陕南特长公路隧道水压致裂法地应力测量结果及工程地质意义分析

2022-05-16彬张文文

地质力学学报 2022年2期

关键词：比法岩爆龙山

李彬张文文冉

1.青海大学土木工程学院,青海西宁 810016;

2.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081;

3.自然资源部活动构造与地质安全重点实验室,北京 100081;

4.四川长宁天然气有限责任公司, 四川成都 610051

0 引言

地应力客观赋存于岩体中,是导致地壳岩体产生变形、断裂、褶皱乃至地震的根本作用力(张重远等,2012;张浩等,2020)。研究表明,地应力状态与地下空间的稳定关系密切,是判断隧道设计阶段线路布设合理性的基础,也是预测隧道施工过程可能出现岩爆、断层滑动等其他工程灾害的重要参数 (Amadei and Stephansson,1997;王成虎等,2010;张重远等,2013;孙东生等,2020;任洋等,2021)。

中国西部地区地势复杂、构造作用强烈,开展深埋铁路和公路隧道等穿越的复杂岩体的地应力特征调查和研究,对于隧道的工程开挖和支护具有重要的指导意义(任洋等,2021)。文章所关注的古仙洞隧道与化龙山隧道位于陕西省安康市平利县和镇坪县,其长度分别为4902 m和5044 m,均为特长隧道。构造上,两隧道位于鄂尔多斯地块与秦岭-大巴造山带之间,活动断裂十分发育,区域构造应力场具有强烈的各向异性。相关学者通过震源机制解、水压致裂法和声发射法等方法对研究区外围地区地应力特征进行了综合研究(肖本职等,2005;韩金良等,2007;杜建军等,2013;杨宗宝等,2017;牛琳琳等,2018),认为研究区外围现今地应力方向为北西西或东西向,并推测这种应力差异是受到鄂尔多斯地块南缘断层不同程度的影响所致。这些研究成果为现今的工程建设提供了理论基础,但多集中于研究区外围地区。研究区内构造应力场各向异性强烈,实测地应力匮乏,因而在古仙洞隧道与化龙山隧道关键构造部位开展地应力测量及构造应力场研究具有重要的意义和价值。

文章采用水压致裂法对研究区内古仙洞隧道与化龙山隧道进行地应力实测,获得了两隧道现今主应力大小与方向,同时通过实测地应力数据,对研究区现今构造应力场环境、隧道选线合理性、隧道开挖岩爆风险以及隧道附近断层稳定性等工程效应进行分析评价。

1 区域构造地质背景和钻孔地质特征

1.1 区域构造地质背景

研究区在区域上属于大巴山地区,处于四川克拉通盆地东北缘与秦岭碰撞造山带之间,大巴山地区以规模巨大的城口-钟宝断层为界分成南大巴山和北大巴山两个岩石构造单元。介于商丹断层和勉略断层之间的北大巴山(图1)归属于扬子板块,主要由一套元古代和早古生代火山碎屑岩及深水沉积岩构成。区域地质资料表明,该区上地壳盖层均发生了以含蓝晶石、白云母和钙铝榴石等为特征的变质作用,使原岩变质成大理岩、板岩、片岩和千枚岩。在构造变形特征上,北大巴山冲断推覆构造十分发育。

图1 研究区及邻区地质构造简图(据柯昌辉,2013修改)Fig.1 Geological structure diagram of the study area and adjacent area(modified after Ke,2013)Ⅰ1-Hinterland thrust-fold belt of the Qinling Orogen; Ⅰ2-North margin of the Yangtze Plate; Ⅱ1-Foreland thrust-fold belt of the Qinling Orogen; Ⅲ-Qinling Microplate;Ⅲ1-Late Paleozoic faulted depression zone in northern South Qinling; SF1-Shangdan Fault; SF2-Mianlue Fault; F1-Sanmenxia-Lushan Fault; F2-Machaoying thrust-nappe fault;F3-Tieluzi-Heigou-Luanchuan thrust-nappe fault; F4-Qiaoduan-Waxuezi Fault; F5-Zhuyangguan-Xiaguan thrust fault; F6-Shanyang-Fengzhen thrust-nappe fault; F7-Shiyan fault; F8-Shiquan-Ankang thrust fault; F9-Hongchunba-Liping fault; F10-Yangpingguan-Dabie South Margin Fault; F11-Longmenshan Fault; F12-Hualing Mountain Fault

1.2 钻孔简要地质特征

此次陕南高速公路G6911线地应力测量钻孔共2个,古仙洞隧道和化龙山隧道各1个,地应力测量钻孔具体情况如下。

古仙洞隧道钻孔(ZK10钻孔)终孔深度为278.60 m,静水位为178.00m。钻孔岩性以片岩为主,且以中—微风化程度为主,岩体整体较为破碎。现场测试过程主要在72.16 m以下进行,最大测试深度为266.20 m,共完成5段有效压裂测试和3段有效印模测试。

化龙山隧道钻孔(ZK11钻孔)终孔深度为415.00 m,静水位为0。岩芯主要以片岩、板岩为主,整体较为破碎(图2)。现场测试过程从58.00 m以下进行,最大测试深度347.00 m,共完成8段有效压裂测试和4段有效印模测试。

图2 化龙山隧道ZK11钻孔典型岩芯Fig.2 Typical drill cores of Borehole ZK11 in the Hualongshan Tunnel(a) Photo showing complete drill cores in Borehole ZK11; (b) Photo showing cracked drill cores in Borehole ZK11

2 地应力测量与分析

2.1 地应力测量方法

水压致裂法是钻孔地应力测量方法的一种,通过水力压裂产生诱发裂隙的方式来测量地应力。该方法具有操作简单、测量可靠、可直接测得最小水平主应力等优点,是国际岩石力学学会(ISRM)推荐的最新地应力测量方法之一(Haimson and Cornet,2003),在交通工程、水电工程、资源开采等实践中得到了广泛应用,并取得了大量的研究成果(陈群策等,2012,2019;王成虎等,2020),具体测量程序参考Haimson and Cornet(2003)的描述。ZK10钻孔和ZK11钻孔的水压致裂测量均严格按照ISRM所要求的步骤进行,在计算水压致裂关键参数时,也采用ISRM建议方法进行,其中关闭压力(Ps)计算综合了单切线法、dt/dPvsP法和dP/dtvsP法等计算结果进行最终取值,以确保计算结果准确性(丰成君等,2012)。

2.2 地应力测量结果

在G6911线古仙洞隧道ZK10钻孔和化龙山隧道ZK11钻孔中共获得13组水压致裂测量曲线,化龙山隧道ZK11钻孔水压致裂应力测量曲线如图3所示,各深度测段压力记录曲线形态比较标准规范,各压力参数点明确,同一测段的各回次曲线重复性好,能够获得有效测试数据。

图3 水压致裂典型应力测量曲线(化龙山隧道)Fig.3 Curves showing typical hydraulic fracturing in-situ stress in the Hualongshan Tunnel

以化龙山隧道ZK11钻孔58.00 m测段为例(图4),展示了关闭压力(Ps)3种计算方法,并将3种方法平均值作为最终Ps取值,参与主应力值计算。古仙洞隧道和化龙山隧道2个钻孔水压致裂测量参数及主应力计算结果见表1。

表1 ZK10钻孔和ZK11钻孔水压致裂地应力测量结果Table 1 Results of hydraulic fracturing in-situ stress measurements of Boreholes ZK10 and ZK11

图4 3种方法综合确定Ps值(化龙山隧道58 m)Fig.4 Shut-in pressure (Ps) determined by three methods (58 m-deep in Borehole ZK11 in the Hualongshan Tunnel)(a) Inflection point method; (b) dt/dP vs P method; (c) dP/dt vs P method.The average value of these methods is used to calculate the Ps.

2.3 地应力测量结果分析

基于ZK10钻孔和ZK11钻孔水压致裂地应力测量结果(表1),整理分析了两个隧道主应力随埋深的散点图,通过线性拟合获取了主应力值随深度分布和变化规律,如图5所示。分析表明,古仙洞隧道钻孔(ZK10钻孔)最大水平主应力随深度呈增大趋势,最小水平主应力值随深度变化不明显,在371 m埋深处最大水平主应力可达13 MPa;化龙山隧道钻孔(ZK11钻孔)主应力值随深度增加而增大,在470 m埋深处最大水平主应力可达22 MPa。

图5 两个隧道主应力随深度变化Fig.5 Diagrams showing the change of the principal stresses with depth in the two tunnels(a) The Guxiandong tunnel; (b) The Hualongshan tunnel

根据Anderson(1905)断层理论并结合图5可知,古仙洞隧道在233 m处发生应力转换,由浅至深分别发育逆冲型应力(SH>Sh>Sv)和走滑型应力(SH>Sv>Sh)2种地应力类型;化龙山隧道3个主应力之间的关系总体表现为SH>Sh>Sv,属于逆冲型应力类型。同时从图5可知古仙洞隧道与化龙山隧道最大主应力均为SH,表明两个隧道现今构造活动以水平应力为主导。

通过水压致裂试验中所得裂隙方位,古仙洞隧道与化龙山隧道钻孔分别获得3个测段与4个测段最大水平主应力方向数据,以古仙洞隧道为例,给出了古仙洞隧道ZK10钻孔印模结果(图6a),两隧道最大主应力玫瑰花图如图6b、6c所示。古仙洞隧道ZK10钻孔主应力方向由浅至深分别为N65.8°W、N60°W和N47°W,平均值为N58°W,由此可以表明古仙洞隧道ZK10钻孔最大水平主应力优势方向分布在北西之间。化龙山隧道ZK11钻孔主应力方向由浅至深分别为:N47°W、N55°W、N70°W和N66°W,数学平均值为N60°W。由此可以表明:化龙山隧道ZK11钻孔最大水平主应力优势方向分布在北西—北西西之间。

图6 古仙洞隧道印模结果与两隧道最大主应力方向Fig.6 Diagrams showing the drilling impression of Borehole ZK10 in the Guxiandong Tunnel and the directions of the maximum principal stress of the two tunnels(a) Drilling impressions of Borehole ZK10 (b) Maximum principal stress in the Guxiandong Tunnel (c) Maximum principal stress in the Hualongshan Tunnel

3 讨论

3.1 研究区现今构造应力场分析

研究区位于欧亚板块内秦岭造山带中部,其北为华北地块南缘活动边缘,其南为扬子地块北缘被动陆缘(王清晨等,1989),显然,这是影响研究区应力场特征的主要构造背景。文章实测结果表明研究区最大水平主应力方向为北西—北西西向(图7),与秦岭造山带走向基本一致(嵇少丞等,2008)。吴逸影等(2021)利用横波分裂法对秦岭造山带上地幔各向异性开展了的研究,结果表明研究区岩石圈受到壳幔垂直连贯变形作用,为壳-幔强耦合型,暗示着研究区深、浅部应该具有一致的构造应力方向。杜兴信和邵辉成(1999)采用震源机制资料,分区反演了中国现代构造应力场,显示研究区及周边地区最大主压应力轴为近北西西向。谢富仁等(2007)基于板块运动、水压致裂和震源机制解等多种数据编制的中国大陆地壳应力环境基础数据库显示研究区最大主应力方向为北西西向(图7)。嵇少丞等(2008)通过地表变形(GPS)获得秦岭造山带中西部地壳运动现今速度场相对欧亚板块的运动方向亦为北西西向。牛琳琳等(2018)、王斌等(2020)通过水压致裂法分析了鄂尔多斯地块南缘应力场成因,认为华北地块的阻挡造成鄂尔多斯地块南缘交接转换区应力发生调整,构造应力场发生偏转,自青藏高原东北缘向鄂尔多斯地块南缘的构造应力方向由北东—北东东向逐渐转为北西向。

图7 研究区现今地应力作用方向(据谢富仁等,2007修改)Fig.7 Direction of the in-situ stress in the study area (modified after Xie et al.,2007)

3.2 地质与工程灾害分析

3.2.1 隧道布设合理性分析

余莉等(2015)通过对不同应力类型条件下最大水平主应力方向与洞轴线夹角的影响进行研究,将其分为3种类型,并确定出最优的最大水平主应力与洞轴线的夹角α。

(1)SH型(SH>Sh>Sv),最优的最大水平主应力与洞轴线的夹角0°<α<30°。

(2)SHv型(SH>Sv>Sh),最优的最大水平主应力与洞轴线的夹角α:

(3)Sv型(Sv>SH>Sh),最优的最大水平主应力与洞轴线的夹角60°<α<90°。

古仙洞隧道深部现今3个主应力关系为SH>Sv>Sh,属于SHv型。古仙洞隧道钻孔最大水平主应力方向为N60°W,隧道轴线方向角度为N45°W,夹角为15°。根据公式(1)计算得到隧道埋深范围内最优夹角0°<α<10°,隧道轴线与最大水平主应力方向虽大于最优夹角,但相差数值较小,对围岩稳定性影响较小。

化龙山隧道3个主应力关系为SH>Sh>Sv,属于SH型。化龙山隧道钻孔最大水平主应力方向为N58°W,隧道轴线方向角度为N45°W,夹角为13°,有利于围岩稳定。

3.2.2 隧道开挖岩爆风险

岩爆是在硐室开挖过程中,围岩卸荷而发生的脆性破坏。一般认为,岩爆多发生在新鲜、坚硬、完整的脆性岩体中,此外,岩体中的高应力值,尤其是高的差应力值也是发生岩爆的必要条件。文章从地应力的角度,以实测地应力和岩石力学参数为基础,以原岩应力场最大主应力和切向应力准则为判据,采用岩石强度应力比法(国家铁路局,2017)、陶振宇判据(陶振宇,1987)、Russenes判据 (Russenes,1974;张镜剑和傅冰骏,2008)和岩石应力强度比法(徐林生和王兰生,1999)综合评价工程区两处隧道的岩爆风险(表2)。

表2 岩爆风险判据和分级Table 2 Risk criteria and classification of rock burst

其中,Russenes判据中岩石修正点荷载强度Is(50)是根据现场所取试样室内岩石力学试验所获得的,岩石饱和单轴抗压强度Rc=22Is(50)(Russenes,1974)。研究区内两隧道岩性均为中—微风化片岩,室内试验测得岩石饱和抗压强度值约为80 MPa;对于岩石强度应力比判据方法和Russenes判据方法,研究区内两隧道埋深范围内以走滑型和逆冲型应力类型为主,因此最大主应力σmax=SH;对于岩石应力强度比判据方法与陶振宇判据方法,假设隧道横截面为受两向正应力作用的平面应变模型(孟文等,2021),即上覆岩石自重作用引起的垂向应力(Sv)和隧道横截面上的水平向正应力(σn),根据线弹性理论公式,推得其与水压致裂法实测水平主应力关系如下:

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。

通过对岩石强度应力比法、陶振宇判据、Russenes判据和岩石应力强度比法的相关参数进行计算,分析了两个隧道岩爆风险与埋深的关系(图8,表3)。

表3 古仙洞隧道与化龙山隧道岩爆风险预测结果Table 3 Predicted results of rock burst risk of the two tunnels

图8 古仙洞隧道和化龙山隧道岩爆风险评价结果Fig.8 Results of rock burst risk assessment for the two tunnels(a) The Guxiandong tunnel;(b) The Hualongshan tunnel

(1)对于古仙洞隧道,陶振宇判据预测岩爆发生可能性最高,隧道全部埋深范围内均可能发生轻微岩爆;岩石应力强度比法预测岩爆发生可能性最低,隧道全部埋深范围内没有发生岩爆可能性;岩石强度应力比法、Russenes判据和陶振宇判据虽然在岩爆可能发生深度预测上存在差异,但均显示本隧道不具备发生中等强度及以上等级岩爆的可能。

(2)对于化龙山隧道,陶振宇判据预测岩爆发生可能性最高,分别自0 m、224 m隧道埋深处开始发生轻微岩爆和中等岩爆;岩石应力强度比法预测岩爆发生可能性最低,自323 m隧道埋深处开始发生轻微岩爆;上述4种方法虽在岩爆可能发生深度的预测上存在差异(表2),但均预测该隧道不具备强烈强度及以上等级岩爆的可能。

(3)综合对比古仙洞隧道与化龙山隧道岩爆预测结果发现,与岩石强度应力比法和陶振宇判据,岩石应力强度比法和Russenes判据预测结果更加保守,比如陶振宇判据均预测两隧道自地表处就具有发生岩爆的可能,这显然高估了岩爆发生的可能性。一般来说,较浅的埋深多为隧道进出口,或山谷等浅埋区,上覆地层多为第四纪坡积物和强风化岩体,岩石强度普遍发生劣化,难以积累高应力值,因而实际上并不具备岩爆的可能性。

(4)岩石应力强度比法和Russenes判据考虑隧道开挖工程中对初始应力场的影响,能够更好地揭露隧道具体开挖段岩爆发生时岩体应力与岩体强度间的关系。而岩石强度应力比法和陶振宇判据未考虑原岩主应力方向,也就是隧洞轴线与最大主应力的夹角的影响,只考虑最大主应力所能引起的最大岩爆等级的可能性,这也就造成了这两种方法所预测岩爆发生强度和可能性偏高。另外,岩石强度应力比法和陶振宇判据具有相同的判别公式Rc/σmax, 但后者的岩爆判据阈值显著高于前者,造成了岩爆等级和岩爆深度预测的差别,因此二者的可靠性范围有待于实际施工中对比检验。

上面仅从地应力这一单一因素角度,对古仙洞隧道与化龙山隧道发生岩爆的可能性进行了分析。但实际上,引起岩爆的发生还需要岩石新鲜完整,裂隙不发育或仅有潜在微裂隙等多个条件共同作用。因此,认为尽管古仙洞隧道、化龙山隧道存在发生围岩岩爆的地应力条件,但是两隧道岩体破碎段发生岩爆的可能性极低,岩体完整段具有发生岩爆可能。

3.2.3 研究区断层稳定性分析

研究区位于大巴山地区,其中城口-钟宝断层和商丹断层冲断推覆构造十分发育。研究表明在合适的地壳应力场作用下,百米左右深度的裂隙、小断层亦可能发生失稳滑动(Chang and Jo,2015; Wu et al.,2016; Zhang et al., 2017)。因此, 尝试对研究区内现今地壳应力状态和断层稳定性之间的关系进行研究,以期为研究区内两座隧道设计与施工提供理论依据。

莫尔-库伦准则认为,在不考虑内聚力条件下,当断层面上τ≥μσn时,即有可能发生滑动失稳,其中τ是断层面上剪应力,μ是断层摩擦系数,σn则是断层上的正应力。Zoback and Healy(1984)通过对Byerlee断层滑动条件(Byerlee,1978a)进一步研究发现,发生滑动失稳时,最大主应力、最小主应力与断层摩擦系数之间的关系可表示为:

公式中,S1为断层上最大主应力,S3为断层上最小主应力,P0为孔隙压力。如若上式左边小于右边则断层稳定,否则断层将沿“合适的角度”φ发生滑移破坏,φ与μ的关系可用式(5)表示:

根据Anderson断层理论,对于不同类型断层,其S1、S3所对应的实测地应力不同。由于古仙洞隧道由浅至深分别发育逆冲型应力(SH>Sh>Sv)和走滑型应力(SH>Sv>Sh)两种地应力类型,公式(4)中分别令S3=Sv和Sh、S1=SH;对于化龙山隧道,S1=SH、S3=Sv。

Byerlee(1978b)综合各种岩石的室内试验资料发现,大部分岩石的μ值在0.6~1.0之间。分别将μ=0.6和1.0带入公式(4),作为判断断层稳定性的临界值,具体计算结果如图9所示。

图9 基于实测应力的研究区段断层滑动稳定性评价Fig.9 Assessment of sliding instability of faults in the study area based on measured stress

由图9可见,在μ取0.6~1.0条件下,古仙洞隧道实测地应力值位于应力临界值下方,尚未达到断裂失稳滑动的最小值;对于化龙山隧道,浅部地应力实测值已达到断裂滑动失稳条件,部分实测值甚至超过μ=1.0应力值临界区,而深部地应力实测值却低于断层发生失稳破坏临界值,分析其原因可能为浅部沟谷地形影响造成应力集中,随埋深增加,沟谷作用减弱,使得深部实测地应力值均小于临界区,断层处于稳定状态。综上,研究区内古仙洞隧道与化龙山隧道附近断裂均无失稳滑动可能,具有较好的稳定性。