北天山构造演化中3阶段地应力变化及对某地下工程岩爆灾害分布的影响

吴彤，滕杰，尚彦军，邵鹏，闫晓石，荆理

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029；3.中国科学院大学，北京 100049；4.新疆地质灾害防治重点实验室(新疆工程学院)，新疆 乌鲁木齐 830023)

岩爆是高地应力作用下较完整坚硬岩石发生的动力突变型地质灾害，为地下工程中洞壁岩块水平弹射和急速崩落[1]。岩爆的发生与地应力大小、岩体完整性和坚硬性等因素密切相关[2]。复杂地质条件下岩爆发生时间和分布位置常表现出很大的不确定性。本文结合北天山某深埋隧道地下工程勘察和施工中遇到的高地应力和岩爆问题（图1），利用地质演化史、地质构造配套分析和现场地应力实测等技术方法，研究地应力宏观特征及深度变化，揭示地质演化和结构控制地应力分布机理，为岩爆防治提供科学依据。

图1 北天山某地下工程高应力区岩爆灾害Fig.1 Rock burst disaster in high stress area of an underground project in North Tianshan Mountain

1 大地构造背景及北天山隆升剥蚀史

北天山是指伊犁盆地和吐鲁番盆地以北的天山，位于Nikolaev-那拉提山北缘断裂以北，主体为哈萨克斯坦-伊犁板块及南、北活动大陆边缘，于前寒武系变质基底之上，普遍发育上、下古生界双结构盖层。下古生界从被动陆缘沉积建造开始发展至活动陆缘中性火山建造，泥盆—石炭系主体呈活动陆缘安山岩建造，二叠系为火山磨拉石和陆相碎屑沉积建造[3]。该区域断裂发育,主体构造呈NW向。大型断裂构造主要为博罗霍洛北坡断裂（工程区编号F7）,呈波状NWW向通过区域中部，为博罗霍洛成矿带与北侧赛里木地块的分界，控制浅成斑岩体和铜钼矿化带的分布[4]。南侧次级NWW向断裂发育，古生界呈断块状构造。博罗科努成矿带与中酸性侵入岩有关的矽卡岩-斑岩-热液脉型Fe，Cu，Mo，Pb，Zn成矿系统，为晚古生代北天山洋向南部伊犁板块之下俯冲消减的活动大陆边缘背景下形成。晚泥盆—早石炭世，准噶尔洋板块向南俯冲至伊犁板块之下，形成完整的晚古生代沟-弧-盆体系，即依连哈比尔尕晚古生代弧前-海沟带、别珍套-科古琴晚古生代岛弧带和吐拉苏晚古生代弧后盆地[5-6]，博罗霍洛成矿带处于俯冲大陆边缘[6-7]。受NNE-NE 向区域应力作用，形成与造山带主体近垂直方向为主的构造-裂隙系统。岩浆活动沿构造裂隙侵入形成矿田内NE向花岗闪长斑岩体，岩浆期后含矿热液沿NE向断裂运移，形成七兴铅锌多金属矿床。与成矿相关的中酸性岩体侵位于晚泥盆—早石炭世，总体具Ⅰ型花岗岩特征，地球化学组成具俯冲带岛弧岩浆作用特点。

博罗霍洛山北坡断裂为赛里木地块与博罗霍洛岛弧带分界线，呈NWW向，为南倾、具右行走滑性质的逆冲推覆断层[8]，其形成时间早，活动时间长，与次级NWW向断裂控制了南北地层展布、岩体分布和多金属矿床的形成[9]。伊犁盆地北缘（喀什河）断裂为博罗霍洛岛弧带与伊犁地块分界线，分布于博罗霍洛山南坡，呈NWW 向，为北倾、以逆冲为主、具右行走滑性质的逆断层，亦控制南北两侧地层展布、岩体分布和多金属矿床的形成[10]。天山北缘断裂为赛里木地块-博罗霍洛岛弧带与准噶尔地块分界线，呈NW向。该断裂深切上地幔，延伸稳定，既有张性，更具压性特点，断面产状主体南倾[10-11]。

矿床形成后构造变动和抬升剥蚀等，对矿体保存和变化具重要影响。位于研究区中段的3571 铜矿区剥蚀程度最低，斑岩体隐伏于地下，深部具良好的Cu，Mo 找矿前景；莱历斯高尔钼矿区剥蚀程度次之，铜矿体主体可能遭剥蚀；位于西段的艾木斯呆依-可克萨拉及东段哈勒尕提-木祖克一带，剥蚀程度最大，矽卡岩及相关铁铜矿体已抬升至地表或近地表，并遭部分程度剥蚀破坏[12]。

张文高研究发现[13]，晚白垩世以来西天山北段有4 400～2 000 m 剥蚀量。70～50 Ma 快速隆升，50～10 Ma 隆升速率较慢，10 Ma 开始快速隆升。据相应地质证据，认为晚白垩世西天山地区开始出现差异性隆升剥露过程。伊犁盆地由早—中白垩世隆升剥蚀转为晚白垩世接受沉积，两侧山脉继续处于快速隆升剥蚀状态。这种隆升-剥露事件的动力学机制受多因素综合控制，印亚碰撞的远程效应可能是该期事件的主要动力来源。天山不同地段热-流变性质的差异性及不同块体间的相互作用是导致差异性隆升-剥蚀的主要因素。

2 新构造运动与地震活动关系

与某工程相关的主要地震构造包括伊犁盆地北缘断裂、科古琴断裂和库松木切克断裂[14]。伊犁盆地与准噶尔盆地西南端间的北天山西段边缘及内部主要发育多条近EW向的晚更新世以来继续活动的断裂。自南向北分别为伊犁盆地北缘断裂、科古琴断裂和库松木切克山北缘断裂。伊犁盆地北缘断裂向东与喀什河断裂相连，1812 年沿喀什河断裂发生一次8 级地震，推断喀什河断裂为逆冲性质。喀什河断裂以西伊犁盆地北缘断裂具右旋走滑运动特征，穿过断裂的河流最大右旋位错达2.8 km。

科古琴断裂位于伊犁盆地北缘断裂以北，为1条NWW向右旋走滑断裂，穿过断层的河流最大右旋错动近500 m。沿断层曾发生1958年12月21日6.5级和1962 年8月20日6.4级地震。库松木切克断裂为伊犁盆地北部山脉的北缘断裂，为向北突出的弧形，沿断裂发育新生代背斜，断裂切割晚更新世山前洪积扇和河流阶地，显示出强烈的晚更新世和全新世活动，沿断裂发现古地震遗迹。

付广裕对岩石圈垂向构造应力计算发现[15]，精河2017年发生的6.6级地震震源附近岩石圈承载的垂向构造应力约为20 MPa，方向向上，地震震中位于上中地壳分界面附近。天山研究区震源机制以逆冲型地震（占48.24%）和走滑型地震（占30.92%）为主。逆冲型地震分布于新疆天山及邻区，显示该区域内印度板块与欧亚板块NS 向的推挤起主导作用。走滑型地震主要集中在东天山中段、西天山西段及乌恰交汇区。震源机制类型分布区域特点表明，新疆天山及邻区构造应力场较复杂[16]。本区以右行走滑逆冲型为主，博罗科洛山南侧还有正断型地震。

李艳永基于新疆测震台网宽频带观测记录[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余震的震源机制解，应用MSATSI软件反演震源处应力场。主震发生于库松木切克山前断裂东段，断裂走向总体呈290°～300°，断裂倾向SSW 向，倾角40°～60°，主要为逆冲性质，兼右旋走滑。

在前人工作基础上，得到博罗霍洛北坡断裂(西部为库松木切克山前断裂、库松木切克断裂、科古琴断裂，中部区有一定合并，呈最大规模的F7断裂）和两侧短轴褶皱影响，震源机制解为右行逆冲断裂。从北到南，由北倾博阿右行逆冲断裂、南倾博洛霍洛右行逆冲断裂、北倾喀什右行逆冲断裂。本区汇聚部位出现一定程度的向南突出的旋扭弧形，弧形剪切作用发育。弧形部位3个向斜呈左列式雁行状分布，显示其共同切线即F7断层具左行压扭作用。西侧从北向南见有复背斜北侧2 条断层(东鲁斯泰断裂、科古尔琴山南坡大断裂)，南侧2 条断层(博罗霍洛断裂、埃利蒙德断裂)。这些断裂向东在工程区中部过山脊部位附近消失，整体为1条主干断裂（博罗科努北坡逆断层F7）。沿博罗科努山北坡呈弧形展布长约100 km，是南部博罗科努复背斜和北部汗吉尕复向斜的分界断裂。总体走向NWW-EW向，倾向南，倾角70～80°，破碎带宽50～100 m，局部达500 m左右。中间呈弧形弯曲，水平断距约2 km。两侧见多条次级断裂，并见牵引、拖曳褶皱。沿断层带岩浆活动强烈，断裂活动时代为中更新世。

3 构造运动期次对地应力方向影响

从区域地质、矿产地质、地震地质等文献发现，博罗霍洛断裂控制着呈EW 向展布的矽卡岩型、热液型的Fe-Cu-Mo 金属矿田分布。地质历史上曾发生左行走滑逆冲，控制了与博阿断裂楔形交叉点的较集中的花岗岩侵入，上盘（北侧）形成雁列式短轴向斜；加里东期花岗岩被博罗霍洛断裂左行错断2.2 km，华力西中期花岗岩在左行逆冲博罗霍洛断裂与右行逆冲博阿断裂交汇引张区呈大范围侵入；燕山运动末期开始的新构造运动具右行逆冲，控制河流和沟谷急拐弯形态，影响呼斯特短轴向斜的形成。与南部博洛霍洛南坡右行逆冲断层的共同作用下，两条断层间的块体隆升遭剥蚀，大量Fe-Cu-Mo金属矿和花岗岩在浅表显露。

结合不同地层地表出露点节理测量，得到O3—C1的6 套地层2～3 组的极射赤平投影圆弧(图2)。从构造形迹展布特点分析，存在EW向和NWW-NW向两个不同时期的构造带。前者以博罗科努复背斜、恰奇沟EW 向古近—新近系压陷盆地、喀什河断裂F2、博罗科努北坡断裂F7为典型代表；后者以博罗科努断裂F1、汗吉尕复向斜、基普克古近—新近系压陷盆地为典型代表。反映本区3阶段地应力先后作用形成的构造形迹。EW 向构造成生较早，NWW-NW向构造成生较晚，与现代构造活动密切相关。新构造运动近NS 向的挤压作用发育大量NS 深切沟谷，控制和塑造了现今地形格局。从老到新3个构造带的叠加和改造，使断裂等结构面具不同时期多种力学性质，呈弧形交叉和短轴褶皱雁列分布。参照里德尔剪切组合型式与应力组合关系[18]，得到早期左行、中期右行、晚期NS向挤压的主应力分布特征（图3）。因此，某工程区发育3 组不同时期的构造形迹:①NW 向压扁劈理和片理面，具透入性，连续变形特点，为印支期构造；②NNW 向，为密集近直立劈理面，推测为新生代早期构造形迹；③脆性断裂：NWW向和NEE向走滑兼具逆冲组合；NW向和NE向共轭走滑组合；NNW向和NNE向张扭构造组合。可见新构造运动作用下最大水平主应力为近NS向，最大主应力近于垂直，显示正断型张扭性结构特征。

图2 不同时期地层岩体节理产状赤平投影图Fig.2 Stereographic projection of joint occurrence of stratum rock mass in different periods

图3 构造运动史上3个不同阶段最大主应力方向及结构面配套图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 实测地应力大小

前期工程地质勘察阶段4个钻孔中完成43段现场水压致裂地应力测试，钻孔JDZK8 孔采集的6 组样品声发射Kaiser试验。洞内开展14处地应力测试工作，其中9 处以水压致裂法为主，仅支洞3#和4#避车洞中2处开展了套芯应力解除法测试。截至2022年6月某工程沿线共有18个不同位置的地应力测试结果。测试方法以水压致裂法为主，套芯应力解除法和声发射Kaiser效应法为辅。对已完成18处地应力测试位置的地质条件、地应力方向、地应力大小、地应力三分量关系做综合对比分析，最大、最小水平主应力和近垂向主应力随深度变化见图4。

图4 某工程区不同深度地应力大小变化图Fig.4 Variation diagram of in-situ stress at different depth in a project area

18处地应力测点既有沿地表开孔钻孔不同深度段、主洞和支洞内采用水平和垂直钻孔内分段测试，也有采岩石样品加工成柱状在室内采用声发射Kaiser 效应的地应力测试。地层岩性涉及下古生界凝灰岩、细砂岩、粉砂岩、花岗岩。一般岩石抗压强度在60 MPa以上,属硬岩，因此，按岩石弹性力学计算得主应力。深度600～1 200 m内地应力数值具剧烈起伏变化，对应该深度花岗岩中产生较大范围的强岩爆（图1）。600 m以浅地应力值波动较大，代表近地表或受地形起伏影响的剥蚀卸荷作用影响深度。深度1 000 m 以上3 个主应力随深度都在增加，1 000 m以深地应力量值随深度增加趋缓乃至相反。

浅表垂向应力较大，很快变为最小主应力。受剥蚀卸荷及两次右行和左行方向走滑逆冲作用等地质构造运动影响，1 300 m 以深垂向应力为最大主应力。从浅部、中部、深部3个主应力分量大致存在3种不同关系式：①浅表（0～600 m）。SH＞Sh＞Sv3 个主应力组合以逆断型为主(后期卸荷松弛次生正断型）；②中部(600～1 200 m)。SH＞Sv＞Sh3个主应力组合以走滑型为主；③深部(＞1 200 m)。SV＞SH＞Sh3 个主应力组合以正断型为主。

5 最大主应力方向变化

由18 处地应力测试点得到的最大水平主应力方向在NE40°至NW30°（图5）。工程地质勘察阶段钻孔中不同深度测试的最大主应力方向多呈NW 向，施工中洞内实测水平最大主应力方向为NE 向。志留系最大水平主应力呈NE向，石炭系及华力西花岗岩中最大主应力为NW 向。说明地质构造分析早期左行走滑逆冲、晚期右行走滑逆冲的压扭性地质作用客观存在。

图5 某工程区不同深度最大水平主应力方向变化图Fig.5 Direction change diagram of maximum horizontal principal stress at different depths in a project area

6 岩爆发生特征

某工程北坡花岗岩中发生岩爆，2021年下半年桩号32+800埋深约800 m发生强岩爆、桩号32+765～774 段发生岩爆，呈鳞片状、弧形片状，多发生于右壁。位于二长花岗岩中，发育陡立断层F29，产状NE68°，NW∠71°。地应力测试结果显示，中间主应力(近EW 向最小水平主应力轴)呈张应力状态，控制着地下水在SN方向上较活跃的赋存和径流。

2022 年5 月25 日5：12，桩号31+721.8～31+718附近4 点钟到7 点钟方向发生中等岩爆，爆坑深度50 cm，导致拱架下沉，顶护盾油管爆裂。26日1：45，桩号31+684.3 附近11 点到1 点钟方向发生中等岩爆，导致顶护盾油管爆裂。29日9：51隧洞掌子面施工至31+670.6，TBM 掘进过程中在31+721.0～31+670.6 段发生滞后性强岩爆，导致TBM 部分配件受损。按设计文件支护完成的31+721.0～31+694.0（Ⅲ类[19]，轻微岩爆为主，局部中等岩爆）与31+694.0～31+676.1（Ⅲ类，中等岩爆）段钢拱架发生变形、钢筋网与钢筋排翘曲，大量石渣在拱底堆积，隧道发生大范围侵限。6月2日20：05桩号31+655.3～31+640.3段发生强岩爆，造成顶护盾油缸等配件损坏，顶护盾、侧护盾位移低限，刀盘、护盾卡死，主梁下方大量石渣堆积。6 月15 日、19 日、20 日，掌子面及护盾上方发生多次岩爆，导致护盾被卡，TBM 无法掘进，卡护盾处理花费较长时间。

2022年5月埋深500～1 000 m花岗岩中岩爆方向多为11 点和4 点钟方向（向南掘进的洞室断面左上方和右下角）。结合石油钻孔中常用钻孔崩落法确定椭圆长轴方向为最小主应力方向[20]，推断该处最小主应力方向为NW向。结合右壁节理密集带渗水推测最大主应力方向为NNE 向。二者呈斜倾，显示新构造运动应力场作用的影响（图3第3阶段）。

工程地质勘察阶段测得二长花岗岩和花岗闪长岩饱和单轴抗压强度分别为72 MPa和114 MPa，饱和抗拉强度分别为3.75 MPa 和9.5 MPa，脆性度分别为19和12，二长花岗岩脆性度明显大于花岗闪长岩。地应力条件下强度应力比前者小于后者，2022年5月以来多次岩爆发生位置均位于二长花岗岩中。岩爆发生桩号段基本位于断层SF29 和SF17 间，靠近SF17节理数量及节理面上红色铁氧化膜增多，局部NW向节理密集带发育渗水，显示地应力大小起伏变化、距离断层带数十米地应力局部增大、节理端部常出现应力集中（图1）。结构面的存在引起开挖后应力的调整和局部集中，滞后型岩爆多与此相关。

7 结论

(1) 区域地质构造为以博罗霍洛复背斜为主体的多个背斜和向斜交替，其间产生近EW向多条断层，断层具一定弧度弯曲和分叉。地质构造运动史表明，受加里东和华力西运动影响及后期燕山运动控制，总体构造为大陆裂谷（南部）和沟-弧-盆体系（北部），华力西运动使本区造山隆起。从早期加里东左行走滑逆冲运动和晚期燕山右行走滑逆冲运动，至晚更新世NS 向挤压导致的断块运动及隆升剥蚀作用，构成本区地质运动演化史，3阶段地应力发育。

(2) 地层岩性以O和C灰岩、S和D火山碎屑岩及动力热液变质岩为主。F7断层南侧形成多处小型矽卡岩型、动力热液型多金属矿。说明本区多期次不同方向压扭构造作用和局部张应力作用交替发展，控制成矿和地震作用。

(3) 本区地应力场受地质构造和深度影响，NNW-NNE 向(NE40°到NW30°)发生变化。3 个主应力大小关系随深度发生变化，有浅部水平应力为主的逆断型地震机制、中深层最大水平主应力为主的走滑型地震机制及深部垂直应力为主的现正断型机制。

(4) 地应力大小起伏变化、节理端部或构造弧形部位常形成应力集中。结构面引起开挖后应力调整及局部集中，具近NS 向现代应力作用，滞后型岩爆多与此相关。