区域构造应力场分析在隧道超前地质预报中的应用

2018-08-08王政

科技与创新 2018年15期

王政

（河南交通职业技术学院，河南郑州 450000）

我国山区占国土面积的近69%，地质条件十分复杂，隧道在我国交通建设中占有很大比例，并且出现了大量的隧道群和长隧道，一些长大隧道往往要穿过多种岩类、多个构造，甚至跨过几个地质单元，即使同一岩类，工程地质条件也是千差万别。大量的隧道工程建设实践表明，施工前期勘测所取得的地质资料有限，难以完全满足施工过程的要求，给后期施工阶段带来许多预想不到的困难和危害。

成功的隧道超前地质预报工作可以弥补勘察设计资料对一些不良地质探测不明的缺陷，有效防止隧道开挖时发生突发性灾害，保证施工工期、施工质量和评判围岩稳定与否。本文阐述以地质力学为基础，分析工程所在区域构造应力场从而指导隧道超前地质预报工作的预报方法理论。

1 构造应力场相关概念

1.1 地应力

隧道在开挖以前，岩体中存在的天然应力被称为地应力。主要包括上覆岩层的重力引起的自重应力，和造成地壳运动的外力引起的构造应力（又称为水平地应力）。李四光教授提出构造应力的来源主要是地球自转角速度的变化引起的离心惯性力的径向水平分量（△f1）和纬向惯性力（fS）。离心惯性力的径向水平分量和纬向惯性力如图1所示。

图1 离心惯性力的径向水平分量和纬向惯性力

计算公式如下：

式（1）（2）中：m为地面某点质量；R为地球半径；φ为A点的纬度；ω为地球自转角速度。

当地球自转角速度变化时，离心惯性力的径向水平分量（△f1）和纬向惯性力（fS）都能打破地球原有的平衡，改变地壳结构，产生地壳运动。

1.2 构造应力场

构造应力场就是具有成生联系的各种构造形迹在不同部位应力状态的总和。安欧总结构造应力场特征时认为：构造应力场在空间上是势场，在时间上是不稳定场，在存在上是非独立场，在类型上是变形应力场。构造应力场应力状态主要受地块形状和边界条件、边界外力、体力、地形、岩体性质、构造形迹的展布变化六项因素影响；此外，还有其他一些次要影响因素，比如地磁场、地热场、重力均衡场等。另外，地壳中发生的重大地质事件，包括火山活动、地震活动等，所引起的地应力的积累、集中、释放、调整等过程，对一定范围内的构造应力场也都发生影响。

1.3 构造应力场的主要类型与划分

构造应力场的类型很多，常见的构造应力场划分有以下几个。

1.3.1 按构造体系的典型构造型式划分

构造体系及其组成的各种构造型式，是由具有成生联系的不同形态、不同性质、不同等级和不同序次的各项结构要素所组成的构造带及它们之间所加地块组合而成的总体。它由统一、具有一定规律的应力分布所控制。按构造体系的典型构造型式可将构造应力场划分为纬向构造应力场、经向构造应力场、扭动构造应力场。

1.3.2 按构造应力场展布地域范围大小划分

具体分为全球构造应力场、区域构造应力场、局部构造应力场。

1.3.3 按构造应力场的形成和活动时代划分

具体分为地质历史时期构造应力场、挽近地质时期构造应力场、现今构造应力场。

2 构造应力场对岩体稳定性的影响

构造体系及其组成的各种构造型式是构造应力场的表现形式，因此，构造应力场对岩体稳定性产生的影响可以通过对构造体系的研究得到判断岩体稳定性的依据，其主要意义表现为：①构造体系及其复合决定了岩体结构组合形式、结构体的几何形态和方向，它们是影响岩体稳定性的内在因素。②不同规模构造体系本身或构造体系的复合所形成的结构体规模大小，在岩体稳定性评价中也起重要的作用。③某些类型构造体系本身或构造体系的复合就在边坡、地基、地下工程围岩中构成不稳定的结构，形成非稳定岩体。④由于不同类型的构造体系是各种不同方式构造应力场的反映和外在表现，因此，根据构造体系可定性地推断其形成时的构造应力分布状态。特别是根据活动构造体系的构造型式，不仅可以推断其现今构造应力场，还可以推断为各类结构面所围限的岩块（结构体）内的现今应力状态，粗略地预测其稳定性及其程度。这对确定地下工程的方位，评价地下工程拱顶和两帮岩体稳定程度非常有利。

以厦门海底隧道为例，存在的主要构造体系为新华夏系和华夏式构造体系，主要经历两期构造活动，并且后者成生晚于前者。图2为新华夏系和华夏式两构造应力场的简单叠加示意图。新华夏系中的290°左右的张性正断层在后期的华夏式构造应力场中，落在了该构造应力场的“张性顺扭”区域中，即图中的画斜线部分区域。根据不同力学性质断层的控水作用可知：一般张性断层构造岩由于多呈棱角状，混杂无序，胶结松散或未胶结，结构疏松，空隙大且空隙率高，透水性好，而更容易形成富水控水走廊。

新华夏系中的2900左右的张性正断层在后期华夏式构造应力场作用下，经过二次张性力作用，其断层破碎带将进一步扩大，相比之下它的不稳定程度比其它压性或扭性断裂经过二次张性力作用更为强烈，再加上厦门海底隧道本身就在海底施工，海水是导致施工过程中可能出现事故的最大诱因，所以从抓事物主要矛盾方面综合考虑可知290°左右的张性正断层是该隧道施工面临的最不稳定因素之一，因而也是隧道超前地质预报工作中的重中之重。

图2 构造应力场叠加示意图

3 在隧道超前地质预报中的应用

一方面，可根据不同时期的构造应力场复合和断层多期活动理论确定隧道所在区域主要不良地质走向；另一方面，在地震波物探法中可确定正确的钻孔布设方式。反射波的传播速度、波形、强度和方向等与不良介质面的岩石力学参数和产状密切相关，在介质参数一定的前提下，信号的接收效果就主要取决于介质相关界面的产状。所以，震源钻孔和接收器钻孔应根据探测的最主要不良地质的产状来确定布置的隧道壁，以确保能接收到强度最大、受干扰最小的不良地质反射信号。具体原则为：①选择距离最主要不良地质最近的隧道隧洞壁布设震源钻孔。距离最主要不良地质越近，直达波到达最主要不良地质的距离和反射波到达接收器的距离也就越近，震波信号传播过程中的能量损失较小，接收器接收的信号好、强度大，采集到的反射波数据质量也就越好。②选择最主要不良地质与接收器平行或小角度相交的隧道隧洞壁布设接收器钻孔。只有选择接收器能够与最主要不良地质平行或小角度相交的隧道壁布设接收器钻孔，才能确保反射波到达接收器的距离最近，震波信号传播过程中的能量损失较小，接收器能接收到较好的反射信号。如果采用单壁布置接收器，接收器钻孔和震源钻孔是布置在同一隧道壁上的。厦门海底隧道29°左右主要不良地质在隧道掘进的过程中始见于隧道掌子面掘进方向的左侧，如图3所示，因此在进行TSP地质超前预报探测时，震源钻孔应该布置在按掘进方向隧道的左壁上。如果采用单壁布置接收器，则接收器钻孔应和震源钻孔布置在同一隧道壁上的，但为获得质量更高的反射波数据信号，一般采用隧道双壁均布置接收器的方式。