1、浅述活动断裂带对隧道影响研究现状摘要：隧道尤其是长大隧道在穿越活动断裂带时，活动断裂的运动将对隧道的稳定性和安全性产生重要影响。文中从活动断裂带的运动方式入手，展示了国内外学者对断裂带的快速破坏对隧道结构的影响监测研究，以及活动断裂带缓慢变化对结构的影响研究，并提出展望。 关键词：隧道监测活动断裂带稳定性安全性； 中图分类号：U455 文献标识码： A 文章编号： 1、问题的提出 我国位于世界两大地震带-环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇部位，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，活动断裂带十分发育。隧道尤其是长大隧道在穿越活动断裂带时，活动断裂的运动将对隧道的稳定性和安全性产生重要影响。
2、该运动表现为两种模式：一是地震时的断层快速破裂，二是不伴随地震的断层缓慢错动。这两种运动将引起隧道结构振动破坏和剪切破坏。其中，活动断裂错动引起的剪切破坏严重威胁隧道的稳定性和安全性，而且活动断裂带的运动具有时间的不确定性和长期性，它对隧道的长期影响，对穿越活动断裂带的隧道运营期间的安全性影响至关重要。 针对活动断裂运动引起的隧道剪切破坏问题，目前研究主要基于数值模拟方法，缺乏原位监测数据尤其是长期数据来对其进行分析评估和验证。因此，针对活动断裂带对隧道稳定 性和安全性的长期影响问题，十分有必要建立一套监测系统长期监测活动断裂带对隧道的影响，为运营期间地震尤其是活动断裂缓慢错动引发的安全问题进
3、行预警和评估，供运营部门维护决策时参考。 2、活动断裂带运动的研究现状 2.1 断裂带的快速破裂对隧道影响研究现状 针对活动断裂带的第一种运动模式：地震时断裂带的快速破裂，目前的研究主要集中在地震灾害预警，一般采取地震波信号采集和分析1-3。王正学根据苏丹探区不同地表地质条件下地震之支吸收与衰减的影响规律，形成一套适合于苏丹探区不同地表地质条件下相丈应的地震资料采集与品质分析评价方法以及后期地震资料处理技术2。长安大学孙乃泉等人开发研制一套以数字信号处理器(DSP)为核心的浅探孔 VSP 地震波信号采集系统，实时完成浅探孔 VSP 地震波信号的数据采集、存储和传输3。 针对地下结构，地震等级的
4、大小并不能直接反映其破坏程度。因此国内外学者对隧道埋深、衬砌厚度、隧道结构形式与地震之间的关系进行研究4-6，同时也对发生地震时的加速度、速度及支护结构的应变进行研究，并得出相关结论。 英国 Dowding 与 Rozen7根据 71 座铁路隧道和水工隧道的地震破坏调查资料，得出了隧道地震损坏与震级、烈度、震中距与地面运动之间的关系：（1）地面加速度 a=为 0.19g 或速度 v=20cm/s 时，隧道无损坏；（2）a0.5g 或 v80cm/s 时，隧道轻微损坏；（3）a0.5g 或v80cm/s 时，隧道严重损坏。 在日本，田村重四郎4对东京地铁区间隧道进行了地震监测。该隧道埋深 13m
5、，钢筋混凝土管片衬砌内半径为 3m。在围岩内和衬砌上分别安装了加速度计，对三个方向（横向、轴向、竖向）内的加速度进行量测；在衬砌边墙上和对角上安设应变计，共测量了四种应变：管片中与隧道轴向平行或垂直方向内的应变，两相邻管片在与隧道轴平行或垂直方向内的应变。本套监测系统对 1978 年伊豆尾岛地震与 1982 年东京的两次地震进行监测。根据两次地震监测资料得出以下结论：（1）隧道中加速度等于或稍小于邻近围岩加速度；（2）环向应变较纵向应变大得多；（3）地震时两相邻管片分离。 滨田与横山等4人对山区铁路隧道进行了地震监测，得到围岩加速度与应变的监测数据。该隧道埋深 110135m，衬砌为直墙马蹄形
6、，高5.4m，宽 6.5m。根据监测资料得到：衬砌断面曾产生竖向与横向两种对称变形（图 1b）和一种反对称变形（图 1a） ；当最大加速度为 25cm/s2时，最大环向应变为 2310-6，最大轴向应变 210-6。 图 1 隧道衬砌变形模式 Fig.1 Tunnel lining deformation modes 2.1 断裂带缓慢变形的研究现状 针对活动断裂带第二种运动模式，即不伴随地震的缓慢错动，目前的研究主要集中在活动断裂带与应力场之间的关系，众多学者（如：罗焕炎等8，1980；汪素云等9，1980；张东宁等10，1989；Massonnet et a1 ，199311；Hill e
7、t a1 ，1993；陈连旺等12，1999；邱泽华等13, 14，2003，200714)都进行过相关方面的研究。其中主要采用的分析方法为有限元分析法与错位分析法。有限元分析方法的优点是，可以处理复杂问题，无论边界条件、断层分布、介质性质多么复杂都可以处理；缺点是在实际使用中，无法给出可靠的边界条件、断层分布和介质性质，反而不得不引进很多假设，从而降低了结论的可信度。错位分析法用半无限空间均匀介质中的矩形位错平面来模拟断层，可以根据位错来求解应变场的变化，优点是不用考虑边界条件（无穷远处位移为零） ，也不用考虑断层带内介质性质的变化。 针对活动断裂带的缓慢错动引起的变形，我国在 80 年代末
8、引进全球定位系统 GPS 技术，建立 GPRS 基准台，形成 GPS 监测网，能从断层两侧监测测点提取断层形变信息, 填补了我国大范围地壳水平运动与水平形变观测的空白15。 邱泽华等13根据北京及其附近地区 9 个钻孔应变台站 2002 2005 年的数字化资料，采用遗传算法进行反演断层活动，并在北京地区活动断裂带成功应用。这种反演方法存在三个方面的影响因素：1、观测资料方面能够代表代表整个地区的基本应变变化；2、实际断层也不可能形状非常规则，性质十分均匀；3、各参数的搜索范围的确定有一定的人为性，这使得这种定量的分析给出的结果实际上是定性的。 江在深等16根据 GPS 观测资料，提出针对断裂
9、带构造变形分析的方法，根据活动断裂带主断层分布，通过以主断层线为轴向两侧延伸划分变形单元，进行几何应变率和主断层蠕滑率等多种变形参数的解算。利用 1991-2001 年 GPS 速度场资料对川滇块体东边界带的实例分析显示，则木河小江断裂的冕宁一宁南一东川一带.，为主断层活动相对闭锁而左旋剪应变积累速度较高的异常段。 徐春阳等17利用静力水准仪、伸缩仪、温度传感器等，建立野外型断层活动连续监测系统，该系统不仅可以用于对断层活动的地震前兆信息进行连续监测，而且还可以在水库大坝、核电站、大型建筑物等的灾害预警中发挥作用；蒋林根等18采用 JS 型静力水准自动化监测系统对深圳市罗湖活动断裂带区内建筑物
10、基础进行监测，取得了较好效果。 针对隧道修建过程穿越活动断裂带的影响，李阶智等19在乌鞘岭隧道采用净空变形量测和结构压力、应力等常规安全监测手段，分析了F7 断层围岩的稳定性和对施工的影响以及断层段围岩、初期支护、二次衬砌等变形特征，并提出施工建议，研究主要针对断裂带围岩压力和岩性的影响，而非断裂带运动的影响。 3、展望 由于活动断裂带的运动具有时间的不确定性和长期性，它对隧道的长期影响，对穿越活动断裂带的隧道运营期间的安全性影响至关重要。针对活动断裂带对隧道结构的影响，目前集中在对隧道的地震监测方面，国外主要是观测地震发生时隧道结构的加速度与应变的情况，但上述监测并不针对穿越隧道的活动断裂带
11、来开展。国内则成功运用 GPS 和钻孔应变等监测活动断裂带缓慢错动引起的地层变形。但对隧道穿越活动断裂带时针对活动断裂带运动尤其是第二种运动模式的影响，目前国内外尚无相应的监测项目和数据。 因此，针对活动断裂带对隧道稳定性和安全性的长期影响问题，十分有必要建立一套监测系统长期监测活动断裂带对隧道的影响，为运营期间地震尤其是活动断裂缓慢错动引发的安全问题进行预警和评估，供运营部门维护决策时参考。 参考文献： 1 肖富森, 深顺军. 川东提高陡构造石灰岩出露区近源地震波频谱测试及其效果分析J. 石油地球物理勘探, 1994,29(001): 75-83 2 王正学. 苏丹探区沼泽过渡带地震采集技术
12、研究D: 浙江大学, 2007. 3 孙乃泉. 基于 DSP 技术的浅探孔多级多分量地震波信号数据采集系统D: 长安大学, 2007. 4 Okamoto S. Introduction to earthquake engineeringM: University of Tokyo Press Tokyo, Japan, 1984. 5 李天斌. 汶川特大地震中山岭隧道变形破坏特征及影响因素分析J. 工程地质学报, 6 高峰, 关宝树. 深圳地铁地震反应分析J. 西南交通大学学报, 2001,36(004): 555-559 7 Dowding CH, Rozan A. Damage to r
13、ock tunnels from earthquake shakingJ. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 1978,104(2): 175-191 8 罗焕炎, 宋惠珍, 潘善德. 渤海及其邻区现代地壳构造应力场与地震关系的数字模拟 A, 1980. 9 汪素云, 陈培善. 中国及邻区现代构造应力场的数值模拟J. 地球物理学报, 1980,23(11): 37-45 10 张东宁, 高龙生. 东亚地区应力场的三维数值模拟J. 中国地震, 1989,5(004): 24-33 11 Massonnet D, Rossi M,
14、Carmona C, 等. The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometryJ. Nature, 1993,364(6433): 138-142 12 陈连旺, 杨树新, 谢富仁, 等. 中国大陆构造应力应变场现今年变化特征的数值模拟J. 中国地震, 2005,21(003): 341-349 13 邱泽华, 唐磊, 阚宝祥, 等. 用钻孔应变观测研究北京地区活断层的现今活动J. 地震地质, 2007,29(004): 716-728 14 邱泽华, 石耀霖. 观测应变阶在地震应力触发
15、研究中的应用J. 地震学报, 2004,26(5): 481-488 15 陈章立. 我国地震科技进步的回顾与展望 (一)J. 中国地震, 2001,17(003): 231-245 16 江在森, 牛安福, 王敏, 等. 活动断裂带构造变形定量分析J.地震学报, 2005,27(006): 610-619 17 徐春阳, 杨江, 高平, 等. 野外型断层活动连续监测系统J. 大地测量与地球动力学, 2009,29(B08): 120-121 18 蒋林根,赵营海,陈葛天,刘凤秋,荆 燕. 活动断裂带区内建筑物基础不均匀沉降监测J. 灾 害 学, 2003 (04):25-29 19 刘志春, 李文江, 孙明磊, 等. 乌鞘岭隧道 F4 断层区段监控量测综合分析J. 岩石力学与工程学报, 2006,25(007): 1502-1511 作者简介：舒波（1984-） ，男，四川省乐山犍为县人，硕士研究生，工程师
