如表1、表2所示，受圍巖變形應(yīng)力釋放、巖體完整程度影響，各測(cè)試鉆孔淺部測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值偏低、不能代表實(shí)際的原始應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)。因此，選取各測(cè)孔中的深部測(cè)點(diǎn)結(jié)果的均值為計(jì)算代表值，如表3所示。

另外，兩斷面的水平鉆孔測(cè)試結(jié)果主要用來(lái)復(fù)核自重應(yīng)力估算值，以及用于驗(yàn)證水平大主應(yīng)力方向。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，并進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的三維轉(zhuǎn)換計(jì)算后獲取的隧道截面應(yīng)力結(jié)果：

（1）進(jìn)口K71+288里程斷面處：豎向應(yīng)力：Sv=8.56 MPa，水平構(gòu)造應(yīng)力：σmax=12.86 MPa 橫截面最大初始應(yīng)力：σmax=max（σmax|Sv）（取大值）=12.86 MPa。結(jié)果表明：σmax＞Sv，水平構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)了橫截面原地應(yīng)力場(chǎng)。

（2）出口K73+860里程斷面處：豎向應(yīng)力：Sv=13.79 MPa，水平構(gòu)造應(yīng)力：σmax=16.05 MPa，橫截面最大初始應(yīng)力：σmax=max（σmax|Sv）（取大值）=16.05 MPa。結(jié)果表明：σmax＞Sv，水平構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)了橫截面原地應(yīng)力場(chǎng)。

3.2 隧址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)綜合分析

擬建隧道區(qū)處于構(gòu)造剝蝕斷塊高中山地貌區(qū)，區(qū)內(nèi)程海斷裂（F3）與隧道相交于K72+164（左幅ZK72+150），呈41°夾角；其次生永安壓性斷裂（F5）與線路相交于K75+600（左幅ZK75+580）呈70°夾角，距離隧道出口約270 m。

由Anderson斷層力學(xué)理論，隧址區(qū)SH＞Sv＞Sh的主應(yīng)力關(guān)系可以推斷出，NE75°左右可能為最大水平主應(yīng)力，較強(qiáng)的水平構(gòu)造作用可能作用于隧址區(qū)。與中國(guó)大陸地殼應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)及世界地應(yīng)力圖數(shù)據(jù)庫(kù)所給出的隧址區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)與這一結(jié)果一致［13］。

由地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表1可知，測(cè)量深度范圍內(nèi)SH＞Sv＞Sh的三向主應(yīng)力值總體關(guān)系與推斷相符，近北東向（即NE75°）為該鉆孔附近的最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向。通過(guò)已有研究成果及實(shí)測(cè)資料，對(duì)隧址區(qū)最大水平主應(yīng)力量值水平可初步判斷：12 MPa為埋深240 m左右時(shí)的最大水平主應(yīng)力值，16 MPa為埋深約600 m時(shí)的最大水平主應(yīng)力值。評(píng)估一個(gè)隧址區(qū)地應(yīng)力高低是一個(gè)系統(tǒng)工程，不僅要全面考慮定量測(cè)量取得的物理力學(xué)參數(shù)，同時(shí)還要巖體質(zhì)量特性以及工程特性，只有這樣才能較好地對(duì)一個(gè)隧址區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行判斷分析，并得到準(zhǔn)確可靠的結(jié)論。

鑒于工程資料的不足，對(duì)于高地應(yīng)力的判別只考慮了應(yīng)力大小和巖石飽和抗壓強(qiáng)度（測(cè)點(diǎn)鉆孔內(nèi)巖芯）2個(gè)因素，地應(yīng)力值在某些區(qū)段，可能會(huì)有一定的偏差。

3 結(jié)論

本文依托于東馬場(chǎng)1號(hào)隧道，采用水壓致裂法基本查明了跨程海活動(dòng)斷裂帶隧址區(qū)的地應(yīng)力分布特征，為日后穿越活動(dòng)斷裂帶隧道工程的相關(guān)研究提供了參考，主要結(jié)論有：

（1）程海斷裂帶區(qū)域的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)基本為NNE～NEE近水平的主壓應(yīng)力，以走滑為主或走滑兼具傾滑型的斷層活動(dòng)容易在這樣的應(yīng)力場(chǎng)作用下產(chǎn)生。

（2）隧址區(qū)的最大水平主應(yīng)力值SH為16.24 MPa，最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E75°左右，與隧道未開(kāi)挖段的軸線走向夾角范圍為75～85°，與未開(kāi)挖隧道段的軸向大角度相交。

（3）隧址區(qū)的主應(yīng)力關(guān)系為SH＞Sv＞Sh，NE75°左右可能為最大水平主應(yīng)力方向，隧址區(qū)最大水平主應(yīng)力量值水平：埋深240 m左右時(shí)，12 MPa為最大水平主應(yīng)力值，埋深約600 m時(shí)，16 MPa為最大水平主應(yīng)力值。

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