北天山構造演化中3階段地應力變化及對某地下工程巖爆災害分布的影響

吳彤，滕杰，尚彥軍，邵鵬，閆曉石，荊理

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029；3.中國科學院大學，北京 100049；4.新疆地質災害防治重點實驗室(新疆工程學院)，新疆 烏魯木齊 830023)

巖爆是高地應力作用下較完整堅硬巖石發生的動力突變型地質災害，為地下工程中洞壁巖塊水平彈射和急速崩落[1]。巖爆的發生與地應力大小、巖體完整性和堅硬性等因素密切相關[2]。復雜地質條件下巖爆發生時間和分布位置常表現出很大的不確定性。本文結合北天山某深埋隧道地下工程勘察和施工中遇到的高地應力和巖爆問題（圖1），利用地質演化史、地質構造配套分析和現場地應力實測等技術方法，研究地應力宏觀特征及深度變化，揭示地質演化和結構控制地應力分布機理，為巖爆防治提供科學依據。

圖1 北天山某地下工程高應力區巖爆災害Fig.1 Rock burst disaster in high stress area of an underground project in North Tianshan Mountain

1 大地構造背景及北天山隆升剝蝕史

北天山是指伊犁盆地和吐魯番盆地以北的天山，位于Nikolaev-那拉提山北緣斷裂以北，主體為哈薩克斯坦-伊犁板塊及南、北活動大陸邊緣，于前寒武系變質基底之上，普遍發育上、下古生界雙結構蓋層。下古生界從被動陸緣沉積建造開始發展至活動陸緣中性火山建造，泥盆—石炭系主體呈活動陸緣安山巖建造，二疊系為火山磨拉石和陸相碎屑沉積建造[3]。該區域斷裂發育,主體構造呈NW向。大型斷裂構造主要為博羅霍洛北坡斷裂（工程區編號F7）,呈波狀NWW向通過區域中部，為博羅霍洛成礦帶與北側賽里木地塊的分界，控制淺成斑巖體和銅鉬礦化帶的分布[4]。南側次級NWW向斷裂發育，古生界呈斷塊狀構造。博羅科努成礦帶與中酸性侵入巖有關的矽卡巖-斑巖-熱液脈型Fe，Cu，Mo，Pb，Zn成礦系統，為晚古生代北天山洋向南部伊犁板塊之下俯沖消減的活動大陸邊緣背景下形成。晚泥盆—早石炭世，準噶爾洋板塊向南俯沖至伊犁板塊之下，形成完整的晚古生代溝-弧-盆體系，即依連哈比爾尕晚古生代弧前-海溝帶、別珍套-科古琴晚古生代島弧帶和吐拉蘇晚古生代弧后盆地[5-6]，博羅霍洛成礦帶處于俯沖大陸邊緣[6-7]。受NNE-NE 向區域應力作用，形成與造山帶主體近垂直方向為主的構造-裂隙系統。巖漿活動沿構造裂隙侵入形成礦田內NE向花崗閃長斑巖體，巖漿期后含礦熱液沿NE向斷裂運移，形成七興鉛鋅多金屬礦床。與成礦相關的中酸性巖體侵位于晚泥盆—早石炭世，總體具Ⅰ型花崗巖特征，地球化學組成具俯沖帶島弧巖漿作用特點。

博羅霍洛山北坡斷裂為賽里木地塊與博羅霍洛島弧帶分界線，呈NWW向，為南傾、具右行走滑性質的逆沖推覆斷層[8]，其形成時間早，活動時間長，與次級NWW向斷裂控制了南北地層展布、巖體分布和多金屬礦床的形成[9]。伊犁盆地北緣（喀什河）斷裂為博羅霍洛島弧帶與伊犁地塊分界線，分布于博羅霍洛山南坡，呈NWW 向，為北傾、以逆沖為主、具右行走滑性質的逆斷層，亦控制南北兩側地層展布、巖體分布和多金屬礦床的形成[10]。天山北緣斷裂為賽里木地塊-博羅霍洛島弧帶與準噶爾地塊分界線，呈NW向。該斷裂深切上地幔，延伸穩定，既有張性，更具壓性特點，斷面產狀主體南傾[10-11]。

礦床形成后構造變動和抬升剝蝕等，對礦體保存和變化具重要影響。位于研究區中段的3571 銅礦區剝蝕程度最低，斑巖體隱伏于地下，深部具良好的Cu，Mo 找礦前景；萊歷斯高爾鉬礦區剝蝕程度次之，銅礦體主體可能遭剝蝕；位于西段的艾木斯呆依-可克薩拉及東段哈勒尕提-木祖克一帶，剝蝕程度最大，矽卡巖及相關鐵銅礦體已抬升至地表或近地表，并遭部分程度剝蝕破壞[12]。

張文高研究發現[13]，晚白堊世以來西天山北段有4 400～2 000 m 剝蝕量。70～50 Ma 快速隆升，50～10 Ma 隆升速率較慢，10 Ma 開始快速隆升。據相應地質證據，認為晚白堊世西天山地區開始出現差異性隆升剝露過程。伊犁盆地由早—中白堊世隆升剝蝕轉為晚白堊世接受沉積，兩側山脈繼續處于快速隆升剝蝕狀態。這種隆升-剝露事件的動力學機制受多因素綜合控制，印亞碰撞的遠程效應可能是該期事件的主要動力來源。天山不同地段熱-流變性質的差異性及不同塊體間的相互作用是導致差異性隆升-剝蝕的主要因素。

2 新構造運動與地震活動關系

與某工程相關的主要地震構造包括伊犁盆地北緣斷裂、科古琴斷裂和庫松木切克斷裂[14]。伊犁盆地與準噶爾盆地西南端間的北天山西段邊緣及內部主要發育多條近EW向的晚更新世以來繼續活動的斷裂。自南向北分別為伊犁盆地北緣斷裂、科古琴斷裂和庫松木切克山北緣斷裂。伊犁盆地北緣斷裂向東與喀什河斷裂相連，1812 年沿喀什河斷裂發生一次8 級地震，推斷喀什河斷裂為逆沖性質。喀什河斷裂以西伊犁盆地北緣斷裂具右旋走滑運動特征，穿過斷裂的河流最大右旋位錯達2.8 km。

科古琴斷裂位于伊犁盆地北緣斷裂以北，為1條NWW向右旋走滑斷裂，穿過斷層的河流最大右旋錯動近500 m。沿斷層曾發生1958年12月21日6.5級和1962 年8月20日6.4級地震。庫松木切克斷裂為伊犁盆地北部山脈的北緣斷裂，為向北突出的弧形，沿斷裂發育新生代背斜，斷裂切割晚更新世山前洪積扇和河流階地，顯示出強烈的晚更新世和全新世活動，沿斷裂發現古地震遺跡。

付廣裕對巖石圈垂向構造應力計算發現[15]，精河2017年發生的6.6級地震震源附近巖石圈承載的垂向構造應力約為20 MPa，方向向上，地震震中位于上中地殼分界面附近。天山研究區震源機制以逆沖型地震（占48.24%）和走滑型地震（占30.92%）為主。逆沖型地震分布于新疆天山及鄰區，顯示該區域內印度板塊與歐亞板塊NS 向的推擠起主導作用。走滑型地震主要集中在東天山中段、西天山西段及烏恰交匯區。震源機制類型分布區域特點表明，新疆天山及鄰區構造應力場較復雜[16]。本區以右行走滑逆沖型為主，博羅科洛山南側還有正斷型地震。

李艷永基于新疆測震臺網寬頻帶觀測記錄[17]，利用CAP方法反演2017年8月9日精河Ms=6.6地震及早期14次Ms≥3.0余震的震源機制解，應用MSATSI軟件反演震源處應力場。主震發生于庫松木切克山前斷裂東段，斷裂走向總體呈290°～300°，斷裂傾向SSW 向，傾角40°～60°，主要為逆沖性質，兼右旋走滑。

在前人工作基礎上，得到博羅霍洛北坡斷裂(西部為庫松木切克山前斷裂、庫松木切克斷裂、科古琴斷裂，中部區有一定合并，呈最大規模的F7斷裂）和兩側短軸褶皺影響，震源機制解為右行逆沖斷裂。從北到南，由北傾博阿右行逆沖斷裂、南傾博洛霍洛右行逆沖斷裂、北傾喀什右行逆沖斷裂。本區匯聚部位出現一定程度的向南突出的旋扭弧形，弧形剪切作用發育。弧形部位3個向斜呈左列式雁行狀分布，顯示其共同切線即F7斷層具左行壓扭作用。西側從北向南見有復背斜北側2 條斷層(東魯斯泰斷裂、科古爾琴山南坡大斷裂)，南側2 條斷層(博羅霍洛斷裂、埃利蒙德斷裂)。這些斷裂向東在工程區中部過山脊部位附近消失，整體為1條主干斷裂（博羅科努北坡逆斷層F7）。沿博羅科努山北坡呈弧形展布長約100 km，是南部博羅科努復背斜和北部汗吉尕復向斜的分界斷裂。總體走向NWW-EW向，傾向南，傾角70～80°，破碎帶寬50～100 m，局部達500 m左右。中間呈弧形彎曲，水平斷距約2 km。兩側見多條次級斷裂，并見牽引、拖曳褶皺。沿斷層帶巖漿活動強烈，斷裂活動時代為中更新世。

3 構造運動期次對地應力方向影響

從區域地質、礦產地質、地震地質等文獻發現，博羅霍洛斷裂控制著呈EW 向展布的矽卡巖型、熱液型的Fe-Cu-Mo 金屬礦田分布。地質歷史上曾發生左行走滑逆沖，控制了與博阿斷裂楔形交叉點的較集中的花崗巖侵入，上盤（北側）形成雁列式短軸向斜；加里東期花崗巖被博羅霍洛斷裂左行錯斷2.2 km，華力西中期花崗巖在左行逆沖博羅霍洛斷裂與右行逆沖博阿斷裂交匯引張區呈大范圍侵入；燕山運動末期開始的新構造運動具右行逆沖，控制河流和溝谷急拐彎形態，影響呼斯特短軸向斜的形成。與南部博洛霍洛南坡右行逆沖斷層的共同作用下，兩條斷層間的塊體隆升遭剝蝕，大量Fe-Cu-Mo金屬礦和花崗巖在淺表顯露。

結合不同地層地表出露點節理測量，得到O3—C1的6 套地層2～3 組的極射赤平投影圓弧(圖2)。從構造形跡展布特點分析，存在EW向和NWW-NW向兩個不同時期的構造帶。前者以博羅科努復背斜、恰奇溝EW 向古近—新近系壓陷盆地、喀什河斷裂F2、博羅科努北坡斷裂F7為典型代表；后者以博羅科努斷裂F1、汗吉尕復向斜、基普克古近—新近系壓陷盆地為典型代表。反映本區3階段地應力先后作用形成的構造形跡。EW 向構造成生較早，NWW-NW向構造成生較晚，與現代構造活動密切相關。新構造運動近NS 向的擠壓作用發育大量NS 深切溝谷，控制和塑造了現今地形格局。從老到新3個構造帶的疊加和改造，使斷裂等結構面具不同時期多種力學性質，呈弧形交叉和短軸褶皺雁列分布。參照里德爾剪切組合型式與應力組合關系[18]，得到早期左行、中期右行、晚期NS向擠壓的主應力分布特征（圖3）。因此，某工程區發育3 組不同時期的構造形跡:①NW 向壓扁劈理和片理面，具透入性，連續變形特點，為印支期構造；②NNW 向，為密集近直立劈理面，推測為新生代早期構造形跡；③脆性斷裂：NWW向和NEE向走滑兼具逆沖組合；NW向和NE向共軛走滑組合；NNW向和NNE向張扭構造組合。可見新構造運動作用下最大水平主應力為近NS向，最大主應力近于垂直，顯示正斷型張扭性結構特征。

圖2 不同時期地層巖體節理產狀赤平投影圖Fig.2 Stereographic projection of joint occurrence of stratum rock mass in different periods

圖3 構造運動史上3個不同階段最大主應力方向及結構面配套圖Fig.3 The matching diagram of the maximum principal stress direction and structural plane at three different stages in the history of tectonic movement

4 實測地應力大小

前期工程地質勘察階段4個鉆孔中完成43段現場水壓致裂地應力測試，鉆孔JDZK8 孔采集的6 組樣品聲發射Kaiser試驗。洞內開展14處地應力測試工作，其中9 處以水壓致裂法為主，僅支洞3#和4#避車洞中2處開展了套芯應力解除法測試。截至2022年6月某工程沿線共有18個不同位置的地應力測試結果。測試方法以水壓致裂法為主，套芯應力解除法和聲發射Kaiser效應法為輔。對已完成18處地應力測試位置的地質條件、地應力方向、地應力大小、地應力三分量關系做綜合對比分析，最大、最小水平主應力和近垂向主應力隨深度變化見圖4。

圖4 某工程區不同深度地應力大小變化圖Fig.4 Variation diagram of in-situ stress at different depth in a project area

18處地應力測點既有沿地表開孔鉆孔不同深度段、主洞和支洞內采用水平和垂直鉆孔內分段測試，也有采巖石樣品加工成柱狀在室內采用聲發射Kaiser 效應的地應力測試。地層巖性涉及下古生界凝灰巖、細砂巖、粉砂巖、花崗巖。一般巖石抗壓強度在60 MPa以上,屬硬巖，因此，按巖石彈性力學計算得主應力。深度600～1 200 m內地應力數值具劇烈起伏變化，對應該深度花崗巖中產生較大范圍的強巖爆（圖1）。600 m以淺地應力值波動較大，代表近地表或受地形起伏影響的剝蝕卸荷作用影響深度。深度1 000 m 以上3 個主應力隨深度都在增加，1 000 m以深地應力量值隨深度增加趨緩乃至相反。

淺表垂向應力較大，很快變為最小主應力。受剝蝕卸荷及兩次右行和左行方向走滑逆沖作用等地質構造運動影響，1 300 m 以深垂向應力為最大主應力。從淺部、中部、深部3個主應力分量大致存在3種不同關系式：①淺表（0～600 m）。SH＞Sh＞Sv3 個主應力組合以逆斷型為主(后期卸荷松弛次生正斷型）；②中部(600～1 200 m)。SH＞Sv＞Sh3個主應力組合以走滑型為主；③深部(＞1 200 m)。SV＞SH＞Sh3 個主應力組合以正斷型為主。

5 最大主應力方向變化

由18 處地應力測試點得到的最大水平主應力方向在NE40°至NW30°（圖5）。工程地質勘察階段鉆孔中不同深度測試的最大主應力方向多呈NW 向，施工中洞內實測水平最大主應力方向為NE 向。志留系最大水平主應力呈NE向，石炭系及華力西花崗巖中最大主應力為NW 向。說明地質構造分析早期左行走滑逆沖、晚期右行走滑逆沖的壓扭性地質作用客觀存在。

圖5 某工程區不同深度最大水平主應力方向變化圖Fig.5 Direction change diagram of maximum horizontal principal stress at different depths in a project area

6 巖爆發生特征

某工程北坡花崗巖中發生巖爆，2021年下半年樁號32+800埋深約800 m發生強巖爆、樁號32+765～774 段發生巖爆，呈鱗片狀、弧形片狀，多發生于右壁。位于二長花崗巖中，發育陡立斷層F29，產狀NE68°，NW∠71°。地應力測試結果顯示，中間主應力(近EW 向最小水平主應力軸)呈張應力狀態，控制著地下水在SN方向上較活躍的賦存和徑流。

2022 年5 月25 日5：12，樁號31+721.8～31+718附近4 點鐘到7 點鐘方向發生中等巖爆，爆坑深度50 cm，導致拱架下沉，頂護盾油管爆裂。26日1：45，樁號31+684.3 附近11 點到1 點鐘方向發生中等巖爆，導致頂護盾油管爆裂。29日9：51隧洞掌子面施工至31+670.6，TBM 掘進過程中在31+721.0～31+670.6 段發生滯后性強巖爆，導致TBM 部分配件受損。按設計文件支護完成的31+721.0～31+694.0（Ⅲ類[19]，輕微巖爆為主，局部中等巖爆）與31+694.0～31+676.1（Ⅲ類，中等巖爆）段鋼拱架發生變形、鋼筋網與鋼筋排翹曲，大量石渣在拱底堆積，隧道發生大范圍侵限。6月2日20：05樁號31+655.3～31+640.3段發生強巖爆，造成頂護盾油缸等配件損壞，頂護盾、側護盾位移低限，刀盤、護盾卡死，主梁下方大量石渣堆積。6 月15 日、19 日、20 日，掌子面及護盾上方發生多次巖爆，導致護盾被卡，TBM 無法掘進，卡護盾處理花費較長時間。

2022年5月埋深500～1 000 m花崗巖中巖爆方向多為11 點和4 點鐘方向（向南掘進的洞室斷面左上方和右下角）。結合石油鉆孔中常用鉆孔崩落法確定橢圓長軸方向為最小主應力方向[20]，推斷該處最小主應力方向為NW向。結合右壁節理密集帶滲水推測最大主應力方向為NNE 向。二者呈斜傾，顯示新構造運動應力場作用的影響（圖3第3階段）。

工程地質勘察階段測得二長花崗巖和花崗閃長巖飽和單軸抗壓強度分別為72 MPa和114 MPa，飽和抗拉強度分別為3.75 MPa 和9.5 MPa，脆性度分別為19和12，二長花崗巖脆性度明顯大于花崗閃長巖。地應力條件下強度應力比前者小于后者，2022年5月以來多次巖爆發生位置均位于二長花崗巖中。巖爆發生樁號段基本位于斷層SF29 和SF17 間，靠近SF17節理數量及節理面上紅色鐵氧化膜增多，局部NW向節理密集帶發育滲水，顯示地應力大小起伏變化、距離斷層帶數十米地應力局部增大、節理端部常出現應力集中（圖1）。結構面的存在引起開挖后應力的調整和局部集中，滯后型巖爆多與此相關。

7 結論

(1) 區域地質構造為以博羅霍洛復背斜為主體的多個背斜和向斜交替，其間產生近EW向多條斷層，斷層具一定弧度彎曲和分叉。地質構造運動史表明，受加里東和華力西運動影響及后期燕山運動控制，總體構造為大陸裂谷（南部）和溝-弧-盆體系（北部），華力西運動使本區造山隆起。從早期加里東左行走滑逆沖運動和晚期燕山右行走滑逆沖運動，至晚更新世NS 向擠壓導致的斷塊運動及隆升剝蝕作用，構成本區地質運動演化史，3階段地應力發育。

(2) 地層巖性以O和C灰巖、S和D火山碎屑巖及動力熱液變質巖為主。F7斷層南側形成多處小型矽卡巖型、動力熱液型多金屬礦。說明本區多期次不同方向壓扭構造作用和局部張應力作用交替發展，控制成礦和地震作用。

(3) 本區地應力場受地質構造和深度影響，NNW-NNE 向(NE40°到NW30°)發生變化。3 個主應力大小關系隨深度發生變化，有淺部水平應力為主的逆斷型地震機制、中深層最大水平主應力為主的走滑型地震機制及深部垂直應力為主的現正斷型機制。

(4) 地應力大小起伏變化、節理端部或構造弧形部位常形成應力集中。結構面引起開挖后應力調整及局部集中，具近NS 向現代應力作用，滯后型巖爆多與此相關。