隧道穿越斷層破碎帶震害機(jī)理的分析

字平

近些年隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷上漲，興建了一大批工程項(xiàng)目。而我國是一個(gè)多山的國家，因此在基礎(chǔ)工程的修建過程中可能需要穿越斷層破碎帶。因此針對(duì)隧道穿越斷層破碎帶時(shí)針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性展開討論分析十分必要，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

實(shí)際隧道穿越斷層破碎帶震害的機(jī)理分析可分為滑動(dòng)震害機(jī)理分析與非滑動(dòng)震害機(jī)理分析兩個(gè)不同組成部分。此次主要針對(duì)非滑動(dòng)震害機(jī)理展開討論，針對(duì)不同的斷層破碎帶寬度與隧道的埋深可能對(duì)斷層隧道的結(jié)構(gòu)震害影響機(jī)理，希望可以為相關(guān)單位提供參考借鑒。

一、斷層對(duì)于工程的影響分析

實(shí)際活動(dòng)斷層是造成地震的主要原因之一，而一旦發(fā)生地震災(zāi)害則極有可能出現(xiàn)山體滑坡、地裂以及塌方等地質(zhì)災(zāi)害。而斷層與各項(xiàng)災(zāi)害會(huì)對(duì)跨越活斷層與活斷層周邊的工程項(xiàng)目以及工程建筑等造成嚴(yán)重?fù)p害。我國地震活動(dòng)斷層的分布相對(duì)比較廣泛，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口大量聚集，對(duì)于一些城市活斷層而言，一旦發(fā)生地震災(zāi)害極有可能造成非常嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。目前已知的斷層對(duì)于工程的影響主要集中于以下兩個(gè)方面：斷層的垂直方向或者水平方向的變化使得位于該斷層上的建筑物與跨越斷層鋪設(shè)的線路與地下管道等均會(huì)產(chǎn)生極大的形變以及損壞；斷層所帶來的地震災(zāi)害往往在斷層周邊強(qiáng)度最高，并會(huì)對(duì)周邊的過程建筑造成一定的沖擊損壞。

因此斷層對(duì)于附近的建筑工程破壞性較大，在工程開工建設(shè)前務(wù)必預(yù)先對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行綜合評(píng)估，盡可能規(guī)避工程建設(shè)中的斷層位置，此外還應(yīng)當(dāng)注重?cái)鄬訉?duì)上部覆土層破裂的影響。實(shí)際當(dāng)遇到難以回避的問題時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考量該影響可能產(chǎn)生的結(jié)果并針對(duì)性地進(jìn)行改善。

二、隧道穿越斷層破碎帶震害機(jī)理的分析

1.不同的斷層破碎帶寬度影響分析

相關(guān)研究表明，對(duì)于非滑動(dòng)斷層在斷層破碎寬度與隧道埋深不相同情況下，過破碎帶區(qū)域隧道結(jié)構(gòu)破壞差異有所不同。如下圖所示為不同寬度的斷層

圖1 各個(gè)不同工況示意圖

通常在一定強(qiáng)度的地震波作用下，上圖中10米寬、20米寬以及30米寬的斷層破碎帶工況的頂端最大主應(yīng)力包絡(luò)線隨著縱向分布規(guī)律大致相同，即三種情況下最大主應(yīng)力峰值和斷層間距不斷變大而慢慢減小，最后趨向一定值，此時(shí)即稱為普通段的最大主應(yīng)力峰值。就量值分析，位于斷層與斷層兩端部分范圍內(nèi)，隨著斷層寬度的逐漸變大，最大主應(yīng)力峰值也變得更大。參考資料對(duì)三種不同工況受斷層影響應(yīng)力增大量的分布，10米、20米寬斷層破碎工況應(yīng)力峰值增加幅度基本相同，且20米寬的斷層破碎帶的峰值增量通常略高于10米工況，而30米寬斷層破碎帶工況應(yīng)力增加量則稍高于20米工況。因此不難看出，隨著斷層寬度的慢慢變大，拱頂位置應(yīng)力的增加量也慢慢變大，且實(shí)際增加幅度保持一致。單以最大主應(yīng)力為考量要素，假設(shè)以斷層破碎帶邊緣為影響范圍的起始點(diǎn)，應(yīng)力的變化量某一定值為影響范圍終點(diǎn)，則往往10米寬斷層破碎帶的影響區(qū)域要廣于30米寬工況，20米寬斷層破碎帶的影響區(qū)域要廣于35米寬工況，30米寬斷層破碎帶的影響區(qū)域要廣于40米寬工況。因此拱頂位置10米寬斷層破碎帶工況實(shí)際應(yīng)力情況減少至普通段水準(zhǔn)所需要經(jīng)歷的距離也大大縮短，其次為20米寬斷層工況，而30米工況寬斷層破碎帶工況在三者之中為最長。實(shí)際各個(gè)不同的工況，影響區(qū)域增幅則保持在一恒定值。綜上所述，在一定強(qiáng)度地震作用下，隨著斷層破碎帶寬度的慢慢增加，二襯拱頂、邊墻與仰拱受斷層影響最大壓力增量的峰值也慢慢變大，由于斷層破碎帶的影響，破碎帶兩側(cè)邊墻、拱頂與仰拱隨著縱向影響范圍寬度的不斷增加而慢慢增加。

2.不同的斷層破碎帶深度影響分析

相關(guān)研究表明，對(duì)于非滑動(dòng)斷層在斷層破碎寬度與隧道埋深不相同情況下，過破碎帶區(qū)域隧道結(jié)構(gòu)破壞差異有所不同。如下圖所示為不同深度的斷層

圖2 各個(gè)不同工況示意圖

通常在一定強(qiáng)度的地震波作用下，埋深達(dá)100米、埋深150米與埋深200米三種不同的工況拱頂?shù)淖畲髴?yīng)力包絡(luò)線隨著縱向分布較為一致，即當(dāng)前最大主應(yīng)力包絡(luò)線最大值處于斷層破碎帶的中間位置，斷層破碎段兩邊拱頂位置最大主應(yīng)力峰值會(huì)隨著斷層之間的間距不斷增加而慢慢降低，最后在一穩(wěn)定值附近徘徊，即所謂的普通段最大主應(yīng)力峰值。就量值角度分析，在斷層與斷層兩邊部分范圍內(nèi)，隨著埋深的慢慢加大，最大主應(yīng)力峰值也慢慢增加。三種不同的工況，其最主應(yīng)力包絡(luò)曲線量值也會(huì)存在明顯的不同。其中一些原因是由于埋深的不同使得普通段應(yīng)力基礎(chǔ)有所不同，應(yīng)力增加量可以更好地表現(xiàn)深度變化可能對(duì)斷層影響范圍產(chǎn)生的影響。對(duì)三種不同的工況進(jìn)行對(duì)比分析，埋深為100米工況下應(yīng)力增加峰值要略微低于埋深150米工況下的應(yīng)力增加峰值，以此類推，埋深200米的工況應(yīng)力增加峰值要高于埋深150米工況的應(yīng)力增大量峰值。按照以上規(guī)律可以推導(dǎo)出，實(shí)際埋深的深度越大，則相對(duì)于的位于拱頂處的應(yīng)力增加量也更大，但增幅基本保持一致。

就最大主應(yīng)力的影響區(qū)域而言，假設(shè)以斷層破碎帶邊緣為影響范圍的起始點(diǎn)，應(yīng)力的變化量某一定值為影響范圍終點(diǎn)，則埋深100米工況下的影響范圍要稍低于埋深100米工況下的影響范圍，埋深150米工況下的影響范圍要稍低于埋深200米工況下的影響范圍。按照以上規(guī)律可以推導(dǎo)出，隨著埋深的不斷增加，拱頂影響范圍也會(huì)慢慢增大，但增幅變化基本趨于一定值。綜上所述，在一定強(qiáng)度的地震波影響下，隨著隧道實(shí)際埋深的逐漸增加，邊墻、二襯拱頂與仰拱等受到斷層的影響最大主應(yīng)力增加量的峰值也會(huì)慢慢增加，就各個(gè)不同工況影響范圍最大值分析，此次提出的三種不同的埋深工況影響范圍最大值基本相同，都會(huì)受到斷層的進(jìn)一步影響，二襯影響范圍往往不會(huì)隨著埋深的變動(dòng)而變動(dòng)。

三、滑動(dòng)斷層震害機(jī)理探究

目前針對(duì)滑動(dòng)斷層角度考量震害機(jī)理主要分為三個(gè)不同層面，即首先應(yīng)當(dāng)綜合考量實(shí)際滑動(dòng)斷層在地震地進(jìn)一步影響下可能出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)情況，穿過滑動(dòng)斷層隧道震害包括地震慣性力以及斷層錯(cuò)動(dòng)兩個(gè)不同層面共同作用。翻閱相關(guān)資料對(duì)比分析，上述兩種因素實(shí)際對(duì)隧道影響程度的不同，得出滑動(dòng)斷層震害的主要誘因。其次通過對(duì)不同斷層方向所動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)震害機(jī)理的不同，可以得到當(dāng)下最不利的錯(cuò)動(dòng)方向。除此之外，通過查閱相關(guān)資料，不少穿越斷層隧道依據(jù)斷層破碎帶寬度的差異與錯(cuò)動(dòng)情況，與當(dāng)下隧道受破壞程度存在一定關(guān)聯(lián)。因此基于數(shù)值分析計(jì)算可以很好地得到各個(gè)斷層破碎帶結(jié)構(gòu)下的震害特質(zhì)。

滑動(dòng)斷層隧道震害影響因素，對(duì)比分析斷層錯(cuò)動(dòng)和地震慣性力對(duì)襯砌最大主應(yīng)力的關(guān)系，可以得到自拱頂至仰拱的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著縱向最大主應(yīng)力峰值斷層錯(cuò)動(dòng)情況全部高于地震慣性力工況。斷層錯(cuò)動(dòng)實(shí)際可能造成襯砌的影響相較于地震總的影響達(dá)一半以上，地震慣性力對(duì)襯砌產(chǎn)生的影響則不到一半。斷層錯(cuò)動(dòng)和地震慣性力可能對(duì)襯砌安全影響也有所不同，通常斷層周邊至上下盤兩邊中間區(qū)域，斷層錯(cuò)動(dòng)工況下安全系數(shù)最小值通常低于地震慣性力情況，而遠(yuǎn)離斷層與模型邊界接近其與，斷層錯(cuò)動(dòng)情況下的安全系數(shù)最小值則往往高于地震慣性力情況。接近斷層處兩個(gè)不同安全影響因素安全系數(shù)差異可能較大，斷層錯(cuò)動(dòng)工況安全系數(shù)最低值相較于地震慣性力情況要更小。對(duì)比最大主應(yīng)力和安全系數(shù)的綜合結(jié)果，斷層錯(cuò)動(dòng)可能對(duì)襯砌帶來的影響較為重要，而地震慣性力可能對(duì)襯砌所帶來的影響則為次要影響。

四、結(jié)語

窄破碎帶加上滑動(dòng)斷層隧道震害結(jié)果較為嚴(yán)重，可能造成二次襯砌的坍塌，所以這也是當(dāng)前抗震的重點(diǎn)，不僅僅需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)橫斷面的抗震設(shè)防，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行縱向抗震設(shè)防，除此之外縱向的抗震設(shè)防十分必要。寬破碎帶與非滑動(dòng)斷層隧道震害相對(duì)較低，通常不會(huì)造成二次襯砌的坍塌事故，但如若二次襯砌存在開裂等情況，可以依據(jù)橫斷面結(jié)構(gòu)抗震的措施進(jìn)行治理；斷層破碎帶錯(cuò)動(dòng)從而造成的隧道破壞是目前較為主要的考量因素，斷層破碎帶圍巖較為松軟，斷層破碎帶寬度也是目前造成隧道破壞的主要誘因之一。