跨程海活動斷裂帶隧址區的地應力特征分析

摘要：地應力對隧道圍巖的穩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對隧址區進行地應力場反演，分析地應力特征，從而指導科學施工、設計及災害預防。文章以東馬場1號隧道為依托工程，采用水壓致裂法基本查明了跨程海活動斷裂帶隧址區的地應力分布特征，為日后穿越活動斷裂帶隧道工程的相關研究提供有效的借鑒和參考。相關結論有：程海斷裂帶區域大體上處于以NNE～NEE近水平的主壓應力為主的現代構造應力場，其主應力關系為SH＞SV＞Sh，NE75°左右可能為最大水平主應力方向，隧址區最大水平主應力量值水平：12 MPa為埋深240 m左右時的最大水平主應力值，16 MPa為埋深約600 m時的最大水平主應力值。

關鍵詞：軟巖隧道； 水壓致裂法； 地應力； 現場監測統計

中國分類號：U451+.2A

［定稿日期］2022-03-16

［基金項目］中建股份科技研發計劃資助項目（項目編號：CSCEC-2021-Z-26）

［作者簡介］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，高級工程師，從事隧道、地鐵工程工作；賈鋒（1979—），男，博士，教授級高級工程師，從事土木工程工作；趙書濤（1971—），男，本科，高級工程師，從事公路、地鐵工程工作；聶金誠（1999—），男，碩士，研究方向為隧道與地下工程。

［通信作者］謝金池（1998—），男，碩士，研究方向為隧道與地下工程。

0 引言

近年來，隨著“一帶一路”戰略的落實以及川藏鐵路等重大項目的相繼開展，國家加強了在西部地區的交通建設，中國西部山區逐漸涌現出大量線路長、規模大、埋深大、穿越復雜地質的隧道。在這些隧道中暴露出越來越多的問題，也有很多因素影響著隧道圍巖的穩定和施工的安全性，地應力是其中的一個重要地質因素。因此，在開始修建隧道之前，在隧址區開展地應力場反演，從而進一步開展地應力特征分析，對指導科學施工、設計及災害預防有著重大的意義［1］。

為了解區域的地應力分布，大量學者也開展過許多研究。進行地應力反演的總體思路就是基于數值模擬計算結果逼近實測值的回歸過程［2-3］。當前，多元線性回歸法、神經網絡法、遺傳算法為主的地應力反演方法［4-5］。汪波等［6］通過三維數值模擬并結合回歸分析原理的方法，反演回歸對象取自蒼嶺隧道隧址區地應力場實測數據中比較有代表性、可靠的實測點，最終獲取了隧址區全部的地應力場分布狀況。周子寒等［1］發現隧址區僅有單個鉆孔時反演有較高的精度，采用多元線性回歸原理并結合最小二乘法尋優準則分析產生此現象的原因，發現可對隧址區的多個鉆孔進行分段處理并分別開展單鉆孔回歸反演。周子寒等［7］根據火山隧道地勘資料建立三維數值模型，以現場水壓致裂法實測原位地應力數據為基準，隧址區域的初始地應力場最終通過多元線性回歸法反演獲得，重點討論了花崗閃長巖侵入面附近地應力分布規律。裴啟濤等［8］先通過一次反演結果，再選取小范圍復雜巖體進行精細化建模，通過遺傳神經網絡法開展了二次反演，對于局部地質構造強烈，并且不連續結構面發育等特殊的地質狀況下，提高了反演精度。徐衛中等［9］同時利用了多元回歸方法、神經網絡和遺傳算法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力場，從而探討分析了這3種反演分析方法各自的優缺點。

本文結合東馬場1號隧道工程，采用水壓致裂法基本查明了跨程海活動斷裂帶隧址區的地應力分布特征，為日后穿越活動斷裂帶隧道工程的相關研究提供有效的借鑒和參考。

1 程海斷裂帶區域地應力場狀態

程海-賓川斷裂帶在區域內延長了大約150 km，屬于殼斷裂。北部開始于寧范，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，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成。具有明顯的斷裂帶特點，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象［10］。

根據文獻，如圖1所示，麗江-劍川地區目前NNW-NW向是最大主壓應力方位，與20世紀80年代中期相比較，主壓應力方位（NNE-NE向）發生明顯的逆時針偏轉跡象［11］。

根據滇中引水工程香爐山隧洞地應力測試，隧洞沿線NNE～NEE向是最大水平主應力方向的主要分布。如圖2所示，最大水平主應力方向受全新世活動斷裂控制，測試方向表現為平行于或小角度相交于全新世活動斷裂走向。研究區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動下，其內部的構造主壓應力方向與塊體的運動方向具有一致性，表現為南南西向。

根據營盤山隧道YPS-ZKC02、YPS-ZKC03鉆孔測試結果，N40°W向為最大水平主應力方位。2.9～15.5 MPa為YPS-ZKC02孔測試深度范圍的最大水平主應力值，2.3～10.8 MPa為最小水平主應力值，垂直應力SZ為1.7～14.0 MPa。最大水平主應力方向穩定在N27°W～N46°W。5.0～16.9MPa為YPS-ZKC03測試深度范圍的最大水平主應力值，4.1～12.2 MPa為最小水平主應力值，4.9～16.8 MPa為鉛直應力SZ的值。N33°W～N52°W為該孔的最大水平主應力方向。在兩測孔深部應力場內，主要體現了σHgt;σZgt;σh這一特點（圖3）。

綜上所述，這一區域現代構造應力場主要為NNE～NEE近水平主壓應力，以走滑為主或走滑兼具傾滑型的斷層活動，容易在這樣的應力場作用下發生。區域地震震源機制解P軸方向水平投影分布見圖4。

2 跨程海斷裂帶隧址區地應力場分布特征

該隧址區的現代構造應力場主要為NNE～NEE近水平的主壓應力，隧道最大埋深達大約為620 m，埋深不大，因此以構造應力為主，在隧道評估時，構造應力對隧道圍巖穩定性的影響大小應該充分考慮。

2.1 現場地應力測試

在2019年5月期間，中國科學院武漢巖土力學研究所采用水壓致裂法在東馬場1號隧道K71+288、K73+860里程處進行了地應力實測。

（1）進口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，實際獲得的有效測段結果不多，應力方向測試效果不佳。垂直鉆孔JK02最大測試深度為42.5 m，測試結果如表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力方向測試結果。垂直孔CK02最大測試深度為42.6 m，測試結果如表2所示。

由表1、表2所示，在測試深度的范圍內，東馬場1號隧道所處的最大水平主應力值SH為16.24 MPa，NE75°左右為最大水平主應力的優勢方向，和隧道未開挖段的軸線走向夾角范圍為75°～85°，與未開挖隧道段的軸向大角度相交。

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

另外，如表1、表2所示，受圍巖變形應力釋放、巖體完整程度影響，各測試鉆孔淺部測點的應力值偏低、不能代表實際的原始應力場狀態。因此，選取各測孔中的深部測點結果的均值為計算代表值，如表3所示。

另外，兩斷面的水平鉆孔測試結果主要用來復核自重應力估算值，以及用于驗證水平大主應力方向。根據測試結果，并進行應力場的三維轉換計算后獲取的隧道截面應力結果：

（1）進口K71+288里程斷面處：豎向應力：Sv=8.56 MPa，水平構造應力：σmax=12.86 MPa 橫截面最大初始應力：σmax=max（σmax|Sv）（取大值）=12.86 MPa。結果表明：σmax＞Sv，水平構造應力主導了橫截面原地應力場。

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

3.2 隧址區地應力場綜合分析

擬建隧道區處于構造剝蝕斷塊高中山地貌區，區內程海斷裂（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斷層力學理論，隧址區SH＞Sv＞Sh的主應力關系可以推斷出，NE75°左右可能為最大水平主應力，較強的水平構造作用可能作用于隧址區。與中國大陸地殼應力環境數據庫及世界地應力圖數據庫所給出的隧址區地應力狀態與這一結果一致［13］。

由地應力實測數據表1可知，測量深度范圍內SH＞Sv＞Sh的三向主應力值總體關系與推斷相符，近北東向（即NE75°）為該鉆孔附近的最大水平主應力優勢方向。通過已有研究成果及實測資料，對隧址區最大水平主應力量值水平可初步判斷：12 MPa為埋深240 m左右時的最大水平主應力值，16 MPa為埋深約600 m時的最大水平主應力值。評估一個隧址區地應力高低是一個系統工程，不僅要全面考慮定量測量取得的物理力學參數，同時還要巖體質量特性以及工程特性，只有這樣才能較好地對一個隧址區的地應力狀態進行判斷分析，并得到準確可靠的結論。

鑒于工程資料的不足，對于高地應力的判別只考慮了應力大小和巖石飽和抗壓強度（測點鉆孔內巖芯）2個因素，地應力值在某些區段，可能會有一定的偏差。

3 結論

本文依托于東馬場1號隧道，采用水壓致裂法基本查明了跨程海活動斷裂帶隧址區的地應力分布特征，為日后穿越活動斷裂帶隧道工程的相關研究提供了參考，主要結論有：

（1）程海斷裂帶區域的現代構造應力場基本為NNE～NEE近水平的主壓應力，以走滑為主或走滑兼具傾滑型的斷層活動容易在這樣的應力場作用下產生。

（2）隧址區的最大水平主應力值SH為16.24 MPa，最大水平主應力優勢方向為NE75°左右，與隧道未開挖段的軸線走向夾角范圍為75～85°，與未開挖隧道段的軸向大角度相交。

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

參考文獻

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