隧道穿越斷層破碎帶震害機理的分析

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近些年隨著我國經濟水平的不斷上漲，興建了一大批工程項目。而我國是一個多山的國家，因此在基礎工程的修建過程中可能需要穿越斷層破碎帶。因此針對隧道穿越斷層破碎帶時針對隧道結構的穩定性展開討論分析十分必要，具有一定的現實意義。

實際隧道穿越斷層破碎帶震害的機理分析可分為滑動震害機理分析與非滑動震害機理分析兩個不同組成部分。此次主要針對非滑動震害機理展開討論，針對不同的斷層破碎帶寬度與隧道的埋深可能對斷層隧道的結構震害影響機理，希望可以為相關單位提供參考借鑒。

一、斷層對于工程的影響分析

實際活動斷層是造成地震的主要原因之一，而一旦發生地震災害則極有可能出現山體滑坡、地裂以及塌方等地質災害。而斷層與各項災害會對跨越活斷層與活斷層周邊的工程項目以及工程建筑等造成嚴重損害。我國地震活動斷層的分布相對比較廣泛，隨著地區經濟的發展，人口大量聚集，對于一些城市活斷層而言，一旦發生地震災害極有可能造成非常嚴重的人員傷亡與財產損失。目前已知的斷層對于工程的影響主要集中于以下兩個方面：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的線路與地下管道等均會產生極大的形變以及損壞；斷層所帶來的地震災害往往在斷層周邊強度最高，并會對周邊的過程建筑造成一定的沖擊損壞。

因此斷層對于附近的建筑工程破壞性較大，在工程開工建設前務必預先對該項目進行綜合評估，盡可能規避工程建設中的斷層位置，此外還應當注重斷層對上部覆土層破裂的影響。實際當遇到難以回避的問題時，應當充分考量該影響可能產生的結果并針對性地進行改善。

二、隧道穿越斷層破碎帶震害機理的分析

1.不同的斷層破碎帶寬度影響分析

相關研究表明，對于非滑動斷層在斷層破碎寬度與隧道埋深不相同情況下，過破碎帶區域隧道結構破壞差異有所不同。如下圖所示為不同寬度的斷層

圖1 各個不同工況示意圖

通常在一定強度的地震波作用下，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力包絡線隨著縱向分布規律大致相同，即三種情況下最大主應力峰值和斷層間距不斷變大而慢慢減小，最后趨向一定值，此時即稱為普通段的最大主應力峰值。就量值分析，位于斷層與斷層兩端部分范圍內，隨著斷層寬度的逐漸變大，最大主應力峰值也變得更大。參考資料對三種不同工況受斷層影響應力增大量的分布，10米、20米寬斷層破碎工況應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，拱頂位置應力的增加量也慢慢變大，且實際增加幅度保持一致。單以最大主應力為考量要素，假設以斷層破碎帶邊緣為影響范圍的起始點，應力的變化量某一定值為影響范圍終點，則往往10米寬斷層破碎帶的影響區域要廣于30米寬工況，20米寬斷層破碎帶的影響區域要廣于35米寬工況，30米寬斷層破碎帶的影響區域要廣于40米寬工況。因此拱頂位置10米寬斷層破碎帶工況實際應力情況減少至普通段水準所需要經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。實際各個不同的工況，影響區域增幅則保持在一恒定值。綜上所述，在一定強度地震作用下，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

相關研究表明，對于非滑動斷層在斷層破碎寬度與隧道埋深不相同情況下，過破碎帶區域隧道結構破壞差異有所不同。如下圖所示為不同深度的斷層

圖2 各個不同工況示意圖

通常在一定強度的地震波作用下，埋深達100米、埋深150米與埋深200米三種不同的工況拱頂的最大應力包絡線隨著縱向分布較為一致，即當前最大主應力包絡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力峰值會隨著斷層之間的間距不斷增加而慢慢降低，最后在一穩定值附近徘徊，即所謂的普通段最大主應力峰值。就量值角度分析，在斷層與斷層兩邊部分范圍內，隨著埋深的慢慢加大，最大主應力峰值也慢慢增加。三種不同的工況，其最主應力包絡曲線量值也會存在明顯的不同。其中一些原因是由于埋深的不同使得普通段應力基礎有所不同，應力增加量可以更好地表現深度變化可能對斷層影響范圍產生的影響。對三種不同的工況進行對比分析，埋深為100米工況下應力增加峰值要略微低于埋深150米工況下的應力增加峰值，以此類推，埋深200米的工況應力增加峰值要高于埋深150米工況的應力增大量峰值。按照以上規律可以推導出，實際埋深的深度越大，則相對于的位于拱頂處的應力增加量也更大，但增幅基本保持一致。

就最大主應力的影響區域而言，假設以斷層破碎帶邊緣為影響范圍的起始點，應力的變化量某一定值為影響范圍終點，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。按照以上規律可以推導出，隨著埋深的不斷增加，拱頂影響范圍也會慢慢增大，但增幅變化基本趨于一定值。綜上所述，在一定強度的地震波影響下，隨著隧道實際埋深的逐漸增加，邊墻、二襯拱頂與仰拱等受到斷層的影響最大主應力增加量的峰值也會慢慢增加，就各個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，都會受到斷層的進一步影響，二襯影響范圍往往不會隨著埋深的變動而變動。

三、滑動斷層震害機理探究

目前針對滑動斷層角度考量震害機理主要分為三個不同層面，即首先應當綜合考量實際滑動斷層在地震地進一步影響下可能出現錯動情況，穿過滑動斷層隧道震害包括地震慣性力以及斷層錯動兩個不同層面共同作用。翻閱相關資料對比分析，上述兩種因素實際對隧道影響程度的不同，得出滑動斷層震害的主要誘因。其次通過對不同斷層方向所動對結構震害機理的不同，可以得到當下最不利的錯動方向。除此之外，通過查閱相關資料，不少穿越斷層隧道依據斷層破碎帶寬度的差異與錯動情況，與當下隧道受破壞程度存在一定關聯。因此基于數值分析計算可以很好地得到各個斷層破碎帶結構下的震害特質。

滑動斷層隧道震害影響因素，對比分析斷層錯動和地震慣性力對襯砌最大主應力的關系，可以得到自拱頂至仰拱的各個監測點隨著縱向最大主應力峰值斷層錯動情況全部高于地震慣性力工況。斷層錯動實際可能造成襯砌的影響相較于地震總的影響達一半以上，地震慣性力對襯砌產生的影響則不到一半。斷層錯動和地震慣性力可能對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域，斷層錯動工況下安全系數最小值通常低于地震慣性力情況，而遠離斷層與模型邊界接近其與，斷層錯動情況下的安全系數最小值則往往高于地震慣性力情況。接近斷層處兩個不同安全影響因素安全系數差異可能較大，斷層錯動工況安全系數最低值相較于地震慣性力情況要更小。對比最大主應力和安全系數的綜合結果，斷層錯動可能對襯砌帶來的影響較為重要，而地震慣性力可能對襯砌所帶來的影響則為次要影響。

四、結語

窄破碎帶加上滑動斷層隧道震害結果較為嚴重，可能造成二次襯砌的坍塌，所以這也是當前抗震的重點，不僅僅需要進行結構橫斷面的抗震設防，同時還應當進行縱向抗震設防，除此之外縱向的抗震設防十分必要。寬破碎帶與非滑動斷層隧道震害相對較低，通常不會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，可以依據橫斷面結構抗震的措施進行治理；斷層破碎帶錯動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。