引通济安深埋隧洞穿越北川—映秀断裂工程地质问题分析

徐复兴，练 操，朱 萌

(水利部 长江勘测技术研究所, 湖北 武汉 430011)

穿越活动断裂的深埋长大隧洞一直是工程界的一大难题，断裂形成的力学机制十分复杂，断层性状及性质各异，并引发各类工程地质问题。近年来，学界通过调查断裂长度、开挖特征以及初始地质条件，利用数值分析及现场试验方法对地下洞室震害程度影响因素进行分析评价，通过研究断裂和软弱面以不同形式穿过隧洞时围岩的位移场、塑性区、应力场分布及蠕变特征，对该领域进行了有益的探索[1-3]。

由于影响断裂的因素复杂多样、实测手段有限和研究方法尚不成熟，包括上述成果在内的现有研究多停留在非活动断裂定性描述及理论分析阶段，鲜有涉及直接穿越活动断裂的地下工程研究。本次研究根据活动断裂地表构造学特征、运动学特征、地表破裂特征及地应力特征等，通过宏观野外勘察、物探测试、工程类比和实测结果加权计算等方法，对引通济安工程穿越北川—映秀断裂段引水线路的选择、抗断设计提供了地质建议与量化数据。

1 工程概况

绵阳市引通济安工程位于绵阳市北川羌族自治县，拟从通口河漩坪乡河段唐家山堰塞湖引水至安昌河支流苏宝河流域，再通过已建的开茂水库调蓄后供下游用水。本工程主要任务是解决绵(阳)安(县)北(川)产业带及绵阳科技城集中发展区的生产生活用水，兼顾农业灌溉和生态用水。

引通济安工程引水隧洞长度约12 km，进口高程695 m，出口高程687 m，洞内纵坡为1/1500，隧洞最大埋深约1 100 m，最小埋深约40 m，设计引水流量为7.5 m3/s，年平均引水量约8 000万m3。引水隧洞工程通过北川—映秀主断裂。

2 区域地质条件

工程区位于北川县曲山镇、擂鼓镇，处于侵蚀构造中山的东南边缘，属龙门山前山与后山交界地带。整体地形北西高、南东低，相对高差较大。沟谷切割深度一般300 m～500 m，谷坡坡度一般大于25°，部分达40°～50°，甚至陡立。

工程区内主要出露沉积岩地层，局部有变质岩分布，岩性以碳酸盐岩及陆源碎屑沉积岩为主。震旦系地层主要分布于青林口倒转复背斜轴部，背斜轴线呈NE45°延伸，轴面倾向NW，倾角在70°左右。泥盆系—三叠系地层分布在背斜两翼。

工程区处于松潘—甘孜造山带与扬子准地台的接合部位，既是青藏高原的东界，又是现今成都盆地的西界，属松潘—甘孜造山带前缘冲断带。区域构造线呈北东—南西向展布，由一系列大致平行的叠瓦状冲断带构成，自北西向南东分别发育了汶川—茂县断裂(龙门山后山断裂)、北川—映秀断裂(龙门山中央断裂)和彭县—灌县断裂(龙门山前山断裂)，并以断裂为主滑面构成了大规模、多级次的叠加式冲断推覆构造带。

引通济安引水工程隧洞需穿越北川—映秀断裂带，北川—映秀断裂带南端在安县高川乡附近与前山断裂带的清平北北东向断裂以归并方式叠加复合，北端在陕南宁强县宽川乡附近被平武—青川逆冲断裂带斜接，延伸全长逾200 km，为龙门断裂带中延伸最稳定的一条区域性断裂。区域上北川—映秀断裂可以划分为北川段、大滩段等斜列的断裂组合，工程区为北川段的一部分[4](见图1)。

3 北川—映秀断裂特征分析

3.1 汶川地震同震地表破裂带特征

工程区内北川—映秀断裂整体走向北东—南西向，倾向北西，地表倾角60°～70°，断裂面呈微波状起伏，为逆冲右旋走滑全新世活动断裂。该断裂在航片上呈现出较好的线性影像特征：斜切山体边坡、局部形成比较典型的坡中槽地貌、并将坪上村附近数个规模较小的全新世洪积扇严格地限制在断裂的北西侧。

注：Zq—震旦世邱家河组 ∈1c—早寒武世清平组 02b—中奥陶世宝塔组 S2-3mx—中晚志留世茂县群 D1pn—早泥盆世平驿铺组 D2g—中泥盆世甘溪组 D2y—中泥盆世养马坝组 D2gw—中泥盆世观雾山组 C2h—晚石炭世黄龙组 P1y—早二叠世阳新组 P2w—晚二叠世吴家坪组 T1f+t—早三叠世飞仙关组+铜街子组 T2J+l—中三叠世嘉陵江组+雷口坡组 Q4—第四系全新统覆盖层

图1工程区区域地质简图

2008汶川地震发生后，在映秀—北川断裂带上产生了180 km～190 km的地表破裂，其南西起于汶川县映秀镇以西，并以NE30°—NE50°向北延伸，最后止于平武县南坝东的石坎子附近。经现场调查，工程区内地表破裂现象十分复杂，且走向变化极大，并在局部形成了多条挠曲坎和挤压鼓，主要变形带范围可达10 m～15 m宽，地表破裂宽度宽约7 m～9 m，引水管线附近的地表破裂最大位错值在擂鼓镇柳林村(N31.795°，E104.426°)，位错值为垂直6.0 m±0.2 m，水平6.0 m±0.2 m(见表1)。

3.2 工程区内断裂分段特征

根据地裂缝发育程度、断层带物质组成及断裂带地表特征又可将工程区内断裂带细分为三段：北东段、中央段、南西段。

表1 场区北川—映秀断裂汶川地震地表破裂位错统计表

注：表中括号内数据为非实测估算数值。

(1) 北东段。工程区内断裂带(北东段)位于擂鼓镇坪上村至曲山镇沙坝村间，倾向225°～240°，倾角55°～85°，主断面及其次级断面平直，表现为高角度右旋走滑为主伴随逆冲运动的断裂，断层在本段主要由宽约60 m～150 m的断层碎裂岩及宽约10 m～50 m的断层炭化泥砾岩带(局部泥化)组成，断层影响带宽约1.5 km～2.5 km。总体而言，本段断层活动性强，影响带宽，地表破裂十分发育(表1中序号6～9地裂缝)。2008年汶川8.0级地震的地表破裂从映秀南西开始，沿北川—映秀断裂向北西方向延伸，地震中已发现的同震垂直位错最大值便位于北川沙坝村附近，垂直位错量9.0 m～10.0 m左右，本工程比较轴线与断层交汇处震后曾发育4条宽约0.5 m～9.0 m的地裂缝，垂直位错最大达4.0 m。

(2) 中央段。工程区内断裂带(中央段)位于擂鼓镇坪上村至擂鼓镇石岩村间，顺擂鼓镇第四系西缘呈近南北向延伸，又称擂鼓断裂，倾向265°～290°，倾角65°～77°，主断面及其次级断面平直，表现为高角度逆冲兼右旋走滑运动的断层。

断层地表表现为负地形，局部沿次级断面发育有断层快速滑动形成阶步状断面、平直擦痕等，沿断层在地表有地裂缝发育，最大位错可达6.0 m(表1序号1～5地裂缝)，断层两侧发育牵引构造，断层带中心部位为宽约5 m～20 m未固结炭化断层泥带或铁质集中断层碎粒岩带，两侧发育宽约25 m～40 m半固结的断层角砾岩，断层影响带宽约1.0 km～2.0 km，层内发育牵引褶皱、构造透镜体等。

除主断层带外，本段断层呈束状发散为多条次生小断层，以苏宝河轴线附近钻孔为例，孔内发育北川断裂两条次级断层，次级断层炭化断层泥带宽约5 m～15 m(见图2)，主要由黑色炭化断层泥组成，局部夹灰岩砾石，断层角砾岩带宽约36 m。总体而言，本段断层活动性强，地表破裂非常发育，次级断层较发育，影响带较宽。

图2北川断裂影响带内次级断层断层泥化带

(3) 南西段。工程区内断裂带(南西段)位于擂鼓镇石岩村至擂鼓镇干溪沟间，主体呈北东—南西向延伸，倾向275°～330°，倾角65°～80°，主断面及其次级断面平直，表现为高角度右旋走滑为主伴随逆冲运动的断层。

断层地表表现特征较弱，主要为负地形，局部可见断层三角面，局部沿次级断面发育有断层快速滑动形成阶步状断面、平直擦痕等，沿断层在地表有少量地裂缝发育，最大位错值<3 m，引水线路推荐轴线在K11+012处穿过本段断层带，交汇处附近钻孔ZK10显示：主断层带中心部位为宽约5 m～15 m未固结炭化断层泥带或铁质集中断层碎粒岩带，两侧发育宽约20 m～35 m半固结的断层角砾岩，断层影响带宽约0.5 km～1.5 km。总体而言，本段断层活动性较强，地表破裂不明显，次级断层发育较少，断层影响带较宽。

3.3 断层地应力特征

受构造作用影响，本区地应力长期积累、集中、加强，最终导致应变能在2008年突然释放引发汶川8级地震。震后地应力得到释放量值降低，但仍处于高应力区，且本工程隧洞埋深较大，区内断裂地应力问题值得关注。受工程规模及场地条件所限，在断层上盘距断裂400 m处布置了1个地应力钻孔，进行了孔内水压致裂地应力测试，其测试结果如表2所示。

地应力测试结果表明：(1) 随孔深增加，最大、最小水平主应力虽有起伏，但总体量值呈现增大趋势，108 m以下最大水平主应力的量值范围在5.78 MPa～9.23 MPa之间；最小水平主应力的量值范围在3.89 MPa～6.29 MPa之间。岩体应力在量值上属低等应力，未发现应力集中区；(2) 岩体应力状态以水平应力作用为主的特征，三向主应力的关系均表现为SH>Sh>Sv，SH∶Sh∶Sv比值为1∶(0.67～0.74)∶(0.50～0.60)；(3) 断层上盘整体地应力量值不高，这反映了区内应力有一定程度释放；(4) 北川—映秀断裂在北川老县城断层上盘最大水平主应力的方向为N64°E，即NEE向，该结果与周边地应力测试结果相匹配[5-6]。

表2 引通济安工程钻孔水压致裂地应力测试成果

注：Pb地面—地面破裂压力；Pr地面—地面重张压力；Ps地面—地面瞬时关闭压力；PH—试段深度上水柱压力；P0—试段深度上孔隙压力；σt—岩石抗拉强度；SH—最大水平主应力；Sh—最小水平主应力；Sv—铅直应力(按上覆岩层自重27.1 kN/m3计算)。

综上所述，根据北川—映秀断裂的汶川地震同震地表地裂缝分布及发育程度、断层带物质组成、断裂带地表特征和地应力情况分析：工程区内自北东至南西，断层影响带逐渐变窄，断裂活动特征逐渐减弱。从工程地质条件和工程安全的角度，建议引通济安引水隧洞选择在北川—映秀断裂南西段穿越断裂。

4 断裂活动及隧洞抗断问题分析

引通济安引水隧洞拟穿过北川—映秀断裂，因此研究该活动断裂的运动模式及位移量对工程稳定性及安全性具有重要影响。活动断裂对于地下隧洞工程的影响主要表现为：岩体振动引起的破坏(即抗震问题)和断裂活动造成的破坏(即抗断问题)。

针对活动断裂引起的隧洞工程抗震问题：Prater[7]认为：隧洞工程抗震的最大问题是侧向边界，若侧向边界处理为刚性，则在边界上会产生假反射，使计算结果恶化；陈健云等曾采用阻尼影响抽取法研究围岩动刚度的动力特性，并提出岩石地下结构抗震分析算法，对溪洛渡地下洞室群的抗震安全性进行过评价[8]。Kirzhner F等[9]的研究表明，地下工程的振动破坏往往随着工程埋深的加大而衰减。目前工程界对于深埋隧洞工程抗震问题的研究比较多。

针对隧洞工程抗断问题研究十分有限，戚蓝等[10]和冯启民等[11]研究了活动断裂的错动作用效应以及对埋地管道位移场的影响。活动断裂的运动位移和变形模式主要分为断裂的粘滑错动和蠕滑两种。地震时断层的快速破裂属于活动断裂的粘滑错动，蠕滑是不伴随地震的断裂缓慢错动。针对活动断裂上下两盘的粘滑错动(最大位错)，现有工程处理措施很难奏效。因此准确预估活动断裂的运动位移和变形模式，是分析和评估隧洞工程稳定性的基础。

4.1 断裂活动粘滑位错分析

突发地震事件引起的位错或变形会直接破坏工程构筑物，因此，从保证工程安全出发，必须对工程使用期限内活动构造可能发生的位错量进行评估。关于未来可能事件的最大位错量评估方法，邓起东等[12]曾提出用古地震法、非完全古地震法、滑动速率法、断裂长度转换法和预测地震转换法等多种方法进行评估。

北川—映秀断裂曾发生过8.0级汶川地震，工程区内地震时产生的地表破裂最大粘滑位错位于擂鼓镇柳林村(N31.795°，E104.426°)，位错值为垂直(6.0±0.2) m，水平(6.0±0.2) m。由于汶川地震离逝时间仅10年，而北川—映秀断裂Ms8.0级左右大地震的平均复发间隔在2 000 a～4 000 a[13]、引通济安工程设计使用期为30 a。按活动构造定量研究中的古地震法来评估：北川—映秀断裂地震重复间隔时间远远大于离逝时间与工程使用期限之和，引通济安引水隧洞工程可不考虑该断裂发生突发位错的可能性。

4.2 断裂蠕滑错动分析

根据Wallace[14]的研究结果，发生8级地震的断层蠕滑率约占滑动速率的10%(以此作为蠕滑速率下限)。杜方等[15]在研究1973年炉霍地震后鲜水河断裂带炉霍段的震后滑动与形变的结果，炉霍震后30年以来，断层蠕滑速率为平均滑动速率的6.6%～25%，可见大地震后的断裂蠕滑速率存在异常增加的现象。北川—映秀断裂的滑动速率约为1.0 mm/a～1.5 mm/a[16-19]，考虑一定安全系数，本文对北川—映秀断裂在汶川地震后的蠕滑速率取为滑动速率的25%，即0.25 mm/a～0.375 mm/a。可以估算出未来30年北川—映秀断裂的蠕滑量为7.5 mm～11.3mm，百年蠕滑量为25 mm～37.5 mm。偏安全考虑，按百年蠕滑量设防，该蠕滑量可以作为设计部门抗断处理的参考值。

综上所述，针对本工程穿越北川—映秀断裂引发的抗断问题，本工程可不考虑工程使用期该断裂发生突发位错(粘滑)的可能性。工程穿越处北川—映秀断裂未来百年蠕滑量为25 mm～37.5 mm，可采取超挖设计、复合衬砌、铰接设计等相应的抗断措施处理断层蠕动位错，即根据活动断层可能的错动量(25 mm～37.5 mm)，扩大隧道断面尺寸，在断层错动时，扩大的隧道断面尺寸可以保证隧道断面的净空面积，尽可能减小错动导致的隧道结构破坏。

5 结 论

(1) 引通济安工程穿越北川—映秀断裂，该断裂曾发生强烈地震，断裂活动性强，对隧洞选线影响较大。通过对工程区内断裂特征的分析，建议隧洞在断裂地表破裂不明显、次级断层发育较少的南西段穿越断层，通过合理选线降低工程风险。

(2) 北川—映秀断裂北川段现阶段地应力以水平应力为主，最大水平主应力的方向为NEE向。

(3) 分析了本隧洞工程所面临的抗断问题，可不考虑工程使用期北川—映秀断裂发生突发位错(粘滑)的可能性；断裂未来百年蠕滑量为25 mm～37.5 mm，该蠕滑量可以作为设计部门抗断处理的参考值。