淺部和深部工程區地應力場及斷裂穩定性比較

李 鵬， 郭奇峰， 苗勝軍， 蔡美峰

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室(北京科技大學)，北京100083)

淺部和深部工程區地應力場及斷裂穩定性比較

李 鵬1,2， 郭奇峰1,2， 苗勝軍1,2， 蔡美峰1,2

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室(北京科技大學)，北京100083)

為研究淺部和深部工程區構造應力場的差異，依據優化處理后的淺部376組和深部619組實測地應力數據，采用回歸分析法和斷裂摩擦滑動準則對淺部和深部的地應力場特征及斷裂穩定性進行比較分析. 結果表明，與淺部相比，深部地應力場有從構造應力場向垂直應力場轉變的趨勢. 深部的主應力與深度的線性相關程度比淺部的高. 隨著深度的增加，淺部的側壓系數KH1、Kh1分別向1.54、0.85趨近，深部的側壓系數KH2、Kh2分別向1.15、0.85趨近. 淺部、深部的水平差應力η1、η2整體上隨深度增加有增大的趨勢. 滑動摩擦系數μ取1.0時，淺部和深部斷裂基本處于相對穩定狀態；μ取0.6時，淺部逆斷層有較大的滑動可能性，深部斷裂滑動失穩的可能性較小；μ弱化到0.4、0.2時，淺部和深部斷裂發生滑動失穩的可能性顯著增加. 淺部和深部斷裂滑動失穩標準分別取μ為0.6～1.0、0.4～0.6較合適，逆斷層和走滑斷層的滑動失穩標準可以分別取μ為0.6、0.4左右.

優化處理；實測地應力數據；斷裂摩擦系數；斷裂滑動失穩標準

地應力在地下巖體工程建設中具有舉足輕重的作用[1]. 了解工程地區的地應力分布特征，可以確定工程巖體屬性，進行圍巖穩定性分析與支護結構設計，有利于實現巖土工程開挖設計和決策的科學化[2]. 此外，地應力狀態也與斷裂構造滑動失穩及地震孕育等密切相關. 地應力場是一個相對穩定的非穩定應力場，雖然地應力場是復雜多變的，在各個區域也不盡相同，但其隨深度的分布仍表現出一定的規律性，這一點從國內外學者根據實測地應力數據得到的地殼淺層地應力分布規律也可以看出[3-5]. 目前國內外已發展和應用的地應力測量方法主要有扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性圓筒應力計、聲發射法、應力解除法、應變恢復法、鉆孔崩落法、地球物理探測法及地質方法等[1]. 其中水壓致裂法與應力解除法的技術設備成熟，測量精度較高，廣泛應用于各類工程. 地應力測量面臨巖體介質差異性、節理裂隙、地下水、溫度等各種因素的影響，各類測量方法的適用性、操作性，尤其是復雜地質條件下的測量精度，有待進一步細化研究和改善.

21世紀是“地下空間”的世紀. 近年來，國內外各類地下工程都在逐步向深部延伸，不斷刷新著深度記錄. 以金屬礦山行業為例，南非絕大多數金礦的開采深度大都在2 000 m以下，目前最深的Western Deep Level金礦的開采深度已經達到4 700 m[6]. 中國金屬礦山的開采深度也在不斷深入，其中云南會澤鉛鋅礦、吉林夾皮溝金礦和遼寧紅透山銅礦的開采深度分別達到了1 500、1 400、1 300 m[7]. 淺部和深部巖體的賦存環境差異很大，深部巖體處于構造應力場與殘余構造應力場雙重作用環境中，兩種應力場綜合疊加為高應力，在深部巖體中形成了異常的地應力場. 根據謝和平等[8]對世界30多個國家的地應力分布圖分析可知，淺部的地應力狀態以構造應力為主，隨深度的增加，深部的地應力狀態逐漸變為靜水壓力狀態，這是深部與淺部巖體應力狀態的顯著區別. 本文根據收集到的中國大量實測地應力資料，首次對劃分的淺部和深部工程區的地應力分布特征分別進行統計分析，并對二者進行具體比較；然后依據庫侖滑動摩擦準則，探討淺部和深部在現今應力狀態下的斷裂穩定性及判斷斷裂滑動失穩的摩擦系數取值標準.

1 實測地應力數據資料

在收集數據時，本文參考何滿潮等[9]關于淺部工程與深部工程的界定方法，將深度在500 m以上的范圍定為淺部工程區，深度超過500 m的范圍定為深部工程區. 本文地應力數據資料來源廣泛，既有《世界地應力實測資料匯編》[10]和《中國大陸地殼應力環境研究》[11]中的地應力數據，又收集了國內多個煤礦、金屬礦山、隧洞洞庫、鐵路隧道、水(核)電站及中國大陸科學鉆探主鉆孔等工程的實測地應力數據. 此外，還收集了國內近兩年發表的文獻中有關中國最近建設的重大水電、交通、高放廢物處置等領域深埋地下工程現場實測地應力數據，如雙江口水電站、當金山隧道、高放廢物地質處置庫北山預選區等. 地應力數據分布地點基本覆蓋了中國大陸地區，具有廣泛的代表性.

為了保證所得結論的可靠性，在分析之前，首先對地應力數據進行優化處理，具體處理方法見文獻[12]. 由于淺部數據分布較離散，深部數據分布較密集，因而僅對淺部數據進行篩選處理，處理方法見圖1. 最后共剩下有效實測地應力數據995組，其中淺部數據有376組，深度H最淺11 m，最深498 m；深部數據有619組，深度最淺502 m，最深5 047 m. 所采用的995組地應力數據大部分是由水壓致裂法和應力解除法測得的，還有少量的鉆孔崩落法測量數據.

圖1 淺部σH 、σh和σv數據優化處理示意圖

2 淺部和深部地應力場特征

2.1 地應力結構

經統計得，淺部有194組數據3個主應力關系為σH>σh>σv，約占51.60%，根據Anderson斷層理論，屬逆斷型應力結構，有利于逆斷層的發育活動，如陜西漢中盆地及周邊地區測量鉆孔附近存在有大量逆斷層和擠壓褶皺，該地測得的3個主應力關系恰為σH>σh>σv[13]；有182組數據3個主應力之間的關系為σH>σv>σh，約占48.40%，屬走滑型應力結構，有利于走滑斷層的發育活動，如冀東地區馬城附近深縣—樂亭斷裂第四紀具有左旋正斷的活動特性，該地GK1-2鉆孔測得3個主應力的關系為σH>σv>σh[14]. 在深部，183組數據的3個主應力關系為σH>σh>σv，約占29.56%；403組數據的3個主應力關系為σH>σv>σh，約占65.11%；33組數據的3個主應力關系為σv>σH>σh，約占5.33%，屬正斷型應力結構，該應力結構特征有利于正斷層活動，如金州斷裂帶北段現今表現為正斷層作用，該地所測得的3個主應力關系為σv>σH>σh[15]. 分析可知，淺部以σH>σh>σv型、σH>σv>σh型應力結構為主，二者所占比重基本相當. 深部σH>σv>σh型應力結構占絕對優勢，也有少量以垂直主應力為主的情況. 與淺部相比，深部逆斷型應力結構比重下降，走滑型應力結構比重增加，且出現了正斷型應力結構，表明深部地應力場有從構造應力場向垂直應力場轉變的趨勢.

2.2 主應力隨深度變化

由于水壓致裂數據和鉆孔崩落數據中的垂直主應力是根據上覆巖層重量估算得到的，不是真實的垂直主應力，而應力解除法得到的是實際垂直主應力. 因此，分析淺部和深部垂直主應力與深度關系時，只采用應力解除數據. 國內外大量研究表明，地應力量值整體上隨深度的增加而增大，近似成線性關系. 目前普遍采用最小二乘法對3個主應力與深度的關系進行線性回歸擬合，具有一定的合理性. 淺部和深部的主應力隨深度變化規律與線性回歸方程如圖2、3所示，圖中回歸方程中各參數的意義為：σH1、σh1、σv1分別為淺部的最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力，σH2、σh2、σv2分別為深部最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力.

圖2 淺部σH1、σh1和σv1隨深度變化曲線

圖3 深部σH2、σh2和σv2隨深度變化曲線

從圖2、3中可以看出，淺部和深部主應力隨深度的變化規律整體上符合“主應力隨深度呈線性增加”這一結論，但數據離散性也較大，尤其是淺部. 根據回歸方程，σH1、σh1的相關性系數R2只達到了0.57，線性關系不顯著. 而深部σH2、σh2的相關性系數R2超過了0.85，擬合精度較高，線性關系較好，表明深部的水平主應力的變化比淺部穩定. 分析認為，淺部的地應力狀態受地表風化剝蝕、沉積環境及地形地貌等因素的影響較大，導致淺部地應力場呈現出非均勻分布的特征. 淺部σv1的相關性系數大于深部σv2的，這可能與深部σv2隨深度分布的非連續性有關.

2.3 側壓系數隨深度變化

最大與最小水平主應力的平均值與垂直主應力的比值常用來描述地下某點的應力狀態和地應力隨深度的變化規律. 本文采用最大水平主應力與垂直主應力之比KH和最小水平主應力與垂直主應力之比Kh這兩個指標(統稱為側壓系數)來研究淺部和深部的地應力變化趨勢，如圖4、5所示. 其中KH1、Kh1分別為淺部對應的兩個側壓系數，KH2、Kh2分別為深部對應的兩個側壓系數.

(a) KH1

(b) Kh1

(a) KH2

(b) Kh2

統計得，在淺部，KH1=1.02～9.08；Kh1=0.41～7.86. 在深部，KH2=0.72～3.54；Kh2=0.31～2.07. 由圖4、5可知，淺部和深部各自的兩個側壓系數整體上隨著深度的增加而減小，符合已有的認識和規律. 淺部的兩個側壓系數值比深部的分布較離散，波動幅度較大，地應力在淺部的變化比較明顯. 到了深部，兩個側壓系數值分布更集中，并隨著深度的增加而快速收斂，逐漸趨向于一個恒定值，隨深度的變化不再敏感. 總體來看，KH1向1.54趨近，Kh1向0.85趨近；KH2趨向于1.15，Kh2趨向于0.85，這與世界30多個國家的地應力分布情況[8]基本一致. 側壓系數的減小是非線性的，其變化趨勢以雙曲線的形式表示，但深部的側壓系數與深度的雙曲線關系不如淺部顯著，表明水平構造應力場在淺部巖體的主導作用要強于深部巖體.

2.4 水平差應力隨深度變化

水平差應力(最大與最小水平主應力的差值)與巖體中的剪應力密切相關，在一定程度上能反映工程巖體的穩定性，較高的差應力是影響地下工程圍巖穩定的主導因素. 對淺部和深部的水平差應力進行分析，有助于進一步認識水平構造應力場的變化趨勢，也可為判斷地下工程圍巖的穩定程度提供一定參考. 為便于敘述，本文用η來表示水平差應力，即η=σH-σh. 由圖6可知，淺部η1和深部η2隨深度分布比較散亂，波動范圍比較大，整體上隨深度增加有增大的趨勢. 水平差應力隨深度增大，可能與巖石的彈性模量、強度隨深度的增大有關. 分析數據知，η1=0.10～16.91 MPa；η2=0.84～58.50 MPa. 深部的水平差應力最大達到了58.50 MPa，這對深部工程的穩定性是極為不利的. 淺部的巖體大多處于彈性應力狀態，而深部巖體則可能處于塑性狀態，水平差應力較大而引起的剪應力超過巖石強度時，容易造成不良結構面、巖石的變形破壞. 深部較淺部所處的應力構造環境更容易在工程臨空面形成高的差應力，這大大地增加了地下工程圍巖支護的難度，同時也增加了巖爆等災害發生的概率.

綜上分析，淺部和深部地應力場特征表現出較大差異. 與淺部相比，深部巖體應力狀態發生了較大變化，所處的構造應力場更復雜. 這不僅與淺部和深部在地形地貌、沉積環境及巖石風化程度等地質方面的差異有關，與板塊構造運動也有很大關系. 由于地應力場的差異，在進行淺部工程和深部工程建設時，應采用有針對性的施工工藝和支護技術.

(a) η1

(b) η2

圖6淺部η1、深部η2隨深度變化曲線

Fig.6η1of shallow rocks andη2of deep rocks variation with depth

3 淺部和深部斷裂穩定性探討

3.1 斷裂摩擦滑動準則

式(1)為庫侖摩擦滑動準則，常用于研究巖石的剪切破壞，在判定斷裂滑動時，庫侖摩擦滑動準則通常假定斷裂面內聚力C=0，當斷裂面上的剪應力τ滿足τ≥μσn時，斷裂面將沿某一角度發生滑動失穩. Jaeger等[16]認為，臨界方向斷裂處于摩擦極限時有效最大主應力與最小主應力之比滿足式(2).

τ=C+μσn，

(1)

(2)

式中：τ為斷裂面上的剪應力；C為斷裂面內聚力；μ為斷裂帶滑動摩擦系數；σn為斷裂面上的正應力；σ1、σ3分別為最大、最小主應力；P0為孔隙壓力.

由前面數據分析可知，淺部的應力狀態有利于發育逆斷層和走滑斷層，深部的應力狀態有利于發育逆斷層、走滑斷層和正斷層. 根據Anderson斷層理論可以確定不同類型的斷層所在區域的構造應力特征，將式(2)與Anderson斷層理論結合，可以得到逆斷層、走滑斷層和正斷層的應力特征，見式(3). 若式(3)中方程左邊小于右邊，則斷層穩定，若左邊大于或等于右邊，斷層將沿最優斷面失穩滑動[17].

(3)

對于確定式(3)中μ的大小，國內外學者也進行了大量的研究. Byerlee[18]分析各類巖石試驗數據發現，應力值小于200 MPa時，大部分巖石的μ值為0.85，應力值大于200 MPa且小于2000 MPa時，巖石的μ值為0.6. Zoback等[19]分析6口深孔資料認為，地殼淺表層應力狀態取μ為0.6～1.0是基本合適的. 劉曉紅等[20]用雙剪法測量了中國6條斷裂斷層泥的摩擦系數，這6條斷裂的摩擦系數在0.465～0.697之間，平均為0.547. 秦向輝等[21]在評價北京地區主要斷裂穩定性時，考慮了斷裂帶摩擦系數的弱化，選取摩擦系數為0.2～1.0. 以往常用μ=0.6和1.0作為判斷斷層失穩時的下限值和上限值，然而有學者指出，實際條件下斷裂帶的摩擦系數可能要低一些，有些穩態摩擦系數為0.2～0.22[22]. 綜合以上分析，本文選取μ值為0.2、0.4、0.6和1.0，以實測地應力數據為基礎，對淺部和深部的斷裂穩定性進行較全面地探討.

3.2 斷裂穩定性判斷

由于深部正斷型應力結構所占比例很少，限于篇幅，不再對其詳述，主要對淺部和深部的逆斷型應力結構、走滑型應力結構進行分析. 將μ的4個值0.2、0.4、0.6和1.0分別代入式(3)計算得：μ=0.2時，σH-P0=1.49(σv-P0)(逆斷層)，σH-P0=1.49(σh-P0)(走滑斷層)；μ=0.4時，σH-P0=2.18(σv-P0)(逆斷層)，σH-P0=2.18(σh-P0)(走滑斷層)；μ=0.6時，σH-P0=3.12(σv-P0)(逆斷層)，σH-P0=3.12(σh-P0)(走滑斷層)；μ=1.0時，σH-P0=5.83(σv-P0)(逆斷層)，σH-P0=5.83(σh-P0)(走滑斷層). 計算結果見圖7.

由圖7(a)、7(b)可以看出，在淺部，μ取1.0時，應力狀態尚未達到走滑斷層滑動失穩所需要的水平，不會發生瞬間滑動，處于相對穩定狀態；有極少數數據超過了逆斷層滑動失穩臨界水平，這一現象值得進一步關注，但整體處于相對穩定狀態.μ取0.6時，有大量數據超過了逆斷層滑動的臨界區，有滑動的可能，對于走滑斷層，有個別數據超過了其滑動失穩界限，整體上處于相對穩定狀態. 當μ弱化到0.4、0.2時，地應力狀態達到滑動失穩的要求，兩類斷層均有滑動的危險. 圖7(c)、7(d)表明，在深部，μ取1.0時，兩類斷層不具有滑動失穩的危險性.μ取0.6時，僅有極少量數據達到了斷裂滑動失穩條件，兩類斷層發生滑動失穩的可能性很小.μ弱化到0.4時，有部分數據超過了斷裂滑動失穩的界值，兩類斷層有發生滑動失穩的可能. 當兩類斷層μ弱化到0.2，有大量數據超過了斷裂滑動失穩的限值，兩類斷層發生滑動的危險性顯著增加.

(a) 淺部逆斷層

(c) 深部逆斷層

(b) 淺部走滑斷層

(d) 深部走滑斷層

分析認為，淺部和深部斷裂一般難以承受μ取1.0時那么大的應力值，淺部斷裂滑動失穩標準取摩擦系數為0.6～1.0較為合適，深部斷裂滑動失穩標準取摩擦系數為0.4～0.6比較合理.μ值的選取，也再一次證明了淺部3個主應力值相差較大，深部3個主應力值比較接近. 可以推測，深部比淺部斷裂處于相對穩定的狀態，這可能是因為淺部應力狀態一定程度上受地形和局部構造的影響造成應力波動范圍比較大，而深部應力狀態相對均勻. 在淺部地下工程遇到斷裂時，需對斷裂的穩定性及時進行評估并采取相應處理措施，以免發生災害. 若從斷層類型角度來選取μ值大小，逆斷層滑動失穩標準可以取μ值為0.6左右，對于走滑斷層，滑動失穩標準可以取μ值為0.4左右，這對今后判斷不同類型斷裂的滑動失穩具有一定參考價值. 另外，有研究認為[23]，可以根據斷裂發生滑動失穩的條件估算更深處(幾十千米深度)的應力范圍，依靠估算結果推測更深處斷層的穩定性，為分析地震的發生條件提供一定幫助. 需要指出的是，上述分析中未考慮孔隙壓力的影響，一定程度上簡化了斷裂滑動失穩判據.

4 結 論

1)淺部以逆斷型和走滑型應力結構為主，二者所占比重相當. 深部有3種應力結構：逆斷型、走滑型和正斷型，其中走滑型應力結構占絕對優勢，也有少量以垂直主應力為主的情況.

2)淺部σH1、σh1、σv1的應力變化梯度分別為0.028 3、0.016 5、0.024 3，深部σH2、σh2、σv2的應力變化梯度分別為0.026 5、0.019 9、0.025 0. 深部和淺部對應的3個側壓系數值隨著深度的增加逐漸趨向于一個恒定值，KH1、Kh1分別向1.54、0.85趨近；KH2、Kh2分別趨向于1.15、0.85. 淺部η1為0.10～16.91 MPa，深部η2為0.84～58.50MPa，η1、η2整體上隨深度增加有增大的趨勢.

3)μ取1.0時，淺部和深部斷裂帶基本處于相對穩定狀態.μ取0.6時，淺部逆斷層有較大的滑動可能，深部斷裂滑動失穩的可能性較小. 當μ弱化到0.4、0.2時，淺部和深部的斷裂帶發生滑動失穩的可能性顯著增加. 淺部斷裂滑動失穩標準取μ為0.6～1.0較為合適，深部斷裂滑動失穩標準取μ為0.4～0.6比較合理. 逆斷層、走滑斷層的滑動失穩標準可分別取μ值為0.6、0.4左右.

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Comparisonsofin-situstressfieldsandstabilityoffaultsinshallowanddeepengineeringareas

LI Peng1,2，GUO Qifeng1,2，MIAO Shengjun1,2，CAI Meifeng1,2

(1. School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China；2. Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines(University of Science and Technology Beijing), Ministry of Education, Beijing 100083, China)

In order to study the difference of tectonic stress field between shallow and deep engineering areas, the in-situ stress field characteristics and fault stability of shallow and deep rocks were analyzed and compared by regression analysis and fault friction slip criterion based on the measured in-situ stress data of 376 groups from shallow rocks and 619 groups from deep rocks after optimized processing. The results show that the stress field in deep rocks has a tendency to change from tectonic stress field to vertical stress field. The linear correlation between the principal stress and the depth in the deep rocks is higher than that in shallow rocks. With the increase of depth, the lateral pressure coefficientsKH1,Kh1of shallow rocks approaches 1.54, 0.85, respectively, whileKH2,Kh2of deep rocks are approached to 1.15, 0.85, respectively. The horizontal differential stresses (η1,η2) in shallow and deep rocks have the increasing trend with depth on the whole. The shallow and deep faults are mainly in stable state when the friction coefficientμis 1.0, while the shallow thrust fault has large sliding possibility and the possibility of deep fault slip instability is smaller asμis 0.6. Whenμis weakened to 0.4 or as low as 0.2, the sliding possibility of shallow and deep faults increases significantly. In the slide stability criterion, μ may be selected as 0.6-1.0 or 0.4-0.6 for shallow or deep fracture and as about 0.6 or 0.4 for reverse or normal fault.

optimized processing; measured in-situ stress data; fault friction coefficient; fault slip instability criterion

10.11918/j.issn.0367-6234.201608057

P541

A

0367-6234(2017)09-0010-07

2016-08-24

國家重點研發計劃(2016YFC0600703)；國家重點基礎研究發展計劃青年科學家項目(2015CB060200)；中央高校基本科研業務費專項資金(FRF-TP-16-017A3)

李 鵬(1987—)，男，博士研究生;蔡美峰(1943—)，男，教授，博士生導師，中國工程院院士

蔡美峰，lpxiaobudian@163.com

(編輯魏希柱)