北疆深埋隧洞地應(yīng)力與區(qū)域應(yīng)力場相關(guān)性研究

尹健民，周春華，，李云安，崔 東，汪 洋

（1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010；2.中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢 430074；3.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000）

1 研究背景

新疆地處我國西部，屬于多震區(qū)，同時受地球板塊運動影響突出，加之地殼厚度深淺不一，導(dǎo)致上地幔物質(zhì)在地球深處進行物理化學(xué)作用對地殼深部構(gòu)造影響不一，勢必造成該區(qū)應(yīng)力場的復(fù)雜性。目前，對地殼應(yīng)力狀態(tài)的研究，最為直接的辦法便是進行實地地應(yīng)力測量［1］。進行工程區(qū)地應(yīng)力實地測量對于進一步研究該區(qū)地震活動機制、地震災(zāi)害預(yù)測預(yù)報亦為重要［2］。

工程設(shè)計往往必須進行工程區(qū)應(yīng)力場實測及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場背景分析。目前北疆構(gòu)造應(yīng)力場研究較少，已有研究僅針對油田部分應(yīng)力分量研究。張守良等［3］采取水力壓裂法及室內(nèi)聲發(fā)射凱塞爾效應(yīng)法對克拉瑪依油田井深范圍506.0～3 483.0 m地應(yīng)力場分布規(guī)律進行了研究；周鵬高等［4］應(yīng)用鉆井誘導(dǎo)縫推斷法及井徑測量法對準(zhǔn)噶爾盆地克拉美麗氣田應(yīng)力場的水平主應(yīng)力方向進行過預(yù)判研究，同時對重點探井的地應(yīng)力進行了計算。上述研究均只涉及地應(yīng)力間接測試法，僅能提供應(yīng)力量值，未提供應(yīng)力方向。目前對淺部工程應(yīng)力場與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的關(guān)系研究也很少。王建軍［5］采用水壓致裂法與套鉆解除法對天池抽水蓄能電站地下廠房區(qū)地應(yīng)力場進行了對比研究；李永松等［6］在北疆哈德布特水電站進行了2種地應(yīng)力測試方法的對比及工程區(qū)應(yīng)力場數(shù)值模擬研究；王永仁等［7-8］針對四棵樹礦區(qū)2個斜井的礦壓問題，采用空心包體法-套芯解除法對斜井區(qū)應(yīng)力場進行了研究，給出該區(qū)地應(yīng)力大小及方向；其他學(xué)者［9-11］利用水壓致裂法在天山隧道及伊寧恰甫其海水利樞紐進行了地應(yīng)力測量。

顯然北疆地區(qū)（包括天山北部）已有應(yīng)力場研究因工程特點或研究目的不同而呈現(xiàn)研究方式和內(nèi)容上的差異。原位地應(yīng)力測試研究中，往往受測試深度所限，僅了解到淺部應(yīng)力分布，同時受地形影響，難以進行區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場相關(guān)性研究。本文通過研究地形平緩的北疆戈壁區(qū)深埋隧洞應(yīng)力場分布及其與北疆區(qū)域構(gòu)造環(huán)境的相關(guān)性，有助于該區(qū)地殼淺表應(yīng)力場向深部構(gòu)造應(yīng)力場的演化規(guī)律研究，并為工程區(qū)域應(yīng)力環(huán)境背景提供參考。

2 阿爾泰地區(qū)某隧洞地應(yīng)力測量分析

國內(nèi)對于阿爾泰區(qū)域應(yīng)力場的研究僅在文獻［6］中報道過，但僅反映了阿爾泰山區(qū)某水電站地下廠房區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)。本文采用國際巖石力學(xué)學(xué)會建議的水壓致裂地應(yīng)力測量方法［12-13］對沙漠邊緣的一種地貌形態(tài)——戈壁灘區(qū)地應(yīng)力場分布規(guī)律進行研究。該方法具有如下優(yōu)點：可以利用現(xiàn)有的地質(zhì)勘探鉆孔進行測量，測量深度大，資料解釋中不需要巖石彈性常數(shù)參與計算；測試結(jié)果的代表性好。水壓致裂法已屬于規(guī)范采用的地應(yīng)力常規(guī)測量方法，在此不再贅述。

2.1 某深埋引水隧洞工程概況

引水工程區(qū)位于新疆北部和東部，自北向南主要通過阿爾泰山、準(zhǔn)噶爾盆地、東天山，終止于吐哈盆地。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，褶皺和斷裂發(fā)育，不同類型的邊界斷裂將本區(qū)切割成大小不等的中低山區(qū)及斷陷盆地。工程在大地構(gòu)造上處于阿爾泰褶皺系南部和準(zhǔn)噶爾—北天山褶皺系中、東部。引水工程輸水工程線路總長877.2 k m，隧洞最大埋深超過700 m。本次測試研究區(qū)位于阿爾泰山地區(qū)戈壁灘，洞線長273.9 k m，地貌上以低山丘陵區(qū)或戈壁灘區(qū)為主，沿線基巖出露，沖溝發(fā)育，洞頂上覆巖體厚度250～780 m。為了揭示該隧洞在阿爾泰山前戈壁灘區(qū)應(yīng)力場的分布規(guī)律，以便為隧洞設(shè)計及施工提供依據(jù)，首次在戈壁灘深埋引水隧洞中部及南端布置的ZK1孔及ZK2孔內(nèi)進行了常規(guī)水壓致裂法地應(yīng)力測試，2孔相距約120 k m，測孔布置及研究區(qū)域構(gòu)造如圖1所示。

圖1 測孔布置及研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Distribution of measurement boreholes and tectonics in the research region

研究區(qū)域在地貌上以低山丘陵區(qū)或戈壁灘區(qū)為主，沿線基巖出露，沖溝發(fā)育。工程區(qū)主要分布N W向斷裂，其中臨近測孔的主要是F8，F(xiàn)9，F(xiàn)103條斷裂。納爾曼得斷裂（F8）呈西北—南東向延伸，屬壓性，斷裂面向西南傾，傾角60°左右。恰烏卡爾—托讓格庫都克斷裂（F9）為納爾曼得復(fù)背斜南界，呈55°～60°方向延伸，近100 k m，傾向325°～340°，傾角在80°左右?？溊飻嗔眩‵10）呈北西—南東向延伸，南東段略呈弧形，屬壓扭性；斷層面總體向南西陡傾，有關(guān)資料表明，該斷裂形成于早古生代，強烈活動于晚古生代，具有明顯的復(fù)活性，晚近時期仍有活動。

2.2 地應(yīng)力實測成果分析

地應(yīng)力測孔ZK1孔口高程984.8 m，孔深392.95 m，所處洞身底板高程517.2 m?？變?nèi)巖體主要為肉紅色華里西期花崗巖，巖芯堅硬，其中360.9～363.4 m區(qū)間可見凝灰?guī)r和花崗巖侵染接觸，揭示巖芯為青灰色凝灰?guī)r，完整且呈長柱狀。ZK2孔口高程1 249.0 m，孔深711.24 m，所處洞身底板高程569.0 m。揭露巖體主要為花崗巖，為完整長柱狀，其中，在埋深531.3～532.5 m區(qū)間為石炭系地層俘虜體，巖性為砂巖，凝灰砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造；在埋深647.6～655.8 m和668.0～669.0 m區(qū)間見巖芯呈連續(xù)餅化狀，表明該范圍地應(yīng)力水平較高。測試時2孔地下水位均距孔口埋深約為12 m。

圖2 測孔主應(yīng)力沿埋深分布Fig.2 Distribution of principal stress with depth

圖3 平均側(cè)壓系數(shù)及主應(yīng)力方向沿埋深分布Fig.3 Distribution of coefficient of average horizontal pressure and orientation of principal stress with depth

現(xiàn)場地應(yīng)力實測成果中主應(yīng)力量值沿埋深分布見圖2，平均側(cè)壓系數(shù)及主應(yīng)力方位沿埋深分布分別見圖3。已有研究表明，通過側(cè)壓系數(shù)可以更為直觀地表征區(qū)域應(yīng)力場特征，景鋒等［14］對我國400多個鉆孔的實測地應(yīng)力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得出：0.6＜σH／σV＜1 550／H+0.6，0.35＜σh／σV＜810／H+0.6（σH，σh，σV，H 分別為最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂直應(yīng)力及埋深，其中，垂直應(yīng)力按巖體自重直接進行計算）。圖2中顯示的2孔應(yīng)力量值與埋深線性規(guī)律不明顯，但實測結(jié)果中的最大與最小平主應(yīng)力方向側(cè)壓系數(shù)分別集中為1.1～2.3，0.8～1.6，與已有研究結(jié)論一致，并表明測試范圍內(nèi)構(gòu)造作用明顯。具體而言，圖2（a）揭示了ZK1孔實測應(yīng)力狀態(tài)在埋深270.0 m處（對應(yīng)高程700.0 m）呈現(xiàn)分區(qū)，即在淺于該埋深范圍內(nèi)，應(yīng)力狀態(tài)呈σH＞σh＞σV（垂直應(yīng)力σV取重度為26 k N／m3）；而深部則呈σH＞σV＞σh，這與文獻［15］統(tǒng)計分析提出的西域地塊應(yīng)力轉(zhuǎn)換深度為309.0 m接近。同時，圖2（b）中顯示ZK2孔在埋深630.0～675.0 m量值異常（陡然增大），這與埋深647.6～655.8 m和668.0～669.0 m區(qū)間巖芯呈連續(xù)餅化狀現(xiàn)象一致，說明受構(gòu)造作用明顯。圖3（a）所列結(jié)果中水平方向平均側(cè)壓系數(shù)普遍大于1，表明該區(qū)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，屬構(gòu)造應(yīng)力型，與文獻［6］中所測結(jié)果的自重應(yīng)力型不同，這主要是由于后者受阿爾泰山局部地形影響；圖3（b）表明2孔所測主應(yīng)力方向穩(wěn)定，且集中為NNE向，表明該工程區(qū)與阿爾泰應(yīng)力區(qū)構(gòu)造背景的NE主壓力方向一致，主要受到外圍印度洋板塊對沖歐亞板塊影響。

綜上，ZK1孔揭示了在埋深270 m呈現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)分區(qū)，ZK2孔在測試范圍內(nèi)揭示了埋深630.0～675.0 m量值突增，極有可能受臨近的北西—南東向壓扭性喀拉麥里斷裂影響。據(jù)有關(guān)資料顯示該斷裂具有明顯的復(fù)活性，晚近時期仍有活動，通過本次測試，進一步證明了該斷裂的活動性較強。

3 與北疆區(qū)域應(yīng)力場相關(guān)性分析

3.1 北疆區(qū)域應(yīng)力場基本特征

中國大陸及鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場明顯受周邊板塊作用的控制，大陸內(nèi)部由于構(gòu)造格局及其運動的差異，應(yīng)力狀態(tài)的區(qū)域特征十分明顯。為客觀反映中國大陸構(gòu)造應(yīng)力場的結(jié)構(gòu)及其非均勻特征，進行應(yīng)力分區(qū)的研究是十分必要的。謝富仁等［16］（2004年）依據(jù)主應(yīng)力方向的一致性、應(yīng)力結(jié)構(gòu)特征的一致性、應(yīng)力強度、構(gòu)造變形和斷層破裂方式及力源類型等分區(qū)原則將中國大陸及鄰區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場分為不同的四級應(yīng)力區(qū)。其中屬于二級應(yīng)力區(qū)的新疆應(yīng)力區(qū)主要受到來自青藏塊體向北的推擠，區(qū)內(nèi)最大主壓應(yīng)力方向以南北向為主，應(yīng)力結(jié)構(gòu)類型主要呈σH＞σh＞σV和σH＞σV＞σh。本文所研究區(qū)屬于阿爾泰應(yīng)力區(qū)，其現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場分布如圖4所示。

圖4 新疆及鄰區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場分布（摘自中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫）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）

由圖4可看出：新疆區(qū)域主壓力方向與構(gòu)造應(yīng)力展布基本一致，即近阿爾泰山山脈區(qū)域主壓力方向主要為NE向，而近天山山脈處則以NW—NS向為主，南面的昆侖山山脈區(qū)域則以近NS向為主。具體而言，該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)主要呈σH＞σh＞σV；其次呈σH＞σV＞σh；而較少呈σV＞σH＞σh。

3.2 實測應(yīng)力場與區(qū)域應(yīng)力場的相關(guān)性

地應(yīng)力是由巖體自身重力影響而產(chǎn)生的自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造運動產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力組成。通過現(xiàn)場實測來研究地殼淺部應(yīng)力場，進而對比分析區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場分布規(guī)律，可為工程所處區(qū)域應(yīng)力環(huán)境背景研究提供很好的參考。

在地形平緩的戈壁區(qū)進行應(yīng)力場研究，尤其在本次研究區(qū)域內(nèi)巖性較為單一且臨近斷裂構(gòu)造空間分布上都具陡傾性質(zhì)前提下，能更為原始地反映出區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場分布。由前述分析可知，隧洞區(qū)域地殼淺部應(yīng)力場平均側(cè)壓系數(shù)大于1，說明整體上仍然屬于構(gòu)造型應(yīng)力場，受區(qū)域構(gòu)造控制。震源機制代表了某地震錯動的應(yīng)力狀態(tài)，理論上地震前后是不同的，但綜合多個不同的震源機制資料可以反演求得應(yīng)力方向，從而得以研究深部構(gòu)造應(yīng)力場分布。隧洞研究區(qū)主應(yīng)力方向集中為NNE向，與圖4震源機制解所示的區(qū)域主壓力方向NE一致，表明淺部地層活動與深部構(gòu)造運動相協(xié)調(diào)，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定。通過實測結(jié)果可以揭示研究區(qū)在埋深300 m左右呈現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)由σH＞σh＞σV向σH＞σV＞σh過渡，從空間上展現(xiàn)了構(gòu)造應(yīng)力場深淺部演化規(guī)律，同時給出了研究淺源地震孕震環(huán)境的構(gòu)造活動深度范圍。另外，在ZK2孔中局部位置呈現(xiàn)應(yīng)力異?，F(xiàn)象，最大水平向側(cè)壓系數(shù)明顯大于1，說明該區(qū)構(gòu)造活動較強，在后期施工過程中應(yīng)加強對臨近斷裂構(gòu)造活動的監(jiān)測。

4 結(jié) 論

（1）在地形平緩的阿爾泰戈壁區(qū)，最大水平主應(yīng)力方向與外圍板塊作用方向及震源機制解一致，呈NNE向，同時與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場分布相符。

（2）研究區(qū)域在埋深300 m左右存在應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，即由σH＞σh＞σV向σH＞σV＞σh過渡，定量界定了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場空間分布。

（3）區(qū)域多震與外圍構(gòu)造活動密切相關(guān)，應(yīng)加強該區(qū)深部構(gòu)造應(yīng)力場研究，重視現(xiàn)場實測手段的應(yīng)用，提高對區(qū)域應(yīng)力場宏觀把握，利于指導(dǎo)類似深埋地下工程的設(shè)計和施工。

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