付 平，張新輝，劉元坤，尹健民，徐春敏

(長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

0 引言

地應(yīng)力是地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖體自重等共同作用的結(jié)果，是進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境和區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、地下工程設(shè)計(jì)與施工要考慮的重要因素。地應(yīng)力的分布十分復(fù)雜，局部應(yīng)力和區(qū)域應(yīng)力之間可能存在相當(dāng)大的差別，這種差別的主要原因之一是不同尺度的斷裂構(gòu)造發(fā)育[1]。西南地區(qū)的滇中引水、川藏鐵路等國家十三五重點(diǎn)工程項(xiàng)目位于印度板塊與歐亞板塊中國大陸碰撞帶東緣。區(qū)域內(nèi)有較大規(guī)模和深度的活動(dòng)斷裂發(fā)育，構(gòu)造環(huán)境極為復(fù)雜，地震活動(dòng)強(qiáng)烈而頻繁，不少隧道不可避免地跨越不同的地質(zhì)構(gòu)造單元與不同尺度的活動(dòng)斷裂。開展活動(dòng)斷裂區(qū)的地應(yīng)力賦存狀態(tài)研究，對(duì)預(yù)測(cè)深埋隧洞開挖過程中的巖爆及大變形等工程地質(zhì)災(zāi)害具有重要的實(shí)際意義，分析斷裂活動(dòng)對(duì)隧洞工程的影響程度，對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性和抗錯(cuò)斷支護(hù)設(shè)計(jì)亦有參考和指導(dǎo)價(jià)值。

活動(dòng)斷裂區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的研究方法主要包括原地應(yīng)力測(cè)量、震源機(jī)制解反演和數(shù)值模擬等。安其美[2]、CHOI[3]、PHAM[4]等通過在典型斷裂發(fā)育地區(qū)開展地應(yīng)力測(cè)試工作，研究地應(yīng)力的賦存狀態(tài)及分布特征，指出斷裂構(gòu)造和巖層的非均質(zhì)性是造成區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)分異化的主要原因；郭啟良[5]、陳群策[6]、豐成君[7]、WU[8]等根據(jù)斷裂帶部位震前和震后的地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化與調(diào)整；LI等[9-10]利用我國華北地區(qū)的震源機(jī)制解及109～970 m深度范圍內(nèi)的原地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)庫倫摩擦準(zhǔn)則分析了應(yīng)力累積對(duì)斷裂活動(dòng)的激發(fā)作用；BAOUCHE等[11]基于鉆井誘發(fā)裂縫法地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，通過應(yīng)力多邊形推算了斷裂運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；蘇生瑞等[12]通過多條活動(dòng)斷裂組成的斷裂系統(tǒng)附近的地應(yīng)力分布規(guī)律研究了活動(dòng)斷裂與地應(yīng)力場(chǎng)相互作用；陳化然[13]、陳連旺[14]、YIN[15]等借助有限元等數(shù)值計(jì)算方法并結(jié)合地質(zhì)背景資料進(jìn)行地球動(dòng)力學(xué)模擬，分析了活動(dòng)斷裂區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征。

滇中引水工程大理Ⅰ段香爐山隧洞全長 62.6 km，埋深大于600 m洞段累計(jì)42.2 km，占比67%，埋深大于1 000 m洞段累計(jì)21.4 km，占比34%，最大埋深約1 450 m，屬典型深埋長隧洞，為滇中引水控制性重點(diǎn)難點(diǎn)工程。2010年至2016年，筆者所在團(tuán)隊(duì)先后在該隧洞隧址區(qū)斷裂帶區(qū)域完成了8個(gè)深鉆孔的水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試工作，鉆孔深度在245～950 m，共計(jì)獲得了89個(gè)測(cè)段的有效地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)和其中20個(gè)測(cè)段的破裂縫方位印模結(jié)果。本文基于上述8個(gè)鉆孔的原地應(yīng)力測(cè)試資料，結(jié)合已有研究成果，揭示該地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的分布特征，依據(jù)滑動(dòng)摩擦準(zhǔn)探討活動(dòng)斷裂的穩(wěn)定性，并全面考慮多類因素進(jìn)行活動(dòng)斷裂對(duì)工程影響性的綜合評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景

滇中引水工程大部分路段位于川滇菱形塊體的中南部，現(xiàn)今該塊體主要受如圖1所示的三方面構(gòu)造作用：一是青藏高原向東推移受阻于川黔地塊與華南地塊，使川滇菱形塊體整體向南南東方向擠出和側(cè)向滑移；二是印支板塊對(duì)川滇塊體東北向的擠壓，最終作用于云南西部；三是受到來自華南地塊北西-北北西向力的作用。菱形塊體被小金河-麗江-劍川斷裂帶劃分為川西北塊體和滇中塊體，香爐山隧洞跨越這兩個(gè)塊體，大部分洞段位于麗江臺(tái)緣褶皺帶，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性總體較差。隧址區(qū)褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育，起主要控制作用的斷褶構(gòu)造主要為北北東-北東向、近東西向和少量近南北向，其中龍?bào)?喬后斷裂、麗江-劍川斷裂和鶴慶-洱源斷裂為全新世活動(dòng)斷裂，與香爐山隧洞直接相交。

圖1 滇中引水工程沿線構(gòu)造格架圖Fig.1 Tectonic framework of the water diversion lines area of central Yunnan

地應(yīng)力測(cè)孔基本位于上述三條活動(dòng)斷裂部位或附近，測(cè)孔位置與斷裂展布如圖2所示。各斷裂主要性質(zhì)如下：(1)龍?bào)?喬后斷裂[16]走向NNE，傾向NW，傾角約60°，沿?cái)嗔寻l(fā)育龍?bào)?、九河、劍川、沙溪、喬后等一系列第四紀(jì)小盆地，說明該斷裂現(xiàn)今具有較強(qiáng)活動(dòng)性，全新世以來表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動(dòng)；(2)麗江-劍川斷裂[17]走向NE，傾向NW，傾角60°～80°，晚更新世以來表現(xiàn)出明顯的左旋走滑運(yùn)動(dòng)；(3)鶴慶-洱源斷裂[18]走向NE，傾向SE或NW，由北西支和南東支兩條左階羽狀次級(jí)斷裂組成，于鶴慶盆地南段蝙蝠洞一帶交匯后向南繼續(xù)延伸止于洱源盆地，晚更新世以來東西支具有左旋走滑性質(zhì)，南段具逆沖性質(zhì)。三條斷裂都是中強(qiáng)地震活動(dòng)帶，歷史上均發(fā)生過6級(jí)以上地震。

圖2 香爐山隧洞工程區(qū)主要斷裂及地應(yīng)力測(cè)試鉆孔布置圖Fig.2 Schematic of main active faults and test boreholes location of the Xianglushan tunnel area

2 研究區(qū)原地應(yīng)力測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 測(cè)試與分析方法

所用地應(yīng)力數(shù)據(jù)均由水壓致裂法測(cè)試得到，該方法的原理是通過分析水力誘發(fā)裂縫的張開和關(guān)閉壓力來確定主應(yīng)力大小，記錄誘發(fā)裂縫的方位來確定垂直于鉆孔軸的平面內(nèi)主應(yīng)力方向[19]。針對(duì)香爐山隧洞工程區(qū)斷裂褶皺發(fā)育、軟硬巖層相間的復(fù)雜地質(zhì)條件，筆者所在團(tuán)隊(duì)研發(fā)了繩索取心鉆桿雙回路水壓致裂測(cè)試系統(tǒng)，通過植入鉆桿內(nèi)部的兩條高壓軟管與地面高壓泵連接，實(shí)現(xiàn)雙回路加壓試驗(yàn)。鉆桿不承壓，減少鉆桿因膨脹變形而滑脫的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)利用鉆桿對(duì)孔壁的保護(hù)，解決了軟弱巖層中欠穩(wěn)定深孔的地應(yīng)力測(cè)試難題。此外，對(duì)于低水位鉆孔，采用高壓氣體坐封，保證了測(cè)試工作的快速連續(xù)性。

進(jìn)行水壓致裂測(cè)試前，須對(duì)鉆孔進(jìn)行檢查，包括鉆孔斜度、巖心獲得率、透水率等，并根據(jù)工程實(shí)際需要選擇合適的壓裂試驗(yàn)段?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要分為以下步驟：(1)坐封：通過鉆桿將兩個(gè)可膨脹橡膠封隔器下放到選定的壓裂段，加壓使其膨脹并坐封于孔壁上，在中間形成承壓段；(2)加壓致裂：通過鉆桿內(nèi)高壓軟管，用液壓泵對(duì)壓裂段注水加壓，當(dāng)孔壁承受的壓力足夠大時(shí)孔壁沿阻力最小的方向出現(xiàn)破裂，裂縫在垂直于截面上最小主應(yīng)力方向的平面內(nèi)擴(kuò)展；(3)關(guān)泵泄壓：關(guān)泵后壓力瞬時(shí)陡降，隨著壓裂液滲入巖層，壓力繼續(xù)緩慢降低。當(dāng)壓力降到使裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)，即垂直于裂縫面的最小主應(yīng)力與液壓回路達(dá)到平衡時(shí)的壓力，稱為關(guān)閉壓力，然后打開卸壓閥，使裂縫完全閉合，泵壓清零；(4)重張：重復(fù)以上兩個(gè)步驟連續(xù)進(jìn)行多次循環(huán)，以便取得合理的壓力特征讀數(shù)；(5)解封：壓裂完畢后，通過拉動(dòng)轉(zhuǎn)換閥使封隔器內(nèi)液體通過鉆桿排出，封隔器收縮恢復(fù)至原狀；(6)破裂縫記錄：采用外層橡膠覆蓋的印模筒和自動(dòng)定向器記錄破裂縫的長度和方向。隧址區(qū)典型鉆孔地應(yīng)力測(cè)試場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 典型水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)(XLZK10鉆孔)Fig.3 Typical test scene of hydraulic fracturing stress measurements (XLZK10 borehole)

按鉆孔水平面巖體最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的壓力-時(shí)間曲線確定的水壓致裂產(chǎn)生的破裂壓力Pb、破裂縫開始閉合時(shí)的關(guān)閉壓力Ps以及破裂縫重新張開時(shí)的重張壓力Pr，可得到水壓致裂法巖體的最大和最小主應(yīng)力量值計(jì)算公式如下：

(1)

式中：P0——試驗(yàn)段部位巖體的孔隙水壓力。

需要指出的是，本文給出的原地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試步驟及數(shù)據(jù)采集、處理和計(jì)算嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范執(zhí)行，有效測(cè)試段均在100 m以下，可認(rèn)為不受非構(gòu)造活動(dòng)影響[20]。

2.2 各測(cè)孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

龍?bào)?喬后斷裂近場(chǎng)鉆孔為XLZK2、TSZK53、XLP3ZK2、XLP3-1ZK2，麗江-劍川斷裂近場(chǎng)鉆孔為XLZK10、XLP3ZK11，鶴慶-洱源斷裂近場(chǎng)鉆孔為XLZK16、TSZK56。下面對(duì)以上各測(cè)點(diǎn)相關(guān)信息和測(cè)試結(jié)果做簡(jiǎn)要介紹，各測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力量值沿深度分布情況如圖4所示。

圖4 各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力量值隨深度變化圖Fig.4 Variations of principal stress values with the depth in each measuring point

XLZK2：該測(cè)點(diǎn)位于麗江石鼓鎮(zhèn)大場(chǎng)，鉆孔位于近東西向沖溝中，孔口高程2 407.3 m，孔深410.2 m。揭露巖層主要為弱風(fēng)化和微新絹云母板巖、砂巖，孔深308 m附近存在流沙層，其下未能進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試深度在188.6～303.0 m范圍，最大水平主應(yīng)力量值為6.3～9.3 MPa，最小水平主應(yīng)力量值為4.2～7.2 MPa。

TSZK53：該測(cè)點(diǎn)位于玉龍九河鄉(xiāng)白漢場(chǎng)水庫西北側(cè)，孔口高程2 400.7 m，孔深412.3 m。揭露巖層主要為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。測(cè)試深度在138.5～384.1 m 范圍，最大水平主應(yīng)力量值為6.4～12.3 MPa，最小水平主應(yīng)力量值為3.9～8.8 MPa。

XLP3ZK2：該測(cè)點(diǎn)位于玉龍子大姜溝，孔口高程 2 476.5 m，孔深320.8 m。揭露巖層主要為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、石英砂巖、粉砂巖、灰?guī)r和泥巖。測(cè)試深度在164.3～311.5 m范圍，最大水平主應(yīng)力量值為3.7～8.0 MPa，最小水平主應(yīng)力量值為3.0～5.8 MPa。

XLP3-1ZK2：該測(cè)點(diǎn)位于玉龍子大姜溝，孔口高程2 574.9 m，孔深406.9 m。揭露巖層主要為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、灰?guī)r。346 m以下孔壁坍塌無法試驗(yàn)。測(cè)試深度在173.0～346.0 m范圍，最大水平主應(yīng)力量值為5.5～9.5 MPa，最小水平主應(yīng)力量值為3.6～6.8 MPa。

XLZK10：該測(cè)點(diǎn)位于玉龍紅麥村，孔口高程 2 571.6 m，孔深590.5 m。揭露巖層主要為玄武巖和白云質(zhì)灰?guī)r，孔底掉塊嚴(yán)重，探頭僅可下放至560 m左右。測(cè)試深度在197.0～560.0 m范圍，最大水平主應(yīng)力量值為5.6～17.4 MPa，最小水平主應(yīng)力量值為4.1～11.7 MPa。

XLZK11：該測(cè)點(diǎn)位于鶴慶沙子坪，孔口高程 2 784.4 m，孔深780.0 m。揭露巖層主要為灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r。測(cè)試深度在463.5～723.5 m范圍，最大水平主應(yīng)力量值為10.2～22.5 MPa，最小水平主應(yīng)力量值為6.6～13.6 MPa。

XLZK16：該測(cè)點(diǎn)位于鶴慶大陡山，孔口高程 2 951.7 m，孔深950.4 m。揭露巖層主要為灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，850 m以下巖心較破碎，未能取得有效數(shù)據(jù)。測(cè)試深度在501.5～850.0 m范圍，最大水平主應(yīng)力量值為13.6～23.7 MPa，最小水平主應(yīng)力量值為7.7～13.0 MPa。

TSZK56：該測(cè)點(diǎn)位于鶴慶蝙蝠洞東坡，孔口高程 2 214.6 m，孔深245.0 m。揭露巖層主要為泥質(zhì)灰?guī)r、細(xì)砂巖和頁巖，165～180 m為鉆探事故處理段，無法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試深度在151.3～237.5 m范圍，最大水平主應(yīng)力量值為5.9～7.9 MPa，最小水平主應(yīng)力量值為4.5～6.5 MPa。

2.3 地應(yīng)力量值與斷層穩(wěn)定性分析

從各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力量值隨深度的變化曲線可以看到，除個(gè)別測(cè)試深度外，對(duì)于龍?bào)?喬后斷裂近場(chǎng)的四個(gè)測(cè)點(diǎn)和麗江-劍川斷裂近場(chǎng)的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，三個(gè)主應(yīng)力量值之間的關(guān)系均呈現(xiàn)出σH>σV>σh的特征，為走滑型應(yīng)力狀態(tài)，鶴慶-洱源斷裂西支附近測(cè)點(diǎn)XLZK16主應(yīng)力關(guān)系呈σH>σV>σh，為走滑型應(yīng)力狀態(tài)，南段附近測(cè)點(diǎn)TSZK56主應(yīng)力關(guān)系呈σH>σh>σV，為逆沖型應(yīng)力狀態(tài)，表明研究區(qū)淺表地殼應(yīng)力狀態(tài)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)。

地殼應(yīng)力狀態(tài)和斷層活動(dòng)性之間有著密切的關(guān)系。庫侖摩擦滑動(dòng)準(zhǔn)則τ=μσn+c表明，在內(nèi)聚力c=0的情況下，如果斷層面上的剪應(yīng)力τ大于等于滑動(dòng)摩阻力μσn時(shí)，斷層發(fā)生失穩(wěn)破壞。用主應(yīng)力改寫庫侖準(zhǔn)則，并考慮孔隙水壓力P0作用，則最大有效應(yīng)力與最小有效應(yīng)力的比值可表示為斷層摩擦系數(shù)的函數(shù)：

(S1-P0)/(S3-P0)=((μ2+1)1/2+μ)2=Kμ

(2)

當(dāng)最大與最小有效應(yīng)力的比值小于Kμ，認(rèn)為斷層穩(wěn)定，反之，斷層面則可能沿最有利方位產(chǎn)生黏滑失穩(wěn)。其中，斷層摩擦系數(shù)μ由試驗(yàn)確定，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于各類巖石室內(nèi)摩擦物理試驗(yàn)成果[21-22]表明大部分巖石的摩擦系數(shù)介于0.6～1.0，所以這里認(rèn)為在分析淺部斷層的穩(wěn)定性時(shí)，將巖石摩擦系數(shù)近似作為斷層摩擦系數(shù)，且黏滑失穩(wěn)的下限值取為0.6是合理的。結(jié)合上述原地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)走滑斷層，S1=σH，S3=σh，對(duì)逆沖斷層，S1=σH，S3=σV，根據(jù)式(2)可計(jì)算得出每個(gè)測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的最大水平主應(yīng)力臨界值。計(jì)算結(jié)果如圖5所示，可以看到，除一些淺部測(cè)段的實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力值接近μ=0.6所對(duì)應(yīng)的使斷層黏滑失穩(wěn)最大主應(yīng)力臨界值外，測(cè)深范圍內(nèi)三條活動(dòng)斷裂附近大部分測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力值未超過臨界值，因應(yīng)力達(dá)到臨界狀態(tài)而發(fā)生黏滑的危險(xiǎn)性較小。

圖5 實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力量值與斷層黏滑失穩(wěn)臨界最大主應(yīng)力量值隨深度分布圖Fig.5 Distributions of measured maximum principal stresses and the stress thresholds of fault slipping with depth

斷層失穩(wěn)破裂的實(shí)質(zhì)是剪應(yīng)力增大而產(chǎn)生的斷層面滑動(dòng)，最大剪應(yīng)力和平均應(yīng)力的比值μm同樣可作為評(píng)價(jià)淺層地殼破壞狀態(tài)的參數(shù)。地殼應(yīng)力通常能夠保持一個(gè)相對(duì)均衡的狀態(tài)，差應(yīng)力與平均主應(yīng)力具有固定比例[23]。因此，該比值本質(zhì)上反映了區(qū)域斷裂的地應(yīng)力累積水平，而這種應(yīng)力累積和斷層強(qiáng)度密切相關(guān)，應(yīng)力累積水平高可能指示斷層具有較高強(qiáng)度?？紤]孔隙水壓力的作用下，μm的表達(dá)式為：

μm=(S1-S3)/(S1+S3-2P0)

(3)

且μm與斷層摩擦系數(shù)μ有如下關(guān)系：

(4)

μm跟應(yīng)力的方向無關(guān)，當(dāng)μm接近0.5時(shí)，說明應(yīng)力累積水平較高，當(dāng)μm<0.3，說明應(yīng)力累積水平較低[23]。根據(jù)式(3)將各測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制于圖6，可以看出，大部分鉆孔測(cè)段的應(yīng)力數(shù)據(jù)均落在μm=0.2 (μ=0.2)和μm=0.5 (μ=0.58)所限定區(qū)域之間。受到地表剝蝕、地形地貌等因素影響，XLZK2、XLP3ZK2、XLZK10和TSZK56測(cè)點(diǎn)的淺部數(shù)據(jù)落在μm=0.2界線之外。說明與周圍地殼相比，三條活動(dòng)斷裂為中等強(qiáng)度且淺部較軟弱。取測(cè)深大于200 m的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到龍?bào)?喬后斷裂、麗江-劍川斷裂、鶴慶-洱源斷裂的μm平均值分別為0.28、0.30、0.24，表明三條活動(dòng)斷裂部位現(xiàn)今地應(yīng)力累積水平整體偏低，龍?bào)?喬后和麗江-劍川斷裂區(qū)域的應(yīng)力累積水平要略高于鶴慶-洱源斷裂。

圖6 最大差應(yīng)力與平均有效應(yīng)力關(guān)系圖Fig.6 Relations of the maximum differential stress and effective mean stress based on measured data

2.4 現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)作用方位分析

筆者收集了研究區(qū)2008—2012年ML3.0級(jí)以上中小地震的震源機(jī)制解資料[24]，并對(duì)該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行反演。主應(yīng)力方位反演結(jié)果如圖2所示，同時(shí)將8個(gè)測(cè)孔每個(gè)測(cè)孔獲得的最大主應(yīng)力方向平均值繪制于圖2進(jìn)行對(duì)比?？梢钥吹?，研究區(qū)三條活動(dòng)斷裂附近地應(yīng)力測(cè)試得到的最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方位整體呈NNE-NE向，較現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力方位NEE向存在一定的偏轉(zhuǎn)，主要原因在于本文中測(cè)試的深度在千米范圍內(nèi)，而震源機(jī)制解反演給出的是震源部位(7～30 km深度)的應(yīng)力狀態(tài)，其次也說明地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果在一定程度上受到了斷裂活動(dòng)的影響，同時(shí)證實(shí)龍?bào)?喬后斷裂和麗江-劍川斷裂現(xiàn)今具有左旋走滑的運(yùn)動(dòng)特性。原地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果總體上反映了工程區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的基本特征。

3 斷裂對(duì)工程影響模糊綜合評(píng)價(jià)

斷裂的活動(dòng)是一個(gè)多因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)。盡管龍?bào)?喬后斷裂、麗江-劍川斷裂和鶴慶-洱源斷裂區(qū)域地應(yīng)力累積水平偏低，不利于斷層的黏滑失穩(wěn)，但尚不能忽略其他因素對(duì)斷裂活動(dòng)性的影響。模糊綜合評(píng)價(jià)方法是以模糊計(jì)算為主，定性和定量相結(jié)合，精確和非精確相統(tǒng)一，對(duì)受多因素制約的事物或現(xiàn)象進(jìn)行總體分析評(píng)判的方法。該評(píng)價(jià)體系能夠較好地解決各影響因素分級(jí)本身具有模糊與漸變性的問題，避免單因素評(píng)價(jià)的片面和局限，已被應(yīng)用于隧道圍巖安全性評(píng)價(jià)[25]、巖爆預(yù)測(cè)[26]、洪災(zāi)和泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[27-28]、TBM施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[29]、地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)[30]等方面的研究。

為了更加科學(xué)、合理反映斷裂活動(dòng)對(duì)工程建設(shè)帶來的影響，下面將綜合考慮活動(dòng)斷裂過水段長度L(斷裂長度與其活動(dòng)性具有正相關(guān)關(guān)系，鑒于三條活動(dòng)斷裂長度均大于200 km，這里取其過水段長度作為對(duì)隧洞工程的直接影響因素)、斷裂水平運(yùn)動(dòng)速率vh(與斷裂活動(dòng)性正相關(guān))、斷裂垂直運(yùn)動(dòng)速率vv(與斷裂活動(dòng)性正相關(guān))、歷史最大地震震級(jí)M(斷裂歷史活動(dòng)強(qiáng)度的重要標(biāo)志)、最大剪應(yīng)力和平均值應(yīng)力的比值μm(應(yīng)力累積水平越高，斷裂面產(chǎn)生黏滑破裂的可能性越大)以及最大剪應(yīng)力與斷裂走向的夾角θ(夾角越大，活動(dòng)性越弱)等多種類型指標(biāo)參數(shù)，基于Fuzzy-Grey理論評(píng)估活動(dòng)斷裂對(duì)隧洞工程的影響程度。

首先，參考前人研究成果[31-32]，對(duì)上述活動(dòng)斷裂各指標(biāo)參數(shù)對(duì)工程影響的強(qiáng)弱程度進(jìn)行分級(jí)(表1)。

表1 活動(dòng)斷裂各指標(biāo)參數(shù)分級(jí)Table 1 Classification of each characteristic parameter’s influence on active fault

將以上指標(biāo)參數(shù)進(jìn)一步按照活動(dòng)性屬性劃分為形變屬性指標(biāo)(L、vh、vv)和力學(xué)屬性指標(biāo)(M、μm、θ)。參考滇中引水工程區(qū)域活動(dòng)斷裂地質(zhì)學(xué)初步研究報(bào)告[33]并結(jié)合上節(jié)地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，龍?bào)?喬后斷裂、麗江-劍川斷裂和鶴慶-斷裂各指標(biāo)參數(shù)列于表2。

表2 香爐山隧洞工程區(qū)主要活動(dòng)斷裂指標(biāo)參數(shù)值Table 2 Characteristic parameters of main active faults in Xianglushan tunnel engineering area

對(duì)每種活動(dòng)性屬性類別進(jìn)行單一評(píng)價(jià)后，計(jì)算各屬性對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，采用綜合加權(quán)法即可得到每條活動(dòng)斷裂對(duì)隧洞工程影響的強(qiáng)弱程度?？梢钥吹?，單屬性類別決策矩陣的建立和權(quán)重計(jì)算是兩項(xiàng)關(guān)鍵工作，其具體實(shí)施步驟闡述如下。

3.1 單屬性類別評(píng)價(jià)

(5)

(6)

(7)

其中，

為活動(dòng)斷裂的t指標(biāo)參數(shù)的各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。其中，為便于構(gòu)造指標(biāo)夾角θ的隸屬函數(shù)，取其余角計(jì)算。

求出隸屬度矩陣和權(quán)重系數(shù)矩陣后，按下式即可求得每種屬性類別的效果測(cè)度綜合決策矩陣

(8)

3.2 綜合評(píng)價(jià)

對(duì)于每一條活動(dòng)斷裂各類屬性中的每項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，按下式分別求出其在強(qiáng)、中、弱三種程度中的權(quán)重

(9)

則每一條活動(dòng)斷裂各類屬性指標(biāo)參數(shù)對(duì)每個(gè)等級(jí)影響程度占總評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)的權(quán)重表達(dá)式為

(10)

活動(dòng)斷裂對(duì)工程影響程度綜合評(píng)價(jià)矩陣表示為

(11)

根據(jù)表2給出的研究區(qū)三條活動(dòng)斷裂指標(biāo)參數(shù)分別計(jì)算形變屬性和力學(xué)屬性的效果測(cè)度綜合決策矩陣，由上式獲得最終的綜合評(píng)價(jià)矩陣

(12)

可以看到，無論是斷裂的形變屬性指標(biāo)參數(shù)還是力學(xué)屬性指標(biāo)參數(shù)，都會(huì)對(duì)香爐山隧洞工程產(chǎn)生重要影響。根據(jù)最大隸屬原則，研究區(qū)三條活動(dòng)斷裂對(duì)工程的影響程度從強(qiáng)至弱依次為：麗江-劍川斷裂>鶴慶-洱源斷裂>龍?bào)?喬后斷裂，即麗江-劍川斷裂對(duì)工程區(qū)的影響最大。應(yīng)在密切關(guān)注其活動(dòng)習(xí)性的同時(shí)，開展隧洞結(jié)構(gòu)的抗錯(cuò)斷研究，增加跨活動(dòng)斷裂洞段的整體柔度，且根據(jù)斷層面滑動(dòng)模式以及圍巖地質(zhì)條件制定隧洞襯砌的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)壽命和結(jié)構(gòu)型式。建議加強(qiáng)相關(guān)洞段的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)工作，以確保隧洞的安全施工與后期正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文基于滇中香爐山引水隧洞工程區(qū)的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，揭示了該地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力的賦存狀態(tài)和分布特征，以測(cè)孔所在的龍?bào)?喬后、麗江-劍川以及鶴慶-洱源斷裂為研究對(duì)象，依據(jù)滑動(dòng)摩擦準(zhǔn)則探討了活動(dòng)斷裂的穩(wěn)定性，進(jìn)一步地綜合斷裂的形變屬性和力學(xué)屬性參數(shù)綜合評(píng)價(jià)了斷裂活動(dòng)對(duì)隧洞工程的影響程度，取得如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)龍?bào)?喬后斷裂和麗江-劍川斷裂部位均為走滑應(yīng)力狀態(tài)，鶴慶-洱源斷裂西支為走滑型應(yīng)力狀態(tài)，南段為逆沖型應(yīng)力狀態(tài)，工程區(qū)應(yīng)力狀態(tài)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)。

(2)測(cè)深范圍內(nèi)三條活動(dòng)斷裂除個(gè)別淺部測(cè)段的實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力值接近斷層黏滑失穩(wěn)最大主應(yīng)力臨界值外，大部分測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力值未超過使斷層產(chǎn)生滑動(dòng)的臨界值。麗江-劍川斷裂區(qū)域現(xiàn)今應(yīng)力累積速率相對(duì)較快，總體而言，三條活動(dòng)斷裂部位應(yīng)力累積水平偏低，因應(yīng)力達(dá)到臨界值而產(chǎn)生黏滑失穩(wěn)的可能性較小。

(3)地應(yīng)力測(cè)試得到的最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方位NNE-NE向與用震源機(jī)制解反演得到的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力方位NEE向存在差異，可能是地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果在一定程度上受到了斷層活動(dòng)的影響。

(4)龍?bào)?喬后斷裂對(duì)香爐山隧洞工程的影響較弱，麗江-劍川斷裂的影響程度最強(qiáng)，應(yīng)密切關(guān)注其活動(dòng)習(xí)性，開展隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的抗斷設(shè)計(jì)研究并加強(qiáng)相關(guān)洞段的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)工作，以確保隧洞的安全施工與后期正常運(yùn)行。