王政

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

我國(guó)山區(qū)占國(guó)土面積的近69%，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，隧道在我國(guó)交通建設(shè)中占有很大比例，并且出現(xiàn)了大量的隧道群和長(zhǎng)隧道，一些長(zhǎng)大隧道往往要穿過(guò)多種巖類、多個(gè)構(gòu)造，甚至跨過(guò)幾個(gè)地質(zhì)單元，即使同一巖類，工程地質(zhì)條件也是千差萬(wàn)別。大量的隧道工程建設(shè)實(shí)踐表明，施工前期勘測(cè)所取得的地質(zhì)資料有限，難以完全滿足施工過(guò)程的要求，給后期施工階段帶來(lái)許多預(yù)想不到的困難和危害。

成功的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作可以彌補(bǔ)勘察設(shè)計(jì)資料對(duì)一些不良地質(zhì)探測(cè)不明的缺陷，有效防止隧道開(kāi)挖時(shí)發(fā)生突發(fā)性災(zāi)害，保證施工工期、施工質(zhì)量和評(píng)判圍巖穩(wěn)定與否。本文闡述以地質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，分析工程所在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)從而指導(dǎo)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的預(yù)報(bào)方法理論。

1 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)相關(guān)概念

1.1 地應(yīng)力

隧道在開(kāi)挖以前，巖體中存在的天然應(yīng)力被稱為地應(yīng)力。主要包括上覆巖層的重力引起的自重應(yīng)力，和造成地殼運(yùn)動(dòng)的外力引起的構(gòu)造應(yīng)力（又稱為水平地應(yīng)力）。李四光教授提出構(gòu)造應(yīng)力的來(lái)源主要是地球自轉(zhuǎn)角速度的變化引起的離心慣性力的徑向水平分量（△f1）和緯向慣性力（fS）。離心慣性力的徑向水平分量和緯向慣性力如圖1所示。

圖1 離心慣性力的徑向水平分量和緯向慣性力

計(jì)算公式如下：

式（1）（2）中：m為地面某點(diǎn)質(zhì)量；R為地球半徑；φ為A點(diǎn)的緯度；ω為地球自轉(zhuǎn)角速度。

當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)角速度變化時(shí)，離心慣性力的徑向水平分量（△f1）和緯向慣性力（fS）都能打破地球原有的平衡，改變地殼結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生地殼運(yùn)動(dòng)。

1.2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)就是具有成生聯(lián)系的各種構(gòu)造形跡在不同部位應(yīng)力狀態(tài)的總和。安歐總結(jié)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征時(shí)認(rèn)為：構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在空間上是勢(shì)場(chǎng)，在時(shí)間上是不穩(wěn)定場(chǎng)，在存在上是非獨(dú)立場(chǎng)，在類型上是變形應(yīng)力場(chǎng)。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力狀態(tài)主要受地塊形狀和邊界條件、邊界外力、體力、地形、巖體性質(zhì)、構(gòu)造形跡的展布變化六項(xiàng)因素影響；此外，還有其他一些次要影響因素，比如地磁場(chǎng)、地?zé)釄?chǎng)、重力均衡場(chǎng)等。另外，地殼中發(fā)生的重大地質(zhì)事件，包括火山活動(dòng)、地震活動(dòng)等，所引起的地應(yīng)力的積累、集中、釋放、調(diào)整等過(guò)程，對(duì)一定范圍內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)也都發(fā)生影響。

1.3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主要類型與劃分

構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的類型很多，常見(jiàn)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)劃分有以下幾個(gè)。

1.3.1 按構(gòu)造體系的典型構(gòu)造型式劃分

構(gòu)造體系及其組成的各種構(gòu)造型式，是由具有成生聯(lián)系的不同形態(tài)、不同性質(zhì)、不同等級(jí)和不同序次的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)要素所組成的構(gòu)造帶及它們之間所加地塊組合而成的總體。它由統(tǒng)一、具有一定規(guī)律的應(yīng)力分布所控制。按構(gòu)造體系的典型構(gòu)造型式可將構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)劃分為緯向構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、經(jīng)向構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、扭動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

1.3.2 按構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)展布地域范圍大小劃分

具體分為全球構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

1.3.3 按構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的形成和活動(dòng)時(shí)代劃分

具體分為地質(zhì)歷史時(shí)期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、挽近地質(zhì)時(shí)期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響

構(gòu)造體系及其組成的各種構(gòu)造型式是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的表現(xiàn)形式，因此，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巖體穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響可以通過(guò)對(duì)構(gòu)造體系的研究得到判斷巖體穩(wěn)定性的依據(jù)，其主要意義表現(xiàn)為：①構(gòu)造體系及其復(fù)合決定了巖體結(jié)構(gòu)組合形式、結(jié)構(gòu)體的幾何形態(tài)和方向，它們是影響巖體穩(wěn)定性的內(nèi)在因素。②不同規(guī)模構(gòu)造體系本身或構(gòu)造體系的復(fù)合所形成的結(jié)構(gòu)體規(guī)模大小，在巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中也起重要的作用。③某些類型構(gòu)造體系本身或構(gòu)造體系的復(fù)合就在邊坡、地基、地下工程圍巖中構(gòu)成不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，形成非穩(wěn)定巖體。④由于不同類型的構(gòu)造體系是各種不同方式構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的反映和外在表現(xiàn)，因此，根據(jù)構(gòu)造體系可定性地推斷其形成時(shí)的構(gòu)造應(yīng)力分布狀態(tài)。特別是根據(jù)活動(dòng)構(gòu)造體系的構(gòu)造型式，不僅可以推斷其現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，還可以推斷為各類結(jié)構(gòu)面所圍限的巖塊（結(jié)構(gòu)體）內(nèi)的現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)，粗略地預(yù)測(cè)其穩(wěn)定性及其程度。這對(duì)確定地下工程的方位，評(píng)價(jià)地下工程拱頂和兩幫巖體穩(wěn)定程度非常有利。

以廈門海底隧道為例，存在的主要構(gòu)造體系為新華夏系和華夏式構(gòu)造體系，主要經(jīng)歷兩期構(gòu)造活動(dòng)，并且后者成生晚于前者。圖2為新華夏系和華夏式兩構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的簡(jiǎn)單疊加示意圖。新華夏系中的290°左右的張性正斷層在后期的華夏式構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，落在了該構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的“張性順扭”區(qū)域中，即圖中的畫斜線部分區(qū)域。根據(jù)不同力學(xué)性質(zhì)斷層的控水作用可知：一般張性斷層構(gòu)造巖由于多呈棱角狀，混雜無(wú)序，膠結(jié)松散或未膠結(jié)，結(jié)構(gòu)疏松，空隙大且空隙率高，透水性好，而更容易形成富水控水走廊。

新華夏系中的2900左右的張性正斷層在后期華夏式構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，經(jīng)過(guò)二次張性力作用，其斷層破碎帶將進(jìn)一步擴(kuò)大，相比之下它的不穩(wěn)定程度比其它壓性或扭性斷裂經(jīng)過(guò)二次張性力作用更為強(qiáng)烈，再加上廈門海底隧道本身就在海底施工，海水是導(dǎo)致施工過(guò)程中可能出現(xiàn)事故的最大誘因，所以從抓事物主要矛盾方面綜合考慮可知290°左右的張性正斷層是該隧道施工面臨的最不穩(wěn)定因素之一，因而也是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中的重中之重。

圖2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)疊加示意圖

3 在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

一方面，可根據(jù)不同時(shí)期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)合和斷層多期活動(dòng)理論確定隧道所在區(qū)域主要不良地質(zhì)走向；另一方面，在地震波物探法中可確定正確的鉆孔布設(shè)方式。反射波的傳播速度、波形、強(qiáng)度和方向等與不良介質(zhì)面的巖石力學(xué)參數(shù)和產(chǎn)狀密切相關(guān)，在介質(zhì)參數(shù)一定的前提下，信號(hào)的接收效果就主要取決于介質(zhì)相關(guān)界面的產(chǎn)狀。所以，震源鉆孔和接收器鉆孔應(yīng)根據(jù)探測(cè)的最主要不良地質(zhì)的產(chǎn)狀來(lái)確定布置的隧道壁，以確保能接收到強(qiáng)度最大、受干擾最小的不良地質(zhì)反射信號(hào)。具體原則為：①選擇距離最主要不良地質(zhì)最近的隧道隧洞壁布設(shè)震源鉆孔。距離最主要不良地質(zhì)越近，直達(dá)波到達(dá)最主要不良地質(zhì)的距離和反射波到達(dá)接收器的距離也就越近，震波信號(hào)傳播過(guò)程中的能量損失較小，接收器接收的信號(hào)好、強(qiáng)度大，采集到的反射波數(shù)據(jù)質(zhì)量也就越好。②選擇最主要不良地質(zhì)與接收器平行或小角度相交的隧道隧洞壁布設(shè)接收器鉆孔。只有選擇接收器能夠與最主要不良地質(zhì)平行或小角度相交的隧道壁布設(shè)接收器鉆孔，才能確保反射波到達(dá)接收器的距離最近，震波信號(hào)傳播過(guò)程中的能量損失較小，接收器能接收到較好的反射信號(hào)。如果采用單壁布置接收器，接收器鉆孔和震源鉆孔是布置在同一隧道壁上的。廈門海底隧道29°左右主要不良地質(zhì)在隧道掘進(jìn)的過(guò)程中始見(jiàn)于隧道掌子面掘進(jìn)方向的左側(cè)，如圖3所示，因此在進(jìn)行TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)時(shí)，震源鉆孔應(yīng)該布置在按掘進(jìn)方向隧道的左壁上。如果采用單壁布置接收器，則接收器鉆孔應(yīng)和震源鉆孔布置在同一隧道壁上的，但為獲得質(zhì)量更高的反射波數(shù)據(jù)信號(hào)，一般采用隧道雙壁均布置接收器的方式。

圖3 廈門海底隧道主要不良地質(zhì)展布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)廈門海底隧道的跟蹤預(yù)報(bào)，總結(jié)全部TSP預(yù)報(bào)與施工實(shí)踐對(duì)比表得出290°左右的張性正斷層不良地質(zhì)在隧道施工掘進(jìn)過(guò)程中普遍存在，確實(shí)為該隧道施工面臨的最不穩(wěn)定因素之一，從而驗(yàn)證了基于地質(zhì)力學(xué)理論的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析對(duì)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的指導(dǎo)意義。