第五节　深部地应力分析方法的实践应用

一、深部地应力的复杂性

锦屏山属于典型的褶皱山系,受到印度洋板块俯冲的影响,GPS的测试显示锦屏山至今仍受到强烈的构造挤压作用,山体仍在持续隆起。由于埋深巨大,隧洞沿线地质构造复杂,给地应力测试和沿线地应力特征的解译带来了现实困难。

地应力测试无疑是目前获得地应力场资料的主要直接手段,因此备受工程界重视,锦屏二级引水隧洞开挖以前对沿线地应力场做了大量的测试和分析工作。不过,地应力测试成果分散性现象也非常普遍,往往给工程应用和决策造成很大困难。在工程实施的不同阶段,在长探洞、辅助洞、引水隧洞中都进行了地应力测试,但一直没有取得令人满意的结果。例如在辅助洞深埋洞段进行地应力测试中,在最大埋深部位采用常规水压致裂法测试时,发现岩体难以致裂。如在12号横通洞位置(埋深1960m)采用水压致裂法测试的最高试验压力高达90MPa,但测试段的岩体却未产生破裂,说明该位置岩体应力极高,且各方向应力差较小,类似于静水压力状态。由于三向地应力之间的差值较小,且地应力量级高,导致在为期两年左右的测试工作中,都未能获得有效的地应力实测数据。

为此,在同一部位也采用孔底应变法地应力测试,采用直径75mm的钻头进行套孔解除,岩芯直径51mm左右,饼状岩芯厚度又相对较薄,因此,在孔底平面产生变形的形式较为复杂,实测的变形与原始地应力之间的关系式难以确定,若采用规范推荐的关系式来计算,得到的岩体最大主应力可超过100MPa。

目前我国确定地应力的现行规范与国际岩石力学学会2003年颁布的建议方法之间存在明显的差异,前者偏重于测试,后者则承认测试结果可能存在的严重误差,强调认识判断和测试的结合,且测试方法非常多样化,利用钻孔破坏后几何形态的测试结果进行反分析,也作为测试方法之一。

而建立在地应力测试结果基础上的回归分析或拟合分析是国内比较普遍的一种工作方法,主要是希望利用少数测点获得全场地应力场分布趋势。依据计算环节的不同划分的方法有几种,但大多数多建立在测试成果可靠的基础上,从这个角度上,这类方法的突出特点是延伸测试点的应用尺度范围,而一般无法提高可靠度和精度。因此,如果测试成果存在不足时,这类分析方法获得的结果往往难以保证其可靠性。

除了地应力测试比较困难外,进入工程技施阶段后,发现根据现场围岩开挖响应和松动圈测试成果反分析得到的地应力特征与招标阶段回归分析的地应力场也存在一定的差别。随后围绕岩爆发生条件和机理的研究更是指出深埋隧洞沿线地应力场的复杂性,即褶皱、构造这两种锦屏山常见的地质构造会对地应力的分布带来比较显著的影响,形成局部地应力场。

二、地应力估计方法与流程

因为地形条件的限制,锦屏二级深埋隧洞前期勘探过程中没有获得深部地应力测试成果。在辅助洞开挖到深部洞段以后,由于深部钻孔岩芯损伤问题无法有效开展解除法测试,常规的水压致裂测试因为设备能力限制,无法压裂高应力条件下的钻孔孔壁围岩。在现实工程实践中,综合各方面的信息,特别是施工现场揭露的围岩破坏特征、针对性的监测成果等,有效地帮助把握深埋段岩体地应力状态。

总结锦屏二级深埋隧洞沿线地应力工作的实践,获得的基本认识之一是因为问题的复杂性,对地应力场分布的“估计”而不是确定。目前所具备的最先进、可靠的地应力测试手段,都是建立在一定相对理想化的假设条件基础上,即便是在最接近均匀、各向同性的理想弹性介质条件下,相邻部位测试结果的可重复性仍然难以得到保证,20%的测试误差被认为是理想结果。

在无法准确确定地应力状态的条件下,充分利用各方面的信息综合评价地应力状态就成为重要且可行的技术路线。就锦屏二级深埋隧洞工程而言,就是需要利用场址区的地质构造背景条件、隧洞开挖以后围岩破坏现象、施工过程中出现的问题、测试资料等一切可资利用的信息分析和判断岩体地应力状态。

以锦屏二级深埋隧洞为例的地应力估计方法和流程主要包括如下方面:

(1)宏观性地质分析。根据隧洞沿线基本地质条件,主要是地层年代和基本构造格局分析对应的历史构造地应力场特征。在没有受到后期严重干扰的情况下,与地质格局对应的历史构造地应力场的基本特征可以在现今地应力场中得到继承,其中最可靠的就是最大主应力方位。因此依据历史和现今构造运动特征可以比较可靠地判断锦屏隧洞所在区域的最大主应力基本特征,至少可以判断其中一个主应力的方向。

(2)现场现象的推断分析与验证。这是施工期可以普遍采用的方法,关键之一在于研究人员对现场现象的敏感性和把握能力。施工期现场可以暴露和揭示的现象非常多,研究人员需要具备从中寻找到确凿证据的嗅觉和能力,并有效地开展工作。

本次研究中采用的依据包括:水压致裂地应力测试中压力达到70MPa时无法压裂孔壁的现象;大体相互垂直的主洞和横通道内围岩应力集中区位置和集中程度,它们联合指示了三个主应力的方向和相对大小。这一分析方法建立在对单洞围岩应力集中与初始地应力场关系、地质构造影响之间判别和认识能力的基础上;不同洞段围岩破坏特征的变化,包括断面上破裂形态和位置的变化、岩柱贯通时破坏情况的显著差别等。

(3)设计和施工过程中实际应用的地应力场资料及其在施工过程中的验证情况。即锦屏的方案设计和施工措施设计中实际采用了地应力场相对均匀的基本概念和假设,这一设计基础的正确性在到目前为止的施工过程中得到了充分的印证。

三、地应力场宏观分析

锦屏山区域在大地构造部位上处于松潘—甘孜地槽褶皱带的东南部,按断块学说,该区处于川滇菱形断块之内,如图2-35所示。断块北侧和东北侧为鲜水河断裂,东侧及东南侧为安宁河断裂、则目河断裂和小江断裂,西侧为金沙江断裂,南侧为红河断裂。这些断裂均属于西南走滑断层区。西南走滑断层区是由SN、NW、NNW和NE向多组断裂组成,其中,鲜水河断裂为左旋剪切兼压性断裂,南端与南北走向的活动断裂带安宁河断裂相接,安宁河断裂为压性、后期兼左旋断裂,则目河和小江断裂为压剪型断裂带。金沙江断裂带沿金沙江河谷分布,为NW—NWW向压剪型断裂,红河断裂带为N35°W的压剪型断裂,这两条断裂带一起构成青藏高原东部一条规模巨大的右旋走滑断裂带。断块中部的丽江—小金河断裂沿NEE方向斜穿断块,将川滇菱形断块分成滇中和川西北两个次级活动地块,川西北活动块体以NW向甘孜—玉树—鲜水河断裂带为北界,以丽江—小金河断裂带为南界,以金沙江断裂带为西界。滇中块体为由丽江—小金河断裂、安宁河—小江断裂和红河断裂围成三角形区域。

锦屏山地区位于川滇菱形断块的中部偏东侧,靠近安宁河断裂带。从锦屏地区的地质构造形迹可见,工程区主要发育一系列近南北向展布的紧密复式褶皱和高倾角的压性或压扭性走向断裂。区内的断裂构造发育,主要构造形迹有近SN向、NNE和NE向、NNW和NW向。近南北向断裂与褶皱轴线一致,均是叠加在韧性断裂背景上的断裂,如锦屏山断裂。NE向断裂是NNE向断裂的配套成分,为左行走滑断裂。NNW向断裂是与NNE向构造配套的具右行走滑的扭性成分,它较共轭的NE向扭性成分发育。NW向断裂是一组与NNE向构造直交的NW向右行走滑断裂,规模都很小,为张性断裂,但在本区常发生右行走滑运动。东部地区断裂较西部地区发育,东部褶皱大多向西倒转,西部地区岩层扭曲、揉皱现象表现得比较明显。

川滇菱形断块正是由形成于晚新生代、晚第四纪(10万～12万年)至今的强烈活动构造带所分割和围限而成,由于其西部与西藏地壳相连,持续不断地受到西藏地壳物质的横向推挤作用,这些断裂系也因此而发生大规模的水平滑动。川滇菱形断块的运动方式代表了中国西南地区现代地壳运动的基本特征,在很大程度上决定了西南地区现代构造应力场的特点和性质。

由于西藏地壳的向东移动,对川滇断块的北部产生了SEE—SE向的巨大挤压力,使得四川西北部一部分弧形走滑断裂系向SSE偏转,SSE向的鲜水河断裂则是这种作用形成的典型的剪切断裂带,在川滇断块北部,构造应力场主应力的方向沿NW—NWW向。根据震源机制解,川西北地区存在NW、EW及NE向三个优势方向,构造应力场并非全是NW向构造作用产生,而受多重构造荷载的作用。因此,川西北地区构造应力场以NW向为主,在NE方向也有较大的构造应力。

SE向挤压力对断块的作用在东侧中部受到了阻挡,强烈的挤压和下行的剪切作用形成了NS向的安宁河断裂带和则目河断裂带,二者均为压剪型断裂带,并继续沿左旋走滑移动,并以丽江—小金河断裂带为界,南北部分构造应力场的方向发生了转变,即由北部的NWW向往南部的NNW向的转变,在断块中部应力场接近SN向,再往南,地应力场则表现为优势的SN向和NNW向,这与川滇菱形断块向南走滑造成的应力场关系密切。

锦屏地区位于川滇菱形断块的中部偏东侧,安宁河断裂带西侧,丽江—小金河断裂带东段,被锦屏山断裂穿过,处于该断块南北部构造主应力方向的转变带,虽然区域边界上的压扭和剪切等构造作用复杂,但构造应力场仍为北部构造应力场的特征,即以NW—NWW向为主,在NE向也有较大的构造应力。

总的来说,锦屏地区现今地应力一般受到如下几个因素的控制,即岩体地质历史上构造地应力场状态、后期地壳运动的改造、后期地表地质作用的影响等。对于深埋地应力场而言,前两者是主要的,后者一般不占主要地位。

历史上构造应力场特征能够保留到现在,或者说对现今构造应力的影响程度如何主要受到如下几个因素的作用:

(1)构造运动的强烈程度。历史上构造运动越强,构造应力越起主导性作用,对现今地应力场的影响相对越大。

(2)构造运动发生的时间。构造格局形成的地质时代越新,对现今地应力场的影响越大,这一因素非常突出,已经在一些矿山领域的实践中得到广泛证实。

(3)现今地壳运动和历史构造运动的吻合程度。如果二者基本特征一致时,显然地,历史构造运动格局越可能得到保留。

锦屏二级深埋隧洞沿线的地应力格局可以从上述三个方面进行判断。

图2-36表示了隧洞沿线地质构造格局,相对较新的三叠系地层构成了尖棱状复式褶皱,表明在三叠纪后期该地区受到了NWW—SEE向的强烈挤压,隧洞沿线在三叠纪后期的构造主应力方向为NWW向,与隧洞轴线大致平行。根据构造挤压应力总体水平的认识,历史构造应力场中以NWW向倾水平的挤压应力为主。

图2-37表示了通过GPS测试获得的2004年中国西部地区地壳运动矢量分布,在锦屏山所在的区域部位(图中的黑色实心方框),现今地壳运动方向为NW方向,与历史构造挤压应力方向相近。

中国西南地区现今地壳运动是构造挤压作用的结果,说明锦屏山深部岩体目前阶段仍然受到NW向现今挤压构造应力的作用,从而反映到地表的NW向运动特征。

以上从历史构造地应力格局和现今地壳运动特征的分析结果显示了锦屏二级深埋隧洞最大主应力以NW—NWW向近水平挤压为主的特征,即最大主应力近水平且平行隧洞轴线分布的可能性很高。

应该说,沿线地应力分布的准确把握非常困难,其中一个难点是断裂附近局部地应力场的把握。从宏观上讲,全球范围内地壳地应力分布与地壳板块密切相关,而这些板块的边界就是断裂构造。从这个角度讲,断裂构造至少是活动性断裂构造对地应力场分布的影响可能不仅仅只限于自身力学特性方面,而可以是作为一个边界。也就是说,断块之间的地应力场可能存在很大的差异。到目前为止,我们还不能肯定锦屏隧洞沿线是否存在这种类型的断裂构造,即不同断块之间的地应力分布存在很大差异。应该说,东西端地应力场在总体相似的情况下,似乎还存在比较明显的差别,现在也还无法判定这种差别到底是受锦屏山核部的褶皱影响,还是受到其中某一断裂的控制。

四、隧洞沿线地应力分区

工程技施阶段对隧洞沿线初始地应力场分布的研究采用整体三维数值模拟的方式进行,目的是在工程招标阶段认识基础上,通过补充考察褶皱构造和断裂构造,在现今构造挤压作用下的响应方式了解沿线地应力存在的分区现象。其中数值计算的过程为:①建立考虑了地形、褶皱和主要断层的整体三维模型;②根据前述认识给模型施加初始地应力场计算达到初始平衡;③给模型两端边界施加速度场,模拟现今地壳挤压运动,运算达到平衡。

图2-38从上到下分别表示了隧洞沿线地质条件、以此为基础的简化模型主要体现褶皱的概化结果以及所模拟的地层变化。

图2-39则表示了基于上述设想的数值计算模型,该模型反映了四方面:①地形变化;②沿线的13个褶皱带;③主要断层和岩性分界面;④岩性变化。

图2-40和图2-41分别表示了该三维模型计算结果,需要说明的是,由于计算中无法定量地确定相关边界条件,如构造地应力的作用大小等。因此,计算结果的相对关系比绝对值相对更可靠一些,计算结果仅适合于了解沿线初始地应力的分区特性,而各区、特别是受到褶皱影响以后的局部洞段的实际地应力状态,还依赖更具体的测试或反分析方法确定,计算结果缺乏足够的可靠性。

但上述成果可以为隧洞沿线地应力分区提供依据,以3号引水隧洞为例,地应力分区特征可以描述为如下方面。

Ⅰ区:锦屏山核部F27以东整个向斜构造所在区域,桩号大约在8～10km的区域范围,埋深大的向斜构造使得该洞段初始地应力水平最高,但三个初始主应力的差值(比值)相对较小。

Ⅱ区:Ⅰ区以西桩号大约在5.5～8km的范围内,埋深相对较大,主要为背斜的翼部区域,应力值较Ⅰ区小但应力比似乎比Ⅰ区要高一些。

Ⅲ区:Ⅰ区以东桩号大约在10～15km的区域范围内,自西至东应力大小衰减相对明显,应力水平总体上也低于Ⅱ区,存在局部洞段的异常现象,应力比总体较Ⅰ区大。

Ⅳ区:剩余区域,应力水平总体不高。

五、地应力场数值反分析

(一)利用现场围岩破坏现象进行反分析

如果应力水平与岩体强度的矛盾比较突出,应力集中导致围岩屈服破坏,现场即可能观察到一些现象。这些现象的具体表现形式,则与具体的地质条件、隧洞形态、施工方式等方面因素有关,在比较复杂的情况下,需要良好的现场工作经验以及地质和岩石力学知识进行正确判断。鉴于问题的变化性,这里仅列出几种典型情形。

(1)完整脆性围岩的V形破坏。以排水洞TBM掘进到1800m埋深以后出现的应变型岩爆最具代表性,主要出现在完整脆性围岩中,如和白山组地层节理不发育段。辅助洞钻爆法施工期间也可以观察到,但不如TBM掘进条件下清晰典型。

(2)完整脆性围岩的片帮破坏。以薄片状剥落为主,也可以发展成V形,可以随时间发展,主要出现在和白山组地层完整大理岩洞段。现场需要注意的是一些片帮破坏受到节理的影响,比如细小节理在顶拱一带发育或陡倾节理在边墙发育时都可以导致片帮的发生,此时的片帮不完全指示了断面主应力的分布特征。

(3)完整脆性围岩的破裂现象。即脆性围岩中形成的节理,或称为应力节理。这些破裂在形态和方位特征上与构造体系之间不存在配套关系,取决于围岩应力分布,因此也可以与隧洞断面密切相关。

应力集中导致围岩破坏的现场表现方式可以受到多个方面因素的影响,现场调查一方面需要多观察和比较,总是希望获得比较理想情况(如完整围岩、圆形洞室、TBM掘进等)的结果;另一方面,也需要注意避免被相对比较复杂的现象所误导,得出不正确的解译结果。

图2-42表示了结构面对围岩破坏影响可能导致的错误解译,图2-42(a)是1号引水隧洞TBM掘进时在顶拱偏右侧所出现的破坏,破坏面积较大,形态总体上呈非常舒缓的V形,没有结构面切割形成块体的迹象,破坏后的碎块也呈板状,具有明显的高应力作用痕迹。而事实上,这种破坏主要是受到该部位细小缓倾节理发育的影响,尽管隧洞开挖以后围岩二次应力水平还不足以导致完整岩体的破坏,但当这种细小缓倾节理在顶拱一带发育时,顶拱的切向应力集中足以导致这些节理出现“压致拉”破坏,性质上与片帮相同,但结构面的作用更突出。因此,正确的判断是该部位的破坏并不意味着断面上初始最大主应力方位从左拱肩偏转到了右拱肩一侧,也不代表该洞段的应力水平已达到了能普遍导致围岩片帮破坏的程度。

图2-42是辅助洞常见的一种破坏方式,并以东端普遍,现场比较容易观察到的是边墙的突起和鼓帮现象,也可以见到高应力作用下产生的新破裂,易于导致片帮出现在边墙的错觉,而将断面上最大主应力解译为近乎垂直。如果现场仔细观察,可以比较清晰地看到拱肩一带的片状破坏或破坏后的V形破坏坑,且该部位的破坏可以随时间扩展,属真正意义上的片帮位置。边墙的变形和破坏主要受到NWW向陡倾节理的影响,并非真正意义的片帮,因此,正确的解译应该是拱肩一带的片帮,而不是边墙破坏。

当NWW向节理发育时,辅助洞边墙破坏表现得很普遍,但引水隧洞开挖以后,特别是钻爆法施工的2号、4号引水隧洞上导洞开挖以后,因为这些隧洞缺乏高边墙的断面几何形态,NWW组节理对边墙的影响不如辅助洞突出,也说明了辅助洞边墙的上述破坏方式并非真正意义上的片帮,不宜用于初始地应力场状态的解译。

上述内容简要地给出了应用围岩破坏现象进行地应力分析时的工作方法和注意事项,下面给出具体的实例。

1.引水隧洞横通洞围岩破坏

引水隧洞开挖过程中NNE向布置横通道在开挖过程中围岩状态与同等条件下引水隧洞形成明显差别,显示了这两个近于垂直布置的隧洞受到不同地应力分量影响程度的差异。总体上,同等条件下横通道开挖时围岩高应力破坏程度明显强于引水隧洞,且破坏位置以顶拱为主,说明横通道横断面上仍然以近水平的应力为主,且该应力分量大于引水隧洞横断面上的水平应力分量。

东端2号横通道埋深达到1800m左右,布置在相对完整的大理岩中,该横通道掘进过程中围岩破坏现象明显较主洞强一些。但该洞段内揭露了一些NWW向分布的风化节理,相对难以判定这些破坏是否主要反映了初始地应力的作用。

3号横通道的埋深约1900m,布置在T2b地层中,图2-43给出了从4号洞向2号洞方向掘进约20m时的情形。从图中可以看出,围岩结构面不发育,完整性良好,脆性特征突出。此外,掌子面一带的深度基本上已经超出了4号洞的围岩二次应力场的影响范围,因此,此时的横通道的围岩破坏可以较好地反映初始地应力场的作用特征。

隧洞掘进时采用了台车造孔,其中的一个重要原因是掌子面破裂普遍,钻进时的片状岩块掉块现象非常普遍。在图2-43显示的上一进尺开挖中,整个掌子面形态都发生了变化,呈显著的弧形,而非通常出现的平面状,围岩高应力破坏显著。另外,从图2-43可以清楚地看到,这些破坏集中在顶拱一带,即断面初始地应力仍然以近水平方向为主,且高于主洞横断面最大主应力,符合前面提出的地应力场特征。

2.排水洞V形破坏分析

深埋脆性围岩的V形破坏曾引起了国际岩石力学界的广泛关注,也是目前的研究热点之一。V形破坏除揭示了岩体力学性质的独特特征以外,还清楚无误地揭示了初始地应力状态。

2008年2月排水洞在桩号大约为13+179～13+149的范围内掘进时左拱肩一带出现了连续的高应力破坏,根据破坏特征的现场判断为典型的应变型岩爆。

破坏段岩性为灰白色大理岩,现场在破坏区几乎没有观察到任何构造节理,所有破裂均为围岩破坏产生,现场估计的RMR高达90,属Ⅰ类围岩。

不同剖面上破坏区分布位置有所差别,但都位于左拱肩起拱线到拱顶的范围内,即左拱肩偏上的部位,如图2-44所示,破坏区中心点位置切线的倾角大约在15°～20°,代表了断面上最大主应力的倾角大小,与以前的认识一致。

图2-45表示了破坏区的形态,呈典型的V形,最大深度接近40cm(平均为2～30cm左右),两边延伸的长度大约在75cm左右,与白鹤滩PD62-2和PD62-4支洞的V形破坏相比,显然要舒缓一些,表明断面上最大、最小主应力的差别较小。经验判断,断面上最大、最小应力比比较接近1.10,或仅略高于1.10,符合前述认识。

显然,如果能够通过数值模型再现排水洞开挖以后的上述V形破坏,则可以更好判断导致这种破坏的地应力场条件,即更好地进行初始地应力判断和验证以前的认识。根据这一思路,以图2-45所示的V形破坏为原型建立了UDEC模型,通过在前述判断成果基础上微调初始地应力场状态,获得与现场基本一致的成果。计算采用霍克-布朗本构和强度模型,根据现场RMR评分取GSI=85,根据Hoek的经验推荐取mi=9,参考以前的成果和现场经验估计取岩石单轴抗压强度为150MPa。

根据前述对该深度段初始地应力场的估计,计算中对最小主应力按Ⅲ区地应力考虑,即取上覆岩体重量的0.94倍,断面上最大、最小主应力的比值分别取1.05、1.10、1.15、1.20、1.25和1.30等6种情形。

图2-46给出了这6种不同条件下围岩破坏特征,舒缓的破坏出现左拱肩部位,对应这几种初始应力条件下的破坏深度分别为0.30m、0.34m、0.37m、0.44m、0.46m和0.52m,根据现场破坏深度不超过0.40m、一般在0.25～0.30m的估计,该部位断面上最大、最小应力比应该在1.15以内,即一般在1.05～1.10左右,与该洞段地应力场状态的前述认识非常接近。

图2-47描述了2006年在辅助洞西端锦屏山核部一带观察到的围岩破裂特征,围岩破裂现象普遍,除顶拱左侧到左拱肩一带破裂现象相对严重一些以外,总体上在隧洞顶拱和边墙中上段都比较均匀地分布,指示了断面上初始地应力大小相对均匀的特点。由于圆形隧洞在均匀地应力场作用下的脆性围岩将不出现V形破坏,当排水洞进入锦屏山核部地带时,通过对排水洞围岩破坏形态的观察可以进一步判定初始地应力场的特点。

与辅助洞相比,深埋段2号、4号引水隧洞上断面开挖以后右下脚的破坏程度要强一些。图2-47表示了2号引水隧洞上断面开挖以后右下脚出现的应力节理(大约在桩号13+350一带,地层,边墙右下侧也出现片帮破坏),注意这种节理呈明显的弧形,指示了应力集中区的位置,但也受到特定断面几何形态的影响。在利用这种破裂现象解译断面初始地应力状态时,总体上是可靠的,但在一些细节分析时需要考虑断面几何形态的影响,否则可能倾向于夸大最大主应力的大小和倾角。

(二)利用钻孔饼化岩芯位置进行反分析

地应力反分析的依据之一是现场获得的钻孔岩饼资料,岩饼出现的位置对应着围岩中的应力集中区,只有在地应力方位、大小、岩体峰值强度和残余强度等一系列定量指标取值合理的条件下,不同断面位置上计算获得的应力集中区位置才能和实际揭示的岩饼位置一致。

在辅助洞内的横通洞内完成了很多钻孔,一些钻孔岩芯出现了饼化现象,岩饼是高应力存在的最有力、最可靠证据。在东段横通洞的若干钻孔中,位于2号横通洞(埋深640m)内的FZK2-15孔、3号横通洞(埋深1050m)内的FZK3-3孔、4号横通洞(埋深1300m)内的FZK4-1孔内发现了典型的岩饼,证明这三个孔都通过了高应力区,并且所通过的高应力区内岩体状态(岩石相对完整和坚硬)及岩体地质构造与钻孔之间的方位关系(如钻孔与层面大角度相交)具备发生岩饼的条件。简言之,出现了岩饼肯定意味着高应力区的存在。

图2-17表示了这两个横通洞内饼状岩芯的分布,其分布深度分别为2.2～3.2m和9.8～11.6m洞深段,出现岩饼深度的不同则对屈服区深度和应力集中区的分布位置具有良好的指导意义。

3号横通洞出现饼状岩芯的FZK3-3孔的岩饼状况、钻孔相对位置特征等如图2-18所示。对比前面两个钻孔的情形,该孔内的饼化程度更突出,开始出现岩饼的深度大约在5.6m,介于上述二者之间,与这三个横通洞上覆岩体厚度的变化具有一致性关系,即随深度增加,出现饼状岩芯的深度增大。

图2-18中,FZK3-3钻孔位于3号横通洞西侧边墙,钻孔水平布置,孔深35.34m,方位N42°W(318°),与辅助洞轴线N58°W相差16°。孔口距离A洞边墙的距离约9.0m。

钻孔在孔深5.6～8m段内除个别位置外,其他部位岩芯饼化严重,多处呈薄片状,证明这段深度段内岩体应力水平相对很高,此后在8～10.7m深度段岩饼的数量和程度逐渐降低,在16.8～18.4m和28.0～29.6m还可以零星见到一些岩饼现象,但饼化程度和数量远不及第一段。在相似情况下,这些部位超出应力集中区、应力水平相对要低一些可能是最主要的原因。

根据上述饼化现象可以判断,钻孔通过了辅助洞和横通洞开挖以后造成的围岩应力集中区,该区主要与第一段岩饼段对应,此后的岩饼可能预示着集中区的影响仍然存在,但一般只可能在应力集中区的边缘地带。

以上述基本判断为依据,建立了包含A、B辅助洞和横通洞的FLAC3D计算模型,通过使用和调整上述关于岩体地应力和参数条件和模拟横通洞、辅助洞A洞的开挖,实现围岩二次应力场分布特征与岩饼分布特征之间在规律上的一致性。

在如图2-48所示的模型中模拟两条辅助洞和一条横通洞,其中深色区域为所考虑的爆破松动区,清楚地揭示在横通洞的底部一带形成一个最高达到40MPa的应力集中区,该集中区距离横通洞底部的距离大约在2～3m之间,钻孔通过该区域时,有可能导致岩芯饼化现象。现实中出现饼化岩芯的位置与该应力集中区基本对应,表明了上述关于岩体地应力场条件、岩体条件的综合分析结果在2号横通洞一带的总体代表性。

尽管2号横通洞一带应力集中区位置和岩饼位置基本相当,但由于在开展该项工作期间尚未获得详细的钻孔参数资料,还不能确定岩饼一定与应力集中最强烈的部位对应,这需要基础资料的进一步核实。

另一方面,如果钻孔通过了应力集中最强烈的部位,计算结果显示的应力水平为40MPa,在假设天然状态下的岩石单轴抗压强度大约为100MPa时,考虑到应力集中区紧临洞周屈服区,岩体应力状态比较容易导致岩石的破坏,这种条件下是有可能导致岩饼的产生。根据现场出现的典型岩饼的饼化程度,似乎预示着围岩应力更高一些,也就是说,单从2号横通洞的验证结果看,有可能稍稍低估了初始地应力场中最大主应力的大小。

当采用2号横通洞的实测地应力特征作为这一带的地应力场进行计算时,得到的应力集中区范围距洞周大约也在2～3m,但集中区的最大主应力水平不足30MPa,应不足以导致图2-18所示的岩饼现象。从这方面讲,就东端2号横通洞一带,综合分析获得的地应力场比该部位的实测地应力场更合理。

图2-49以平切面形式表示了东端3号横通洞一带的应力分布,平切面高于洞底1.3m,与FZK3-3钻孔高程一致。该钻孔在大约5～6m的深度进入到围岩中的应力集中区,与钻孔揭示的岩饼发生深度基本一致。并且达到近50MPa的应力水平可以导致该部位岩芯的饼化。

利用3号横通洞实测地应力结果的计算与上述结果相差悬殊,远不能解释产生的钻孔岩饼现象;而采用综合分析的地应力特征可以比较理想地吻合饼化岩芯的位置。

2008年在辅助洞内开展了一些测试工作,以更好地了解岩体初始条件和围岩状态。其中的一个测点断面布置在东端A洞距离11号横通洞45m处的白山组地层中(埋深约2000m)。该断面上布置了3个地质钻孔:两个水平孔B、C距底板1m,孔深10m;斜孔A向南倾斜且位于A洞横断面内,与水平面夹角约45°,3个钻孔的内径均为50mm。

这三个钻孔的位置和获得的全部岩芯照片如图2-50所示,3个孔都发现了饼化岩芯,其中两个水平孔饼化岩芯均零星分布,A孔在11.5m深度出现了连续分布的饼化岩芯,总长约1.5m,代表了应力集中区的位置。直观地,应力集中区指示的断面初始地应力状态与前面叙述的认识相符,即断面上最大主应力缓倾NE方向。

为从定量的角度验证地应力场分布的合理性,与上述以横通道为对象的验证相类似地,采用FLAC3D程序建立了针对A洞的分析模型,分析给定初始地应力条件下A洞开挖围岩中应力集中区的分布与钻孔岩心揭示的结果具有数量上的一致性。

如图2-51所示,B孔和C孔未发现连续的饼化岩芯,A孔在11.5m深度开始出现连续的饼化岩芯,总长约1.5m。在给定的初始地应力场条件下,应力集中区部位与钻孔岩饼分布位置具有良好的一致性。当然,只有应力集中区的应力水平达到一定程度,如达到岩石单轴抗压强度的50%～60%以上时,钻孔岩芯才会出现饼化现象。数值模拟出的高应力区大主应力介于70～90MPa之间,试验获得的岩样单轴强度最大值为140MPa(一般为120MPa左右),140MPa应该可以代表未扰动的原位深埋大理岩的单轴强度,计算获得的应力水平与岩石单轴抗压强度之间的比值关系符合传统的经验判断。

显然,在暂且不讨论岩体强度取值合理性的条件下,上述数值计算结果与现场之间的一致性证明了模型采用的初始地应力场的方位和大小都可靠地反映了现实条件。

利用钻孔岩饼的分布位置反演隧洞的地应力是一种简单、直接的工作手段,尤其在缺失地应力测试资料的条件下,该方法往往可以取得相对比较理想的效果。但是也必须指出的是,随着隧洞埋深的增加,初始地应力也随之增加,钻孔过程中的岩饼也相对更容易出现,当埋深超过2000m后,岩饼的分布规律性急剧变差,钻孔穿过一些细小刚性结构面时也会出现岩饼,因此给上述工作方法的使用带来了困难。因此,采用钻孔饼化岩芯位置进行地应力反分析时,当埋深超过2000m(或埋深超过1800m,但结构面发育洞段),上述工作方法的适用性变差。

(三)利用波速测增高段进行反分析

在大部分情况下,岩体相对均匀的洞室断面上如果确实存在明显的应力集中区,那么洞室断面上的声波测试成果就有可能检测到应力集中区的位置,从而帮助确定高应力包的深度和帮助判断初始地应力的方位。

图2-52是锦屏二级水电站地下厂房支Ⅰ勘探平洞中某断面上的声波测试成果。所有曲线都显示了开挖面附近的一个声波衰减后的低波速带,该带对应于爆破松动和应力松弛的作用结果。在更深的部位,顶和底都明显地显示了一个波速增高区,而两侧边墙则显然不存在这一增高带,这一特点很可能对应了初始地应力场近水平状的基本特点。在左拱肩和对应的由下脚(面上河流下游)一带,也可以大体上看到一个声波增高区,但不如顶拱明显;右肩和左下脚的高声波带显然总体上不如左拱肩和右下脚显著,由此可以大体推测断面上原始主应力场的最大主应力,如图2-53中的箭头所指方向。

2008年结合辅助洞B-1绕行洞8m岩柱(埋深1350～1400m)的稳定性实施了一些监测工作,相应的成果可以用来进一步验证对隧洞沿线Ⅲ区的地应力的认识。

图2-54显示了BK14+886断面的上孔波速成果:在0～3.5m深度是声波低速带(平均波速5000m/s),对应着爆破松动和应力松弛的结果;3.5～5.5m深度是明显的波速提高区域(平均波速6500m/s),对应着应力集中的结果;超过5.5m深度,波速略有降低,可能对应着小扰动或原位地应力状态。该断面的中孔和下孔也存在波速衰减带和增高带,中孔低速带的深度约1m,下孔低速带的深度约1.5m,波速测试成果显示右侧边墙区域应力松弛的深度远不如左侧拱肩明显,导致这种结果只有一种可能,那就是断面的最大主应力(三维地应力的中主应力)在监测断面上以水平为主,小角度倾向NE。

BK14+866断面波速测试成果可以用来验证目前所获得的地应力认识是否正确。图2-54表达了声波测试所得到的围岩高应力区域和数值预测之间的一致性,说明技施阶段对隧洞沿线Ⅲ区地应力的取值可以满足工程要求。

计算成果同样可以用来解释BK14+886断面中孔、下孔波速测试成果。中孔和下孔显示在距洞壁1～1.5m深度存在一个低速带,对应着应力松弛的结果。

(四)利用松动圈测试成果进行反分析

主洞(包括辅助洞、排水洞和引水隧洞)揭露了更多的现场现象,也获得了更多的测试资料,为分析工作提供了更多选择,这里仅选择2号、3号引水隧洞的声波测试资料为依据说明主洞断面上围岩初始地应力状态的反分析结果。

图2-55(b)表示了在2号引水隧洞13+085断面布置的10个声波测试孔和获得的低波速带分布,其中这种测试孔布置方式是根据现场围岩破坏现象优化的结果,目的在于针对性地获得南拱脚(图中左侧)应力集中区和北拱脚(图中右侧)应力松弛区围岩破损区深度。

浅埋隧洞围岩的波速降低主要由爆破震动损伤和结构面引起,当结构面不发育时,爆破振动损伤是主要因素。在深埋条件下,应力集中导致围岩屈服后的波速降低一般起到主导作用。由于应力集中区和应力松弛区围岩经历的应力变化路径不一致,应力松弛区的屈服在低水平、低能量环境下,现场往往不足以导致岩体发生结构性破坏,因此一般不导致围岩波速显著降低。

2号引水隧洞的声波检测结果在实现预期目标的同时也证实了事先对围岩应力集中区位置的判断,如图2-55(a)所示,受断面形态和初始地应力场的影响,南拱脚一带出现了强烈的应力集中现象,围岩屈服导致的低波速带深度在1.5～2.1m之间[图2-55(b)],而对侧应力松弛区部位的深度为数十厘米至1.4m之间。两侧位于上台阶底板以下高程的测试成果显示出显著区别,该部位爆破振动的影响很小,在完整性良好的Ⅱ类围岩中,这种差别主要体现了围岩应力状态的影响,从而揭示了图2-55(a)所示的围岩断面初始地应力状态。

图2-56(b)表示了在TBM掘进的3号引水隧洞获得的声波检测结果,测试断面埋深大约为1350m,为地层Ⅲ类围岩。断面上布置的5个测孔获得的低波速带形态在北拱肩和左拱脚部位均为1.8m,以左拱肩最小,为1.0m,而右拱脚最大为2.0m。显然,右拱脚较大的低波速带受到了局部因素的影响,这如果为应力集中造成,则南拱肩的低波速带不可能最小。

在剔除局部因素造成的北拱脚低波速带深度以后,围岩低波速带范围在断面上大致呈椭圆形分布,其中的北拱肩—南拱脚连线为椭圆的长轴方向,揭示了北拱肩和南拱脚为应力集中区的现实特征。根据这种认识进行的数值计算结果揭示的围岩应力分布如图2-56(a)所示,低应力屈服区的分布特征也呈椭圆形,与声波测试成果揭示的椭圆形形态有着高度的一致性。

(五)辅助洞贯通点岩爆分析

2008年3月,辅助洞西端B洞进入锦屏山核部完整白山组地层中,当时B洞掌子面超前A洞较多,施工单位从B洞向A洞掘进了一条横通道,横通道位于A洞掌子面前方,即A洞掘进时掌子面不断逼近已经存在的横通道(图2-57左上)。在A洞掌子面掘进逼近横通道的过程中,A洞右侧一带不断开始出现岩爆破坏,且横通道内也出现连续的围岩破坏,一度对掘进工作造成严重影响。

现场调查后认为,先行开挖的横通道周边形成了一个应力集中区,而A洞掘进过程时前方也形成一个应力集中区,当A洞掌子面不断逼近横通道时,两个应力集中区开始出现叠加和干扰,是造成岩爆的直接原因。

但是,辅助洞掘进过程中多次出现过A、B洞之间进度差别大的情形,也多次采用了类似的施工方式先期掘进横通道,创造新的工作面。在横通道端部A洞位置上向两端掘进以加快A洞的掘进进度(图2-57右上),整个过程包括A洞两个掌子面贯通时均为遇到岩爆现象。

在前面关于引水隧洞沿线地应力分区结果中,把锦屏山核部地层单独作为一个区域划分出来,主要是因为该地段主应力之间的差值发生变化,更接近于静水压力地应力状态。相比较地,这种地应力状态有利于隧洞开挖围岩中的高应力分布更加均匀,即更大的区域范围内受到应力集中的影响。也就是说,核部地层中开挖面相互接近时,更容易导致应力集中区的叠加。

现场出现的岩爆反过来指示了两点:①核部地层中初始地应力场具有向静水压力状态过渡的特征,这与现场观察到的洞周围岩破裂相对均匀分布的指示意义一致;②这种地应力状态下,辅助洞在核部地带贯通前会遇到强岩爆现象。

根据上述判断,建立了简单快速的三维分析模型,以验证上述判断的正确性,图2-58表示了分析结果,证实这种条件下围岩应力集中分布范围较大,且横通道掌子面前方形成了应力集中现象,即提高了A洞逼近时的地应力水平。

沿隧洞轴线方向上的最大主应力与其他主应力比值关系的降低有利于在隧洞掌子面前方形成应力集中现象,这是预测辅助洞贯通前出现强岩爆的依据。为进一步做好辅助洞B洞贯通前的防范工作,进行了相关分析,判断两端掌子面相距多远时开始出现岩爆。

图2-58显示,当东西端掌子面相距40～45m时,掌子面之间岩柱的中心部位将开始出现明显的应力叠加现象。经验表明,深埋条件下掌子面之间的这种应力干扰对掌子面围岩稳定产生严重影响,为此,在施工技术要求中,把掌子面之间50m的间距作为安全间距,即相距50m时该单头掘进方式和采取修正爆破设计方案。

注意到图2-58中东西端掌子面前方各具备一个最大深度大约3m的屈服区,屈服区内应力水平很低,当东西端掌子面进一步接近时,两端高应力的叠加将造成岩体的严重屈服,模型揭示当掌子面相距在12.5m时,岩柱完全屈服(该成果当时并未提交),指示着隧洞贯通的强岩爆主要出现在掌子面相距45～12.5m的掘进过程中。由于贯通前10余米段岩体的强烈屈服,虽然消除了岩爆条件,但岩体严重破坏,破碎和变形现象显著。后来的现场实践结果验证了上述预测结果,说明计算模型中对初始地应力场等初始条件的把握是可靠的。

六、隧洞沿线地质构造与局部地应力场

锦屏二级排水洞和辅助洞掘进过程中的经验表明,即便在埋深和岩体力学特性满足要求的情况下,岩爆的发生也是有条件的,即总体上某些特定洞段成为岩爆高风险区,这些高风险区总体上与褶皱存在某种联系。高风险区内是否产生岩爆破坏则与特定的断裂存在密切关系,即区段岩爆风险与褶皱相关,具体岩爆风险与断裂有关。在岩体特性满足导致岩爆破坏的条件下,岩爆风险与地质构造的关系是通过改变局部地应力场分布实现的,也就是说,在16km长的隧洞沿线范围内,从目前的认识看,至少存在与地质构造相关的局部地应力场,而这些可以明显改变局部地应力场分布的地质构造单元包括褶皱和断层,前者影响范围较大,后者影响范围要小一些。

(一)构造与局部地应力场

除层面以外,锦屏二级隧洞沿线优势性结构面主要包括NWW向张扭性构造和NE向压扭性构造,从现场揭露的情况看,与轴线大角度相交的层面对围岩稳定并没有产生显著影响。对围岩破裂、变形和岩爆影响相对较大的是这两组优势构造。从研究局部地应力场的角度,这里主要讨论NWW向张扭性构造的作用,而NE向构造的影响将在构造型岩爆机理中叙述。相对地,根据目前的认识,前者对围岩稳定性、特别是岩爆的影响很可能是通过形成局部地应力场的方式实现。下面介绍采用数值分析手段验证上述认识。

图2-59表示了采用数值模型研究NWW向构造附近局部地应力场特征的研究思路和结果,即在模型中模拟NWW向结构面,其走向与模型中最大主应力方向呈小角度关系。模型中给NWW向结构面赋予的力学参数直接反映了该结构面在现实中已经弱化后的情形,然后给模型施加边界荷载,相当于现今锦屏地区正在经历的地壳挤压运动,即了解现今地壳挤压作用下NWW向节理的响应。计算中分别给NWW向结构面赋予了不同的力学参数,了解结构面弱化程度的影响。

图2-59下表示了计算结果。它清楚地显示了NWW向结构面周边的局部地应力场,即沿结构面两侧分布的应力降低区和两个端部的应力集中区。就锦屏二级隧洞的深埋特点而言,NWW向结构面两侧的低应力区一般不被工程所关注,而两个端部出现的应力集中现象可以对隧洞掘进时的围岩稳定造成严重影响。

应该说,图2-59表示的NWW向结构面端部应力集中现象很好地解释了现场观察到的NWW向结构面导致的岩爆现象。计算结果同时显示,只有NWW向节理出现弱化特性时,这种局部应力集中现象才能表现出来。现场观察到的导致岩爆的NWW向节理面都有不同程度的风化,具有力学性质上的弱化特性。

NWW向结构面端部应力集中区范围相对不大,在1500m埋深水平下,地应力出现明显变化的范围多在2～3m以内,当节理端部距离隧洞洞壁较大,如达到10m左右的距离时,这种局部地应力场对工程的影响相对较小。

概括地,NWW向节理导致的局部地应力场以端部应力集中现象对工程影响大,但因端部应力集中区影响范围较小,其改造非常局部化,只有端部在开挖面周边出现时,才会对工程造成显著影响。

(二)褶皱与局部地应力场

针对锦屏二级工程一些现场现象的观察和分析,对褶皱一带存在局部地应力场的推测,仅从现象角度看,这种推测结果具有高度可靠性。但是,需要获得褶皱附近地应力异常的确切特征可能相对困难。本小节的讨论基于如下假设和思路:研究的重点是了解现今NWW向挤压条件下褶皱附近可能出现的应力变化,即忽略了构造应力残余;研究工作以东端盐塘组大理岩段的向斜褶皱为参照对象,即核部为质量相对较差的地层,翼部为地层;采用数值模型进行分析时,为便于分析,先假设模型内岩体地应力场完全均匀,即为静水压力状态,然后施加边界荷载,模拟现今构造挤压条件下褶皱周边地应力场中各主应力比值关系的变化。

图2-60表示了模型的基本特征。图2-60(a)为所模拟的向斜形态,图2-60(b)为地层岩体质量的差异,注意翼部地层的UCS和GSI都略有提高,主要是体现岩体质量差异可能导致的应力变化。分析中将模型中的岩层界面按两种方式处理:一是作为不连续面处理,可以发生错动和张开变形;二是忽略不连续力学特性,仅考察岩性差异导致的影响。

计算中假设模型中心点处的垂直应力大小为15MPa,在铅直方向按岩体的密度为斜率变化,平行和垂直褶皱轴线方向的水平应力与垂直应力比为1.0,即为静水压力状态。这样处理的目的在于保证计算过程不出现岩体的屈服和非线性行为,在深埋条件下,现今构造运动一般也不导致岩体进入非线性状态,这种假设存在现实合理性,这种假设条件下的计算结果因此能体现对地应力场研究的需要。

图2-61表示了忽略层面不连续效应时的计算结果,此时褶皱的作用主要通过核部和翼部的岩体质量差异及其特定的空间分布状态得到体现,其中侧压力系数K等于1.0、1.1、1.3和1.5的计算结果对应的侧向构造挤压应力分别为0、10%、30%和50%的静水压力。当不存在侧向构造挤压的影响时,假设的静水压力状态在计算结果中得到了很好的反映。如图2-61左上图,此时的最大主应力非常均匀地随深度变化。

当施加侧向构造挤压应力以后,一个共同的特点是在岩性分界面一带的翼部地层中初始地应力大小发生明显变化,主要表现为向斜核部的坚硬地层中出现显著的地应力集中现象,与此相反地,相对较弱的核部地层中出现了应力降低现象。根据这一结果,当核部地层质量相对较差而翼部相对坚硬时,现今NWW向挤压运动的作用会使褶皱核部岩性分界面一带的地应力出现异常,主要表现为:质量相对较差的核部地层出现应力降低,形成应力降低区;质量相对较好的翼部地层在底部一带出现应力集中,形成应力集中区。

锦屏二级深埋引水隧洞沿线发育的褶皱核部一带不仅存在岩性上的差异,而且层面普遍发育,因此,现实中褶皱区域的局部地应力场可能还受到层面的影响,比以上的分析结果更复杂。

图2-62是考虑了层面以后、施加静水压力初始地应力达到初始平衡的计算结果。与图2-61左上图相比,二者的差别仅仅在于是否考虑层面的影响。显然,褶皱核部一带普遍发育的层面可以显著地影响到褶皱核部一带的初始地应力分布。

图2-62左为最大主应力分布,主要为垂直褶皱轴线(大致平行于隧洞轴线)方向的主应力分量,与图2-61左上图相比,向斜核部相同高程部位的最大主应力绝对大小有所降低。不过,如图2-62右图所示,水平应力与垂直应力的比值在向斜核部一带总体呈增高趋势,即核部的应力比增大。

当考虑NWW向现今构造挤压作用以后,如图2-63所示,褶皱核部一带地应力分布受影响的范围相对增大。图2-63左图所示的最大主应力(平行隧洞轴线)总体上在翼部地层中明显增大,在进入到核部区域以后,视所考察对象(如隧洞轴线位置)的具体高程,最大主应力可以出现增高、也可以出现降低,使得核部区域地应力大小相对复杂。

图2-63假设NWW向现今挤压应力为静水压力大小的30%,当考察隧洞轴线分别在岩层分界线下方20m和50m部位通过时,隧洞沿线两个水平主应力和垂直应力的比值变化特征列于图2-63右图所示。在靠近地层分界面位置上,很明显地,两个水平应力和垂直应力的比值均出现明显增加,特别在核部一带存在一个显著的增高带。

当隧洞在不同部位(如距离地层分界面50m)通过褶皱时,隧洞横断面上的应力比保持相对稳定,比值在1.15左右。而轴向水平应力和垂直应力的比值变化较大,总体以翼部高而核部低,并且这两个比值在褶皱核部都可能出现降低。

图2-63显示褶皱核部一带当岩层层面出现剪切滑移时(数值模型中允许这种现象的产生),核部一带地应力分布并不是均匀的,因此,当隧洞在不同部位通过褶皱核部时,该洞段的总体地应力状况和局部地应力状况都可能存在一定程度的差别,使得问题相对比较复杂。但总体地,对于核部岩体特性相对较差的锦屏东端褶皱而言,隧洞经过靠近地层分界面的下部褶皱核部时,岩体地应力状态总体最差。

根据以上的分布,说明不论是否受到现今构造挤压作用的影响,褶皱核部附近存在局部地应力场,当不存在现今构造应力作用时,核部一带坚硬地层中水平/垂直应力比总体呈上升趋势;当存在现今构造应力挤压作用的影响时,总体应力集中现象出现在相对坚硬的地层中,褶皱附近局部地应力作用范围增大。其中相对坚硬的翼部地层中水平主应力大小及其与垂直应力的比值均呈增大趋势,而在接近核部地带的变化相对较复杂,相对翼部地层而言可能出现降低现象。

就工程关心的局部地应力场特征而言,构造造成的局部地应力场非常局部化,主要在数米的尺度范围发挥作用,但异常程度大。褶皱的影响范围则要大得多,明显影响区域范围可以达到200m左右的尺度,即出现长度达到200m尺度的地应力异常洞段,相对于构造端部而言,地应力异常程度相对要弱一些。