逆断层黏滑错动对跨断层隧道影响机制的模型试验研究

刘学增， 唐 精， 桑运龙， 师 刚， 李学锋

(1. 同济大学 土木信息技术教育部工程研究中心， 上海 200092；2. 同济大学地下建筑与工程系， 上海 200092; 3. 上海徐汇滨江开发投资建设有限公司, 上海 200030)

0 引言

活动断层对工程的影响主要表现为错动破坏(抗错断问题)和地震破坏(抗震问题)[1]。1995年日本神户地震、1999年台湾集集大地震[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年玉树地震都属于活断层黏滑错动引起的构造地震。大量震例和研究表明，断层黏滑错动引起的地层永久性变形会对建筑物以及生命线工程造成严重破坏，甚至会对穿越其中的隧道造成毁灭性的后果。随着我国公路、铁路的发展，隧道工程建设过程中不可避免地会遇到活动断层的问题。因此，深入开展断层错动位移对山岭隧道结构的影响机制研究十分必要。

李天斌[6]基于汶川大地震震害表现形式、特征及影响因素，对多座山岭隧道各个部位的破坏逐一分析。熊炜等[7]采用有限元方法模拟正断层环境下公路隧道衬砌的受力变形，针对主要因素分别进行组合计算，并由此归纳出衬砌的破坏模式。刘学增等[8-11]通过砂箱模型试验，研究了不同断层倾角下断层黏滑错动对隧道结构受力变形和破坏形式的影响，研究表明： 剪切带的宽度随着断层倾角的增大而减小，而断层倾角是影响隧道纵向稳定性的主要因素，倾角越小，纵向稳定性越差。孙礼超等[12]基于断层形成机制与连续介质分析方法，建立了表征围岩与支护结构共同变形关系的地层结构模型，据此研究不同构造条件下隧道衬砌结构的内力、变形及塑性区分布规律。王道远等[13]以某交通隧道逆断层黏滑错动段为原型，采取强制位移法开展1∶30抗错断模型试验，通过对逆断层黏滑错动下隧道衬砌结构应变、受力的对比分析，揭示了逆断层黏滑错动条件下隧道抗错断力学机制。Jeon等[14]通过模型试验与数值模拟对比，研究了断层对隧道稳定性的影响。Lin等[15]、Jeng等[16]通过模型试验和数值模拟，研究了逆断层地震错动对平行于断层的隧道结构及上覆土层的力学变形行为。Kawakami[17]利用建议的地震断层参数，计算了跨断层隧道轴线上纵向、横向和垂直方向的位移，并将计算结果和调查结果进行了比较。

目前，关于逆断层黏滑错动对隧道影响的研究，包括裂缝开裂的过程、裂缝的分布规律等大多是利用案例调查分析、数值计算的方法，对隧道破坏机制的认识并不完全清晰，有必要采用物理模型试验方法，结合典型案例分析进一步研究逆断层黏滑错动对跨断层隧道衬砌结构受力、变形的影响及破坏机制。本文通过模拟平均埋深104 m、逆断层倾角为75°的跨断层深埋山岭隧道，分析在此条件下隧道和地层变形的过程及破坏特征，得到剪切带的实际发展过程和土压力的变化规律，确认隧道设计中应当重点关注的危险区域，以期指导工程实践。

1 试验方案设计

1.1 工程概况

拟建棋盘石隧道位于四川省绵竹市清平乡棋盘村后缘山体，设计起点洞底标高为964.4 m，设计终点桩洞底标高为991.9 m，建筑限界净空为9.0 m×5.0 m(宽×高)，隧道纵坡为2.98%(单向坡)。隧道全长923 m，最大埋深为211 m，围岩以Ⅴ、Ⅵ级为主。隧道穿越区域分布有F22、F22-1断层，其中F22断层从隧道进口处穿过，F22-1断层从隧道中部穿过。F22-1、F22断层属龙门山中央断裂带次级断层。F22-1断层为逆冲断层，延伸方向为北东-南西，倾向为115°，倾角为55°～65°，断层破碎带宽度为20～40 m；F22断层为逆冲断层，延伸方向为北东-南西，断层倾角为42°～85°，破碎带宽度为20 m左右。

以棋盘石隧道为原型，设计物理模型试验，通过模型试验的数据结果，研究逆断层黏滑错动对山岭隧道的影响机制，以期为研究逆断层错动对山岭隧道结构的影响奠定基础。

1.2 试验装置

试验采用同济大学自行研究设计的断层模拟试验装置[18]，由升降系统、支撑系统和监测系统组成，如图1所示。该装置可以人为控制沉降平台的滑动位移，模拟黏滑错动的变形速率。

图1 试验装置

考虑到隧道结构与模型箱的边界影响，选取模型箱的尺寸为2.0 m×0.8 m×1.1 m(长×宽×高)。为模拟逆断层黏滑错动引起隧道衬砌结构受力变形机制，隧道模型一端跨入固定平台，另一端跨入沉降平台，人为控制沉降平台的整体下降，以观察隧道结构的受力变形直至破坏情况。试验装置原理如图2所示。

图2 试验装置原理图(单位： cm)

1.3 相似材料设计

相似材料试验模拟对象以棋盘石隧道F22-1活动断裂带为原型，取断层破碎带宽度为20 m； 断层倾角通过在上盘底部与加载系统之间设置活动轴承以及辅助系统来实现，角度在30°～90°可自由调节； 根据模拟对象地勘资料，断层破碎带围岩为Ⅵ级围岩，而断层破碎带前后围岩为Ⅴ级围岩。为较好地反映逆断层黏滑错动对隧道衬砌结构的影响规律，围岩材料采用特定配比的相似材料，相似材料选取黄砂、重晶石粉和凡士林；断层破碎带材料选用黄砂模拟。

试验模拟断层破碎带及其前后30 m的围岩，即模拟总长度为100 m，隧道平均埋深为104 m。实际断层倾角为78°，为方便拟合取75°。断层破碎带简化模拟如图3所示。

图3 断层破碎带简化模拟图(单位： m)

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

取模型试验几何相似比CL=50，容重相似比Cγ=1。考虑到相似比及模型浇筑可行性，确定隧道模型衬砌外尺寸为： 模型厚度为1.5 cm，宽度为25 cm，高度为20 cm。隧道模型如图4所示。

(a) 正视图

(b) 侧视图

根据相似理论原理，可推导得到各相关物理力学参数的相似常数如表1所示。

表1 各物理量的相似常数

本试验选取重度、弹形模量、黏聚力、内摩擦角为主要的研究参数，调整不同的材料配比关系，使模型材料与原型材料满足相似比要求。通过大量的配比试验可知，当黄砂∶重晶石粉∶凡士林=0.8∶1∶0.1(质量比)时，配得的围岩材料参数基本满足相似比要求。断层破碎带材料选用黄砂模拟。针对模拟棋盘石隧道埋深104 m的隧道工况，由于试验装置和模型材料的限制，无法找到一种模型材料可以实现此埋深工况。试验中采用负重的方法，用配重铁砂覆在围岩材料上部，使得隧道埋深达到要求。试验中，为了使试验装置上盘左端始终保持垂直状态，在模型箱上加了一个可以施加预紧力的法兰，使得上盘左端始终保持垂直的状态，从而控制错动引起上盘的倾斜和侧向土压力的减小。

试验主要研究顶部和侧向土压力，隧道底部覆土厚度为20 cm，相当于1倍洞径，不考虑由此造成的尺寸效应。围岩和断层模型材料参数见表2。

表2 围岩和断层模型材料参数

隧道衬砌结构混凝土拟用石膏模拟。选用模型石膏与水进行大量不同的配比试验，总结可知，当模型石膏∶水∶缓凝剂=1∶1∶0.003(质量比)时，材料的抗压强度和弹性模量最为接近理论值。衬砌材料参数见表3。

表3 衬砌材料参数

衬砌配筋采用φ25 mm HRB335钢筋。衬砌内配置单层钢丝网，隧道原型和石膏模型截面尺寸已确认，在原型配筋已知的情况下，按照等强度原则确定配筋面积，最终石膏衬砌模型中钢筋配筋率为0.335%，满足JTG D70-2004《公路隧道设计规范》规定的钢筋混凝土结构构件中纵向受力钢筋的截面最小配筋率为0.20%的要求。

隧道变形缝的设置根据隧道施工常用的台车长度，选取为12 m。隧道节段之间通过端部上下左右4根预留钢丝连接模拟变形缝的柔性连接，并用模型石膏对变形缝进行封堵，如图5所示。

1.4 量测内容

在隧道衬砌表面的环向和纵向布设应变片，测试隧道衬砌的受力变形情况；在衬砌结构表面埋设微型土压力盒，监测土体与隧道之间接触压力的变化情况；通过采用百分表在地表设置沉降观测点，监测地表位移变化。监测系统包括监测元件和数据采集系统，应变片元件数据采用TST3826型静态应变测试系统进行采集，微型电阻式土压力盒数据通过I555型数据采集系统采集。量测系统具体布设情况如图6所示。

(a) 隧道节段三视图

(b) 隧道节段连接图

(c) 隧道模型实物图

1.5 试验步骤

逆断层黏滑错动对隧道的影响模型试验按照以下步骤实施。

1)用石膏材料和模具浇注隧道模型，待隧道模型完全凝结后，拆除内模和外模，养护并粘贴应变片。

2)将试验升降平台预先调整至75°位置，往试验箱里面充填模型材料和黄砂。填充过程中，每填充10 cm厚的黄砂，夯实、整平表面，并均匀铺设一层薄白灰，便于观察记录地层变形情况。

(a) 应变片布设图

(b) 土压力盒布设图

(c) 地表沉降测点布设图

3)在模型材料填充高度达到20 cm时，布设隧道底部土压力盒。

4)把隧道模型放入试验箱内横向中间位置，继续填充模型材料并布设隧道拱腰和拱顶土压力盒。

5)分别将连接在应变片与土压力盒上的传输线接到静态应变采集仪和I555型数据采集系统上。在此过程中应避免隧道模型的破坏和应变片、土压力盒的损坏。

6)继续填充模型材料，当填充高度达到100 cm时结束，并测试土压力盒和应变片的初始读数。

7)开始试验并记录数据，采用分离式液压千斤顶进行加载，以上盘的垂直位移为控制对象，1 mm为1级，每加载1级记录1次测量数据，加载速率控制在1 mm/min。加载过程中，电脑每20 s自动采集应变片和土压力盒的数据。当试验装置上盘竖直位移加载到100 mm时，试验结束。

8)试验结束后，开挖并对隧道模型最终状态进行素描，观察和量测隧道模型的裂缝和破坏情况。

2 逆断层黏滑错动模型试验研究

2.1 地层变形规律

逆断层黏滑错动引发地层的永久变形破坏是导致跨断层隧道衬砌结构破坏的主要原因。试验过程中通过试验照片来分析断层在土体中的传播，以及土层的变形破坏过程和规律，为研究隧道衬砌结构的破坏过程和规律提供依据。

当逆断层发生错动位移时，由于试验装置上盘地层的抬升挤压作用，隧道向上抬升进而引起上盘土层的抬升运动。断层形态发展如图7所示。

(a) 断层错动4 mm形态图

(b) 断层错动28 mm形态图

(c) 断层错动52 mm形态图

(d) 断层错动76 mm形态图

隧道模型试验土体变形和逆断层的传播过程为：当试验装置上盘错动位移为4 mm时，在土体中产生破坏起始角约为90°的1#断层线，断层线的传播起始于模型箱底部的上下盘交界处，传播高度约为10 cm。然后，1#断层线随着错动位移的增加而逐渐发展，当错动位移达到28 mm时，传播高度为50 cm，即将进入铁砂层；同时,在1#断层线的右侧，产生了传播至隧道底部的2#断层线，当错动位移达到52 mm时，1#、2#断层线均已进入铁砂层，在2条断层线之间出现逆冲作用形成三角形的剪切带，下盘土层因上盘的挤压，出现距断层破碎带194 mm范围内土体隆起现象。随着错动位移的进一步增加，下盘土层隆起范围进一步扩大，当错动位移达到76 mm时，隆起范围扩大至412 mm，上盘范围土体整体抬升。

断层最终形态如图8所示。由图可知： 逆断层错动时，剪切带并不是严格地沿着断层线方向直线发展，而是沿着断层线略微凸向试验装置上盘的弧线方向。分析原因可知，由于断层破碎带的存在，使得断层的整体性减弱，破碎带相当于上盘与下盘之间的一个缓冲带，上盘在自重作用和断层错动力作用下形成上述剪切破碎带。

图8 断层最终形态图(单位： cm)

2.2 隧道与围岩接触压力变化规律

隧道顶部土压力变化规律如图9所示。本节讨论土压力的变化率(不同错动位移下土压力与初始值的比值)。

由图9可知，随着隧道错动位移的不断增大，试验装置上盘和下盘所有测点的顶部和底部土压力均有变大趋势。上盘部位，特别是断层破碎带范围内的测点土压力变化较之其他部位明显较大。在断层破碎带内，上盘左侧0.5D(D为隧道洞径，D=20 cm)土压力的变化达到峰值，说明断层错动对上盘区域影响明显大于下盘，特别是上盘位于断层破碎带内的部位，设防时应重点关注。断层破碎带右侧测点土压力的增加量随着隧道纵向距离的增加而逐渐减小，下盘右侧隧道纵向2D位置以外，增加量基本可忽略。结合上下盘土压力变化规律可知，断层错动影响范围主要在断层破碎带外侧2个节段范围内，隧道设防可以进行重点关注。顶部3号测点和底部5号测点变化微弱，推断因为土层变形导致测点处的土压力盒倾斜而失去测量准确度。

(a) 隧道顶部土压力变化规律

(b) 隧道底部土压力变化规律

隧道左右拱腰土压力变化规律如图10所示。由图可知，隧道左右拱腰土压力随着断层错动位移的增加而不断增大。由于模型试验的对称性，左右拱腰土压力变化规律相似。上盘隧道左侧土压力纵向2D位置、右侧土压力纵向1D位置测点变化较之其他部位达到最大，最终上盘隧道左拱腰纵向2D位置测点土压力达到133 kPa，上盘隧道右拱腰纵向1D位置测点土压力达到130 kPa，变化率都为13。断层破碎带范围以外，上盘测点土压力变化比下盘测点要大。

综上所述，隧道各部位土压力变化规律总体一致，均随着错动位移的增大而不断增加，并且上盘区域，尤其断层破碎带中的区段，承受的土压力比其他区域大；下盘右侧隧道纵向2D位置以外，断层错动带来的土压力增加量基本可忽略； 断层错动对土压力的影响区域主要集中在断层破碎带及附近2D区域，尤其是上盘部分，是错动设防的重点关注对象。

(a) 隧道左侧土压力变化规律

(b) 隧道右侧土压力变化规律

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

2.3 隧道模型应变变化规律

当模型上盘底部施加不同的竖向位移时，围岩将在千斤顶抬升作用下发生沿纵向不均匀的抬升位移，从而引起隧道衬砌的弯曲变形。图11示出隧道顶部、底部的纵向应变在逆断层黏滑错动位移影响下的变化关系曲线，其中正值为拉应变，负值为压应变。

由图11(a)可知，随着错动位移的增加，绝大部分测点的顶部纵向应变都呈增加趋势。隧道轴向46 cm(2.3D)范围内处于受拉状态，轴向53 cm以外(2.65D)范围处于受压状态，轴向46～53 cm内出现反弯点，上盘断层破碎带区域内应变的变化较大。最大拉应变为2 308 με，发生在距隧道左端2.3D处；最大压应变为-586 με，发生在距隧道左端2.65D处，均位于断层破碎带内。

由图11(b)可知，随着错动位移的增加，绝大部分测点的底部纵向应变也呈增加趋势。隧道衬砌结构的底部纵向应变拉压范围与顶部纵向应变一致，在2.3D～2.65D内出现反弯点。最大压应变为-1 922 με，出现在上盘隧道底部，距隧道左端2.3D；最大拉应变为572 με，发生在下盘隧道底部，距隧道左端2.65D，二者均位于断层破碎带内。

(a) 隧道顶部纵向应变变化规律

(b) 隧道底部纵向应变变化规律

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

由应变变化规律可知，试验装置上盘区域，尤其是断层破碎带中的区段，是隧道中纵向应变变化最大的区域，拉应变和压应变都在此区域内达到最大值；距断层线较远的区域应变基本无变化。由此可见，断层错动对纵向应变的影响区域也主要集中在断层破碎带及附近2D区域，尤其是上盘部分，此区域是错动设防的重点关注对象。

2.4 隧道变形过程和破坏特征

隧道衬砌内部裂缝发展过程，采用工业内窥镜进行观测。 断层错动位移较小时，隧道衬砌内部无明显裂缝出现； 当断层错动位移为34 mm时，隧道内部拱底及拱脚出现裂缝，裂缝位置在断层线附近，隧道内部裂缝发展情况如图12所示。隧道底部在纵向位置49 cm处出现环向裂缝，推断为隧道节段之间的挤压产生的裂缝，隧道右侧拱脚处出现斜裂缝，为隧道底部裂缝向上发展所产生； 隧道拱顶和左侧无明显裂缝出现。

(a) 隧道底部裂缝

(b) 隧道右拱脚裂缝

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

断层错动位移48 mm时隧道内部情况如图13所示。随着断层错动位移的增加，当错动达到40 mm时，隧道顶部开始出现漏砂现象，此时隧道裂缝没有较大的发展； 当错动达到44 mm时，隧道右侧裂缝破坏产生孔洞，也开始漏砂，并且出现铁砂； 当错动达到48 mm时，隧道顶部和底部漏砂严重，几乎掩盖了隧道截面一半的空间，使得无法正常观测到裂缝情况。

图13 断层错动位移48 mm时隧道内部情况

隧道最终破坏形态如图14所示。由图可知，隧道最终破坏为逆断层下的剪切破坏，局部伴随张拉破坏。剪切破坏主要集中在断层破碎带范围内的2个隧道节段，剪切带中心大致位于断层迹线左侧0.5D处，宽度为0.5D，影响范围长度为51 cm。断层线左边隧道节段破坏较为严重，衬砌大面积剥离，使得钢丝网外露，节段表面还产生纵向和斜向的裂缝，长度超过12 cm; 断层线右侧隧道节段破坏较轻，轴向产生纵向裂缝，推断为隧道挤压导致。

(a) 最终破坏现场图示

(b) 最终破坏形态示意图

3 结论与讨论

1)当错动位移为4 mm时，在土体中产生1#断层线； 当错动位移达到28 mm时，产生传播至隧道底部的2#断层线；当错动位移达到52 mm时，在2条断层线之间出现逆冲作用形成三角形的剪切带，剪切带并不是严格地沿着断层线方向直线发展，而是沿着断层线略微凸向试验装置上盘的弧线方向。

2)隧道最终在断层破碎带内的2个隧道节段之间产生剪切错动破坏，剪切带中心大致位于断层迹线左侧0.5D处，宽度为0.5D。剪切带范围内，隧道受到逆断层传播产生的剪切作用，破坏程度较之隧道其他位置严重，破坏主要为变形缝两侧隧道衬砌脱落和纵向裂缝，上盘节段隧道破坏比下盘严重。

3)土压力和纵向应变变化规律相似，均随错动位移的增加而不断增加，但上盘区域，尤其断层破碎带中的区段，土压力和应变变化都比其他区域大。断层错动对隧道影响区域主要集中在断层破碎带及附近2D区域，尤其是试验装置上盘部分，在跨断层隧道的设计阶段需引起足够重视，应该针对该部位隧道衬砌进行处理。此区域之外，隧道土压力和应变变化较小。

活动断层错动作用下山岭隧道受力变形机制较为复杂，试验中相关曲线左端均未达到收敛状态，但从土压力和应变的变化规律中可以看出隧道左端具有明显收敛趋势，可在后续试验中对左端进行优化。尽管本文采用模型试验就逆断层对隧道结构的影响机制进行了探索性研究，但仍处于起步阶段，未涉及断层倾角、形式等参数，还存在许多问题需要进一步研究。尤其是理论研究方面，需要从定量的角度研究逆断层错动对隧道结构的影响，为试验研究提供理论支撑。