热点回顾‖徐正宣等：川西折多山某深埋隧道地应力测量及其应用研究

川西折多山某深埋隧道地应力测量及其应用研究

徐正宣1,2,孟文3,4,郭长宝3,4,张鹏3,4,张广泽1,孙明乾3,4,陈群策3,4,陈宇1

（1.中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都610031；2.西南交通大学,四川 成都610031；3.中国地质科学院地质力学研究所,北京100081；4.新构造运动与地质灾害重点实验室,北京100081）

摘 要

川西地区地质构造环境复杂,该区深埋隧道建设过程中经常面临岩爆风险,而地应力条件对深埋隧道的规划建设和岩爆风险预判具有重要意义。本研究利用水压致裂法在川西折多山某深埋隧道开展了原地应力测量及其工程效应分析。某钻孔196~650 m深度范围内的地应力测试结果显示,隧址区以水平构造应力为主导,测试深度范围内水平主应力随深度线性增加,且应力增加梯度高于中国大陆背景值。地应力结构整体以逆断型(SH>Sh>Sv)为主,其中389.50~560.50 m深度范围属应力释放区,地应力结构以走滑型(SH>Sv>Sh)为主。侧压系数及最大、最小水平主应力比值随深度分布基本符合中国大陆各参数变化特征。最大水平主应力方向为NWW向,与区域应力场分布及周边活动断裂反映的力学机制一致,主要受印度板块向欧亚板块持续俯冲和高原物质东南向扩散作用控制。测点现今地应力强度较高,临近断裂失稳状态,随着应力的不断积累,区内优势破裂方向或已有断裂的特殊构造部位可能发生失稳滑动。最后,基于地应力测量结果对深埋隧道围岩稳定性进行了预判分析,受隧址区高地应力影响,围岩发生中-强岩爆的可能性较大,需优化设计并重点防护。

关键词

水压致裂;原地应力测量;地应力状态;断层摩擦滑动;深埋隧道;稳定性

0 引 言

地应力状态是评价地壳稳定性不可或缺的重要因素之一,也是地下工程规划设计的重要参考依据。随着我国对深埋隧道工程建设、深部矿产资源开发等需求的不断扩大,揭示并充分认识深部地应力状态成为人们密切关注和亟待解决的研究问题,准确确定深部原地应力状态也成为解决地下空间开发面临的高地应力、高地温等焦点难题和关键科学问题的必要途径之一。自地应力概念提出至今,已有数十种地应力测试和估算方法被提出和应用[1]。其中,基于钻孔的原地应力测量方法,如水压致裂法是获得地壳应力状态最直接的途径。水压致裂法是目前进行深孔地应力测量最为有效的手段,也是国际岩石力学测试技术专业委员会(ISRM)推荐的进行岩体应力测量的主要方法之一[2],且因其操作简单,不需要岩石力学参数参与计算,测量深度理论上不受限制等优势,在水电、矿山、交通等工程领域及地球动力学研究、区域地壳稳定性评价等研究领域得到了广泛应用[3,4,5,6,7]。

川西折多山地区地质构造环境复杂,活动断裂发育,新构造运动强烈,是现今地壳强烈活动区和地震多发区。该区同时也是我国连接和促进西部经济社会发展的重要枢纽,铁路、公路和水利水电等一系列重大工程在该区规划建设。地下工程建设过程中,围岩稳定性评价和控制是首要的科学问题,而特殊的地质环境必然会为工程建设带来诸多地质难题,特别是对于埋深较大的工程,在深部高地应力强烈作用下,低强度或构造破碎带等软弱岩体易发生围岩大变形,甚至产生流变大变形,而岩性坚硬、岩体结构完整的具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体,受开挖等外因触发时易发生围岩岩爆[8,9,10],如正在建设的雅安—康定高速公路,其跑马山1号隧道最大埋深达1 200 m,从2019年7月至12月先后发生岩爆42次。这些工程地质灾害严重影响工程的施工建设,并引发巨大经济损失和人员伤亡,因而对其发生机制及防治的研究已成为地下工程建设的重要研究课题。

川西地区现今构造应力作用复杂且强烈,确定深埋工程区域的原地应力状态并开展相应的围岩稳定性评价是工程建设迫切的需求。本文基于折多山某深埋隧道水压致裂法的原地应力测量结果,分析测点及周边区域地应力分布特征,讨论地应力作用强度及断层稳定性,并预判分析隧道围岩稳定性,为工程建设提供重要的科学依据。

1 区域地质背景

隧址区位于青藏高原东缘川滇、巴颜喀拉和华南三大地块交汇部位(图1),受青藏高原隆起、高原物质东流及稳定的华南块体阻挡等共同作用。区内地形地貌陡变,自东向西由海拔400 m的四川盆地急剧抬升至海拔近4 000 m的川西高原。地质构造复杂,广泛发育NE向、NW向和近NS向断裂。深部结构复杂,具有较薄的上地壳和相对较软的中下地壳[11,12],且上地壳可能存在温度相对较高的局部熔融体或糜棱岩化的韧性变形体,成为上地壳应力积累和地震多发的深部原因[13]。活动断裂发育,邻近隧址区断裂带主要包括龙门山断裂带、鲜水河断裂带、大渡河断裂带及玉农希断裂带。龙门山断裂带是青藏高原和华南地块的构造边界,其动力学演化模式是多阶段、多层次滑脱、深层控制浅层的陆内俯冲模式[14,15,16]。鲜水河断裂带是分割川滇地块和巴颜喀拉地块的弧形大型走滑断裂,全新世以来表现出强烈的左旋水平剪切运动特征[17,18,19,20]。大渡河断裂呈近南北向展布,与鲜水河断裂同属晚新生代构造变形系统,且由北向南越靠近鲜水河断裂带活动性越强[21]。玉农希断裂为理塘—雅江断块东缘边界构造,在南端与理塘断裂交汇,总体表现为一条高角度逆冲断裂带,断错地貌研究表明玉农希断裂为全新世弱活动断裂,左旋走滑速率约3 mm/a,垂直滑动速率约1 mm/a[22,23],该深埋隧道即位于玉农希断裂的北东起始端。隧址区地处构造和剥蚀高山区,冲、溪沟发育,沟壑众多,地质构造及地层岩性复杂[24]。

区内地震活动较为活跃,主要集中于龙门山断裂带及鲜水河断裂带,属于中国大陆西部最主要的强震活动带。其中隧址区所处的康定地区因其特殊的地理位置与构造环境,成为强震多发区域,历史上曾发生1725年康定7级、1786年康定泸定磨西间7.5级和1955年康定7.5级地震,2014年11月22日和11月25日在位于鲜水河断裂带乾宁与康定之间的色拉哈强震破裂空段相继发生了MS 6.3级和MS 5.8级地震,但限于地震较小的破裂尺度,该段未来仍存在强震危险性[25]。

2 地应力测量

2.1 测量方法

水压致裂法是一种可有效获得垂直钻孔横截面上二维平面地应力状态的测试方法。该方法利用一对可膨胀的橡胶封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔,然后通过泵入流体对封隔段加压直至在孔壁周围产生裂缝,压裂过程中同时记录压力随时间的变化曲线,由此获得计算主应力的关键参数,并根据相关公式得到最大和最小水平主应力。垂向应力则近似等于上覆岩层的自重应力,最大水平主应力方向根据压裂产生的诱发裂隙破裂方向获得。尽管水压致裂法的测量深度理论上不受限制,但由于钻孔条件、测试技术等因素的影响,深孔测量往往面临重大的挑战。川西地区折多山某深埋隧道ZDSZK钻孔钻探深度超过900 m,本次原地应力测量采用新型深孔水压致裂地应力测量系统,该系统具有耐高温高压,且快捷、高效、稳定的特点[26]。此外,考虑到系统摩阻力的存在会对测量结果造成较大影响,测量时在地下压裂段设置了压力传感器以及数据自动采集和存储单元,数据计算均采用井下压力传感器的数据记录(图2)。

2.2 数据处理及测量结果

水压致裂法经典理论定义最大、最小水平主应力及垂向应力计算公式如式(1)—(3)所示:

SH=3PS-Pr-PP

(1)

Sh=PS

(2)

Sv=ρgH

(3)

其中:SH为最大水平主应力,Sh为最小水平主应力,Sv为垂向应力,PS为关闭压力,Pr为重张压力,PP为孔隙压力,ρ为上覆岩层密度,g为重力加速度,H为上覆岩层厚度。在地壳浅部低渗透率岩石中,孔隙压力PP与水柱静压力大致相等[27,28,29]。为尽可能提高数据的精确度,关闭压力PS采用单切线法、dt/dP法、dP/dt、Maskat法、EMD法及lgP-lgT法等6种方法计算,并取各有效方法的平均值作为最终的关闭压力值参与主应力值的计算(与其他方法取值结果相差较大的方法视为无效)(图3)。重张压力Pr易受系统柔度及测试深度和孔径等影响,本研究中高压流体传输通道为高强度高硬度的钻杆,且测试孔径较小(约为76 mm),同时每段压裂均进行至少4次重张试验,并取最后三次的平均值参与计算,因而重张压力的真实值与读值之间差值较小。ZDSZK钻孔测试深度内主要以变质石英砂岩为主,根据岩石力学试验结果(图4),垂向应力计算中岩石密度取值为2.72 g/cm3。

(a)密度; (b)抗压强度

根据水压致裂地应力测量结果(表1),在测量深度196.0~642.0 m范围内,最大水平主应力值在9.32~35.68 MPa之间,最小水平主应力值在5.92~19.59 MPa之间。389.5~560.5 m深度范围内应力值明显偏低,偏离正常增加趋势,其原因可能是该深度范围内裂隙节理发育,或存在小型破碎带,造成应力值一定程度地降低,属于应力释放区。应力结构整体表现为SH>Sh>Sv,属逆断型,以水平主应力作用占主导。

应力释放区的应力关系主要表现为SH>Sv>Sh,属走滑型。

2.3 测量结果分析

2.3.1 地应力测量值

不考虑应力释放区, ZDSZK钻孔测点最大水平主应力和水平最小主应力增加梯度分别为5.72 MPa/hm和2.85 MPa/hm;考虑应力释放区,最大水平主应力和最小水平主应力增加梯度分别为3.04 MPa/hm和1.74 MPa/hm(图5),均高于中国大陆背景应力值随深度的增加梯度[30]。除统计数据量、深度范围和区域大小等不同对水平主应力值随深度变化拟合结果造成影响以外,不同测区地应力状态不同是拟合结果差异的主要原因。折多山隧道地应力测量结果说明在一定深度范围内,最大水平主应力作用强度随深度增加具有增强的趋势。除主应力随深度变化特征外,侧压系数(KHv=SH/Sv; Khv=Sh/Sv; Kav=(SH+Sh)/2Sv)及最大与最小水平主应力之比(KHh= SH/Sh)等参数也常用来表征地应力状态。图7为ZDSZK钻孔测点侧压系数及最大与最小水平主应力比值随深度变化的情况。考虑到测试数据量较少且各参数随深度变化一般非线性[31,32],本文未对ZDSZK钻孔测点侧压系数及最大与最小水平主应力比值进行拟合,但由表1及图6可以看出,测试深度域内各应力比值的分布基本符合中国大陆上地壳应力随深度变化的特征[32],KHv在0.78~2.32之间,Khv在0.60~1.39之间,Kav在0.69~1.85之间,应力释放区内侧压系数偏低。KHh在1.31~1.82之间,随深度变化较小。

2.3.2 地应力方向

图7反映ZDSZK钻孔测点主应力方向及区域构造应力场分布。ZDSZK钻孔测点最大水平主应力作用方向为N84°W,与区域NWW向主压应力的方向一致。根据中国大陆及邻区现今构造应力分区[33],研究区处于巴颜喀拉应力区、龙门山—松潘应力区及川滇应力区三个四级应力分区的交汇部位,且临近东部和西部一级应力分区,其动力学环境及构造应力场分布极其复杂,包括挤压、剪切、压剪和拉张等应力环境。总体上,该区应力场主要受印度板块向欧亚板块持续俯冲,以及不断增长的青藏高原向四川盆地挤压受阻导致的高原物质东南向扩散控制,也受到来自太平洋板块向西部欧亚板块俯冲和菲律宾板块向北西朝欧亚板块俯冲的影响。同时,密布的活动断裂也是不同构造区内现今应力场分布特征的主要控制因素之一,ZDSZK钻孔测点附近鲜水河断裂带自晚新生代以来表现出强烈的左旋走滑运动特征[19],玉农希断裂为全新世弱活动的高角度逆冲断裂[22],ZDSZK钻孔测点实测最大水平主应力方向与NNW向构造行迹大角度相交,与NNE向构造行迹近垂直,主应力作用方向与活动断裂反映的力学机制基本一致。此外,本次测量的以及前人在康定地区开展的水压致裂地应力测量获得的最大水平主应力方向较为离散[34],该区除为鲜水河断裂带、大渡河断裂带及玉农希断裂带交汇区外,深部结构横向介质差异[20]以及历史强震等都可能是造成该区局部复杂应力场的原因。

3 地应力强度与断层稳定性分析

实验研究表明,在低温低压下产生摩擦滑动所需的应力远远小于产生破裂所需的应力,因此地壳浅层形变机制主要由摩擦控制[35]。当断层面发生滑移时,作用在该面上的剪应力τf除了要克服材料固有的黏聚力,还要克服由于作用于该面上的正应力σn所形成的摩擦力[36],即Coulomb摩擦破坏准则:

τf=C+σntanφ=C+μσn

(4)

其中:τf和σn分别为滑移面上的剪应力与正应力;C为黏聚力;φ为内摩擦角;μ为摩擦系数。当滑动面上剪应力大于滑动摩擦系数与正应力的乘积时,可视为岩体发生破裂的临界状态,滑动面即发生滑动,产生破裂。断层面上剪应力和正应力可表示如下[37]:

τf=S1-S32sin2β

(5)

σn=S1+S3-2PP2+S1-S32cos2β

(6)

其中:β为最大主应力S1与断层面法向夹角,πβ=π/2+tan-1μ/2,由此可确定已知最大主应力作用方向的优势破裂面的方位。S1和S3分别为断层面上的最大与最小主应力,在不同的Anderson断层类型[38]下对应不同的主应力值(逆断层S1=SH,S3=Sv; 走滑断层S1=SH,S3=Sh; 正断层S1=Sv,S3=Sh)。当不考虑黏聚力时,由公式(4) 至公式(6)可得:

μμm=S1-S3S1+S3-2PP=μμ2+1

(7)

公式(7)可用于评价断层摩擦滑动趋势,接近或处于断层稳定性临界值的现今地应力作用较强。根据Byerlee试验结果,大部分岩石的摩擦系数μ位于0.6~1.0之间[39]。

图8显示ZDSZK钻孔测点应力值除应力释放区外,已接近滑动摩擦系数取0.6时的临界值,表明该测点地应力作用较强,临近岩石破裂临界应力状态。应力释放区地应力状态限定在摩擦系数取0.2~0.4之间。岩体实际摩擦系数偏低,且存在优势破裂面时,即便在该应力状态下,也极有可能出现滑动面失稳现象。

此外,Yin 等[40]给出了判断滑动面临界应力状态的主应力差表达式:

μγS1-S3=2μγH1-λ+2Cμ2+1-μ+2μ(m12+δm22)

(8)

其中:γ为岩石容重;λ为孔隙压力与上覆岩石自重压力之比;mi为Si与重力方向夹角的余弦;δ=(S2-S3)/(S1-S3)。当不考虑黏聚力时,在Anderson断层系统下,不同类型断层滑动面临界主应力差可表达如下:

对于逆断层(RF),

μγS1-S3=2μγH1-λμ2+1-μ)

(9)

对于走滑断层(SS),

μγS1-S3=2μγH1-λμ2+1+μ(2δ-1)

(10)

对于正断层(NF),

μγS1-S3=2μγH1-λμ2+1+μ)

(11)

对于走滑断层,为定量计算,一般取δ=0.5。

图9给出了当摩擦系数取0.6时不同断层类型的摩擦滑动临界主应力差值。该分析结果同样表明,ZDSZK钻孔测点不同应力状态大多已临近其对应断层类型的摩擦滑动临界值。

4 深埋隧道围岩稳定性预判分析

高地应力条件下,隧道轴向、断面设计等未达优化组合时,极易导致隧道施工与运营期间发生严重的隧道变形破坏等工程地质问题,在结构完整的硬脆性围岩中,最为常见的就是以岩爆的形式失稳。一般认为,岩爆是在高地应力条件下,洞室开挖过程中围岩卸荷,储存于岩体中的弹性应变能突然释放造成张-剪脆性破坏,产生爆裂、松脱、剥落、弹射甚至抛掷而动力失稳的地质灾害[9]。相关的理论研究和大量的工程实践表明,岩爆的发生是一种复杂的非线性动力学现象,其控制和影响因素较多,成因机制复杂,岩体的力学性质、原地应力状态、岩体渗透特性、地下洞室的截面形状以及开挖方式等因素都在一定程度上构成了某一地区岩爆的形成要素。其中,具备高储能体性质的岩体及接近岩体强度的围岩应力条件是发生岩爆的两个必要因素[10, 41]。

4.1 岩爆预测判据——σθmax/Rc理论

由于地下洞室的开挖,原地应力状态将受到一定程度的扰动,在洞壁及其一定深度范围形成应力的二次分布和应力集中,当调整后的应力状态达到岩体极限状态时,在其他因素的诱发下将产生围岩岩爆。为了计算围岩切应力(σθ),首先需要做一定假设,将隧道的横截面抽象为受两向正应力作用的平面应变模型。两向正应力其中之一为上覆岩石自重作用引起的垂向应力(Sv),其二为作用于隧洞横截面方向的水平向正应力(σn),它可根据实测的原地应力状态(SH、Sh以及SH的方向)利用线弹性理论公式计算得出,其计算公式如下:

σn=12SH+Sh+12SH-Shcos2θ

(12)

其中:θ为水平隧道轴向法线方向与最大水平主应力方向的夹角。

最大切向应力(σθmax)可由下式计算:

σθmax=3σn-Sv(σn≥Sv)3σn-Sv(σnSv)

(13)

表2列出了基于最大切向应力与岩石单轴抗压强度(Rc)关系的几种判别方法[42,43],其中,综合判别法是基于Russenes和Hoek等人的判别方法而提出的关于σθmax/Rc岩爆判据的综合形式。

4.2 深埋隧道围岩岩爆分析

由地应力测试结果,折多山深埋隧道最大水平主应力方向为N84°W,拟建隧道轴线方位大致为N70°E,隧道最大埋深约1 200 m。岩石单轴抗压强度依据ZDSZK钻孔取样岩石力学试验结果,取均值Rc=72 MPa进行分析,同时考虑到实验结果揭示的岩石单轴抗压强度的离散性(图4),分别取40 MPa和130 MPa作为岩爆预判范围的上、下边界,如图10所示。根据地应力测试结果,地应力状态随深度分布有两种情况(图6),当不考虑应力释放区时,地应力赋存以水平应力为主导,垂向应力为最小主应力;当考虑应力释放区时,垂向应力为中间主应力。同时假定在隧道最大埋深范围内,应力分布特征均符合实测结果。根据分析,折多山深埋隧道围岩极有可能发生中等-强烈岩爆。当Rc取72 MPa、不考虑应力释放区时,折多山隧道埋深超过约600 m时将面临发生强烈岩爆的风险;当考虑应力释放区时,埋深超过约900 m时有发生强烈岩爆的可能。

(a) 不考虑应力释放区; (b) 考虑应力释放区

4.3 隧道优化设计

从地应力的角度来看,隧道设计应主要考虑:(1)隧道轴向;(2)隧洞断面几何形状。隧址区地应力状态是影响隧道围岩稳定性的决定性因素之一,当隧址区处于高地应力条件下,隧道围岩失稳的可能性很大。但隧道围岩稳定性不仅取决于隧址区地应力状态,还受隧道轴向与最大水平主应力方向夹角影响。当σn≥Sv时,隧道轴向与最大水平主应力方向夹角越大,越不利于围岩稳定性;当σnSv时,隧道轴向与最大水平主应力方向夹角越小,越不利于围岩稳定性。以不考虑地应力释放区时的地应力分布特征为例,分别讨论了不同埋深和不同隧道轴向(即隧道轴向与最大水平主应力夹角不同)情况下的围岩岩爆情况(表3,岩石单轴抗压强度统一取值72 MPa)。结果表明,折多山隧道在现今地应力条件下,且埋深较大时,隧道轴向设计对围岩岩爆影响有限。当埋深较小时,隧道轴向与最大水平主应力夹角越小,越有利于围岩稳定性,现有隧道轴向设计(N70°E)较为合理,对隧道稳定性较为有利。

理论和实践证明,隧洞断面几何形状为似椭圆状时,能够增强抗侧压能力,隧洞更易保持稳定[44]。折多山隧址区应力状态整体以水平应力为主导,拟建隧洞断面形状最好以水平长轴、垂向短轴且长、短轴比近似于隧洞断面上侧压力系数(σn/Sv)的椭圆形为宜[44,45]。表3列出了隧道在不同埋深条件下的侧压系数,可作为隧洞断面设计的参考依据。

在特定的地应力环境下,除隧道轴向及断面几何形状外,掘进方法、支护方式等都是影响隧道围岩稳定性的重要因素。此外,也可通过卸载、爆破等措施降低岩体应力及弹性能等,以减小岩爆的潜在危险。实际设计施工中应综合考虑各种因素,既便于施工,又能保证隧道相对稳定。

5 结论

(1)折多山某深埋隧道测孔在测量深度196~642 m范围内,最大水平主应力值在9.32~35.68 MPa之间,最小水平主应力值在5.92~19.59 MPa之间。整体应力结构表现为SH>Sh>Sv,属逆断型,以水平主应力作用占主导。389.5~560.50 m深度范围属于应力释放区,应力关系主要表现为SH>Sv>Sh,属走滑型。

(2)最大、最小水平主应力随深度增加梯度均高于中国大陆背景应力值;测点侧压系数、最大与最小水平主应力比值在测试深度范围内的分布基本符合中国大陆上地壳应力随深度变化的特征。

(3)最大水平主应力作用方向为N84°W,与区域主压应力方向较为一致,且与周边活动断裂反映的力学机制一致。该区应力场主要受印度板块向欧亚板块持续俯冲作用和青藏高原物质东南向扩散作用控制。

(4)根据Coulomb摩擦破坏准则,测点地应力作用较强,临近摩擦滑动临界应力状态(μ=0.6)。随着应力的不断累积,隧址区内优势破裂方向或已有断裂的特殊构造部位可能会产生失稳滑动。

(5)基于实测地应力结果,折多山隧道发生中等-强烈岩爆的可能性较大,需重点防护。隧道在现今高地应力状态下,隧道轴向设计对围岩稳定性较为有利,拟建隧洞断面几何形状应选取与其侧压力系数比相近的似椭圆形。

本研究获得了折多山某深埋隧道地应力状态及区域地应力分布特征,分析了周边断层及隧道围岩稳定性,为复杂地质条件下深埋工程建设提供关键参数和科学依据,具有重要的参考意义。但也存在不足之处:实测地应力数据有限,且测试深度未达到隧道的最大埋深,对于区域应力场的认识以及最大埋深范围内地应力的分布规律认识难免存在局限;断层稳定性分析中未考虑黏聚力,孔隙压力也近似等于静水柱压力,这些问题均有待开展深入研究。

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