• ISSN 1673-5722
  • CN 11-5429/P

新乡-商丘断裂永城段第四纪活动特征分析

张扬 郭大伟 张涛 贺承广 沈阳 巩一帆

崔光耀, 伍修刚, 王明年, 荆鸿飞. 黏滑断层隧道减错措施参数对减错效果的影响分析[J]. 震灾防御技术, 2018, 13(3): 502-511. doi: 10.11899/zzfy20180302
引用本文: 张扬,郭大伟,张涛,贺承广,沈阳,巩一帆,2022. 新乡-商丘断裂永城段第四纪活动特征分析. 震灾防御技术,17(2):208−218. doi:10.11899/zzfy20220202. doi: 10.11899/zzfy20220202
Cui Guangyao, Wu Xiugang, Wang Mingnian, Jing Hongfei. Analysis of Influence of Parameters of Reducing Measures on the Effect of Reducing Dislocation on Tunnels Crossing Stick-slip Faults[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2018, 13(3): 502-511. doi: 10.11899/zzfy20180302
Citation: Zhang Yang, Guo Dawei, Zhang Tao, He Chengguang, Shen Yang, Gong Yifan. Characteristics of Quaternary Activity in the Yongcheng Segment of the Xinxiang-Shangqiu Fault[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2022, 17(2): 208-218. doi: 10.11899/zzfy20220202

新乡-商丘断裂永城段第四纪活动特征分析

doi: 10.11899/zzfy20220202
基金项目: 中央公益性科研院所基本科研业务专项(IGCEA1902);中国地震局城市活动断层探测与地震危险性评价项目;河南省地震构造探查工程
详细信息
    作者简介:

    张扬,男,生于1982年。高级工程师。主要从事深、浅层地震勘探方法技术研究及应用。E-mail:949510935@qq.com

    通讯作者:

    郭大伟,男,生于1986年。高级工程师。主要从事物探方面研究工作。E-mail:310660477@qq.com

Characteristics of Quaternary Activity in the Yongcheng Segment of the Xinxiang-Shangqiu Fault

  • 摘要: 新乡-商丘断裂是河南省中北部一条规模较大、切割较深的区域性隐伏断裂,为查明新乡-商丘断裂永城段的浅部构造特征和上断点最新活动时代,在永城段开展浅层人工地震勘探工作,获得2条高分辨率、高信噪比的地震反射剖面,通过地震勘探和钻孔联合剖面探测,并结合区域地质资料对新乡-商丘断裂永城段的上断点位置及活动性进行研究,揭示本断裂上断点进入了第四系上更新统底界,推测其最新活动时代为晚更新世早、中期,是一条隐伏活动断裂。
  • 随着我国交通基础建设的持续深入发展,穿越黏滑断层的隧道不断涌现,如在建的雅康高速二郎山隧道穿越保凰活动断裂,成兰铁路诸隧道穿越龙门山活动断裂等。在2008年汶川地震中,都映高速部分隧道,其所穿越的黏滑断层在强震诱发下发生黏滑错动,造成错动段隧道结构和围岩严重破坏,甚至出现了隧道整体垮塌的严重震害(图 1),这对灾后救援和灾后重建工作造成了严重影响(四川省交通厅公路规划勘察设计研究院,2008于海英等,2008)。如何提高断层黏滑错动时隧道结构的安全性和稳定性是亟待研究和解决的关键技术问题之一。

    图 1  龙溪隧道黏滑断层段隧道整体垮塌
    Figure 1.  Collapse of stick-slip fracture section in Longxi tunnel

    目前,黏滑断层隧道的减错措施主要有二衬设置减错缝和初支与二衬之间设置减错层2种。设置减错缝可减小隧道结构的纵向刚度,提高了隧道结构适应断层黏滑错动所产生相对变位的性能;设置减错层可减小隧道结构的横向刚度,消减了传递至二衬结构的强制位移。

    国内外专家、学者对穿越黏滑断层隧道的减错技术做了部分研究,主要有:穿越活动断层隧道震害特征及震害机理(高孟潭等,2008崔光耀等,2013a何川等,2014);断层错动下围岩与隧道结构的位移和应力变化(赵伯明等,2009李玉江等,2013);不同倾角、错距下断层黏滑错动对山岭隧道洞身结构的受力特性(熊炜等,2010蒋建平等,2011刘学增等,2014张理平等,2017);设置不同减错缝的减错效果(崔光耀等,2013b李学峰等,2014信春雷等,2015);设置不同减错层的减错效果(崔光耀等,2013c)等。以上研究在穿越黏滑断层隧道断层错动机制,设置减错缝不同间距、减错层不同厚度减错效果方面做了部分工作,但均未对穿越黏滑断层隧道设置减错缝不同缝宽、减错层不同刚度的减错效果进行研究。本文依托都汶高速友谊隧道F1黏滑断层段,对黏滑断层隧道设置不同缝宽减错缝、不同刚度减错层的减错效果进行研究,以期能够促进穿越黏滑断层隧道减错技术的发展。

    1.1.1   工程地质

    隧址区位于纸厂沟与小桃沟之间的山体内,受断层和岩性影响,节理裂隙较发育,岩体较破碎。

    F1黏滑断层为挤压性逆断层,隧道洞身穿F1黏滑断层而过,走向北东,倾向北西,倾角60°,破碎带宽度0.5—2.0m,断层破碎带主要由糜棱岩、碎块岩组成,Ⅴ级围岩。上下盘岩体均为Ⅴ级围岩。

    1.1.2   支护结构设计

    隧道支护结构为复合式衬砌,跨度×高度=9.4m×8.0m;隧道初支采用C25喷射混凝土,厚度25cm,二衬采用C25模筑混凝土,厚度40cm。

    1.2.1   计算模型

    以友谊隧道F1黏滑断层段为研究背景,利用FLAC3D有限差分数值模拟软件建立计算模型,隧道埋深为40m,隧底围岩厚40m,左右两侧宽度取5倍隧道跨度,约60m,纵向开挖长度100m。本次计算采用brick单元,其中围岩单元47550个,衬砌单元6820个。计算时围岩按弹塑性材料考虑,衬砌则按弹性材料考虑。减错缝采用12m设缝间距(崔光耀等,2013b),减错层厚度采用10cm(崔光耀等,2013c)。通过在上盘围岩施加位移荷载来模拟断层错动,位移荷载通过施加速度来实现,错距10cm。

    1.2.2   计算参数

    施工中减错缝主要采用止水带进行连接,减错层一般采用橡胶板(王帅帅等,2016),围岩根据勘测资料选取Ⅴ级围岩。计算模型物理力学参数如表 1所示。

    表 1  计算模型参数
    Table 1.  Parameters of calculation model
    参数 重度/kN·m-3 弹性模量/MPa 泊松比 黏聚力/MPa 内摩擦角/°
    围岩 20 15000 0.40 0.10 24
    C25喷射混凝土 22 23000 0.20
    C25模注混凝土 25 28000 0.20
    减错缝 6 10 0.45
    减错层 10 0—2000 0.45
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    1.2.3   计算工况

    本文主要研究减错缝不同缝宽、减错层不同刚度对减错效果的影响规律,计算工况如表 2所示。

    表 2  计算工况
    Table 2.  Calculation condition
    工况 计算内容 备注
    1 无减错措施
    2 施设减错缝 缝宽分别为:5cm、10cm、15cm、20cm
    3 施设减错层 弹模分别为:2.5MPa、5MPa、10MPa、20MPa、50MPa、100MPa、200MPa、500MPa、1000MPa、2000MPa
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    1.2.4   监测布置

    计算模型上盘设4个监测断面、下盘设3个监测断面,每个监测断面设置8个监测点,监测布置如图 2所示。

    图 2  监测布置
    Figure 2.  Arrangement of monitoring

    提取各工况错动完成时的各监测断面计算数据,以缝宽10cm为例进行内力分析。轴力、弯矩的计算按照公式(1)、(2)计算(中华人民共和国交通部,2004)。监测断面最大轴力值见表 3,监测断面最大弯矩值见表 4

    表 3  监测断面最大轴力(单位:kN)
    Table 3.  Maximum axial force of monitoring section (unit: kN)
    工况 距断层距离/m
    -22 -10 -2 2 10 22 34
    无减错措施 -6468 -9754 -14884 -13376 -13341 -9551 -3702
    缝宽10cm -5917 -9133 -14857 -13395 -12558 -8646 -3153
    注:距断层距离正值为上盘,负值为下盘,其它同理。
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    表 4  监测断面最大弯矩(单位:kN·m)
    Table 4.  Maximum bending moment of monitoring section (unit: kN·m)
    工况 距断层距离/m
    -22 -10 -2 2 10 22 34
    无减错措施 -60.2 -142.1 -217.6 -185.0 -121.9 -45.1 -126.7
    缝宽10cm -61.3 -140.2 276.1 -200.5 -127.7 48.5 -116.6
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    轴力、弯矩计算公式为:

    $$ N=\frac{1}{2}E({\varepsilon _内}+{\varepsilon _外})bh $$ (1)
    $$ M=\frac{1}{{12}}E({\varepsilon _内}-{\varepsilon _外})b{h^2} $$ (2)

    式中,b为截面宽度(m),取1m;h为截面厚度(m);E为弹性模量(MPa);${\varepsilon _内}$、${\varepsilon _外}$为结构内、外侧应变;N为结构轴力(N);M为弯矩(N·m);后同。

    表 3可知,施设减错缝与无减错措施工况监测断面最大轴力值均呈现压应力状态,且沿隧道纵向分布趋势相似,最大值均出现在下盘靠近断层的断面,其中无减错措施工况值为-14884kN,施设减错缝工况值为-14857kN;随着监测断面与断层的距离增大,监测断面最大轴力呈下降趋势。由各监测断面最大轴力整体分析可知,施设减错缝工况监测断面最大轴力略小于无减错措施工况。

    表 4可知,无减错措施工况监测断面最大弯矩均表现为外侧受拉,施设减错缝改变了隧道结构受力,出现内侧受拉部位;监测断面最大弯矩值均出现在下盘靠近断层的断面,其中不设减错缝工况值为-217.6kN·m,施设减错缝工况值为276.1kN·m。由各监测断面最大弯矩整体分析可知,施设减错缝工况监测断面最大弯矩略大于无减错措施工况。

    轴力、弯矩指标主要用于结构设计,单一分析轴力、弯矩不能综合体现结构的力学性能。隧道支护的结构安全性可由安全系数(综合考虑了轴力、弯矩等指标)体现。

    提取各工况错动完成时的内力计算数据进行安全系数分析,安全系数K按照公式(3)、(4)计算(中华人民共和国交通部,2004)。以缝宽10cm进行安全系数分析,监测断面最小安全系数见表 5

    $$ KN \le \varphi \alpha{R_{\rm{a}}}bh $$ (3)
    $$ KN \le \varphi \frac{{1.75{R_1}bh}}{{6{e_0}/h - 1}} $$ (4)
    表 5  监测断面最小安全系数
    Table 5.  Minimum safety factor of monitoring section
    工况 距断层距离/m
    -22 -10 -2 2 10 22 34
    无减错措施 1.933 1.282 0.840 0.935 0.937 1.309 3.377
    缝宽10cm 2.112 1.326 0.841 0.933 0.995 1.446 3.964
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    式中,Ra为混凝土抗压极限强度(MPa);Rl为混凝土抗拉极限强度(MPa);φ为构件纵向弯曲系数;α为轴向力偏心影响系数;e0为轴向力对截面的偏心距(m)。

    表 5可知,施设减错缝与无减错措施工况监测断面最小安全系数沿隧道纵向分布趋势相似,最小值均出现在下盘靠近断层监测断面,其中无减错措施工况安全系数最小值为0.840,施设减错缝工况安全系数最小值为0.841;随着监测断面与断层距离的增大,监测断面最小安全系数呈增大趋势,上盘安全系数整体较下盘小。由各监测断面最小安全系数整体分析可知,施设减错缝工况监测断面最小安全系数略大于无减错措施工况。

    根据安全系数分析各工况减错效果,减错效果可按式(5)进行计算,各工况减错效果如图 3所示。

    $$ \lambda= \frac{{{K_1}-{K_0}}}{{{K_0}}} \times 100\% $$ (5)
    图 3  减错效果
    Figure 3.  Effect of reducing dislocation

    式中:λ为减错效果;K0为无减错措施工况监测断面最小安全系数;K1为施设减错缝工况监测断面最小安全系数。

    图 3可知,各工况减错效果沿隧道纵向分布趋势相似,随着监测断面与断层的距离增大,上下盘减错效果整体呈上升趋势,且上盘减错效果较下盘整体更好,其中上盘减错效果最大为24.50%,下盘减错效果最大为9.26%。随着减错缝宽度的增加,隧道上盘减错效果变好,下盘缝宽10—15cm时减错效果最好,主要由于断层黏滑错动对上盘的影响远大于下盘。减错缝宽度的增加适应了断层黏滑错动造成的上盘强制位移,断层黏滑错动的能量得到一定程度的释放,从而提高了上盘隧道的结构安全性,可以设想,对于隧道上盘部分存在最优减错缝宽度;减错缝宽度的增加虽然适应了断层黏滑错动造成的下盘强制位移,但由于抵御断层黏滑错动对下盘影响所需减错缝缝宽为10—15cm,当缝宽增加到20cm时,下盘隧道整体刚度的下降对下盘隧道的结构安全性造成了不利影响,致使减错效果下降。

    提取各工况错动完成时各监测断面的计算数据,以减错层弹性模量为2.5MPa为例进行内力分析。监测断面最大轴力值见表 6,监测断面最大弯矩值见表 7

    表 6  监测断面最大轴力(单位:kN)
    Table 6.  Maximum axial force of monitoring section (unit: kN)
    工况 距断层距离/m
    -21 -11 -2 2 11 21 32
    无减错措施 -6515 -10663 -17049 -14062 -12114 -7572 -3777
    减错层弹模(2.5MPa) -5557 -7014 -8375 -8981 -8490 -6154 -3788
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    表 7  监测断面最大弯矩(单位:kN·m)
    Table 7.  Maximum bending moment of monitoring section (unit: kN·m)
    工况 距断层距离/m
    -21 -11 -2 2 11 21 32
    无减错措施 -78.5 -155.9 -218 -187.2 -100.3 -46.8 -35.9
    减错层弹模(2.5MPa) -173.4 -269 -254.1 -217.1 -108.0 -59.3 -42.7
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    表 6可知,施设减错层与无减错措施工况监测断面最大轴力值均呈现压应力状态,且沿隧道纵向分布趋势相似,最大值均出现在上下盘靠近断层的断面,其中无减错措施工况值为-17049kN,施设减错层工况值为-8981kN;随着监测断面与断层距离的增大,监测断面最大轴力呈下降趋势。由各监测断面最大轴力整体分析可知,施设减错层工况监测断面最大轴力小于无减错措施工况。

    表 7可知,施设减错层与无减错措施工况监测断面最大弯矩值均表现为外侧受拉;无减错措施工况监测断面最大弯矩值出现在下盘靠近断层的断面,其值为-218kN·m,施设减错层监测断面最大弯矩值出现在下盘距离断层11m处,其值为-269kN·m。由各监测断面最大弯矩整体分析可知,施设减错层工况监测断面最大弯矩大于无减错措施工况。

    提取各工况错动完成时各监测断面的计算数据,以减错层弹性模量为2.5MPa为例进行安全系数分析,监测断面最小安全系数见表 8

    表 8  监测断面最小安全系数
    Table 8.  Minimum safety factor of monitoring section
    工况 距断层距离/m
    -21 -11 -2 2 11 21 32
    无减错措施 1.919 1.172 0.733 0.889 1.032 1.651 3.310
    减错层弹模(2.5MPa) 2.455 1.798 1.505 1.583 1.592 2.031 3.399
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    表 8可知,施设减错层与无减错措施工况监测断面最小安全系数沿隧道纵向分布趋势相似,最小值均出现在下盘靠近断层监测的断面,其中无减错措施工况最小安全系数最小值为0.733,施设减错层工况最小安全系数最小值为1.505;随着监测断面与断层距离的增大,监测断面最小安全系数呈增大趋势,上盘安全系数整体较下盘小。由各监测断面最小安全系数整体分析可知,施设减错层工况监测断面最小安全系数大于无减错措施工况。

    根据安全系数分析各工况减错效果,减错效果计算方法同式(5),各工况减错效果如图 4所示。

    图 4  减错效果
    Figure 4.  Effect of reducing dislocation

    图 4可知,各工况减错效果沿隧道纵向分布趋势相似,随着监测断面与断层距离的增大,上下盘减错效果整体呈下降趋势,且下盘减错效果较上盘整体略好,其中下盘减错效果最大为105.32%,上盘减错效果最大为78.07%;当减错层弹性模量增加到一定程度(约100MPa),减错效果趋于稳定。

    (1)断层黏滑错动对隧道上盘的影响远大于下盘,上盘部分是黏滑断层隧道减错设防设计的重点段落。

    (2)减错缝对上盘部分隧道结构的减错效果优于下盘,其中上盘减错效果最大为24.50%,下盘减错效果最大为9.26%;减错层对下盘部分隧道结构的减错效果略优于上盘,其中下盘减错效果最大为105.32%,上盘减错效果最大为78.07%。

    (3)随着减错缝宽度的增加,隧道上盘减错效果变好,下盘缝宽10—15cm减错效果最好,主要是由于断层黏滑错动对上盘的影响远大于下盘。减错缝宽度的增加适应了断层黏滑错动造成的上盘强制位移,断层黏滑错动的能量得到一定程度的释放,从而提高了上盘隧道的结构安全性,可以设想,对于隧道上盘部分存在最优减错缝宽度;减错缝宽度的增加虽然适应了断层黏滑错动造成的下盘强制位移,由于抵御断层黏滑错动对下盘影响所需减错缝缝宽为10—15cm,当缝宽增加到20cm时,下盘隧道整体刚度的下降对下盘隧道的结构安全性造成了不利影响,致使减错效果下降。

    (4)随着减错层弹性模量的增加,隧道上下盘减错效果降低;当减错层弹性模量增加到一定程度(约100MPa),减错效果趋于稳定。

  • 图  1  区域大地构造单元划分(据王志铄等(2018)修改)

    Figure  1.  Regional tectonic map(Modified from Wang et al. (2018))

    图  2  偏移地震剖面421线

    Figure  2.  Time migration profile of line 421

    图  3  区域地质图及地震测线位置

    Figure  3.  Regional geological map and location of the seismic line

    图  4  XS7线偏移时间剖面图

    Figure  4.  Time migration profile of line XS7

    图  5  XS7线深度剖面及解译图

    Figure  5.  Depth profile and explanatory chart of line XS7

    图  6  XS8线偏移时间剖面图

    Figure  6.  Time migration profile of line XS8

    图  7  XS8线深度剖面及解译图

    Figure  7.  Depth profile and interpretation chart of line XS8

    图  8  新乡-商丘断裂永城段太平庄钻孔联合地质剖面

    Figure  8.  Drilling joint geological profile of Taipingzhuang Borehole in the Yong Cheng segment of the Xinxiang-Shangqiu fault

    图  9  新乡-商丘断裂永城段太平镇钻孔断错量随深度的变化曲线

    Figure  9.  Variation curve of Taiping town fault with depth in Yongcheng segment of Shangqiu-Xinxiang fault

    图  10  新乡-商丘断裂永城段班庄钻孔联合地质剖面图

    Figure  10.  Joint geological profile of Banzhuang borehole in the Yongcheng segment of the Xinxiang-Shangqiu fault

    图  11  新乡-商丘断裂永城段班庄钻孔断错量随深度的变化曲线

    Figure  11.  Variation curve of Banzhuang fault with depth in Yongcheng segment of Shangqiu-Xinxiang fault

    表  1  太平庄钻孔联合剖面年龄样品测试结果

    Table  1.   Age sample test results of Taipingzhuang borehole joint profile

    钻孔编号样品埋深/m地层/标志层所处构造位置测试类型距今年龄/ka
    ZKT02ESRL0140.62层⑤上覆地层ESR186±18
    ZKT02ESRL0250.27层④断层下盘ESR359±41
    ZKT02ESRL0380.21层②断层下盘ESR308±62
    ZKT02ESRL0481.80层①断层下盘ESR350±68
    ZKT02ESRL0589.36层①断层下盘ESR335±67
    ZKT03OSL0534.57层⑤/B7上覆地层OSL75.29±5.32
    ZKT07OSL339.18层⑤/B7上覆地层OSL84.06±8.39
    ZKT07OSL450.57层④断层上盘OSL140.83±8.59
    ZKT07ESR0169.36层②断层下盘ESR250±38
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    表  2  太平庄剖面第四纪不同时期断层垂直位移及平均滑动速率

    Table  2.   Fault vertical displacement and average slip rate of Taipingzhuang profile in different quaternary period

    层段沉积年龄/ka BP各时段垂直位移/m平均滑动速率
    /mm·a−1
    地质年代
    B6顶面之上98.700晚更新世早中期以来
    B6顶~B6底98.7~102.30.490.136晚更新世早中期
    B6底~B5底102.3~127.30.040.002晚更新世早期
    B5底~B4顶127.3~145.80.120.006中更新世末
    B4顶~B1底145.8~369.33.060.014中更新世中、晚期
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    表  3  班庄钻孔联合剖面年龄样品测试结果表

    Table  3.   Age sample test results of Banzhuang borehole joint profile

    钻孔编号样品埋深/m地层/标志层所处构造位置测试类型距今年龄/ka
    ZKB02ESR0273.54层③上覆地层ESR256.00±31.00
    ZKB03OSL0240.60层⑤断层下盘OSL122.76±8.16
    ZKB04OSL0316.61层⑦/B8断层下盘OSL74.18±4.98
    ZKB04OSL0629.52层⑥断层下盘OSL121.76±6.84
    ZKB04ESR05100.89层②断层下盘ESR719.00±121.00
    ZKB05OSL016.96层⑨上覆地层OSL1.11±0.07
    ZKB06ESR0146.81层④上覆地层ESR198.00±39.00
    ZKB06ESR0256.53层④/B3断层上盘ESR226.00±32.00
    ZKB07OSL0321.39层⑦断层下盘OSL118.60±7.39
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    表  4  班庄剖面第四纪不同时期断层垂直位移及平均滑动速率

    Table  4.   Vertical displacement and average slip rate of faults in different quaternary periods at Banzhuang section Fault vertical displacement and average slip rate of Banzhuang profile in different Quaternary period

    层段沉积年龄/ka BP各时段垂直位移/m平均滑动速率
    /mm·a−1
    地质年代
    B8底面之上75.900晚更新世中期以来
    B8底~B7顶75.9~90.21.980.138晚更新世早中期
    B7顶~B5顶90.2~134.00.070.002晚更新世早期
    B5顶~B1底134.0~738.811.890.020中更新世
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-01
  • 网络出版日期:  2022-08-13
  • 刊出日期:  2022-06-30

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