北疆深埋隧洞地应力与区域应力场相关性研究

尹健民，周春华，，李云安，崔 东，汪 洋

（1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.中国地质大学 工程学院，武汉 430074；3.新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 研究背景

新疆地处我国西部，属于多震区，同时受地球板块运动影响突出，加之地壳厚度深浅不一，导致上地幔物质在地球深处进行物理化学作用对地壳深部构造影响不一，势必造成该区应力场的复杂性。目前，对地壳应力状态的研究，最为直接的办法便是进行实地地应力测量［1］。进行工程区地应力实地测量对于进一步研究该区地震活动机制、地震灾害预测预报亦为重要［2］。

工程设计往往必须进行工程区应力场实测及区域构造应力场背景分析。目前北疆构造应力场研究较少，已有研究仅针对油田部分应力分量研究。张守良等［3］采取水力压裂法及室内声发射凯塞尔效应法对克拉玛依油田井深范围506.0～3 483.0 m地应力场分布规律进行了研究；周鹏高等［4］应用钻井诱导缝推断法及井径测量法对准噶尔盆地克拉美丽气田应力场的水平主应力方向进行过预判研究，同时对重点探井的地应力进行了计算。上述研究均只涉及地应力间接测试法，仅能提供应力量值，未提供应力方向。目前对浅部工程应力场与区域构造应力场的关系研究也很少。王建军［5］采用水压致裂法与套钻解除法对天池抽水蓄能电站地下厂房区地应力场进行了对比研究；李永松等［6］在北疆哈德布特水电站进行了2种地应力测试方法的对比及工程区应力场数值模拟研究；王永仁等［7-8］针对四棵树矿区2个斜井的矿压问题，采用空心包体法-套芯解除法对斜井区应力场进行了研究，给出该区地应力大小及方向；其他学者［9-11］利用水压致裂法在天山隧道及伊宁恰甫其海水利枢纽进行了地应力测量。

显然北疆地区（包括天山北部）已有应力场研究因工程特点或研究目的不同而呈现研究方式和内容上的差异。原位地应力测试研究中，往往受测试深度所限，仅了解到浅部应力分布，同时受地形影响，难以进行区域构造应力场相关性研究。本文通过研究地形平缓的北疆戈壁区深埋隧洞应力场分布及其与北疆区域构造环境的相关性，有助于该区地壳浅表应力场向深部构造应力场的演化规律研究，并为工程区域应力环境背景提供参考。

2 阿尔泰地区某隧洞地应力测量分析

国内对于阿尔泰区域应力场的研究仅在文献［6］中报道过，但仅反映了阿尔泰山区某水电站地下厂房区的地应力状态。本文采用国际岩石力学学会建议的水压致裂地应力测量方法［12-13］对沙漠边缘的一种地貌形态——戈壁滩区地应力场分布规律进行研究。该方法具有如下优点：可以利用现有的地质勘探钻孔进行测量，测量深度大，资料解释中不需要岩石弹性常数参与计算；测试结果的代表性好。水压致裂法已属于规范采用的地应力常规测量方法，在此不再赘述。

2.1 某深埋引水隧洞工程概况

引水工程区位于新疆北部和东部，自北向南主要通过阿尔泰山、准噶尔盆地、东天山，终止于吐哈盆地。区内地质构造较复杂，褶皱和断裂发育，不同类型的边界断裂将本区切割成大小不等的中低山区及断陷盆地。工程在大地构造上处于阿尔泰褶皱系南部和准噶尔—北天山褶皱系中、东部。引水工程输水工程线路总长877.2 k m，隧洞最大埋深超过700 m。本次测试研究区位于阿尔泰山地区戈壁滩，洞线长273.9 k m，地貌上以低山丘陵区或戈壁滩区为主，沿线基岩出露，冲沟发育，洞顶上覆岩体厚度250～780 m。为了揭示该隧洞在阿尔泰山前戈壁滩区应力场的分布规律，以便为隧洞设计及施工提供依据，首次在戈壁滩深埋引水隧洞中部及南端布置的ZK1孔及ZK2孔内进行了常规水压致裂法地应力测试，2孔相距约120 k m，测孔布置及研究区域构造如图1所示。

图1 测孔布置及研究区域地质构造Fig.1 Distribution of measurement boreholes and tectonics in the research region

研究区域在地貌上以低山丘陵区或戈壁滩区为主，沿线基岩出露，冲沟发育。工程区主要分布N W向断裂，其中临近测孔的主要是F8，F9，F103条断裂。纳尔曼得断裂（F8）呈西北—南东向延伸，属压性，断裂面向西南倾，倾角60°左右。恰乌卡尔—托让格库都克断裂（F9）为纳尔曼得复背斜南界，呈55°～60°方向延伸，近100 k m，倾向325°～340°，倾角在80°左右。喀拉麦里断裂（F10）呈北西—南东向延伸，南东段略呈弧形，属压扭性；断层面总体向南西陡倾，有关资料表明，该断裂形成于早古生代，强烈活动于晚古生代，具有明显的复活性，晚近时期仍有活动。

2.2 地应力实测成果分析

地应力测孔ZK1孔口高程984.8 m，孔深392.95 m，所处洞身底板高程517.2 m。孔内岩体主要为肉红色华里西期花岗岩，岩芯坚硬，其中360.9～363.4 m区间可见凝灰岩和花岗岩侵染接触，揭示岩芯为青灰色凝灰岩，完整且呈长柱状。ZK2孔口高程1 249.0 m，孔深711.24 m，所处洞身底板高程569.0 m。揭露岩体主要为花岗岩，为完整长柱状，其中，在埋深531.3～532.5 m区间为石炭系地层俘虏体，岩性为砂岩，凝灰砂质结构，中厚层构造；在埋深647.6～655.8 m和668.0～669.0 m区间见岩芯呈连续饼化状，表明该范围地应力水平较高。测试时2孔地下水位均距孔口埋深约为12 m。

图2 测孔主应力沿埋深分布Fig.2 Distribution of principal stress with depth

图3 平均侧压系数及主应力方向沿埋深分布Fig.3 Distribution of coefficient of average horizontal pressure and orientation of principal stress with depth

现场地应力实测成果中主应力量值沿埋深分布见图2，平均侧压系数及主应力方位沿埋深分布分别见图3。已有研究表明，通过侧压系数可以更为直观地表征区域应力场特征，景锋等［14］对我国400多个钻孔的实测地应力数据进行统计分析得出：0.6＜σH／σV＜1 550／H+0.6，0.35＜σh／σV＜810／H+0.6（σH，σh，σV，H 分别为最大水平主应力、最小水平主应力、垂直应力及埋深，其中，垂直应力按岩体自重直接进行计算）。图2中显示的2孔应力量值与埋深线性规律不明显，但实测结果中的最大与最小平主应力方向侧压系数分别集中为1.1～2.3，0.8～1.6，与已有研究结论一致，并表明测试范围内构造作用明显。具体而言，图2（a）揭示了ZK1孔实测应力状态在埋深270.0 m处（对应高程700.0 m）呈现分区，即在浅于该埋深范围内，应力状态呈σH＞σh＞σV（垂直应力σV取重度为26 k N／m3）；而深部则呈σH＞σV＞σh，这与文献［15］统计分析提出的西域地块应力转换深度为309.0 m接近。同时，图2（b）中显示ZK2孔在埋深630.0～675.0 m量值异常（陡然增大），这与埋深647.6～655.8 m和668.0～669.0 m区间岩芯呈连续饼化状现象一致，说明受构造作用明显。图3（a）所列结果中水平方向平均侧压系数普遍大于1，表明该区以水平应力为主导，属构造应力型，与文献［6］中所测结果的自重应力型不同，这主要是由于后者受阿尔泰山局部地形影响；图3（b）表明2孔所测主应力方向稳定，且集中为NNE向，表明该工程区与阿尔泰应力区构造背景的NE主压力方向一致，主要受到外围印度洋板块对冲欧亚板块影响。

综上，ZK1孔揭示了在埋深270 m呈现应力状态分区，ZK2孔在测试范围内揭示了埋深630.0～675.0 m量值突增，极有可能受临近的北西—南东向压扭性喀拉麦里断裂影响。据有关资料显示该断裂具有明显的复活性，晚近时期仍有活动，通过本次测试，进一步证明了该断裂的活动性较强。

3 与北疆区域应力场相关性分析

3.1 北疆区域应力场基本特征

中国大陆及邻区构造应力场明显受周边板块作用的控制，大陆内部由于构造格局及其运动的差异，应力状态的区域特征十分明显。为客观反映中国大陆构造应力场的结构及其非均匀特征，进行应力分区的研究是十分必要的。谢富仁等［16］（2004年）依据主应力方向的一致性、应力结构特征的一致性、应力强度、构造变形和断层破裂方式及力源类型等分区原则将中国大陆及邻区现代构造应力场分为不同的四级应力区。其中属于二级应力区的新疆应力区主要受到来自青藏块体向北的推挤，区内最大主压应力方向以南北向为主，应力结构类型主要呈σH＞σh＞σV和σH＞σV＞σh。本文所研究区属于阿尔泰应力区，其现代构造应力场分布如图4所示。

图4 新疆及邻区现代构造应力场分布（摘自中国大陆地壳应力环境基础数据库）Fig.4 Distribution of measured cr ust stress in Xinjiang and adjacent areas（reference from the Fundamental database of cr ustal stress environ ment in continental China）

由图4可看出：新疆区域主压力方向与构造应力展布基本一致，即近阿尔泰山山脉区域主压力方向主要为NE向，而近天山山脉处则以NW—NS向为主，南面的昆仑山山脉区域则以近NS向为主。具体而言，该区构造应力状态主要呈σH＞σh＞σV；其次呈σH＞σV＞σh；而较少呈σV＞σH＞σh。

3.2 实测应力场与区域应力场的相关性

地应力是由岩体自身重力影响而产生的自重应力和地质构造运动产生的构造应力组成。通过现场实测来研究地壳浅部应力场，进而对比分析区域构造应力场分布规律，可为工程所处区域应力环境背景研究提供很好的参考。

在地形平缓的戈壁区进行应力场研究，尤其在本次研究区域内岩性较为单一且临近断裂构造空间分布上都具陡倾性质前提下，能更为原始地反映出区域构造应力场分布。由前述分析可知，隧洞区域地壳浅部应力场平均侧压系数大于1，说明整体上仍然属于构造型应力场，受区域构造控制。震源机制代表了某地震错动的应力状态，理论上地震前后是不同的，但综合多个不同的震源机制资料可以反演求得应力方向，从而得以研究深部构造应力场分布。隧洞研究区主应力方向集中为NNE向，与图4震源机制解所示的区域主压力方向NE一致，表明浅部地层活动与深部构造运动相协调，区域构造稳定。通过实测结果可以揭示研究区在埋深300 m左右呈现应力状态由σH＞σh＞σV向σH＞σV＞σh过渡，从空间上展现了构造应力场深浅部演化规律，同时给出了研究浅源地震孕震环境的构造活动深度范围。另外，在ZK2孔中局部位置呈现应力异常现象，最大水平向侧压系数明显大于1，说明该区构造活动较强，在后期施工过程中应加强对临近断裂构造活动的监测。

4 结 论

（1）在地形平缓的阿尔泰戈壁区，最大水平主应力方向与外围板块作用方向及震源机制解一致，呈NNE向，同时与区域构造应力场分布相符。

（2）研究区域在埋深300 m左右存在应力状态的转换，即由σH＞σh＞σV向σH＞σV＞σh过渡，定量界定了区域构造应力场空间分布。

（3）区域多震与外围构造活动密切相关，应加强该区深部构造应力场研究，重视现场实测手段的应用，提高对区域应力场宏观把握，利于指导类似深埋地下工程的设计和施工。

［1］黄福明.地壳应力测量及其在工程中的应用（综述）［J］.地震，1990，（3）：169-180.（HUANG Fu-ming.Crustal Stress Measurement and Its Application in Engineering（Review）［J］.Earthquake，1990，（3）：169-180.（in Chinese））

［2］刘允芳，肖本职.西部地区地震活动与地应力研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（24）：4502-4508.（LIU Yun-fang，XIAO Ben-zhi.Study on Seismic Activity and Geostress in West China［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（24）：4502-4508.（in Chinese））

［3］张守良，邓金根，徐显广，等.油田地应力测量技术及中国西部地应力分布规律［J］.岩石力学与工程学报，2002，21（增）：2134-2138.（ZHANG Shou-liang，DENG Jin-gen，XU Xian-guang，et al.Measurement Technique of In-sit u Stress and Distribution Regulation of In-situ Stress in West China［J］.Chinese Jour nal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21（Sup.）：2134-2138.（in Chinese））

［4］周鹏高，李爱军，杨 虎，等.克拉美丽气田地应力场研究［J］.天然气技术，2009，3（3）：31-33.（ZHOU Peng-gao，LI Ai-jun，YANG Hu，et al.Study on Ground Stress Field of Kelameili Gasfield［J］.Natural Gas Technology，2009，3（3）：31-33.（in Chinese））

［5］王建军.应用水压致裂法测量三维地应力的几个问题［J］.岩石力学与工程学报，2000，19（2）：229-233.（WANG Jian-jun.Several Problems in Hydraulic Fracturing Method to In-situ 3D Stress Measurement［J］.Chinese Jour nal of Rock Mechanics and Engineering，2000，19（2）：229-233.（in Chinese））

［6］李永松，尹健民，陈建平，等.基于模拟退火和粒子群混合算法的地应力场分析［J］.人民长江，2011，42（23）：65-67.（LI Yong-song，YIN Jian-min，CHEN Jian-ping，et al.Geostress Field Analysis Based on Si mulated Annealing and Particle Swar m Algorith m［J］.Yangtze River，2011，42（23）：65-67.（in Chinese））

［7］王永仁，蔡昌宣，赵善坤，等.四棵树矿区地应力测量及其与地质构造关系［J］.煤矿安全，2013，44（8）：213-215.（WANG Yong-ren，CAI Chang-xuan，ZHAO Shan-kun，et al.Measurement of In-situ Stress and Relationship bet ween the Stress and Geologic Structure in Sikeshu Mining Area［J］.Safety of Mining，2013，44（8）：213-215.（in Chinese））

［8］赵善坤，蔡昌宣，刘 震，等.北天山矿区地应力分布与区域构造关系研究［J］.地下空间与工程学报，2013，9（增1）：1659-1663.（ZHAO Shan-kun，CAI Chang-xuan，LIU Zhen，et al.Relationship Bet ween Regional Geological Tectonic Feature and In-Sit u Stress Field Distribution in Norther n Tianshan Mountain Mining Areas［J］.Chinese Jour nal of Underground Space and Engineering，2013，9（Sup.1）：1659-1663.（in Chinese））

［9］马秀敏，彭 华，李金锁.新疆西部地应力测量在隧道工程中的应用［J］.地质力学学报，2005，11（4）：386-393.（MA Xiu-min，PENG Hua，LI Jin-suo.Application of Hydraulic Fracturing In-situ Stress Measurements in Tunnelling in Wester n Xinjiang［J］.Jour nal of Geomechanics，2005，11（4）：386-393.（in Chinese））

［10］黄 海.中天山隧道地应力测量及岩爆预测研究［J］.国防交通工程与技术，2011，（3）：45-48.（HUANG Hai.St udy of the Cr ustal Stress Sur vey and Rock Burst Prediction for the Zhongtianshan Tunnel［J］.Traffic Engineering and Technology for National Defense，2011，（3）：45-48.（in Chinese））

［11］张志国，王显军.北天山西部地应力测量［C］／／地壳构造与地壳应力文集.中国地震局地壳应力研究所，2006：155-161.（ZHANG Zhi-guo，WANG Xian-jun.In-situ Stress Measurement in Wester n North Tianshan［C］／／Proceedings of Crust Structure and Cr ust Stress Cor pus.Instit ute of Cr ustal Dynamics，2006：155-161.（in Chinese））

［12］KI M K，FRANKLIN J A.Suggested Methods for Rock Stress Deter mination［J］.Inter national Jour nal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts，1987，24：53-73.

［13］刘允芳.岩体地应力与工程建设［M］.武汉：湖北科学技术出版社，2000：141-153.（LIU Yun-fang.Geo-stress in Rock Mass and Engineering Construction［M］.Wuhan：Hubei Science and Technology Press，2000：141-153.（in Chinese））

［14］景 锋，盛 谦，张勇慧，等.中国大陆浅层地壳实测地应力分布规律研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（10）：2057-2062.（JING Feng，SHENG Qian，ZHANG Yong-hui，et al.Research on Distribution Rule of Shallow Cr ustal Geostress in China Mainland［J］.Chinese Jour nal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（10）：2057-2062.（in Chinese））

［15］杨树新，姚 瑞，崔效锋，等.中国大陆与各活动地块、南北地震带实测应力特征分析［J］.地球物理学报，2012，55（12）：4207-4217.（YANG Shu-xin，YAO Rui，CUI Xiao-feng，et al.Analysis of the Characteristics of Measured Stress in Chinese Mainland and Its Active Blocks and North-South Seismic Belt［J］.Chinese Journal of Geophysics，2012，55（12）：4207-4217.（in Chinese））

［16］谢富仁，崔效锋，赵建涛，等.中国大陆及邻区现代构造应力场分区［J］.地球物理学报，2004，47（4）：654-662.（XIE Fu-ren，CUI Xiao-feng，ZHAO Jian-tao，et al.Regional Division of the Recent Tectonic Stress Field in China and Adjacent Areas［J］.Chinese Jour nal of Geophysics，2004，47（4）：654-662.（in Chinese）