公路工程活断层与地裂缝灾害的精细探测、定量评价及防 治

公路工程活断层与地裂缝灾害的精细探测、定量评价及防治对策研究成果简本长安大学2011．12公路工程活断层与地裂缝灾害的精细探测、定量评价及防治对策研究简本“公路工程活断层与地裂缝灾害的精细探测、定量评价及防治对策研究”项目（合同编号：200431881212）是交通部西部交通建设科技项目，由长安大学独立完成，项目总经费280万元，其中部拨款250万元，配套资金30万元。

计划研究时间为2004年09月－2007年09月，但在研究期间，因两个大型物理模拟试验实施周期较长，再加上受2008年5.12汶川大地震和余震影响，陕西省汉中地区数县出现严重地质灾害，应国土资源部与陕西省国土资源厅要求，有关科研人员绝大部分奔赴灾区开展较长时间的地震地质灾害应急排查工作；此外，为了进一步研究活动断裂所致地震及其次生地质灾害对公路工程的影响，充实研究成果，课题组研究人员先后奔赴四川、甘肃等重灾区进行了深入考查。

基于这些原因，经西部项目管理中心同意，项目推迟至2010年年底完成。

承担项目后，我校极为重视，学校及时配套资金30万元用于研制相关仪器，并配置了专用办公场地和设备。

与此同时，组织成立了以博士生导师彭建兵教授为负责人，联合工程地质与岩土工程、地球物理探测、地学信息等学科的教授、副教授、讲师、博士生等共90余人组成的专业结构合理、科研攻关能力一流的课题组，实施研究。

在项目实施期间，课题组分工明确，任务落实责任到人，工作过程相互合作，具体施工加强质量监控，从而确保了项目高质量的完成。

通过5年多的系统扎实工作，项目主要取得了如下重要成果：1、首次调查了西北地区活断层与国道主干线分布与交汇情况，编制了西北地区国道主干线活断层的分布及危险性区划图首次对西北地区公路活断层与地裂缝分布状况开展了全面调查。

野外调查结果表明，西北活断层与地裂缝的发育具有明显的分区、分带特征。

其中，受青藏高原现代隆升的强烈影响，西北地区活动断裂的分布与活动特征与青藏高原强烈的现代构造变形效应特征遥相呼应，且受青藏高原北北东方向的推挤作用影响，研究区南部以走向近北西西向和向东北突出的巨型弧形活动断裂带为特征；研究区北部则以北西、北西西向和北东向断裂为主。

南北地震（构造）带以西的活动断裂绝大多数规模巨大，且活动性质以逆冲、逆掩或逆冲走滑活动为主。

南北地震带以东主要是以拉张左旋走滑为主要特征的秦岭（或渭河）活动断裂系。

研究区活动断裂总体上具有成带与集中分部特征，主要包括12组活动断裂带，他们分别为西域断裂系、天山断裂系、西昆仑断裂系、阿尔金断裂系、祁连断裂系、柴达木断裂系、东昆仑断裂系、河西断裂系、巴颜喀拉断裂系、金沙江-红河断裂系、贺兰-六盘断裂系和秦岭断裂系。

调查表明，西北地区直接穿越国道的活动断裂达66条，与国道、高速公路的交汇点达130处之多。

公路工程地裂缝灾害主要集中出现在渭河断陷盆地中，其中又以西安地区表现的最突出，并主要以北东东走向平行展布。

凡是地裂缝穿过的路段，道路均遭受不同程度的影响与破坏，包括新近修建的绕城高速也多处发现地裂缝的破坏。

调查表明，目前有4条地裂缝直接穿过国道、高速公路，对国道、高速公路形成明显危害交汇点有4处。

在此基础上，编制出第一张西北地区公路活断层、地裂缝与国道主干线分布图，以及西北地区国道主干线活断层的分布及危险性区划图。

该研究成果及图件填补了国内外该领域的研究空白，为西部地区公路选线与规划提供了技术支撑。

2、首次调查和揭示了活断层与地裂缝对公路工程的危害类型及危害特征首次系统地调查了活动断裂及地裂缝引发的公路工程灾害类型，详细研究了活动断裂与地裂缝对公路工程的危害方式、作用形式和破坏特征，揭示了其对公路工程的危害特征。

将活断层与地裂缝对公路工程的灾害类型划分为三种类型：（1）由活动断裂粘滑活动引发的公路工程灾害（发震活动断层公路工程灾害）；（2）由活动断裂或构造地裂缝的蠕滑活动引发的公路工程灾害（非发震活动断层或构造地裂缝公路工程灾害）；（3）活动断裂或地裂缝活动诱发次生灾害引起的公路工程灾害。

1）由活动断裂粘滑活动引发的公路工程灾害主要有振动破坏效应、地面破坏效应以及路基失稳效应引起的公路工程灾害。

因发震断层的地表破裂行为引发的破裂面两侧介质体相对运动，导致公路工程的建（构）筑物被直接错断损毁；同时断层粘滑活动引起的强烈地面震动，造成大量的公路工程结构震动破坏、边坡失稳、地基失效等；桥梁破坏则主要表现为强震动导致桥面垮塌、桥台或桥墩破坏、桥梁水平或竖向位移等；隧道的破坏有洞口边仰坡垮塌、洞门墙开裂、衬砌开裂变形、渗水等，该类公路工程灾害在汶川5.12地震中表现的最为典型。

2）由活动断裂或地裂缝的蠕滑活动引发的公路工程灾害。

主要包括（1）下伏活动断裂的蠕滑位错直接错断公路建（构）筑物，并造成地面的不均匀沉降，进而引发路基路面的不均匀沉降和开裂变形、桥基墩台不均匀沉陷或位错，以及隧道衬砌开裂或剥落等工程灾害；（2）隐伏活断层的蠕滑活动向上扩展形成地表裂缝（构造地裂缝），进而引起路基路面开裂、桥基桥墩变形破坏等；发育在公路边坡上的断裂蠕滑活动还可直接引起边坡崩塌、支挡结构物破坏等灾害；（3）由于活动断裂对现代地貌控制作用强，断裂带胶结性差，破碎强烈，力学强度低，而且容水性和导水性极强，常成为隧道突水、坍塌灾害；（4）地裂缝活动导致路基路面、桥梁和隧道等的错断破坏、不均匀沉降和防水结构的破坏等。

3）活动断裂或地裂缝活动诱发次生灾害引起的公路工程灾害。

主要包括（1）活动断层诱发的滑坡、崩塌和泥石流等对公路工程的危害；（2）活动断层诱发的不均匀冻胀对公路工程的危害；（3）活动断层诱发的移动冰丘对公路工程的危害。

通过详细调查研究，从活动断裂和地裂缝致灾系统、公路工程结构承灾系统以及灾害表现形式等方面系统地分析了不同公路工程灾害对象的破坏类型及危害特征，为公路工程灾害的防治提供了宝贵的基础资料。

3、活断层与地裂缝的公路工程致灾机理研究取得新突破1）通过野外调查、物理模型试验和数值计算，对活断层和地裂缝活动环境下的路基、路面的变形、受力和破坏机理进行了系统分析。

结果表明，断层和地裂缝活动导致公路破坏的主要因素是路基下部介质层的不均匀变形导致路基路面产生附加应力，进而引起公路的不均匀变形。

其中，正断层环境下，公路结构基本处于拉、压受力状态，受压区主要分布在上盘范围内，受拉区主要分布在下盘范围内。

逆断层活动环境下，公路结构沿道路纵向同样处于拉、压受力状态，引起公路的变形挠曲范围及其变化规律和正断层时基本相同，主要表现为上盘范围内受拉，下盘范围内受压；走滑断层环境下，公路在纵向上处于拉、压的受力状态，且主要发生变形差与弯曲变形。

据此分别建立了公路工程在断层正倾滑、逆冲以及走滑活动下的破坏模式，同时建立了利用载荷-结构法对活断层和地裂缝影响下公路工程结构力学效应定量评价的方法。

2）现场试验和数值计算表明，地表水入渗对穿越断层带或地裂缝带的公路工程特别是路基路面工程的影响，主要是由于地表水渗透力拖拽、水力侵蚀、渗透固结和排水固结作用导致土体强度降低，引起断层带或裂缝带地表的不均匀沉降，进而引起公路工程结构的附加应力和相应变形。

由于路面主要处于拉、压的受力状态，在结构内部形成沉降松弛，因而公路结构将随地表一起产生不均匀沉降变形。

其中，最大压应力点主要处于地表最大沉降点位置，最大拉应力点主要处于地表沉降趋于零的位置。

3）公路边坡由于断裂带的存在，不仅改变了坡体段岩土体的应力场、变形场及地形地貌特征，同时对崩、滑等边坡地质灾害的分布规律及发育特征有直接的控制作用。

当断层走向与公路边坡近似平行或低角度相交时，此时边坡的破坏机理可归纳为外力触发型、水理化滑动型、长期蠕变渐进式破坏，以及风化剥蚀崩滑型破坏；当断层与公路边坡走向近似垂直或大角度相交时，边坡主要发生坡面破坏—局部崩滑型、整体破坏—连锁崩滑型破坏；断层活动诱发的地震作用对边坡的稳定性具有较大的作用。

4、首次通过大型物理模拟试验揭示了活断层、地裂缝对隧道工程致灾机理与破坏模式通过对公路隧道与不同倾角断层（或地裂缝）在不同交角情况下的受力变形特征的大型模型试验和数值模拟分析，揭示了活断层与地裂缝的隧道工程破坏机理，并建立了相应的隧道工程衬砌变形破坏模式。

1）地裂缝对矩形断面整体式衬砌公路隧道影响的模型试验结果表明地裂缝作用下，随地裂缝活动量的增加，土体与隧道间的接触压力在隧道顶部表现为上盘明显增大、下盘减小的趋势；隧道底板钢筋无论上盘还是下盘基本处于受压状态，而顶板钢筋下盘为受拉状态；衬砌结构底部和侧壁基本处于受压状态，侧壁具有明显的向内收缩位移；而结构顶部上盘表现为先受拉后受压的过程，下盘完全处受拉状态，且具有明显的向外位移；地裂缝活动环境下隧道的变形破坏是必然的，衬砌结构的变形破坏模式为拉张破坏，环向开裂。

2）地裂缝对分段设变形缝的公路隧道影响的模型试验结果表明在地裂缝作用下，分段柔性接头的公路隧道结构完好无损，反映柔性接头大大降低了隧道本身的受力，而对隧道结构起到了保护作用；在地裂缝和柔性接头附近接触压力明显增大，而隧道底部与围岩的接触压力上盘增大，下盘仅在柔性接头位置显著增大；隧道顶部横向围岩压力在上盘表现为在隧道顶部围岩中增大而两侧围岩中降低，在下盘表现为在隧道顶部降低而两侧增大；隧道顶部及其外侧围岩位移在纵向上表现出台阶状变形，表明分段柔性接头隧道在纵向上能较好地适应地裂缝的位错变形；当地裂缝与隧道正交时，隧道在地裂缝活动过程中基本表现为上盘整体垂直下降，而横向位移相对很小。

3)活断层对公路隧道衬砌模型的试验结果表明，整体式衬砌结构在土体沉降过程中，当断层上盘沉降时，预设裂缝被拉开，土体顶部出现与主裂缝交错成“y”字形的张拉裂缝；衬砌模型位于上盘部分伴随上盘土体发生倾斜弯曲，在裂缝处出现环向开裂；衬砌模型位于下盘部分顶部受到拉应力，底部受到压应力，侧壁相对受到的拉压应力较小；衬砌模型位于上盘部分顶部在开始沉降时表现为压应力，底部受到拉应力，沉降过程中侧壁环向拉压应力较大；隧道侧壁主要受到剪应力的作用，剪应力方向与纵向成45°夹角时最大；分段式衬砌结构在土体沉降过程中，当上盘沉降完成时，预设裂缝被拉开；整个衬砌模型以受压变形为主，位于上盘的衬砌模型受到偏压作用明显，靠裂缝段破坏严重，其余分段仅出现少量裂缝。

4）断裂活动环境下公路隧道工程变形破坏有限元分析结果表明，公路土体隧道穿越不同类型断层在不同倾角、不同交角以及隧道衬砌在不同埋深情况下，隧道衬砌沿运动方向的相对位移量、纵向应力、剪应力各不相同，不同因素对隧道衬砌的变形受力的影响大小、范围及影响程度也不相同：隧道穿越三种类型断层时，所受最大剪应力表现为走滑断层>正断层>逆断层，表明在断层因素相同的情况下走滑断层最容易受到剪切破坏。