隧道斷層影響帶地應(yīng)力場測試分析

1現(xiàn)場實測研究地應(yīng)力是地質(zhì)環(huán)境和地殼穩(wěn)定性評價、地質(zhì)工程和施工的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。對擾動下地應(yīng)力空間分布的研究是巖體地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析、巖流預(yù)測、資源開采中巖石爆炸的預(yù)測，甚至是地震預(yù)測和定量評價的重要因素。由于成巖作用和地質(zhì)構(gòu)造運動的擾動疊加,斷層及其影響帶內(nèi)地應(yīng)力特征非常復(fù)雜。因許多大型工程場地都存在一定尺度的斷層,斷層帶中地應(yīng)力特征的分析研究日益被地質(zhì)學(xué)家和巖土工程師所重視。黃醒春等在分析斷層周邊應(yīng)力實測值分布特點的基礎(chǔ)上,采用位移不連續(xù)數(shù)值方法反演斷層擾動下的區(qū)域巖體初始應(yīng)力場蘇生瑞用離散單元法模擬斷裂附近應(yīng)力的變化及其與斷裂物理力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系賈曉亮等利用FLAC3D模擬斷層端部地應(yīng)力場分布情況。例如:;;地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)、測地學(xué)等學(xué)科可以通過各種方法觀測斷層運動的結(jié)果,卻難以評價斷層的穩(wěn)定性。根據(jù)地質(zhì)力學(xué)觀點,分析斷層面上的應(yīng)力狀態(tài),并選用合適的斷層滑動準則可以評價斷層穩(wěn)定性。由于斷層帶內(nèi)的地應(yīng)力分布狀況至今尚無統(tǒng)一定論,而現(xiàn)場實測是獲取地應(yīng)力資料最直接的手段。本文根據(jù)福建某隧道中部兩個斷層觀測孔的水壓致裂法地應(yīng)力測試結(jié)果,分析測試區(qū)地應(yīng)力特征,并采用滑動準則下限對斷層穩(wěn)定性進行驗證。將的2隧道地質(zhì)概況位于福建中低山區(qū)的某在建隧道全長12.97km,隧道沿線最大埋深653m,隧道走向為NW向。隧址區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造表現(xiàn)為走向NE—SW擠壓斷裂帶和裂隙帶,其次有EW向壓扭性斷裂和NW—SE向張性裂隙帶。為了用現(xiàn)場測試方法更直接地了解局部地應(yīng)力情況,以評價分析斷層影響帶范圍構(gòu)造應(yīng)力場特征,充分利用了隧道地質(zhì)勘察中兩個(ZK1和ZK2)主要用于觀測斷層情況的地質(zhì)鉆孔,進行了水壓致裂法地應(yīng)力測試。兩鉆孔附近較大的斷層主要有:F2,可見寬度約35m,產(chǎn)狀為N30oE∠80o,沿走向延伸長度>2000m,屬區(qū)域性壓性斷層;F3,可見寬度為20~60m,產(chǎn)狀為EW∠80o,屬區(qū)域性壓扭性斷層;F4,產(chǎn)狀為N10oE∠77o,可見寬度為60~70m,走向長度>3000m,屬區(qū)域性張扭性斷層;F5,可見寬度為70m,產(chǎn)狀為EW∠75o,走向長度>2000m,屬區(qū)域性壓扭性斷層。隧道地質(zhì)概況及測孔布置見圖1和圖2。ZK1孔位于斷層F3及其影響帶中,鉆孔深度228m,巖性主要為花崗巖、輝長巖,上部巖芯較破碎,在深度85m以下有相對完整的花崗巖。ZK2孔位于斷層F5及其影響帶中,鉆孔深度170m,巖性主要為輝長巖和碎裂巖交替出現(xiàn),上部巖芯較破碎,孔深73m以下巖芯相對完整。地應(yīng)力測試盡可能選擇在巖芯較為完整的花崗巖、輝長巖中進行。3試驗結(jié)果與分析3.1最大水平主應(yīng)力測試根據(jù)現(xiàn)場鉆孔巖芯的完整性選取合適的試驗段,在兩測孔分別成功地獲得了13點和9點壓裂資料,并計算出了各測點的最大、最小水平主應(yīng)力值;通過壓裂縫定向印模,獲得了最大水平主應(yīng)力方向。測試及計算過程依據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準《SL264-2001水利水電工程巖石試驗規(guī)程》進行。測試成果見表1、表2,最大(小)水平主應(yīng)力值隨深度的分布關(guān)系見圖3?，F(xiàn)場測定地應(yīng)力方向結(jié)果顯示,ZK1孔的最大水平主應(yīng)力方向為N19o~31oW;ZK2孔的最大水平主應(yīng)力方向為N12o~17oW。3.2裂隙區(qū)局部應(yīng)力集中致變形破壞特征根據(jù)地質(zhì)鉆探資料,ZK1孔主要為弱風(fēng)化的花崗巖,只在局部才有裂隙,巖芯最長可達1.6m;而ZK2孔則為碎裂巖和輝長巖交替出現(xiàn),巖芯長度明顯偏短,特別是99.1~161.7m段為碎裂巖,裂隙發(fā)育,導(dǎo)致水平主應(yīng)力量值分布較離散,地應(yīng)力測試結(jié)果也與該地質(zhì)資料一致。由圖3可知:ZK1孔水平主應(yīng)力(sH和sh)量值隨深度增大的線性趨勢明顯;而ZK2孔的這種線性增大趨勢較差。部分測點的應(yīng)力值偏低,如ZK1孔189.6m和ZK2孔149.0m,而這些測點一般位于裂隙區(qū)或接近裂隙區(qū),所以這種應(yīng)力偏低現(xiàn)象可歸結(jié)為裂隙區(qū)的應(yīng)力松弛效應(yīng),即應(yīng)力隨深度的增加而減小為局部現(xiàn)象,且受該區(qū)巖體完整性的影響。還有部分測點的應(yīng)力值偏高,如ZK2孔73.0m、87.0m、108.0m、135.0m等,主要是斷層內(nèi)或巖體裂隙端部等處的局部應(yīng)力集中所致。兩測孔淺部sH和sh的量值比較接近,這主要是受不規(guī)則地貌以及地表風(fēng)化剝蝕作用的影響所致;而在接近隧洞高程處(兩孔深部測點)兩水平主應(yīng)力的差別才比較明顯,符合一般地應(yīng)力分布規(guī)律。兩測孔的最大水平主應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)(=sH/sh)在隧道最大埋深(653m)處分別為1.3和1.7,都遠大于由于巖體自重產(chǎn)生的側(cè)壓力系數(shù)(μ/(1-μ)),總體表現(xiàn)為sH>sh>sV,表明測試區(qū)地應(yīng)力場以水平方向構(gòu)造應(yīng)力為主。此時,s1、s2水平,s3直立,在這種構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)下,s1逐漸增大或s3逐漸減小時,可以導(dǎo)致逆斷層的形成,這與地質(zhì)勘察報告中F3、F5斷層均為逆斷層相符合。4該擾動影響帶地應(yīng)力的代表性4.1地殼表形及應(yīng)力軸分布深層巖體地應(yīng)力主要受區(qū)域構(gòu)造控制,通過區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場環(huán)境研究可掌握隧道區(qū)地應(yīng)力場的大致規(guī)律。整個工程區(qū)地處大陸臨東南沿海新華夏系構(gòu)造帶中,區(qū)域構(gòu)造以NE向壓性斷裂較為發(fā)育。震源機制解是分析現(xiàn)今地殼構(gòu)造應(yīng)力場的重要依據(jù)之一,能較客觀地反映地殼應(yīng)力場的基本特征。綜合地震震源機制解和地殼表形觀測資料的研究,福建及其沿海地區(qū)現(xiàn)代震源應(yīng)力場與臺灣海峽應(yīng)力場相互銜接,主壓應(yīng)力軸優(yōu)勢方向為NW-SE向,力軸仰角較小,應(yīng)力場近于水平擠壓,力軸分布如圖4所示。因此,兩測孔的最大水平主應(yīng)力方向基本接近區(qū)域構(gòu)造方向。4.2地應(yīng)力測試結(jié)果同樣位于福建南部山區(qū)的某高速公路隧道與本隧道相距很近,約30km。其地應(yīng)力測孔JDS18A位于花崗巖中,巖芯完整性好,孔深430m,測試深度接近此深度,地應(yīng)力受地形地貌影響小,能反映局部區(qū)域地應(yīng)力特征。該孔測試結(jié)果表明,sH>sh>sV,最大水平主應(yīng)力方向穩(wěn)定在N20o~49oW之間,隨深度變化較小。最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)在深部基本穩(wěn)定在1.5,水平主應(yīng)力與巖石埋深的相關(guān)關(guān)系式為:對比斷層影響帶中測孔ZK1、ZK2和圍巖完整區(qū)域的測試結(jié)果,最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)近似相等,最大水平主應(yīng)力方向也基本一致。對比式(1)、式(2)和式(3),水平主應(yīng)力隨埋深變化的梯度基本接近。因此,該斷層影響帶中兩鉆孔實測地應(yīng)力與周邊圍巖完整區(qū)域地應(yīng)力具有一致性。綜合上述測試成果及該區(qū)其他現(xiàn)有地應(yīng)力資料分析,測試區(qū)地應(yīng)力場與區(qū)域構(gòu)造基本吻合;而且地應(yīng)力測試時在相對完整的花崗巖、輝長巖中進行,受地質(zhì)結(jié)構(gòu)面和破碎帶的影響較小。因此,兩測孔ZK1、ZK2的測試成果能代表周圍巖體地應(yīng)力特征,并可用此測試成果進行穩(wěn)定性驗證。5斷層和抗滑阻力根據(jù)地質(zhì)力學(xué)觀點,斷層活動的直接原因是斷層面上的剪應(yīng)力超過了斷層而產(chǎn)生的抗滑阻力。根據(jù)已知斷層面上的應(yīng)力狀態(tài)和擬定的斷層滑動準則,可驗證斷層的穩(wěn)定性,并可為工程的安全設(shè)計提供依據(jù)。5.1地下工地的滑動M.D.Zoback和J.Healy認為斷層滑動準則可用t=(0.6~1.0)sn來表示,式中t為斷層滑動的臨界剪切應(yīng)力,sn為斷層面上的正應(yīng)力。J.D.Byerlee曾對已發(fā)表的巖石和斷層泥摩擦試驗資料分析得到,在正應(yīng)力sn<200MPa時,巖石的最大摩擦可用t=0.85sn表示。C.B.Releigh在蘭吉利油田誘發(fā)地震的試驗進一步證實,上述試驗室得到的滑動準則可應(yīng)用于天然斷層。張伯祟等(1983)根據(jù)潘家口水庫壩基地應(yīng)力測量資料,并假定壩基斷層處于臨界滑動狀態(tài),反推該斷層的滑動準則為t=0.74sn。張伯崇、馬元春(1987)根據(jù)拉西瓦水電站壩址附近兩條斷層切割的主要巖石和模擬斷層泥的試驗,建議采用t=0.66sn。結(jié)合類似工程經(jīng)驗,本文采用t=0.66sn作為斷層滑動準則的下限范圍,驗證兩測孔所處斷層影響帶(F3、F5)的穩(wěn)定性[15~19]。5.2斷層面的應(yīng)力狀態(tài)在ZK1、ZK2孔各選取兩個測點分別代表F3、F5斷層的應(yīng)力狀態(tài)(由圖3可知,水平主應(yīng)力沿孔深方向近似線性增大),不失一般性,所選兩點分別位于孔口和孔底(孔底高程接近隧道埋深范圍)。根據(jù)實測地應(yīng)力值計算斷層面上的應(yīng)力狀態(tài)時對兩斷層建立獨立的坐標(biāo)系。用下式計算斷層面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力:式中:sn、tn分別為斷層面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力;l、m、n為斷層面的外法線方向?qū)θ齻€坐標(biāo)軸的方向余弦。計算結(jié)果見表3。根據(jù)表3,可繪出各點的有效應(yīng)力摩爾圓,如圖5所示。圖5中的直線表示假定的滑動準則,A、B分別為F3斷層面上深度為85m和220m兩處的應(yīng)力狀態(tài);C、D分別為F5斷層面上深度為70m和160m兩處的應(yīng)力狀態(tài)。由圖5可知,A、B、C、D四點均遠離斷層滑動準則直線,即未達到產(chǎn)生滑動的臨界狀態(tài),故F3、F5兩斷層均處于穩(wěn)定狀態(tài),這也與地質(zhì)勘察報告中隧址區(qū)未發(fā)現(xiàn)活動斷裂相符。6地應(yīng)力測試結(jié)果通過對隧道區(qū)斷層帶內(nèi)兩測孔的地應(yīng)力測量與結(jié)果分析,得出了以下結(jié)論:(1)斷層影響帶測試區(qū)地應(yīng)力符合一般地應(yīng)力分布規(guī)律,水平主應(yīng)力隨深度增加有增大趨勢