逆斷層黏滑錯(cuò)動對跨斷層隧道影響機(jī)制的模型試驗(yàn)研究

劉學(xué)增， 唐 精， 桑運(yùn)龍， 師 剛， 李學(xué)鋒

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木信息技術(shù)教育部工程研究中心， 上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上海 200092; 3. 上海徐匯濱江開發(fā)投資建設(shè)有限公司, 上海 200030)

0 引言

活動斷層對工程的影響主要表現(xiàn)為錯(cuò)動破壞(抗錯(cuò)斷問題)和地震破壞(抗震問題)[1]。1995年日本神戶地震、1999年臺灣集集大地震[2-3]和土耳其"8·17"大地震[4]、2001年印度大地震、2008年汶川大地震[5]及2010年玉樹地震都屬于活斷層黏滑錯(cuò)動引起的構(gòu)造地震。大量震例和研究表明，斷層黏滑錯(cuò)動引起的地層永久性變形會對建筑物以及生命線工程造成嚴(yán)重破壞，甚至?xí)Υ┰狡渲械乃淼涝斐蓺缧缘暮蠊?。隨著我國公路、鐵路的發(fā)展，隧道工程建設(shè)過程中不可避免地會遇到活動斷層的問題。因此，深入開展斷層錯(cuò)動位移對山嶺隧道結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制研究十分必要。

李天斌[6]基于汶川大地震震害表現(xiàn)形式、特征及影響因素，對多座山嶺隧道各個(gè)部位的破壞逐一分析。熊煒等[7]采用有限元方法模擬正斷層環(huán)境下公路隧道襯砌的受力變形，針對主要因素分別進(jìn)行組合計(jì)算，并由此歸納出襯砌的破壞模式。劉學(xué)增等[8-11]通過砂箱模型試驗(yàn)，研究了不同斷層傾角下斷層黏滑錯(cuò)動對隧道結(jié)構(gòu)受力變形和破壞形式的影響，研究表明： 剪切帶的寬度隨著斷層傾角的增大而減小，而斷層傾角是影響隧道縱向穩(wěn)定性的主要因素，傾角越小，縱向穩(wěn)定性越差。孫禮超等[12]基于斷層形成機(jī)制與連續(xù)介質(zhì)分析方法，建立了表征圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形關(guān)系的地層結(jié)構(gòu)模型，據(jù)此研究不同構(gòu)造條件下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形及塑性區(qū)分布規(guī)律。王道遠(yuǎn)等[13]以某交通隧道逆斷層黏滑錯(cuò)動段為原型，采取強(qiáng)制位移法開展1∶30抗錯(cuò)斷模型試驗(yàn)，通過對逆斷層黏滑錯(cuò)動下隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變、受力的對比分析，揭示了逆斷層黏滑錯(cuò)動條件下隧道抗錯(cuò)斷力學(xué)機(jī)制。Jeon等[14]通過模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬對比，研究了斷層對隧道穩(wěn)定性的影響。Lin等[15]、Jeng等[16]通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了逆斷層地震錯(cuò)動對平行于斷層的隧道結(jié)構(gòu)及上覆土層的力學(xué)變形行為。Kawakami[17]利用建議的地震斷層參數(shù)，計(jì)算了跨斷層隧道軸線上縱向、橫向和垂直方向的位移，并將計(jì)算結(jié)果和調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了比較。

目前，關(guān)于逆斷層黏滑錯(cuò)動對隧道影響的研究，包括裂縫開裂的過程、裂縫的分布規(guī)律等大多是利用案例調(diào)查分析、數(shù)值計(jì)算的方法，對隧道破壞機(jī)制的認(rèn)識并不完全清晰，有必要采用物理模型試驗(yàn)方法，結(jié)合典型案例分析進(jìn)一步研究逆斷層黏滑錯(cuò)動對跨斷層隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力、變形的影響及破壞機(jī)制。本文通過模擬平均埋深104 m、逆斷層傾角為75°的跨斷層深埋山嶺隧道，分析在此條件下隧道和地層變形的過程及破壞特征，得到剪切帶的實(shí)際發(fā)展過程和土壓力的變化規(guī)律，確認(rèn)隧道設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的危險(xiǎn)區(qū)域，以期指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

擬建棋盤石隧道位于四川省綿竹市清平鄉(xiāng)棋盤村后緣山體，設(shè)計(jì)起點(diǎn)洞底標(biāo)高為964.4 m，設(shè)計(jì)終點(diǎn)樁洞底標(biāo)高為991.9 m，建筑限界凈空為9.0 m×5.0 m(寬×高)，隧道縱坡為2.98%(單向坡)。隧道全長923 m，最大埋深為211 m，圍巖以Ⅴ、Ⅵ級為主。隧道穿越區(qū)域分布有F22、F22-1斷層，其中F22斷層從隧道進(jìn)口處穿過，F(xiàn)22-1斷層從隧道中部穿過。F22-1、F22斷層屬龍門山中央斷裂帶次級斷層。F22-1斷層為逆沖斷層，延伸方向?yàn)楸睎|-南西，傾向?yàn)?15°，傾角為55°～65°，斷層破碎帶寬度為20～40 m；F22斷層為逆沖斷層，延伸方向?yàn)楸睎|-南西，斷層傾角為42°～85°，破碎帶寬度為20 m左右。

以棋盤石隧道為原型，設(shè)計(jì)物理模型試驗(yàn)，通過模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，研究逆斷層黏滑錯(cuò)動對山嶺隧道的影響機(jī)制，以期為研究逆斷層錯(cuò)動對山嶺隧道結(jié)構(gòu)的影響奠定基礎(chǔ)。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用同濟(jì)大學(xué)自行研究設(shè)計(jì)的斷層模擬試驗(yàn)裝置[18]，由升降系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)組成，如圖1所示。該裝置可以人為控制沉降平臺的滑動位移，模擬黏滑錯(cuò)動的變形速率。

圖1 試驗(yàn)裝置

考慮到隧道結(jié)構(gòu)與模型箱的邊界影響，選取模型箱的尺寸為2.0 m×0.8 m×1.1 m(長×寬×高)。為模擬逆斷層黏滑錯(cuò)動引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形機(jī)制，隧道模型一端跨入固定平臺，另一端跨入沉降平臺，人為控制沉降平臺的整體下降，以觀察隧道結(jié)構(gòu)的受力變形直至破壞情況。試驗(yàn)裝置原理如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置原理圖(單位： cm)

1.3 相似材料設(shè)計(jì)

相似材料試驗(yàn)?zāi)M對象以棋盤石隧道F22-1活動斷裂帶為原型，取斷層破碎帶寬度為20 m； 斷層傾角通過在上盤底部與加載系統(tǒng)之間設(shè)置活動軸承以及輔助系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，角度在30°～90°可自由調(diào)節(jié)； 根據(jù)模擬對象地勘資料，斷層破碎帶圍巖為Ⅵ級圍巖，而斷層破碎帶前后圍巖為Ⅴ級圍巖。為較好地反映逆斷層黏滑錯(cuò)動對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，圍巖材料采用特定配比的相似材料，相似材料選取黃砂、重晶石粉和凡士林；斷層破碎帶材料選用黃砂模擬。

試驗(yàn)?zāi)M斷層破碎帶及其前后30 m的圍巖，即模擬總長度為100 m，隧道平均埋深為104 m。實(shí)際斷層傾角為78°，為方便擬合取75°。斷層破碎帶簡化模擬如圖3所示。

圖3 斷層破碎帶簡化模擬圖(單位： m)

Fig. 3 Sketch of simplified simulation of fault fracture zone (unit: m)

取模型試驗(yàn)幾何相似比CL=50，容重相似比Cγ=1。考慮到相似比及模型澆筑可行性，確定隧道模型襯砌外尺寸為： 模型厚度為1.5 cm，寬度為25 cm，高度為20 cm。隧道模型如圖4所示。

(a) 正視圖

(b) 側(cè)視圖

根據(jù)相似理論原理，可推導(dǎo)得到各相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)的相似常數(shù)如表1所示。

表1 各物理量的相似常數(shù)

本試驗(yàn)選取重度、彈形模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角為主要的研究參數(shù)，調(diào)整不同的材料配比關(guān)系，使模型材料與原型材料滿足相似比要求。通過大量的配比試驗(yàn)可知，當(dāng)黃砂∶重晶石粉∶凡士林=0.8∶1∶0.1(質(zhì)量比)時(shí)，配得的圍巖材料參數(shù)基本滿足相似比要求。斷層破碎帶材料選用黃砂模擬。針對模擬棋盤石隧道埋深104 m的隧道工況，由于試驗(yàn)裝置和模型材料的限制，無法找到一種模型材料可以實(shí)現(xiàn)此埋深工況。試驗(yàn)中采用負(fù)重的方法，用配重鐵砂覆在圍巖材料上部，使得隧道埋深達(dá)到要求。試驗(yàn)中，為了使試驗(yàn)裝置上盤左端始終保持垂直狀態(tài)，在模型箱上加了一個(gè)可以施加預(yù)緊力的法蘭，使得上盤左端始終保持垂直的狀態(tài)，從而控制錯(cuò)動引起上盤的傾斜和側(cè)向土壓力的減小。

試驗(yàn)主要研究頂部和側(cè)向土壓力，隧道底部覆土厚度為20 cm，相當(dāng)于1倍洞徑，不考慮由此造成的尺寸效應(yīng)。圍巖和斷層模型材料參數(shù)見表2。

表2 圍巖和斷層模型材料參數(shù)

隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土擬用石膏模擬。選用模型石膏與水進(jìn)行大量不同的配比試驗(yàn)，總結(jié)可知，當(dāng)模型石膏∶水∶緩凝劑=1∶1∶0.003(質(zhì)量比)時(shí)，材料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量最為接近理論值。襯砌材料參數(shù)見表3。

表3 襯砌材料參數(shù)

襯砌配筋采用φ25 mm HRB335鋼筋。襯砌內(nèi)配置單層鋼絲網(wǎng)，隧道原型和石膏模型截面尺寸已確認(rèn)，在原型配筋已知的情況下，按照等強(qiáng)度原則確定配筋面積，最終石膏襯砌模型中鋼筋配筋率為0.335%，滿足JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中縱向受力鋼筋的截面最小配筋率為0.20%的要求。

隧道變形縫的設(shè)置根據(jù)隧道施工常用的臺車長度，選取為12 m。隧道節(jié)段之間通過端部上下左右4根預(yù)留鋼絲連接模擬變形縫的柔性連接，并用模型石膏對變形縫進(jìn)行封堵，如圖5所示。

1.4 量測內(nèi)容

在隧道襯砌表面的環(huán)向和縱向布設(shè)應(yīng)變片，測試隧道襯砌的受力變形情況；在襯砌結(jié)構(gòu)表面埋設(shè)微型土壓力盒，監(jiān)測土體與隧道之間接觸壓力的變化情況；通過采用百分表在地表設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，監(jiān)測地表位移變化。監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)測元件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，應(yīng)變片元件數(shù)據(jù)采用TST3826型靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行采集，微型電阻式土壓力盒數(shù)據(jù)通過I555型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。量測系統(tǒng)具體布設(shè)情況如圖6所示。

(a) 隧道節(jié)段三視圖

(b) 隧道節(jié)段連接圖

(c) 隧道模型實(shí)物圖

1.5 試驗(yàn)步驟

逆斷層黏滑錯(cuò)動對隧道的影響模型試驗(yàn)按照以下步驟實(shí)施。

1)用石膏材料和模具澆注隧道模型，待隧道模型完全凝結(jié)后，拆除內(nèi)模和外模，養(yǎng)護(hù)并粘貼應(yīng)變片。

2)將試驗(yàn)升降平臺預(yù)先調(diào)整至75°位置，往試驗(yàn)箱里面充填模型材料和黃砂。填充過程中，每填充10 cm厚的黃砂，夯實(shí)、整平表面，并均勻鋪設(shè)一層薄白灰，便于觀察記錄地層變形情況。

(a) 應(yīng)變片布設(shè)圖

(b) 土壓力盒布設(shè)圖

(c) 地表沉降測點(diǎn)布設(shè)圖

3)在模型材料填充高度達(dá)到20 cm時(shí)，布設(shè)隧道底部土壓力盒。

4)把隧道模型放入試驗(yàn)箱內(nèi)橫向中間位置，繼續(xù)填充模型材料并布設(shè)隧道拱腰和拱頂土壓力盒。

5)分別將連接在應(yīng)變片與土壓力盒上的傳輸線接到靜態(tài)應(yīng)變采集儀和I555型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上。在此過程中應(yīng)避免隧道模型的破壞和應(yīng)變片、土壓力盒的損壞。

6)繼續(xù)填充模型材料，當(dāng)填充高度達(dá)到100 cm時(shí)結(jié)束，并測試土壓力盒和應(yīng)變片的初始讀數(shù)。

7)開始試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，采用分離式液壓千斤頂進(jìn)行加載，以上盤的垂直位移為控制對象，1 mm為1級，每加載1級記錄1次測量數(shù)據(jù)，加載速率控制在1 mm/min。加載過程中，電腦每20 s自動采集應(yīng)變片和土壓力盒的數(shù)據(jù)。當(dāng)試驗(yàn)裝置上盤豎直位移加載到100 mm時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

8)試驗(yàn)結(jié)束后，開挖并對隧道模型最終狀態(tài)進(jìn)行素描，觀察和量測隧道模型的裂縫和破壞情況。

2 逆斷層黏滑錯(cuò)動模型試驗(yàn)研究

2.1 地層變形規(guī)律

逆斷層黏滑錯(cuò)動引發(fā)地層的永久變形破壞是導(dǎo)致跨斷層隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。試驗(yàn)過程中通過試驗(yàn)照片來分析斷層在土體中的傳播，以及土層的變形破壞過程和規(guī)律，為研究隧道襯砌結(jié)構(gòu)的破壞過程和規(guī)律提供依據(jù)。

當(dāng)逆斷層發(fā)生錯(cuò)動位移時(shí)，由于試驗(yàn)裝置上盤地層的抬升擠壓作用，隧道向上抬升進(jìn)而引起上盤土層的抬升運(yùn)動。斷層形態(tài)發(fā)展如圖7所示。

(a) 斷層錯(cuò)動4 mm形態(tài)圖

(b) 斷層錯(cuò)動28 mm形態(tài)圖

(c) 斷層錯(cuò)動52 mm形態(tài)圖

(d) 斷層錯(cuò)動76 mm形態(tài)圖

隧道模型試驗(yàn)土體變形和逆斷層的傳播過程為：當(dāng)試驗(yàn)裝置上盤錯(cuò)動位移為4 mm時(shí)，在土體中產(chǎn)生破壞起始角約為90°的1#斷層線，斷層線的傳播起始于模型箱底部的上下盤交界處，傳播高度約為10 cm。然后，1#斷層線隨著錯(cuò)動位移的增加而逐漸發(fā)展，當(dāng)錯(cuò)動位移達(dá)到28 mm時(shí)，傳播高度為50 cm，即將進(jìn)入鐵砂層；同時(shí),在1#斷層線的右側(cè)，產(chǎn)生了傳播至隧道底部的2#斷層線，當(dāng)錯(cuò)動位移達(dá)到52 mm時(shí)，1#、2#斷層線均已進(jìn)入鐵砂層，在2條斷層線之間出現(xiàn)逆沖作用形成三角形的剪切帶，下盤土層因上盤的擠壓，出現(xiàn)距斷層破碎帶194 mm范圍內(nèi)土體隆起現(xiàn)象。隨著錯(cuò)動位移的進(jìn)一步增加，下盤土層隆起范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，當(dāng)錯(cuò)動位移達(dá)到76 mm時(shí)，隆起范圍擴(kuò)大至412 mm，上盤范圍土體整體抬升。

斷層最終形態(tài)如圖8所示。由圖可知： 逆斷層錯(cuò)動時(shí)，剪切帶并不是嚴(yán)格地沿著斷層線方向直線發(fā)展，而是沿著斷層線略微凸向試驗(yàn)裝置上盤的弧線方向。分析原因可知，由于斷層破碎帶的存在，使得斷層的整體性減弱，破碎帶相當(dāng)于上盤與下盤之間的一個(gè)緩沖帶，上盤在自重作用和斷層錯(cuò)動力作用下形成上述剪切破碎帶。

圖8 斷層最終形態(tài)圖(單位： cm)

2.2 隧道與圍巖接觸壓力變化規(guī)律

隧道頂部土壓力變化規(guī)律如圖9所示。本節(jié)討論土壓力的變化率(不同錯(cuò)動位移下土壓力與初始值的比值)。

由圖9可知，隨著隧道錯(cuò)動位移的不斷增大，試驗(yàn)裝置上盤和下盤所有測點(diǎn)的頂部和底部土壓力均有變大趨勢。上盤部位，特別是斷層破碎帶范圍內(nèi)的測點(diǎn)土壓力變化較之其他部位明顯較大。在斷層破碎帶內(nèi)，上盤左側(cè)0.5D(D為隧道洞徑，D=20 cm)土壓力的變化達(dá)到峰值，說明斷層錯(cuò)動對上盤區(qū)域影響明顯大于下盤，特別是上盤位于斷層破碎帶內(nèi)的部位，設(shè)防時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。斷層破碎帶右側(cè)測點(diǎn)土壓力的增加量隨著隧道縱向距離的增加而逐漸減小，下盤右側(cè)隧道縱向2D位置以外，增加量基本可忽略。結(jié)合上下盤土壓力變化規(guī)律可知，斷層錯(cuò)動影響范圍主要在斷層破碎帶外側(cè)2個(gè)節(jié)段范圍內(nèi)，隧道設(shè)防可以進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。頂部3號測點(diǎn)和底部5號測點(diǎn)變化微弱，推斷因?yàn)橥翆幼冃螌?dǎo)致測點(diǎn)處的土壓力盒傾斜而失去測量準(zhǔn)確度。

(a) 隧道頂部土壓力變化規(guī)律

(b) 隧道底部土壓力變化規(guī)律

隧道左右拱腰土壓力變化規(guī)律如圖10所示。由圖可知，隧道左右拱腰土壓力隨著斷層錯(cuò)動位移的增加而不斷增大。由于模型試驗(yàn)的對稱性，左右拱腰土壓力變化規(guī)律相似。上盤隧道左側(cè)土壓力縱向2D位置、右側(cè)土壓力縱向1D位置測點(diǎn)變化較之其他部位達(dá)到最大，最終上盤隧道左拱腰縱向2D位置測點(diǎn)土壓力達(dá)到133 kPa，上盤隧道右拱腰縱向1D位置測點(diǎn)土壓力達(dá)到130 kPa，變化率都為13。斷層破碎帶范圍以外，上盤測點(diǎn)土壓力變化比下盤測點(diǎn)要大。

綜上所述，隧道各部位土壓力變化規(guī)律總體一致，均隨著錯(cuò)動位移的增大而不斷增加，并且上盤區(qū)域，尤其斷層破碎帶中的區(qū)段，承受的土壓力比其他區(qū)域大；下盤右側(cè)隧道縱向2D位置以外，斷層錯(cuò)動帶來的土壓力增加量基本可忽略； 斷層錯(cuò)動對土壓力的影響區(qū)域主要集中在斷層破碎帶及附近2D區(qū)域，尤其是上盤部分，是錯(cuò)動設(shè)防的重點(diǎn)關(guān)注對象。

(a) 隧道左側(cè)土壓力變化規(guī)律

(b) 隧道右側(cè)土壓力變化規(guī)律

Fig. 10 Variation rules of soil pressure at left and right sides of tunnel

2.3 隧道模型應(yīng)變變化規(guī)律

當(dāng)模型上盤底部施加不同的豎向位移時(shí)，圍巖將在千斤頂抬升作用下發(fā)生沿縱向不均勻的抬升位移，從而引起隧道襯砌的彎曲變形。圖11示出隧道頂部、底部的縱向應(yīng)變在逆斷層黏滑錯(cuò)動位移影響下的變化關(guān)系曲線，其中正值為拉應(yīng)變，負(fù)值為壓應(yīng)變。

由圖11(a)可知，隨著錯(cuò)動位移的增加，絕大部分測點(diǎn)的頂部縱向應(yīng)變都呈增加趨勢。隧道軸向46 cm(2.3D)范圍內(nèi)處于受拉狀態(tài)，軸向53 cm以外(2.65D)范圍處于受壓狀態(tài)，軸向46～53 cm內(nèi)出現(xiàn)反彎點(diǎn)，上盤斷層破碎帶區(qū)域內(nèi)應(yīng)變的變化較大。最大拉應(yīng)變?yōu)? 308 με，發(fā)生在距隧道左端2.3D處；最大壓應(yīng)變?yōu)?586 με，發(fā)生在距隧道左端2.65D處，均位于斷層破碎帶內(nèi)。

由圖11(b)可知，隨著錯(cuò)動位移的增加，絕大部分測點(diǎn)的底部縱向應(yīng)變也呈增加趨勢。隧道襯砌結(jié)構(gòu)的底部縱向應(yīng)變拉壓范圍與頂部縱向應(yīng)變一致，在2.3D～2.65D內(nèi)出現(xiàn)反彎點(diǎn)。最大壓應(yīng)變?yōu)?1 922 με，出現(xiàn)在上盤隧道底部，距隧道左端2.3D；最大拉應(yīng)變?yōu)?72 με，發(fā)生在下盤隧道底部，距隧道左端2.65D，二者均位于斷層破碎帶內(nèi)。

(a) 隧道頂部縱向應(yīng)變變化規(guī)律

(b) 隧道底部縱向應(yīng)變變化規(guī)律

Fig. 11 Variation rules of longitudinal strain at top and bottom of tunnel

由應(yīng)變變化規(guī)律可知，試驗(yàn)裝置上盤區(qū)域，尤其是斷層破碎帶中的區(qū)段，是隧道中縱向應(yīng)變變化最大的區(qū)域，拉應(yīng)變和壓應(yīng)變都在此區(qū)域內(nèi)達(dá)到最大值；距斷層線較遠(yuǎn)的區(qū)域應(yīng)變基本無變化。由此可見，斷層錯(cuò)動對縱向應(yīng)變的影響區(qū)域也主要集中在斷層破碎帶及附近2D區(qū)域，尤其是上盤部分，此區(qū)域是錯(cuò)動設(shè)防的重點(diǎn)關(guān)注對象。

2.4 隧道變形過程和破壞特征

隧道襯砌內(nèi)部裂縫發(fā)展過程，采用工業(yè)內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀測。 斷層錯(cuò)動位移較小時(shí)，隧道襯砌內(nèi)部無明顯裂縫出現(xiàn)； 當(dāng)斷層錯(cuò)動位移為34 mm時(shí)，隧道內(nèi)部拱底及拱腳出現(xiàn)裂縫，裂縫位置在斷層線附近，隧道內(nèi)部裂縫發(fā)展情況如圖12所示。隧道底部在縱向位置49 cm處出現(xiàn)環(huán)向裂縫，推斷為隧道節(jié)段之間的擠壓產(chǎn)生的裂縫，隧道右側(cè)拱腳處出現(xiàn)斜裂縫，為隧道底部裂縫向上發(fā)展所產(chǎn)生； 隧道拱頂和左側(cè)無明顯裂縫出現(xiàn)。

(a) 隧道底部裂縫

(b) 隧道右拱腳裂縫

Fig. 12 Tunnel crack under 34 mm of faulting displacement (unit: cm)

斷層錯(cuò)動位移48 mm時(shí)隧道內(nèi)部情況如圖13所示。隨著斷層錯(cuò)動位移的增加，當(dāng)錯(cuò)動達(dá)到40 mm時(shí)，隧道頂部開始出現(xiàn)漏砂現(xiàn)象，此時(shí)隧道裂縫沒有較大的發(fā)展； 當(dāng)錯(cuò)動達(dá)到44 mm時(shí)，隧道右側(cè)裂縫破壞產(chǎn)生孔洞，也開始漏砂，并且出現(xiàn)鐵砂； 當(dāng)錯(cuò)動達(dá)到48 mm時(shí)，隧道頂部和底部漏砂嚴(yán)重，幾乎掩蓋了隧道截面一半的空間，使得無法正常觀測到裂縫情況。

圖13 斷層錯(cuò)動位移48 mm時(shí)隧道內(nèi)部情況

隧道最終破壞形態(tài)如圖14所示。由圖可知，隧道最終破壞為逆斷層下的剪切破壞，局部伴隨張拉破壞。剪切破壞主要集中在斷層破碎帶范圍內(nèi)的2個(gè)隧道節(jié)段，剪切帶中心大致位于斷層跡線左側(cè)0.5D處，寬度為0.5D，影響范圍長度為51 cm。斷層線左邊隧道節(jié)段破壞較為嚴(yán)重，襯砌大面積剝離，使得鋼絲網(wǎng)外露，節(jié)段表面還產(chǎn)生縱向和斜向的裂縫，長度超過12 cm; 斷層線右側(cè)隧道節(jié)段破壞較輕，軸向產(chǎn)生縱向裂縫，推斷為隧道擠壓導(dǎo)致。

(a) 最終破壞現(xiàn)場圖示

(b) 最終破壞形態(tài)示意圖

3 結(jié)論與討論

1)當(dāng)錯(cuò)動位移為4 mm時(shí)，在土體中產(chǎn)生1#斷層線； 當(dāng)錯(cuò)動位移達(dá)到28 mm時(shí)，產(chǎn)生傳播至隧道底部的2#斷層線；當(dāng)錯(cuò)動位移達(dá)到52 mm時(shí)，在2條斷層線之間出現(xiàn)逆沖作用形成三角形的剪切帶，剪切帶并不是嚴(yán)格地沿著斷層線方向直線發(fā)展，而是沿著斷層線略微凸向試驗(yàn)裝置上盤的弧線方向。

2)隧道最終在斷層破碎帶內(nèi)的2個(gè)隧道節(jié)段之間產(chǎn)生剪切錯(cuò)動破壞，剪切帶中心大致位于斷層跡線左側(cè)0.5D處，寬度為0.5D。剪切帶范圍內(nèi)，隧道受到逆斷層傳播產(chǎn)生的剪切作用，破壞程度較之隧道其他位置嚴(yán)重，破壞主要為變形縫兩側(cè)隧道襯砌脫落和縱向裂縫，上盤節(jié)段隧道破壞比下盤嚴(yán)重。

3)土壓力和縱向應(yīng)變變化規(guī)律相似，均隨錯(cuò)動位移的增加而不斷增加，但上盤區(qū)域，尤其斷層破碎帶中的區(qū)段，土壓力和應(yīng)變變化都比其他區(qū)域大。斷層錯(cuò)動對隧道影響區(qū)域主要集中在斷層破碎帶及附近2D區(qū)域，尤其是試驗(yàn)裝置上盤部分，在跨斷層隧道的設(shè)計(jì)階段需引起足夠重視，應(yīng)該針對該部位隧道襯砌進(jìn)行處理。此區(qū)域之外，隧道土壓力和應(yīng)變變化較小。

活動斷層錯(cuò)動作用下山嶺隧道受力變形機(jī)制較為復(fù)雜，試驗(yàn)中相關(guān)曲線左端均未達(dá)到收斂狀態(tài)，但從土壓力和應(yīng)變的變化規(guī)律中可以看出隧道左端具有明顯收斂趨勢，可在后續(xù)試驗(yàn)中對左端進(jìn)行優(yōu)化。盡管本文采用模型試驗(yàn)就逆斷層對隧道結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制進(jìn)行了探索性研究，但仍處于起步階段，未涉及斷層傾角、形式等參數(shù)，還存在許多問題需要進(jìn)一步研究。尤其是理論研究方面，需要從定量的角度研究逆斷層錯(cuò)動對隧道結(jié)構(gòu)的影響，為試驗(yàn)研究提供理論支撐。