區域構造應力場分析在隧道超前地質預報中的應用

王政

（河南交通職業技術學院，河南 鄭州 450000）

我國山區占國土面積的近69%，地質條件十分復雜，隧道在我國交通建設中占有很大比例，并且出現了大量的隧道群和長隧道，一些長大隧道往往要穿過多種巖類、多個構造，甚至跨過幾個地質單元，即使同一巖類，工程地質條件也是千差萬別。大量的隧道工程建設實踐表明，施工前期勘測所取得的地質資料有限，難以完全滿足施工過程的要求，給后期施工階段帶來許多預想不到的困難和危害。

成功的隧道超前地質預報工作可以彌補勘察設計資料對一些不良地質探測不明的缺陷，有效防止隧道開挖時發生突發性災害，保證施工工期、施工質量和評判圍巖穩定與否。本文闡述以地質力學為基礎，分析工程所在區域構造應力場從而指導隧道超前地質預報工作的預報方法理論。

1 構造應力場相關概念

1.1 地應力

隧道在開挖以前，巖體中存在的天然應力被稱為地應力。主要包括上覆巖層的重力引起的自重應力，和造成地殼運動的外力引起的構造應力（又稱為水平地應力）。李四光教授提出構造應力的來源主要是地球自轉角速度的變化引起的離心慣性力的徑向水平分量（△f1）和緯向慣性力（fS）。離心慣性力的徑向水平分量和緯向慣性力如圖1所示。

圖1 離心慣性力的徑向水平分量和緯向慣性力

計算公式如下：

式（1）（2）中：m為地面某點質量；R為地球半徑；φ為A點的緯度；ω為地球自轉角速度。

當地球自轉角速度變化時，離心慣性力的徑向水平分量（△f1）和緯向慣性力（fS）都能打破地球原有的平衡，改變地殼結構，產生地殼運動。

1.2 構造應力場

構造應力場就是具有成生聯系的各種構造形跡在不同部位應力狀態的總和。安歐總結構造應力場特征時認為：構造應力場在空間上是勢場，在時間上是不穩定場，在存在上是非獨立場，在類型上是變形應力場。構造應力場應力狀態主要受地塊形狀和邊界條件、邊界外力、體力、地形、巖體性質、構造形跡的展布變化六項因素影響；此外，還有其他一些次要影響因素，比如地磁場、地熱場、重力均衡場等。另外，地殼中發生的重大地質事件，包括火山活動、地震活動等，所引起的地應力的積累、集中、釋放、調整等過程，對一定范圍內的構造應力場也都發生影響。

1.3 構造應力場的主要類型與劃分

構造應力場的類型很多，常見的構造應力場劃分有以下幾個。

1.3.1 按構造體系的典型構造型式劃分

構造體系及其組成的各種構造型式，是由具有成生聯系的不同形態、不同性質、不同等級和不同序次的各項結構要素所組成的構造帶及它們之間所加地塊組合而成的總體。它由統一、具有一定規律的應力分布所控制。按構造體系的典型構造型式可將構造應力場劃分為緯向構造應力場、經向構造應力場、扭動構造應力場。

1.3.2 按構造應力場展布地域范圍大小劃分

具體分為全球構造應力場、區域構造應力場、局部構造應力場。

1.3.3 按構造應力場的形成和活動時代劃分

具體分為地質歷史時期構造應力場、挽近地質時期構造應力場、現今構造應力場。

2 構造應力場對巖體穩定性的影響

構造體系及其組成的各種構造型式是構造應力場的表現形式，因此，構造應力場對巖體穩定性產生的影響可以通過對構造體系的研究得到判斷巖體穩定性的依據，其主要意義表現為：①構造體系及其復合決定了巖體結構組合形式、結構體的幾何形態和方向，它們是影響巖體穩定性的內在因素。②不同規模構造體系本身或構造體系的復合所形成的結構體規模大小，在巖體穩定性評價中也起重要的作用。③某些類型構造體系本身或構造體系的復合就在邊坡、地基、地下工程圍巖中構成不穩定的結構，形成非穩定巖體。④由于不同類型的構造體系是各種不同方式構造應力場的反映和外在表現，因此，根據構造體系可定性地推斷其形成時的構造應力分布狀態。特別是根據活動構造體系的構造型式，不僅可以推斷其現今構造應力場，還可以推斷為各類結構面所圍限的巖塊（結構體）內的現今應力狀態，粗略地預測其穩定性及其程度。這對確定地下工程的方位，評價地下工程拱頂和兩幫巖體穩定程度非常有利。

以廈門海底隧道為例，存在的主要構造體系為新華夏系和華夏式構造體系，主要經歷兩期構造活動，并且后者成生晚于前者。圖2為新華夏系和華夏式兩構造應力場的簡單疊加示意圖。新華夏系中的290°左右的張性正斷層在后期的華夏式構造應力場中，落在了該構造應力場的“張性順扭”區域中，即圖中的畫斜線部分區域。根據不同力學性質斷層的控水作用可知：一般張性斷層構造巖由于多呈棱角狀，混雜無序，膠結松散或未膠結，結構疏松，空隙大且空隙率高，透水性好，而更容易形成富水控水走廊。

新華夏系中的2900左右的張性正斷層在后期華夏式構造應力場作用下，經過二次張性力作用，其斷層破碎帶將進一步擴大，相比之下它的不穩定程度比其它壓性或扭性斷裂經過二次張性力作用更為強烈，再加上廈門海底隧道本身就在海底施工，海水是導致施工過程中可能出現事故的最大誘因，所以從抓事物主要矛盾方面綜合考慮可知290°左右的張性正斷層是該隧道施工面臨的最不穩定因素之一，因而也是隧道超前地質預報工作中的重中之重。

圖2 構造應力場疊加示意圖

3 在隧道超前地質預報中的應用

一方面，可根據不同時期的構造應力場復合和斷層多期活動理論確定隧道所在區域主要不良地質走向；另一方面，在地震波物探法中可確定正確的鉆孔布設方式。反射波的傳播速度、波形、強度和方向等與不良介質面的巖石力學參數和產狀密切相關，在介質參數一定的前提下，信號的接收效果就主要取決于介質相關界面的產狀。所以，震源鉆孔和接收器鉆孔應根據探測的最主要不良地質的產狀來確定布置的隧道壁，以確保能接收到強度最大、受干擾最小的不良地質反射信號。具體原則為：①選擇距離最主要不良地質最近的隧道隧洞壁布設震源鉆孔。距離最主要不良地質越近，直達波到達最主要不良地質的距離和反射波到達接收器的距離也就越近，震波信號傳播過程中的能量損失較小，接收器接收的信號好、強度大，采集到的反射波數據質量也就越好。②選擇最主要不良地質與接收器平行或小角度相交的隧道隧洞壁布設接收器鉆孔。只有選擇接收器能夠與最主要不良地質平行或小角度相交的隧道壁布設接收器鉆孔，才能確保反射波到達接收器的距離最近，震波信號傳播過程中的能量損失較小，接收器能接收到較好的反射信號。如果采用單壁布置接收器，接收器鉆孔和震源鉆孔是布置在同一隧道壁上的。廈門海底隧道29°左右主要不良地質在隧道掘進的過程中始見于隧道掌子面掘進方向的左側，如圖3所示，因此在進行TSP地質超前預報探測時，震源鉆孔應該布置在按掘進方向隧道的左壁上。如果采用單壁布置接收器，則接收器鉆孔應和震源鉆孔布置在同一隧道壁上的，但為獲得質量更高的反射波數據信號，一般采用隧道雙壁均布置接收器的方式。

圖3 廈門海底隧道主要不良地質展布圖

4 結束語

通過對廈門海底隧道的跟蹤預報，總結全部TSP預報與施工實踐對比表得出290°左右的張性正斷層不良地質在隧道施工掘進過程中普遍存在，確實為該隧道施工面臨的最不穩定因素之一，從而驗證了基于地質力學理論的區域構造應力場分析對隧道超前地質預報工作的指導意義。