汶川8.0級(jí)地震前后福堂隧道應(yīng)力場(chǎng)變化研究

李天斌,陳國(guó)慶,嚴(yán)　駿,2,羅　凱

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059; 2.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司,江蘇 南京 210028)

地應(yīng)力場(chǎng)是地質(zhì)環(huán)境和地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià),以及工程設(shè)計(jì)的重要參考指標(biāo),直接影響區(qū)域內(nèi)工程的安全性和穩(wěn)定性[1].如高地應(yīng)力聚集是斷裂帶發(fā)生地震的重要原因[2],強(qiáng)震前后斷裂帶周邊區(qū)域應(yīng)力量級(jí)和方向均產(chǎn)生較大變化[3],故地震對(duì)區(qū)域地應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生了較大影響[4-9].

眾多學(xué)者運(yùn)用地應(yīng)力測(cè)量[10-11]與數(shù)值回歸分析[12]對(duì)地殼應(yīng)力場(chǎng)開(kāi)展了詳細(xì)研究.鄭兵等[13]對(duì)1989年巴塘6.7級(jí)地震和2001年雅江6.0級(jí)地震前后的應(yīng)力場(chǎng)開(kāi)展了研究,結(jié)果表明地震前三義口地區(qū)地應(yīng)力集中,而震后應(yīng)力有較大釋放.Wan以及Luo等[14-15]通過(guò)對(duì)汶川8.0級(jí)地震前后應(yīng)力場(chǎng)的演化規(guī)律的研究,發(fā)現(xiàn)地震后區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)顯著改變;Liao等[16]發(fā)現(xiàn)昆侖山8.1級(jí)地震后淺表最大主應(yīng)力值大幅下降;郭啟良等[4]對(duì)汶川地震前后斷裂帶中的廣元—青川周邊約400 m深內(nèi)的地應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量,發(fā)現(xiàn)大震前應(yīng)力高度集中和大震后應(yīng)力大幅降低;Tanaka等[17]發(fā)現(xiàn)阪神7.2級(jí)地震后地應(yīng)力場(chǎng)的方向發(fā)生了逆時(shí)針偏轉(zhuǎn).

上述研究成果表明,強(qiáng)震后受板塊擠壓的高地應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)顯著的應(yīng)力下降現(xiàn)象.“5·12”汶川地震后高地應(yīng)力本應(yīng)得以釋放,但處于龍門(mén)山中央斷裂帶上盤(pán)的福堂高速公路隧道卻出現(xiàn)了多次較強(qiáng)烈?guī)r爆和巖芯餅裂等高地應(yīng)力災(zāi)害,對(duì)于這種震后高地應(yīng)力現(xiàn)象和成因機(jī)理尚未得到較好解釋.結(jié)合實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料,采用數(shù)值模擬反演分析,對(duì)強(qiáng)震后發(fā)震斷裂帶上盤(pán)特殊高地應(yīng)力的分布特征及成因展開(kāi)了研究,揭示了福堂隧道所處區(qū)域地應(yīng)力的變化特征,表明上盤(pán)區(qū)域地應(yīng)力沒(méi)有釋放徹底且地應(yīng)力值仍然較高.本文研究對(duì)保障都汶高速公路福堂隧道的順利施工具有實(shí)用價(jià)值,同時(shí)也深化了強(qiáng)震對(duì)地應(yīng)力影響的認(rèn)識(shí).

1　高地應(yīng)力現(xiàn)象與應(yīng)力測(cè)試

全長(zhǎng)約5 300 m的福堂隧道(圖1)地處汶川縣岷江河谷右岸,隧址區(qū)位于V型高山峽谷區(qū),河流面高程為1 040 m,山嶺高程處于3 000 m以上,相對(duì)高差較大.隧址區(qū)地處發(fā)震斷裂上盤(pán)構(gòu)造部位,位于茂汶和映秀斷裂之間,巖性以花崗巖為主.同時(shí)該地區(qū)經(jīng)歷了多次區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響,有一定程度的變晶與蝕變特征,另外斷層和節(jié)理也較發(fā)育.

福堂隧道離“映秀—北川斷裂”約20 km,離“茂—汶斷裂”約6 km.受龍門(mén)山斷裂帶NW向強(qiáng)烈的逆沖推覆作用,汶川8.0級(jí)地震作用促使區(qū)域地應(yīng)力釋放,然而震后福堂隧道出現(xiàn)頻繁巖爆及巖芯爆裂的高地應(yīng)力現(xiàn)象.為區(qū)別正常情況下震后地應(yīng)力降低的常識(shí),將此現(xiàn)象稱為“震后特殊高地應(yīng)力現(xiàn)象”.

圖1　福堂隧道地質(zhì)剖面略圖Fig.1　 Geological profile of the Futang tunnel

1.1　高地應(yīng)力現(xiàn)象

自2010年以來(lái),福堂隧道在施工中出現(xiàn)了數(shù)百次巖爆災(zāi)害,持續(xù)發(fā)生巖爆的洞段占隧道總長(zhǎng)度的25.37%,以標(biāo)段K18+850至標(biāo)段K21+450巖爆災(zāi)害頻繁.依據(jù)相關(guān)公路行業(yè)隧道巖爆烈度RMS分級(jí)方法[18],福堂隧道輕微巖爆段占總巖爆段的71.32%,中等巖爆占22.64%,強(qiáng)烈?guī)r爆占5.44%,劇烈?guī)r爆約占0.6%.在標(biāo)段K19+940地應(yīng)力實(shí)測(cè)鉆孔中發(fā)現(xiàn)巖芯餅裂現(xiàn)象(圖2),該地段巖性堅(jiān)硬,巖餅的厚度約占鉆孔直徑的0.2倍,巖餅表層均是新鮮的無(wú)風(fēng)化破裂面.巖芯餅化現(xiàn)象反映該區(qū)域具有明顯的高地應(yīng)力特征.

1.2　震前地應(yīng)力實(shí)測(cè)

汶川8.0級(jí)地震前福堂隧道附近地應(yīng)力實(shí)測(cè)值來(lái)自岷江左岸布置的太平驛引水隧洞2#施工平洞測(cè)得的地應(yīng)力資料[19]及由中國(guó)電建集團(tuán)成都公司測(cè)得的福堂壩電站施工洞地應(yīng)力資料[20],具體數(shù)值見(jiàn)表1.

1.3　震后地應(yīng)力實(shí)測(cè)

福堂隧道地應(yīng)力實(shí)測(cè)值采用孔徑變形法,以3個(gè)互相不平行的鉆孔分別進(jìn)行測(cè)試,得到多個(gè)應(yīng)力分量值并代入觀測(cè)方程組求得該3孔交會(huì)“點(diǎn)”K19+940的地應(yīng)力值[21],編號(hào)S1孔部位高出洞底1.5 m,埋深為432 m.第一鉆孔S1-1,位于K19+940,鉆孔方向308°,上傾2°;第二鉆孔S1-2,位于K19+939,鉆孔方向300°,上傾3°;第三鉆孔S1-3位于K19+941.5,鉆孔方向298°,上傾5°.

圖2　地應(yīng)力測(cè)試鉆孔巖芯餅裂Fig.2　Core cracks produced by in-borehole geostress tests

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2,測(cè)點(diǎn)巖性為花崗巖,埋深為432 m,S1測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力為20.8 MPa,投影方向?yàn)镹34.0°E,與洞軸線(N8°E)小角度相交.

表1實(shí)測(cè)地應(yīng)力與模擬計(jì)算結(jié)果表
Tab.1In-situ stress testing and the model calculation resultsMPa

時(shí)間測(cè)試位置實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)果σ1σ2σ3轉(zhuǎn)換坐標(biāo)后的結(jié)果SxxSyySzz模擬計(jì)算結(jié)果SxxSyySzz震前岷江左岸福堂電站地下廠房，測(cè)點(diǎn)埋深235m18．416．511．328．6514．3616．1828．411．419．23岷江左岸太平驛引水隧洞2#施工平洞，測(cè)點(diǎn)埋深200m31．317．510．416．1017．5912．5119．218．212．6震后都汶高速公路福堂隧道K19+940，測(cè)點(diǎn)埋深432m20．812．57．09．5815．5115．2110．315．714．5

說(shuō)明:σ1為最大主應(yīng)力;σ2為中間主應(yīng)力;σ3為最小主應(yīng)力,Sxx、Syy、Szz為計(jì)算坐標(biāo)應(yīng)力.

表2　福堂隧道地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Tab.2　The stress test results in the Futang tunnel

2　隧道地應(yīng)力場(chǎng)反分析

不斷調(diào)整模型邊界的分布荷載,使模型觀測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力與實(shí)測(cè)值接近,可反演回歸出隧道區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng).

2.1　地質(zhì)概化模型

以隧道為中心向四周擴(kuò)大反演模型的范圍,對(duì)地震前后隧道區(qū)域初始地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行研究.計(jì)算模型坐標(biāo)原點(diǎn)位于隧道映秀進(jìn)口端,模型范圍分別為5 km和7 km,根據(jù)地質(zhì)條件,在同一巖性中再考慮淺表生改造的影響,采用3種不同的介質(zhì),如表3所示,從上到下依次為山體表面強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶和新鮮巖體.

計(jì)算模型見(jiàn)圖3,共有68 939個(gè)單元,76 734個(gè)節(jié)點(diǎn),采用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算.

表3　計(jì)算模型巖體力學(xué)參數(shù)Tab.3　The mechanical parameters of the rock mass for the numerical model

2.2　力學(xué)參數(shù)和邊界條件

由勘察所得的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果并參照該地區(qū)同類巖體力學(xué)參數(shù),確定了計(jì)算模型中巖體力學(xué)參數(shù)(表3),應(yīng)用彈性模型進(jìn)行計(jì)算分析.

因?yàn)槟Ｐ烷L(zhǎng)寬比較大,加之反演的目的是隧道的地應(yīng)力特征,所以模型采用應(yīng)力邊界.為了能模擬映秀—北川斷裂上盤(pán)向東南方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征,如圖4、5所示,在模型西側(cè)和北側(cè)加應(yīng)力邊界,東側(cè)和南側(cè)采用固定約束位移邊界.

圖3　福堂隧址區(qū)三維地質(zhì)模型Fig.3　3D geological model of the Futang tunnel site

圖4　垂直方向模型邊界條件Fig.4　The boundary conditions of the model in the vertical direction

圖5　水平方向模型邊界條件Fig.5　The boundary conditions of the model in the horizontal direction

2.3　反分析結(jié)果

強(qiáng)震前后的反演計(jì)算結(jié)果如表1所示,可見(jiàn)震前兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值誤差小,震后單一測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值近似相等,符合邊界荷載條件反分析法的判定標(biāo)準(zhǔn).反演模型計(jì)算結(jié)果表明,震后最大主應(yīng)力在隧道出口端應(yīng)力釋放不明顯,處于高地應(yīng)力狀態(tài).隧道在ZK19+615等出口段內(nèi)頻繁發(fā)生巖爆等高地應(yīng)力現(xiàn)象,甚至局部出現(xiàn)巖爆烈度在Ⅲ級(jí)的強(qiáng)烈?guī)r爆,與反演模型所得特征吻合.因此,反演結(jié)果能較好反映出隧道區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律.

3　隧道初始應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比分析

3.1　地震前后隧道軸向主應(yīng)力特征

圖6、7分別為地震前后最大和最小主應(yīng)力曲線,圖中左側(cè)縱坐標(biāo)表示主應(yīng)力值,右側(cè)縱坐標(biāo)表示隧道埋深.具有特征如下:

(1) 主應(yīng)力值的整體變化規(guī)律

由圖6可知,隧道軸線進(jìn)出口和中部最大主應(yīng)力釋放不明顯,其余部位有不同程度釋放,應(yīng)力峰值由震前值30 MPa下降至震后值16 MPa,降幅達(dá)47%.由圖7可知,除隧道軸線進(jìn)出口外,最小主應(yīng)力值下降明顯,由震前值14 MPa下降至震后值6 MPa,降幅達(dá)57%.上述表明即伴隨地震作用導(dǎo)致的應(yīng)力釋放,總體上主應(yīng)力值表現(xiàn)出下降趨勢(shì),原因是隧址區(qū)地處龍門(mén)山斷裂帶,而斷裂帶受板塊的長(zhǎng)時(shí)間擠壓,累積的巨大能量快速釋放,導(dǎo)致震后應(yīng)力與能量顯著降低.

圖6　強(qiáng)震前后最大主應(yīng)力曲線(負(fù)值為壓應(yīng)力,下同)Fig.6　Maximum principal stress curves before and after the earthquake (negative values mean compressive stress,the same below)

(2) 主應(yīng)力值的局部變化規(guī)律

由圖6、7可知:福堂隧道進(jìn)出口和中部陡坡段應(yīng)力降幅較小,局部應(yīng)力還有增大;緩坡段應(yīng)力降幅顯著;地震前隧道最大主應(yīng)力大于20 MPa的里程約有3 280 m長(zhǎng),占總長(zhǎng)的61.9%;地震后隧道最大主應(yīng)力大于20 MPa洞段約有1 900 m,占總長(zhǎng)的35.8%,且均在隧道后半段出現(xiàn);應(yīng)力值在隧道前半段出現(xiàn)較大降幅,而應(yīng)力值在后半段出現(xiàn)較小降幅,約2%～15%;隧道出口300 m左右有約5%的應(yīng)力值出現(xiàn)增加.

(3) 地應(yīng)力釋放量的距離效應(yīng)(距離發(fā)震斷層的距離)

由圖6可知,總體趨勢(shì)上福堂隧道隧址區(qū)地應(yīng)力的釋放具有距離效應(yīng),即與“映秀—北川斷裂”較近的徹底關(guān)溝之前的隧道洞段應(yīng)力釋放程度大于隧道后半段.在隧道中間穿越徹底關(guān)溝地形較大起伏段及進(jìn)出口段,因巖體松散而沒(méi)能聚集高應(yīng)力值,地震后又形成新的松弛區(qū)域,與震前相比其應(yīng)力值無(wú)變化,但在隧道深埋段高地應(yīng)力釋放明顯,而且距離發(fā)震斷裂越近的映秀側(cè)應(yīng)力釋放越多,距離發(fā)震斷裂越遠(yuǎn)的汶川側(cè)地應(yīng)力釋放越少.

圖7　強(qiáng)震前后最小主應(yīng)力曲線Fig.7　Minimum principal stress curves before and after the earthquake

3.2　地震前后隧址區(qū)河谷應(yīng)力分布特征

為進(jìn)一步查明隧址區(qū)河谷應(yīng)力值特征,對(duì)地應(yīng)力實(shí)測(cè)點(diǎn)強(qiáng)震前后應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行分析.根據(jù)三維模型地應(yīng)力反演計(jì)算結(jié)果,選取通過(guò)具有實(shí)測(cè)地應(yīng)力點(diǎn)洞段K19+940(y=3 932 m)的最大和最小主應(yīng)力進(jìn)行分析.應(yīng)力分布特征如圖8、9所示,x正軸指向東,z軸為海平面高程,其應(yīng)力分布具有如下特點(diǎn):

地震前(圖8):河谷西岸最大主應(yīng)力約為25 MPa.由于地形作用岷江河谷底部強(qiáng)震前分布有應(yīng)力集中區(qū),最大主應(yīng)力約為30～40 MPa,海拔高程1 000 m以上的岷江東岸應(yīng)力值明顯大于西岸,1 000 m以下應(yīng)力值小于西岸.

地震后(圖9):總體上最大主應(yīng)力呈下降趨勢(shì).剖面最大主應(yīng)力值約為20 MPa,與實(shí)測(cè)結(jié)果接近,相比震前下降約20%.

3.3　強(qiáng)震前后地應(yīng)力變化的工程意義

地應(yīng)力是引起地下工程變形及破壞的根本原因,不同應(yīng)力量級(jí)對(duì)隧道工程建設(shè)也有不同影響.福堂隧道隧址區(qū)震前處于高地應(yīng)力狀態(tài),汶川地震后K16+186～K18+850段出現(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象,不再處于高地應(yīng)力狀態(tài).因此該洞段基本未出現(xiàn)巖爆災(zāi)害等高地應(yīng)力現(xiàn)象,按照常規(guī)隧道設(shè)計(jì)和施工即可.而K18+850～K21+450段強(qiáng)震后出現(xiàn)特殊高地應(yīng)力現(xiàn)象,發(fā)生了巖爆災(zāi)害及巖芯餅裂現(xiàn)象.為保證隧道安全施工、順利貫通,K18+850～K21+450洞段的圍巖支護(hù)參數(shù)、隧道造價(jià)及其施工方法采取高應(yīng)力下硬巖隧道脆性破壞防治措施.由于福堂隧道靠映秀側(cè)洞段和靠汶川側(cè)洞段處于不同的地應(yīng)力狀態(tài),導(dǎo)致隧道圍巖表現(xiàn)出不同的力學(xué)特征和災(zāi)害類型,處于高應(yīng)力狀態(tài)的汶川側(cè)圍巖出現(xiàn)了巖爆災(zāi)害,從而導(dǎo)致圍巖支護(hù)和造價(jià)也相應(yīng)提高,影響了工程進(jìn)度.

圖8　震前K19+940剖面最大主應(yīng)力云圖Fig.8　Maximum principal stress cloud at section K19+940 before the earthquake

圖9　震后K19+940剖面最大主應(yīng)力云圖Fig.9　Maximum principal stress cloud at section K19+940 after the earthquake

4　隧道震后高地應(yīng)力成因分析

4.1　斷裂帶逆沖推覆作用和距離影響

福堂隧道靠汶川側(cè)的K18+850～K21+450段為堅(jiān)硬花崗巖,巖體完整,加上距離發(fā)震斷裂帶的距離比隧道進(jìn)口側(cè)大,即使在強(qiáng)震作用下該段巖體大部分能量未釋放,應(yīng)力釋放也較少.圖7、9也表明,隧址區(qū)該段震后應(yīng)力值仍處于20 MPa以上,處于高應(yīng)力狀態(tài).

出現(xiàn)這種應(yīng)力釋放少、仍然處于高地應(yīng)力狀態(tài)的原因可能與龍門(mén)山逆沖推覆作用保持不變以及距離發(fā)震斷裂距離較遠(yuǎn)且?guī)r體完整有關(guān).福堂隧道靠汶川側(cè)巖體在強(qiáng)震后仍然受龍門(mén)山斷裂帶逆沖推覆的作用,又出現(xiàn)新一輪的能量聚集和應(yīng)力的恢復(fù).此外,由于在汶川地震中龍門(mén)山后山斷裂帶并未破裂和發(fā)震,因此,靠近后山斷裂帶的福堂隧道一側(cè)受中央發(fā)震斷裂導(dǎo)致應(yīng)力釋放的影響相對(duì)小,表現(xiàn)出一定的距離效應(yīng).

4.2　地表的淺表生改造作用

由3.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果可知,現(xiàn)代地貌演化中強(qiáng)烈的淺表生改造作用使得坡體形成應(yīng)力松弛區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)(圖10).坡體表面受風(fēng)化、發(fā)育節(jié)理裂隙和應(yīng)力釋放的影響,巖體處于應(yīng)力松弛狀態(tài).隨埋深增大,巖體應(yīng)力增幅加快并進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū),而福堂隧道K18+850～K21+450段正好穿越了應(yīng)力集中區(qū),故巖爆災(zāi)害頻發(fā).而福堂隧道特殊高地應(yīng)力現(xiàn)象也主要是由前述斷裂帶逆沖推覆作用和淺表生改造作用所致.

圖10　河谷岸坡應(yīng)力場(chǎng)分區(qū)示意圖Fig.10　Sketch of stress field zoning of the valley slopes

5　結(jié)　論

(1) “5·12”汶川強(qiáng)震后,位于龍門(mén)山中央斷裂帶上盤(pán)區(qū)域的福堂隧道施工中頻繁出現(xiàn)巖爆以及巖芯餅狀化現(xiàn)象,與該隧道設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為強(qiáng)震后地應(yīng)力釋放并下降的認(rèn)識(shí)差異較大,也與強(qiáng)震后地應(yīng)力會(huì)下降的一般認(rèn)識(shí)不一致.本文將這一震后高應(yīng)力現(xiàn)象定義為“震后特殊高地應(yīng)力”進(jìn)行探討.

(2) 基于實(shí)測(cè)地應(yīng)力值進(jìn)行了隧址區(qū)域三維地應(yīng)力反演回歸分析.計(jì)算結(jié)果表明,強(qiáng)震后福堂隧道靠映秀側(cè)洞段應(yīng)力有較大降幅,而靠汶川側(cè)洞段最大主應(yīng)力值仍然處于較高的18～25 MPa之間.這種特殊的高地應(yīng)力特征使得隧道兩端具有不同的工程特征和災(zāi)害現(xiàn)象.

(3) 福堂隧道的“特殊高地應(yīng)力”主要受斷裂帶逆沖推覆持續(xù)作用、淺表生改造、巖體介質(zhì)差異及其距發(fā)震斷裂的距離效應(yīng)等因素影響而綜合形成.汶川地震中受地應(yīng)力釋放的距離效應(yīng)影響,以徹底關(guān)溝為界該隧道靠映秀側(cè)地應(yīng)力釋放程度明顯大于靠汶川側(cè),導(dǎo)致強(qiáng)震后福堂隧道汶川側(cè)巖體仍然存有高地應(yīng)力.

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