逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)跨斷層山嶺隧道結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理結(jié)題摘要

斷層錯(cuò)動(dòng)是造成跨斷層隧道結(jié)構(gòu)變形過大甚至破壞的主要因素，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于斷層錯(cuò)動(dòng)開展了不少研究，但多針對(duì)管線破壞機(jī)理，關(guān)于跨斷層隧道破壞機(jī)理的研究較少。本項(xiàng)目針對(duì)逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)問題，通過案例調(diào)研、物理模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算及理論分析等手段，研究錯(cuò)動(dòng)位移下圍巖變形、跨斷層隧道變形破壞特征，分析逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下隧道破壞時(shí)的錯(cuò)動(dòng)位移量以及破壞過程、形態(tài)、區(qū)域，揭示斷層傾角等關(guān)鍵因素對(duì)隧道結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)及破壞范圍的影響規(guī)律，提出逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理；對(duì)比分析不同鉸接襯砌節(jié)段長度、剪切縫寬度等對(duì)結(jié)構(gòu)變形、破壞的影響，提出隧道結(jié)構(gòu)的抗錯(cuò)斷合理設(shè)計(jì)參數(shù)。主要結(jié)論如下： 1）逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)時(shí)圍巖斷裂面為一向下盤發(fā)展的曲面，斷裂起始角與斷層傾角相同，隨錯(cuò)動(dòng)量增加逐漸產(chǎn)生分叉，形成三角剪切帶；斷層水平傳播距離、次斷層發(fā)展高度以及三角剪切帶最大寬度與斷層傾角呈正比關(guān)系，斷層傳播到地表所需的錯(cuò)動(dòng)位移與斷層傾角無關(guān)，不同埋深條件下斷層傳播引起圍巖變形差異不大； 2）隨錯(cuò)動(dòng)量增加上盤圍巖壓力發(fā)生明顯增幅，上盤距斷層線0.8倍斷面高度處圍壓最大、下盤距斷層0.8倍斷面高以外的區(qū)域圍壓趨于穩(wěn)定；埋深越大，上、下盤及斷層帶圍壓差異越明顯，埋深104m隧道拱頂最大土壓力是埋深30m隧道的3.25倍； 3）隧道結(jié)構(gòu)可視為一彈性地基梁，承受彎曲、剪切與擠壓組合作用，頂、底部外側(cè)受壓，拱腰外側(cè)受拉，上盤存在一個(gè)反彎點(diǎn)，受影響區(qū)域?yàn)閿鄬觾蓚?cè)共4.8倍斷面高度范圍；斷層傾角是影響隧道縱向穩(wěn)定性的主要因素，傾角越小，穩(wěn)定性越差； 4）結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為直接剪斷型破壞、張拉-擠壓型破壞、張拉-擠壓-剪切破壞三類，斷層傾角由75°變?yōu)?5°時(shí)，結(jié)構(gòu)由直接剪斷型破壞過渡為張拉-擠壓型破壞，破壞區(qū)域分別集中在斷層兩側(cè)1.1倍、1.4倍、1.8倍斷面寬度范圍內(nèi)； 5）依托工程合理抗錯(cuò)斷設(shè)計(jì)參數(shù)：仰拱半徑15m、C25二襯、厚55cm、變形縫間距10m、變形縫寬度0.5m。 6）研究成果已初步應(yīng)用于棋盤石隧道工程。 2100433B

逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)是地震造成跨斷層隧道結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的主要因素，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下管線的破壞機(jī)理、設(shè)計(jì)措施的研究較多，但是一般隧道斷面尺寸相對(duì)管線要大得多，所表現(xiàn)出來的破壞模式也不同，關(guān)于逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下跨斷層隧道破壞機(jī)理的研究較少。課題擬結(jié)合典型地震逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)（如汶川地震、臺(tái)灣集集地震）所引起的山嶺隧道破壞模式，通過1：50物理模型試驗(yàn)和數(shù)值方法研究錯(cuò)動(dòng)位移下地層變形、隧道與圍巖接觸壓力、襯砌表面的環(huán)向、縱向應(yīng)變以及裂縫的發(fā)生、發(fā)展過程，分析逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)變形下上覆山嶺隧道發(fā)生破壞時(shí)的錯(cuò)動(dòng)位移量以及襯砌結(jié)構(gòu)的破壞過程、方式以及區(qū)域，建立逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下上覆隧道的破壞機(jī)制與準(zhǔn)則，提出抗錯(cuò)斷的隧道結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，課題還擬對(duì)斷層傾角、圍巖性質(zhì)、隧道埋深、襯砌剛度、隧道軸線與斷層夾角對(duì)隧道結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、形態(tài)以及破壞范圍進(jìn)行敏感性分析。

能產(chǎn)生大震和具有以下至少一點(diǎn)特征的活斷層是能動(dòng)斷層：

在3.5萬年以來至少產(chǎn)生過一次近地表或在地表發(fā)生的運(yùn)動(dòng)。

發(fā)生過地震運(yùn)動(dòng)（3.5級(jí)或者更高），并且有儀器測定的記錄其精確度能夠證明地震運(yùn)動(dòng)與斷層有直接關(guān)系。

對(duì)于能動(dòng)斷層來說，斷層一邊發(fā)生地震運(yùn)動(dòng)，另一邊也會(huì)受到影響。

儀器記錄到歷史上有小震活動(dòng)產(chǎn)生，且跟斷層有關(guān)。

能動(dòng)斷層（capable fault）

可能引起地表或近地表明顯錯(cuò)動(dòng)的斷層。2100433B

環(huán)狀斷層斷層研究的內(nèi)容

斷層活動(dòng)總會(huì)在產(chǎn)出地段的有關(guān)地層、構(gòu)造、巖石或地貌等方面反映出來，形成了所謂的斷層標(biāo)志，這些標(biāo)志是識(shí)別斷層的主要依據(jù)。

環(huán)狀斷層地貌標(biāo)志

斷層崖　由于斷層兩盤的相對(duì)滑動(dòng)，斷層的上升盤常常形成陡崖，這種陡崖稱為斷層崖。盆地與山脈間列的盆嶺地貌是斷層造成一系列陡崖的典型實(shí)例。

斷層三角面　斷層崖受到與崖面垂直方向水流的侵蝕切割，乃形成沿?cái)鄬幼呦蚍植嫉囊幌盗腥切味秆?，即斷層三角面?h3 class="title-text">環(huán)狀斷層地貌標(biāo)志

錯(cuò)斷的山脊　往往是斷層兩盤相對(duì)平移的結(jié)果。

橫切山嶺走向的平原與山嶺的接觸帶 往往是規(guī)模較大的斷裂。

串珠狀湖泊洼地 往往是大斷層存在的標(biāo)志。這些湖泊洼地主要是由斷層引起的斷陷形成的。

泉水的帶狀分布　往往也是斷層存在的標(biāo)志。

念青唐古拉南麓從黑河到當(dāng)雄一帶散布著一串高溫溫泉，是現(xiàn)代活動(dòng)斷層直接控制的結(jié)果。

水系特點(diǎn)　斷層的存在常常影響水系的發(fā)育，引起河流的急劇轉(zhuǎn)向，甚至錯(cuò)斷河谷。

環(huán)狀斷層構(gòu)造標(biāo)志

如果線狀或面狀地質(zhì)體在平面上或剖面上突然中斷、錯(cuò)開，不再連續(xù)，說明有斷層存在。右下圖示斷層造成的構(gòu)造線不連續(xù)現(xiàn)象。為了確定斷層的存在和測定錯(cuò)開的距離，在野外應(yīng)盡可能查明錯(cuò)斷的對(duì)應(yīng)部分。

構(gòu)造強(qiáng)化是斷層可能存在的重要依據(jù)。構(gòu)造強(qiáng)化現(xiàn)象包括有：巖層產(chǎn)狀的急變和變陡；突然出現(xiàn)狹窄的節(jié)理化、劈理化帶；小褶皺劇增以及擠壓破碎和各種擦痕等現(xiàn)象。　構(gòu)造透鏡體是斷層作用引起構(gòu)造強(qiáng)化的一種現(xiàn)象。斷層帶內(nèi)或斷層面兩側(cè)巖石碎裂成大小不一的透鏡狀角礫塊體，長徑一般為數(shù)十厘米至二、三米。構(gòu)造透鏡體有時(shí)單個(gè)出現(xiàn)，有時(shí)成群產(chǎn)出。構(gòu)造透鏡體一般是擠壓作用產(chǎn)出的兩組共軛剪節(jié)理把巖石切割成菱形塊體后，其楞角又被磨去形成的。包含透鏡體長軸和中軸的平面，或與斷層面平行，或與斷層面成小角度相交。 在斷層帶中或斷層兩側(cè)，有時(shí)見到一系列復(fù)雜緊閉的等斜小褶皺組成的揉褶帶。揉褶帶一般產(chǎn)于較弱薄層中，小褶皺軸面有時(shí)向一方傾斜，有時(shí)陡立，但總的產(chǎn)狀常常與斷層面斜交，所交銳角一般指示對(duì)盤運(yùn)動(dòng)方向。

斷層巖的發(fā)育和較廣泛產(chǎn)出也是斷層存在的良好判據(jù)。

環(huán)狀斷層地層標(biāo)志

地層的重復(fù)和缺失是識(shí)別斷層的主要依據(jù)。

環(huán)狀斷層巖漿活動(dòng)與礦化標(biāo)志

大斷層尤其是切割很深的大斷裂常常是巖漿和熱液運(yùn)移的通道和儲(chǔ)聚場所，因此，如果巖體、礦化帶或硅化等熱液蝕變帶沿一條線或帶斷續(xù)分布，常常指示有大斷層或斷裂帶存在。一些放射狀或環(huán)狀巖墻也指示放射狀斷裂或環(huán)狀斷裂的存在。

環(huán)狀斷層巖相和厚度標(biāo)志

如果一個(gè)地區(qū)的沉積巖相和厚度沿一條線發(fā)生急劇變化，可能是斷層活動(dòng)的結(jié)果。斷層引起巖相和厚度的急變有兩種情況：一種情況是控制沉積盆地和沉積作用的同沉積斷層的活動(dòng)，引起沉積環(huán)境沿著斷層發(fā)生明顯變化，巖相和厚度因而發(fā)生顯著差異；另一種情況是，斷層的遠(yuǎn)距離推移，使相隔甚遠(yuǎn)的巖相帶直接接觸。 查明和確定斷層是研究斷層的基礎(chǔ)和前提。在地質(zhì)調(diào)查中，應(yīng)注意觀察、發(fā)現(xiàn)和收集指示斷層存在的各種標(biāo)志和跡象，同時(shí)結(jié)合其他地質(zhì)條件和背景加以綜合分析。2100433B