色季拉山交通廊道现今地应力场特征研究*

张玉玺

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043， 中国)

0 引 言

色季拉山地处藏东南高山峡谷区，是雅鲁藏布江支流尼洋河和鲁朗河的分水岭，山势雄厚，岭脊高耸，两侧峡谷高差显著。因位于青藏高原东南缘的喜马拉雅东构造结地区，著名的雅鲁藏布江大拐弯西侧(陈建军等， 2008)，是全球新构造运动最为活跃的区域，区内分布有米林断裂、嘉黎断裂等区域深大活动断裂，具有地壳急剧抬升、板块强烈挤压(范桃园等， 2012)、活断裂强震频发的复杂构造地质环境。特殊的区域构造背景，活跃的地壳运动环境、复杂的构造应力条件(丁林等， 2013)加之急剧变化的地形高差，造就了十分复杂的初始地应力场特征。

色季拉山区域是西南地区进入林芝往拉萨方向的必经之地，国道G318翻山而过，是规划建设中的铁路、高速公路等高等级道路所必经的重要交通廊道。获取该区域山体深部地应力实测数据，分析初始地应力场特征，可以进一步研究深部洞室开挖可能面临的高地应力下岩爆等地质问题(毛红梅， 2011； 田四明等， 2021)，为工程规划建设提供重要依据。

目前，青藏高原地区地应力测试和研究工作主要集中于青藏高原中部、东南缘及东北缘地区， 21世纪初期，结合青藏铁路建设项目的实施，吴珍汉(2004)等开展了地应力测试工作，填补了青藏高原实测地应力资料的空白。汶川地震后，依托国家专项项目，陈群策等(2012)在青藏高原东缘龙门山断裂带开展了较为系统的地应力测试工作，获得了震后龙门山断裂带构造应力场分布特征。喜马拉雅东构造结地区因地形艰险，地质灾害频发，交通等基础设施薄弱，前人的科学研究和工程实践工作相对较少，实测地应力资料相对匮乏，徐纪人等(2006)通过震源机制解分析得出的区域地应力优势方位为20°～40°，大多垂直于喜马拉雅山弧； 孙玉军等(2017)通过数值模拟探讨青藏高原东部应力-应变场特征，认为围绕喜马拉雅东构造结，主应力方向不断发生变化，由北东—南西向逐渐转为近东西向; 黄艺丹等(2020)认为喜马拉雅地区，地震以逆冲型为主，地震强度大、频率高，水平应力相对较大，主应力方向近NE-WS方向。这些研究分析从地质构造和宏观区域角度出发较多，缺少实测地应力数据的验证和支撑。

近年来，依托拉林铁路建设和川西部分公路隧道的建设，获取了一些地应力实测数据，并开展了相关研究工作，获取了区域地应力方向和浅部地应力实测数据。前期地应力测试深度一般不大于500m，距研究区最近的林芝测点的深度为300m(郭长宝等， 2018)，通过对500m深度内地应力实测数据的研究分析，得出了最大水平主应力方向集中于近SN-NNE向，揭示了以逆断型为主，水平构造应力占主导的应力场特征(郭长宝等，2021)。而后，川藏铁路拉林段桑珠岭隧道、巴玉隧道等工程区，以及康定段折多山隧道，雅康高速公路二郎山隧道等工程区等也相继开展了原地应力测试工作，获得了地应力测量值及方向等数据资料，为临近工程规划建设提供了重要的技术支撑。但500m深度范围内地应力数据和特征分析对于研究色季拉山交通廊道1500～2000m深度地应力场特征是远远不够的，对工程的可借鉴性也是十分有限的。

本次研究以工程问题导向出发，找出高地应力对工程影响方式主要为岩爆这一因素，通过岩爆发生的必要条件，重点研究与地应力的关系，针对性开展相应深度的地应力分析； 同时以区域地质构造特征背景为基础，即找出控制地应力方向的构造因素和主要应力大小特征。通过开展1500m深度级的深孔地应力测量，统计地应力实测数据，深入分析划分出色季拉山交通廊道地应力特征分布呈现差异的3个不同区段，找到每个区段地应力随深度增加的特征深度，对特征深度以下地应力测试结果进行详细数据统计、分析，采用最小二乘法拟合出的深部地应力回归公式获取深部地应力随深度分布特征，据此估算该深度级范围内地应力值大小也是可靠的，进一步分析归纳得到了色季拉山交通廊道现今地应力场特征，结合岩石强度试验结果，可进一步分析预测隧道等地下洞室工程在高地应力下岩爆等问题，对于该区域内今后重大工程建设过程中的工程选线和勘察设计具有重要意义。

1 研究区地应力场背景

研究区域色季拉山属一级构造单元冈底斯—念青唐古拉地块中的拉达克—冈底斯—察隅弧盆系，紧邻雅鲁藏布江缝合带，该区域的形成为青藏高原隆升形成的典型代表在晚古生代到早第三纪之间通过地块的相继并合而成的，强烈的构造碰撞和隆升来源于新生代。区内断裂成束、褶皱密集发育，以深大活动断裂为主控构造(鲁立志， 2015)，区域构造背景十分复杂。

根据中国大陆构造应力场划分(谢富仁等， 2004)，研究区属于中国西部一级应力区，青藏高原二级应力区，青藏高原南部三级应力区，墨脱—昌都四级应力区(崔效锋等， 2005)。震源机制分析得到的结论认为该应力区震源机制解水平最大主应力优势方位有2个，一个近SN向(优势方位为10°)，一个是NE向(优势方位为40°)，震源机制解的类型主要是走滑型和正断型(图1)。

图1 青藏高原现代构造应力场图(据谢富仁等， 2004)

徐纪人等(2006)系统解析并分析了1931年8月～2005年10月期间青藏高原及其周围发生的905个震级M4.5～8.5地震的震源机制结果，指出青藏高原绝大部分地震震源机制解的P轴方位都是沿着近NE-SW方向排列。其根据中国西部青藏高原及其周围区域510余个地震资料，分析得到青藏高原全域内地震震源机制P轴方位集中分布在0°～50°范围，优势方位为20°～40°，在喜马拉雅山地区P轴方向几乎都是NNE-SSW到NE-SW方向变化，且大多垂直于喜马拉雅山弧。

孙玉军等(2017)通过数值模拟探讨青藏高原东部应力-应变场特征，其模拟计算结果认为从喜马拉雅地块到拉萨地块，水平构造力以挤压为主，围绕喜马拉雅东构造结，主压应力方向不断发生变化，由北东—南西向逐渐转变为近东西向，从应变率分配来看，该应变率主要集中在大型活动断裂带，绕喜马拉雅东构造结的一系列弧形活动断裂上分配的应变率最大。

2 地应力测量与结果

2.1 地应力测量方法

本次研究中，利用深孔钻探，在孔内采用水压致裂方法测量地应力，该方法可以获取不同深度的两个方向地应力数值大小和方向，通过三维分析研究获取的成果，可较好地反应色季拉山交通廊道区初始地应力场的空间特征。

水压致裂法进行地应力测量是国际通用，技术成熟、实施性强的一种方法。该方法是20世纪70年代发展起来的能够测量地壳深部应力可靠而有效的方法，是2003年国际岩石力学学会试验方法委员会颁布的确定岩体应力建议方法中所推荐的方法之一，是目前国际上能较好地直接进行深孔地应力测量的先进方法(孟文等， 2017)。该方法的地应力测量是以弹性力学为基础，且以下列3个假设条件为前提：(1)岩石是线性、均匀和各向同性的弹性体； (2)岩石是完整的，压裂液体对岩石来说是非渗透的； (3)岩层中一个主应力的方向和钻孔轴线平行。

本次研究工作，根据钻孔条件及相关配合条件，采用了单回路水压致裂应力测量系统(王海忠， 2004； 黄德镛等， 2016)，该方法只用一条高压管向钻孔加压，通过推拉开关转换封隔器的座封压力和试验段的致裂压力，具有适应性强、操作简单、方便快捷、安全高效等优点，在以往众多工程项目中得到了广泛的应用，并取得了高质量的地应力资料。测量过程是首先取一段基岩裸露的钻孔，用封隔器将上下两端密封起来； 然后注入液体，加压直到孔壁破裂，并记录压力随时间的变化，并用印模器或井下电视观测破裂方位。根据记录的破裂压力、关泵压力和破裂方位，利用相应的公式算出实测点主应力的大小和方向。

2.2 地应力测点布置

在色季拉山交通廊道区，根据地形条件、地质构造、地层岩性及研究目的，共布置深孔12孔开展测量，孔深300m至1450m不等，采用Φ95mm口径钻进，布点沿越岭区、沟谷段、傍山侧都有分布，沿交通廊道布置较为均匀(图2)。

图2 色季拉山交通廊道地应力测点布置图

深孔钻探完成后，结合综合测井的资料、孔径大小和岩芯完整性等，从下至上采用Φ89mm封隔器选择测试段进行测试，并选取代表性测段进行定向印模测定，实测深度自100m至1410.2m(高程2963.9～4166.1m)，山体不同深度、工程研究范围内不同高程内均有测量数据，共完成地应力实测108段(代表性测段成果曲线如图3～图5所示)。

图3 SZ-2号深孔1059.80～1060.30m测段地应力测量曲线

图4 SZ-5号深孔1219.95～1220.85m测段地应力测量曲线

图5 SZ-11号深孔1410.20～1410.70m测段地应力测量曲线

2.3 地应力测量结果

通过确定的压力参数及相关计算公式，得到测段岩体的原位抗拉强度T、最大水平主应力SH(图6)、最小水平主应力Sh(图7)，及代表性段落的最大水平主应力方位(图2)。

图6 最大水平主应力测量成果散点图

图7 最小水平主应力测量成果散点图

同时，根据钻孔岩芯及岩石试验统计分析，准确选取各孔岩石的天然密度统计均值，计算垂直主应力Sv(王成虎等， 2020)，以最大水平主应力与垂向应力相比，得出侧压系数KH，最小水平主应力与垂向应力相比，得出侧压系数Kh(表1)。

表1 地应力测量结果及岩石试验统计表

3 研究区地应力场特征分析

在实测地应力数据获取后，开展了深入的地应力场特征分析和研究，其目的是根据地应力实测结果，分析最大主应力方向，获取最大主应力与深度关系等关键参数，进而得出色季拉山交通廊道区初始地应力场的主要特征，为今后穿越色季拉山廊道区地下工程高地应力研究提供可靠依据，对可能发生的岩爆等工程问题进行预判(张镜剑等， 2008； 夏舞阳， 2018)。

3.1 分析研究思路

因研究区实测地应力数据样本量大，通过初步分析、统计，不同区段、不同深度测试结果离散性大，具有明显差异性。为此，从两个方面着手进行分析研究：一是以工程问题为导向，因控制岩爆发生重要因素之一是高地应力，根据前人研究成果，认为地应力随深度增加而增加(Brown et al.， 1978)，不同区域地应力增加梯度有所差异，同时浅部地应力受地表地质作用控制(王晓春等， 2002)，离散性大，且临界深度内不控制岩爆的发生(侯发亮等， 1989)，可通过地应力实测数据分析，找出影响地应力的特征深度，不同区段分不同的深度进行分析； 二是根据区域地质构造背景分析，东构造结的核心南迦巴瓦强烈隆升挤压周边块体，造成构造应力水平较高(谢富仁等， 2007； 张培震， 2008； 杨树新， 2013)，结合研究区所在地形地貌特征和实测地应力数据，根据研究区距离东构造结核心区域的远近(图8)，尝试找出廊道区不同区段地应力分布特征的差异，分析不同区段初始地应力场特征。

图8 地理位置示意和区域构造简图

3.2 测试结果初步分析

通过对全部测试结果的汇总分析，最大水平主应力方向为N33°E～N86°E(图2)，与震源机制解分析得出的区域地应力优势方向基本一致。从实测的最大水平主应力SH看，最大水平主应力与垂向应力相比的侧压系数KH范围为0.84～2.82，平均1.48(图9)，从实测的最小水平主应力Sh看，最小水平主应力与垂向应力相比的侧压系数Kh范围为0.68～1.75，平均1.07(图10)，表现出区域受地质构造作用明显，最大水平主应力SH>最小水平主应力Sh>垂向主应力Sv，水平向应力明显高于垂向应力。通过对Kh的数据详细分析，其自上而下逐渐减小至小于1，反映出廊道区部分段落山体深部特征体现为SH>Sv≥Sh，这与林芝地区已有地应力测量获取的结果是一致的(张鹏等， 2017)。

图9 最大水平主应力侧压系数(KH)散点图

图10 最小水平主应力侧压系数(Kh)散点图

3.3 特征段落划分

通过对测试成果数据的统计、分析、筛选，特别是对最大水平主应力侧压系数(KH=SH/SV)的统计分析，不同分段组合下的变异系数比较，岭脊段SZ-5、SZ-6、SZ-7 3孔最大水平主应力侧压系数整体一致性好，特别是深部(600m以下)范围为0.97～1.21，平均值1.09，表现出岭脊区段受水平构造力影响相对较小(陈群策等， 2004)，与廊道东北段呈现出明显的差异性，这与部分学者提出的地应力特征与地质构造、断层分布有较大的相关性的认识是一致的(李静等， 2021)，即廊道区东北段因临近东构造结核心区，靠近米林断裂带，受周边块体挤压作用，构造应力水平较高，体现出最大水平主应力侧压系数较高。

3.4 分段特征分析

据此根据最大水平主应力侧压系数、特征深度的差异，将整个交通廊道区分3段，分别为东北段、岭脊段、西南段，逐段统计分析。其中通过侧压系数统计分析，剔除受地形和构造作用影响较大的浅部地应力测试数据，采用最小二乘法拟合出的深部地应力回归公式(秦向辉等， 2016)。最小二乘法这种数学优化方法可以通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，找到基于样本分析的相对最优规律。本文基于地应力测试样本数据的分段筛选后，线性拟合出地应力随深度增加的回归公式，通过方差计算控制得出相对最优结果，据此分析研究一定深度下地应力随深度分布特征(图11)，具体分析如下：

图11 最大水平主应力分段分析成果图

(1)东北段。通过分析该区段4个测试孔数据，最大水平主应力侧压系数340m深度上下有较大的差异性， 340m深度以上分布离散，范围值1.24～2.82，浅部地应力受地形影响明显， 340m深度以下为1.07～1.58，通过线性拟合深部地应力随深度变化结果为：SH=0.043H-4.71(R2=0.9157) 式中：SH为最大水平主应力，H为深度，R2为决定系数，地应力梯度为4.3MPa/100m。

(2)岭脊段。通过分析该区段3个测试孔数据，最大水平主应力侧压系数560m深度上下有较大的差异性， 560m深度以上分布离散，范围值1.10～1.65，浅部地应力受地形影响明显， 560m深度以下为0.84～1.21，通过线性拟合深部地应力随深度变化结果为：SH=0.029H-0.795(R2=0.9184) 式中：SH为最大水平主应力，H为深度，R2为决定系数，地应力梯度为2.9MPa/100m。

(3)西南段。通过分析该区段5个测试孔数据，最大水平主应力侧压系数640m深度上下有较大的差异性， 640m深度以上分布离散，范围值1.27～1.92，浅部地应力受地形影响明显， 640m深度以下为1.20～1.61，通过线性拟合深部地应力随深度变化结果为：SH=0.025H+10.9(R2=0.9562) 式中：SH为最大水平主应力，H为深度，R2为决定系数，地应力梯度为2.5MPa/100m。

通过以上分析，基于地质构造成因对色季拉山交通廊道地应力特征分段是可行的，通过数据分析统计，分为3个区段，找到了每段地应力特征深度，特征深度以上地应力大小较为不规律，随深度增加不明显，离散性大； 特征深度以下至1400m深度，呈现较好的线性分布规律，据此可通过拟合的回归公式较为准确地计算各深度地应力值，该测量深度级附近一定深度内的地应力大小也可通过线性回归公式较为可靠地推算。

色季拉山廊道区现今地应力场特征的研究成果，结合岩石强度试验结果，硐室开挖条件分析，可进一步分析、研究地下工程的高地应力分布特征，预测岩爆和大变形的发生，为深埋地下硐室工程设计提供关键参数(李天斌等， 2019)，为工程勘察设计提供重要参考，可满足廊道内地下深埋工程建设的需要。

4 结 论

通过采用水压致裂法在色季拉山交通廊道区开展了地应力测量工作，获取了实测地应力数据，结合勘察资料，通过分段分析、回归统计，揭示了地壳浅表层现今地应力特征，可以得出如下研究结论：

(1)在色季拉山交通廊道区开展了深孔内水压致裂法的地应力测量，最大测试深度为1410.2m，最大水平主应力值SH范围6.15～45.52MPa，最大水平主应力方向N33°E～N86°E，与构造运动方向基本一致。

(2)研究区受地质构造作用明显，最大水平主应力SH>最小水平主应力Sh>竖向主应力Sv，水平向应力明显高于垂向应力，在特征深度以上，地应力离散性大，特征深度以下最大主应力随深度呈线性趋势增加。

(3)通过分析统计，色季拉山交通廊道区可分为东北段、岭脊段和西南段3个地应力特征区段，自东北向西南段，地应力梯度分别为4.3MPa/100m、2.9MPa/100m和2.5MPa/100m，呈减小趋势，结合区域构造背景分析，因其远离东构造节核心区域，向西南方向水平构造应力呈减弱趋势。

(4)根据分段地应力回归分析拟合出的地应力随深度公式，据此可估算测量深度范围级附近地应力大小，结合岩石强度试验结果，可进一步分析预测隧道等地下硐室工程高地应力特征，预测岩爆和大变形的发生。

本次研究所采用的以区域构造成因分析为基础，结合地形地貌、地质构造等越岭山区地应力特征分段，地应力线性分布的特征深度划分等，为类似越岭山区初始地应力场特征研究提供了思路和方法。研究成果可为同一地区的铁路、公路、水利等地下硐室工程建设提供重要参考。同时，从地应力实测分析统计结果来看，复杂构造应力背景下，局部可能存在地应力异常，实际大小高于地应力推测值的情况。