色季拉山交通廊道現今地應力場特征研究*

張玉璽

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043， 中國)

0 引 言

色季拉山地處藏東南高山峽谷區，是雅魯藏布江支流尼洋河和魯朗河的分水嶺，山勢雄厚，嶺脊高聳，兩側峽谷高差顯著。因位于青藏高原東南緣的喜馬拉雅東構造結地區，著名的雅魯藏布江大拐彎西側(陳建軍等， 2008)，是全球新構造運動最為活躍的區域，區內分布有米林斷裂、嘉黎斷裂等區域深大活動斷裂，具有地殼急劇抬升、板塊強烈擠壓(范桃園等， 2012)、活斷裂強震頻發的復雜構造地質環境。特殊的區域構造背景，活躍的地殼運動環境、復雜的構造應力條件(丁林等， 2013)加之急劇變化的地形高差，造就了十分復雜的初始地應力場特征。

色季拉山區域是西南地區進入林芝往拉薩方向的必經之地，國道G318翻山而過，是規劃建設中的鐵路、高速公路等高等級道路所必經的重要交通廊道。獲取該區域山體深部地應力實測數據，分析初始地應力場特征，可以進一步研究深部洞室開挖可能面臨的高地應力下巖爆等地質問題(毛紅梅， 2011； 田四明等， 2021)，為工程規劃建設提供重要依據。

目前，青藏高原地區地應力測試和研究工作主要集中于青藏高原中部、東南緣及東北緣地區， 21世紀初期，結合青藏鐵路建設項目的實施，吳珍漢(2004)等開展了地應力測試工作，填補了青藏高原實測地應力資料的空白。汶川地震后，依托國家專項項目，陳群策等(2012)在青藏高原東緣龍門山斷裂帶開展了較為系統的地應力測試工作，獲得了震后龍門山斷裂帶構造應力場分布特征。喜馬拉雅東構造結地區因地形艱險，地質災害頻發，交通等基礎設施薄弱，前人的科學研究和工程實踐工作相對較少，實測地應力資料相對匱乏，徐紀人等(2006)通過震源機制解分析得出的區域地應力優勢方位為20°～40°，大多垂直于喜馬拉雅山弧； 孫玉軍等(2017)通過數值模擬探討青藏高原東部應力-應變場特征，認為圍繞喜馬拉雅東構造結，主應力方向不斷發生變化，由北東—南西向逐漸轉為近東西向; 黃藝丹等(2020)認為喜馬拉雅地區，地震以逆沖型為主，地震強度大、頻率高，水平應力相對較大，主應力方向近NE-WS方向。這些研究分析從地質構造和宏觀區域角度出發較多，缺少實測地應力數據的驗證和支撐。

近年來，依托拉林鐵路建設和川西部分公路隧道的建設，獲取了一些地應力實測數據，并開展了相關研究工作，獲取了區域地應力方向和淺部地應力實測數據。前期地應力測試深度一般不大于500m，距研究區最近的林芝測點的深度為300m(郭長寶等， 2018)，通過對500m深度內地應力實測數據的研究分析，得出了最大水平主應力方向集中于近SN-NNE向，揭示了以逆斷型為主，水平構造應力占主導的應力場特征(郭長寶等，2021)。而后，川藏鐵路拉林段桑珠嶺隧道、巴玉隧道等工程區，以及康定段折多山隧道，雅康高速公路二郎山隧道等工程區等也相繼開展了原地應力測試工作，獲得了地應力測量值及方向等數據資料，為臨近工程規劃建設提供了重要的技術支撐。但500m深度范圍內地應力數據和特征分析對于研究色季拉山交通廊道1500～2000m深度地應力場特征是遠遠不夠的，對工程的可借鑒性也是十分有限的。

本次研究以工程問題導向出發，找出高地應力對工程影響方式主要為巖爆這一因素，通過巖爆發生的必要條件，重點研究與地應力的關系，針對性開展相應深度的地應力分析； 同時以區域地質構造特征背景為基礎，即找出控制地應力方向的構造因素和主要應力大小特征。通過開展1500m深度級的深孔地應力測量，統計地應力實測數據，深入分析劃分出色季拉山交通廊道地應力特征分布呈現差異的3個不同區段，找到每個區段地應力隨深度增加的特征深度，對特征深度以下地應力測試結果進行詳細數據統計、分析，采用最小二乘法擬合出的深部地應力回歸公式獲取深部地應力隨深度分布特征，據此估算該深度級范圍內地應力值大小也是可靠的，進一步分析歸納得到了色季拉山交通廊道現今地應力場特征，結合巖石強度試驗結果，可進一步分析預測隧道等地下洞室工程在高地應力下巖爆等問題，對于該區域內今后重大工程建設過程中的工程選線和勘察設計具有重要意義。

1 研究區地應力場背景

研究區域色季拉山屬一級構造單元岡底斯—念青唐古拉地塊中的拉達克—岡底斯—察隅弧盆系，緊鄰雅魯藏布江縫合帶，該區域的形成為青藏高原隆升形成的典型代表在晚古生代到早第三紀之間通過地塊的相繼并合而成的，強烈的構造碰撞和隆升來源于新生代。區內斷裂成束、褶皺密集發育，以深大活動斷裂為主控構造(魯立志， 2015)，區域構造背景十分復雜。

根據中國大陸構造應力場劃分(謝富仁等， 2004)，研究區屬于中國西部一級應力區，青藏高原二級應力區，青藏高原南部三級應力區，墨脫—昌都四級應力區(崔效鋒等， 2005)。震源機制分析得到的結論認為該應力區震源機制解水平最大主應力優勢方位有2個，一個近SN向(優勢方位為10°)，一個是NE向(優勢方位為40°)，震源機制解的類型主要是走滑型和正斷型(圖1)。

圖1 青藏高原現代構造應力場圖(據謝富仁等， 2004)

徐紀人等(2006)系統解析并分析了1931年8月～2005年10月期間青藏高原及其周圍發生的905個震級M4.5～8.5地震的震源機制結果，指出青藏高原絕大部分地震震源機制解的P軸方位都是沿著近NE-SW方向排列。其根據中國西部青藏高原及其周圍區域510余個地震資料，分析得到青藏高原全域內地震震源機制P軸方位集中分布在0°～50°范圍，優勢方位為20°～40°，在喜馬拉雅山地區P軸方向幾乎都是NNE-SSW到NE-SW方向變化，且大多垂直于喜馬拉雅山弧。

孫玉軍等(2017)通過數值模擬探討青藏高原東部應力-應變場特征，其模擬計算結果認為從喜馬拉雅地塊到拉薩地塊，水平構造力以擠壓為主，圍繞喜馬拉雅東構造結，主壓應力方向不斷發生變化，由北東—南西向逐漸轉變為近東西向，從應變率分配來看，該應變率主要集中在大型活動斷裂帶，繞喜馬拉雅東構造結的一系列弧形活動斷裂上分配的應變率最大。

2 地應力測量與結果

2.1 地應力測量方法

本次研究中，利用深孔鉆探，在孔內采用水壓致裂方法測量地應力，該方法可以獲取不同深度的兩個方向地應力數值大小和方向，通過三維分析研究獲取的成果，可較好地反應色季拉山交通廊道區初始地應力場的空間特征。

水壓致裂法進行地應力測量是國際通用，技術成熟、實施性強的一種方法。該方法是20世紀70年代發展起來的能夠測量地殼深部應力可靠而有效的方法，是2003年國際巖石力學學會試驗方法委員會頒布的確定巖體應力建議方法中所推薦的方法之一，是目前國際上能較好地直接進行深孔地應力測量的先進方法(孟文等， 2017)。該方法的地應力測量是以彈性力學為基礎，且以下列3個假設條件為前提：(1)巖石是線性、均勻和各向同性的彈性體； (2)巖石是完整的，壓裂液體對巖石來說是非滲透的； (3)巖層中一個主應力的方向和鉆孔軸線平行。

本次研究工作，根據鉆孔條件及相關配合條件，采用了單回路水壓致裂應力測量系統(王海忠， 2004； 黃德鏞等， 2016)，該方法只用一條高壓管向鉆孔加壓，通過推拉開關轉換封隔器的座封壓力和試驗段的致裂壓力，具有適應性強、操作簡單、方便快捷、安全高效等優點，在以往眾多工程項目中得到了廣泛的應用，并取得了高質量的地應力資料。測量過程是首先取一段基巖裸露的鉆孔，用封隔器將上下兩端密封起來； 然后注入液體，加壓直到孔壁破裂，并記錄壓力隨時間的變化，并用印模器或井下電視觀測破裂方位。根據記錄的破裂壓力、關泵壓力和破裂方位，利用相應的公式算出實測點主應力的大小和方向。

2.2 地應力測點布置

在色季拉山交通廊道區，根據地形條件、地質構造、地層巖性及研究目的，共布置深孔12孔開展測量，孔深300m至1450m不等，采用Φ95mm口徑鉆進，布點沿越嶺區、溝谷段、傍山側都有分布，沿交通廊道布置較為均勻(圖2)。

圖2 色季拉山交通廊道地應力測點布置圖

深孔鉆探完成后，結合綜合測井的資料、孔徑大小和巖芯完整性等，從下至上采用Φ89mm封隔器選擇測試段進行測試，并選取代表性測段進行定向印模測定，實測深度自100m至1410.2m(高程2963.9～4166.1m)，山體不同深度、工程研究范圍內不同高程內均有測量數據，共完成地應力實測108段(代表性測段成果曲線如圖3～圖5所示)。

圖3 SZ-2號深孔1059.80～1060.30m測段地應力測量曲線

圖4 SZ-5號深孔1219.95～1220.85m測段地應力測量曲線

圖5 SZ-11號深孔1410.20～1410.70m測段地應力測量曲線

2.3 地應力測量結果

通過確定的壓力參數及相關計算公式，得到測段巖體的原位抗拉強度T、最大水平主應力SH(圖6)、最小水平主應力Sh(圖7)，及代表性段落的最大水平主應力方位(圖2)。

圖6 最大水平主應力測量成果散點圖

圖7 最小水平主應力測量成果散點圖

同時，根據鉆孔巖芯及巖石試驗統計分析，準確選取各孔巖石的天然密度統計均值，計算垂直主應力Sv(王成虎等， 2020)，以最大水平主應力與垂向應力相比，得出側壓系數KH，最小水平主應力與垂向應力相比，得出側壓系數Kh(表1)。

表1 地應力測量結果及巖石試驗統計表

3 研究區地應力場特征分析

在實測地應力數據獲取后，開展了深入的地應力場特征分析和研究，其目的是根據地應力實測結果，分析最大主應力方向，獲取最大主應力與深度關系等關鍵參數，進而得出色季拉山交通廊道區初始地應力場的主要特征，為今后穿越色季拉山廊道區地下工程高地應力研究提供可靠依據，對可能發生的巖爆等工程問題進行預判(張鏡劍等， 2008； 夏舞陽， 2018)。

3.1 分析研究思路

因研究區實測地應力數據樣本量大，通過初步分析、統計，不同區段、不同深度測試結果離散性大，具有明顯差異性。為此，從兩個方面著手進行分析研究：一是以工程問題為導向，因控制巖爆發生重要因素之一是高地應力，根據前人研究成果，認為地應力隨深度增加而增加(Brown et al.， 1978)，不同區域地應力增加梯度有所差異，同時淺部地應力受地表地質作用控制(王曉春等， 2002)，離散性大，且臨界深度內不控制巖爆的發生(侯發亮等， 1989)，可通過地應力實測數據分析，找出影響地應力的特征深度，不同區段分不同的深度進行分析； 二是根據區域地質構造背景分析，東構造結的核心南迦巴瓦強烈隆升擠壓周邊塊體，造成構造應力水平較高(謝富仁等， 2007； 張培震， 2008； 楊樹新， 2013)，結合研究區所在地形地貌特征和實測地應力數據，根據研究區距離東構造結核心區域的遠近(圖8)，嘗試找出廊道區不同區段地應力分布特征的差異，分析不同區段初始地應力場特征。

圖8 地理位置示意和區域構造簡圖

3.2 測試結果初步分析

通過對全部測試結果的匯總分析，最大水平主應力方向為N33°E～N86°E(圖2)，與震源機制解分析得出的區域地應力優勢方向基本一致。從實測的最大水平主應力SH看，最大水平主應力與垂向應力相比的側壓系數KH范圍為0.84～2.82，平均1.48(圖9)，從實測的最小水平主應力Sh看，最小水平主應力與垂向應力相比的側壓系數Kh范圍為0.68～1.75，平均1.07(圖10)，表現出區域受地質構造作用明顯，最大水平主應力SH>最小水平主應力Sh>垂向主應力Sv，水平向應力明顯高于垂向應力。通過對Kh的數據詳細分析，其自上而下逐漸減小至小于1，反映出廊道區部分段落山體深部特征體現為SH>Sv≥Sh，這與林芝地區已有地應力測量獲取的結果是一致的(張鵬等， 2017)。

圖9 最大水平主應力側壓系數(KH)散點圖

圖10 最小水平主應力側壓系數(Kh)散點圖

3.3 特征段落劃分

通過對測試成果數據的統計、分析、篩選，特別是對最大水平主應力側壓系數(KH=SH/SV)的統計分析，不同分段組合下的變異系數比較，嶺脊段SZ-5、SZ-6、SZ-7 3孔最大水平主應力側壓系數整體一致性好，特別是深部(600m以下)范圍為0.97～1.21，平均值1.09，表現出嶺脊區段受水平構造力影響相對較小(陳群策等， 2004)，與廊道東北段呈現出明顯的差異性，這與部分學者提出的地應力特征與地質構造、斷層分布有較大的相關性的認識是一致的(李靜等， 2021)，即廊道區東北段因臨近東構造結核心區，靠近米林斷裂帶，受周邊塊體擠壓作用，構造應力水平較高，體現出最大水平主應力側壓系數較高。

3.4 分段特征分析

據此根據最大水平主應力側壓系數、特征深度的差異，將整個交通廊道區分3段，分別為東北段、嶺脊段、西南段，逐段統計分析。其中通過側壓系數統計分析，剔除受地形和構造作用影響較大的淺部地應力測試數據，采用最小二乘法擬合出的深部地應力回歸公式(秦向輝等， 2016)。最小二乘法這種數學優化方法可以通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配，找到基于樣本分析的相對最優規律。本文基于地應力測試樣本數據的分段篩選后，線性擬合出地應力隨深度增加的回歸公式，通過方差計算控制得出相對最優結果，據此分析研究一定深度下地應力隨深度分布特征(圖11)，具體分析如下：

圖11 最大水平主應力分段分析成果圖

(1)東北段。通過分析該區段4個測試孔數據，最大水平主應力側壓系數340m深度上下有較大的差異性， 340m深度以上分布離散，范圍值1.24～2.82，淺部地應力受地形影響明顯， 340m深度以下為1.07～1.58，通過線性擬合深部地應力隨深度變化結果為：SH=0.043H-4.71(R2=0.9157) 式中：SH為最大水平主應力，H為深度，R2為決定系數，地應力梯度為4.3MPa/100m。

(2)嶺脊段。通過分析該區段3個測試孔數據，最大水平主應力側壓系數560m深度上下有較大的差異性， 560m深度以上分布離散，范圍值1.10～1.65，淺部地應力受地形影響明顯， 560m深度以下為0.84～1.21，通過線性擬合深部地應力隨深度變化結果為：SH=0.029H-0.795(R2=0.9184) 式中：SH為最大水平主應力，H為深度，R2為決定系數，地應力梯度為2.9MPa/100m。

(3)西南段。通過分析該區段5個測試孔數據，最大水平主應力側壓系數640m深度上下有較大的差異性， 640m深度以上分布離散，范圍值1.27～1.92，淺部地應力受地形影響明顯， 640m深度以下為1.20～1.61，通過線性擬合深部地應力隨深度變化結果為：SH=0.025H+10.9(R2=0.9562) 式中：SH為最大水平主應力，H為深度，R2為決定系數，地應力梯度為2.5MPa/100m。

通過以上分析，基于地質構造成因對色季拉山交通廊道地應力特征分段是可行的，通過數據分析統計，分為3個區段，找到了每段地應力特征深度，特征深度以上地應力大小較為不規律，隨深度增加不明顯，離散性大； 特征深度以下至1400m深度，呈現較好的線性分布規律，據此可通過擬合的回歸公式較為準確地計算各深度地應力值，該測量深度級附近一定深度內的地應力大小也可通過線性回歸公式較為可靠地推算。

色季拉山廊道區現今地應力場特征的研究成果，結合巖石強度試驗結果，硐室開挖條件分析，可進一步分析、研究地下工程的高地應力分布特征，預測巖爆和大變形的發生，為深埋地下硐室工程設計提供關鍵參數(李天斌等， 2019)，為工程勘察設計提供重要參考，可滿足廊道內地下深埋工程建設的需要。

4 結 論

通過采用水壓致裂法在色季拉山交通廊道區開展了地應力測量工作，獲取了實測地應力數據，結合勘察資料，通過分段分析、回歸統計，揭示了地殼淺表層現今地應力特征，可以得出如下研究結論：

(1)在色季拉山交通廊道區開展了深孔內水壓致裂法的地應力測量，最大測試深度為1410.2m，最大水平主應力值SH范圍6.15～45.52MPa，最大水平主應力方向N33°E～N86°E，與構造運動方向基本一致。

(2)研究區受地質構造作用明顯，最大水平主應力SH>最小水平主應力Sh>豎向主應力Sv，水平向應力明顯高于垂向應力，在特征深度以上，地應力離散性大，特征深度以下最大主應力隨深度呈線性趨勢增加。

(3)通過分析統計，色季拉山交通廊道區可分為東北段、嶺脊段和西南段3個地應力特征區段，自東北向西南段，地應力梯度分別為4.3MPa/100m、2.9MPa/100m和2.5MPa/100m，呈減小趨勢，結合區域構造背景分析，因其遠離東構造節核心區域，向西南方向水平構造應力呈減弱趨勢。

(4)根據分段地應力回歸分析擬合出的地應力隨深度公式，據此可估算測量深度范圍級附近地應力大小，結合巖石強度試驗結果，可進一步分析預測隧道等地下硐室工程高地應力特征，預測巖爆和大變形的發生。

本次研究所采用的以區域構造成因分析為基礎，結合地形地貌、地質構造等越嶺山區地應力特征分段，地應力線性分布的特征深度劃分等，為類似越嶺山區初始地應力場特征研究提供了思路和方法。研究成果可為同一地區的鐵路、公路、水利等地下硐室工程建設提供重要參考。同時，從地應力實測分析統計結果來看，復雜構造應力背景下，局部可能存在地應力異常，實際大小高于地應力推測值的情況。