正断层错动下海底矿山法隧道变形缝合理设置形式研究

我国地理地质条件复杂多样,断裂带分布广泛,隧道建设常不可避免地穿越活动断裂带。本文以胶州湾第二海底隧道工程为背景,建立隧道-断层三维有限元模型,研究正断层作用下隧道变形缝设置形式(垂直设缝和斜向设缝)、模筑长度(6、12 m)和变形缝宽度(0.1、0.2 m)对跨断层隧道在断层错动作用下的结构受力及位移影响。研究结果表明,垂直设缝既增强隧道的抗断错能力,又适用于工程实际施工;相较于模筑长度为12 m的变形缝间距,模筑长度为6 m的变形缝间距对隧道错台变形有明显的抑制作用,能有效缓解隧道与断层带交界处错台量突变;本工程中变形缝宽度为0.1、0.2 m无明显优劣。

正断层错动作用下矿山法隧道受力变形机理的模型试验研究

为研究正断层错动作用下矿山法隧道的受力变形机理,以胶州湾第二海底隧道穿越沧口断裂为工程背景,采用自研的大比尺穿越断层隧道结构破坏加载试验装置,针对设置柔性连接变形缝和变形缝间距对隧道结构抗错断效果的影响,开展几何相似比为1∶40的矿山法隧道穿越倾角70°的正断层错动模型试验,对错动试验过程中的隧道变形、应变分布、围岩接触压力和破坏特性等关键指标进行监测,分析获得了正断层错动作用下隧道变形和力学响应规律。研究结果表明:(1)隧道在正断层错动作用下,呈现纵向拉弯+竖向挤压的受荷模式,在下盘邻近断层面处拱顶部位和上盘邻近断层面处仰拱部位出现脱空区;(2)隧道开裂主要以纵向贯通裂缝为主,近断层面处衬砌还出现了部分斜向裂缝和环向裂缝;(3)节段间的连接形式和节段长度不会根本上改变隧道在断层错动作用下的受荷模式和变形模式,但节段间刚度越小,节段长度越小,结构对于地层强制位错的适应性就更好;(4)相比于刚性连接,节段间的柔性连接吸收了大部分地层强制位错,有效降低衬砌节段的荷载和变形,使结构趋于安全。

正断层阶区现今连接模式综合研究——以山西裂谷系口泉断裂禅房阶区为例

正断层阶区有软连接(soft-link)和硬连接(hard-link)2种端元连接模式。判定正断层阶区现今的连接模式不但有助于理解正断层的生长演化过程,也能指示未来正断层上发生的地震是否会在阶区内形成地表破裂,这对于评价阶区内工程场地的地震安全性具有重要意义。判定正断层阶区内是否存在活动的连接断层是区别正断层阶区现今连接模式的直接方法。然而,在多数情况下,由于正断层阶区内的变形量相对小,加上人类活动对阶区内地貌的改造,导致在本以硬连接模式生长的正断层阶区内也很难直接看到断层陡坎,这为判定正断层阶区内是否存在活动的连接断层带来了困难。山西裂谷系是东亚大陆显著的活动裂谷带,也是中国重要的强震带。口泉断裂位于山西裂谷系北部,是大同盆地的西缘边界断裂。口泉断裂在禅房村附近发育一个正断层阶区,文中称之为禅房阶区。文中以口泉断裂禅房阶区为例,通过构造地貌野外调查、地貌数据分析和地质雷达探测研究禅房阶区的连接模式。结果显示,口泉断裂禅房阶区内部存在活动的连接断层,说明禅房阶区的连接方式为硬连接模式。文中研究基于构造地貌野外调查、地貌数据分析和地质雷达探测的综合方法,可有效定位弱活动断层的空间展布,降低单一方法的不确定性。

正断层对下盘影响区基坑围护桩变形的影响

为探究正断层对下盘影响区基坑围护桩变形的影响特性,以深圳市某基坑工程为案例,采用数值模拟和现场实测等综合分析方法,分析了正断层对下盘影响区围护桩变形特性及不同断层滑移量、倾角和位置对围护桩变形的影响规律,并对断层参数进行了敏感性分析和正交试验。结果表明:正断层下围护桩的变形减小,减小趋势重心下移,桩身的上部变形影响明显大于下部;桩身变形与断层滑移量、倾角成反比,与断层距基坑的距离成正比,且最大变形变化率r(ΔZ_(max)/Δ)随断层滑移量和倾角增大呈近似指数函数减小,随断层距基坑的距离增大呈近似对数函数增大;通过断层滑移量、倾角和位置对围护桩最大变形的敏感性分析,得到断层倾角影响最大,滑移量次之,断层位置影响最小的结论;通过64组正交试验数据拟合,得到围护桩最大变形U_(hm)与指标η(θπT/180°S)具有良好的线性关系,进而得到正断层对下盘影响区基坑围护桩最大变形的预测模型和该项目预测公式。研究结果可为正断层区域类似地质条件下的基坑工程变形控制提供参考。

含正断层倾斜煤层底板变形特征及开采危险性研究

为研究含正断层倾斜煤层开采时受断层的影响,通过数值模拟对工作面推进过程中底板变形特征进行研究,同时监测断层面的应力和位移量变化对开采危险性进行分析。结果表明:工作面推进时,靠近断层面的底板破坏深度约为完整底板的2倍,上盘底板塑性破坏区比下盘范围更广,深度更大;对垂直应力变化分析,开采上盘煤层时对煤层和煤层底板影响较大,而开采下盘煤层时对煤层顶板和煤层影响较大;垂直位移量在煤层底板和煤层处具有明显变化,煤层底板变化较小;煤层开采易导致断层活化,尤其位于煤层顶板和煤层附近的断层带表现最活跃,冲击地压更容易发生在此区域内,而煤层底板处所受影响较小。

渤海湾盆地渤南低凸起西段低角度正断层分段生长特征及其油气地质意义

为了研究渤海湾盆地渤南低凸起低角度正断层分段生长诱发的时空差异演化特征及控藏机制,基于最新三维地震资料,精细刻画表征了断层分段生长过程及差异演化特征,结合区域构造背景,探讨断层成因机制及对油气成藏的控制作用。结果表明:渤南低凸起南边界F1断层和F2断层均为低角度正断层,源于中生代NWW—近EW向先存逆冲断层发生负反转,在新生代发生再次活化。F1断层具有平面上分段连接、垂向上多幕活动的特征,中段继承原有断面持续活动,西段和东段分别与裂陷Ⅱ幕新生NEE向断层和裂陷Ⅲ幕新生近EW向断层垂向搭接形成现今形态。低角度正断层对油气成藏的控制作用主要表现为:①低角度正断层断控侧沉积规模大,可提供充足的可容纳空间,形成规模陡坡砂体;②长期活动的低角度正断层是垂向油气运移通道,控制了油气垂向上的富集层位;③低角度正断层多期活动改造了深部储层物性,断层活动强度与优质储层的发育密切相关。

视正断层和剪切正断层--区域应力场与局部应力场作用下的“典型”构造

区域应力场与局部应力场是一对伴生出现的矛盾统一体。本文从构造地质研究中的一项重要课题应力场入手,介绍了区域应力场与局部应力场作用下的“典型”构造-视正断层和剪切正断层的特征以及常见断裂识别标志断层泥在应力场分析中的作用,并结合视正断层和剪切正断层的典型案例,论述了视正断层和剪切正断层研究意义,强调我国西部盆地大多属于以挤压为主的多期叠加复合型盆地。

正断层活动对公路山岭隧道工程影响的数值分析

根据渭河盆地正断层的结构特征及活动形式,采用有限元方法模拟正断层环境下公路山岭隧道衬砌的受力变形,针对断层错动量、断层倾角、隧道埋深以及隧道与断层的交角4个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。结果表明4个因素对衬砌受力变形影响的敏感性依次减弱,在断层裂缝两侧各40m的范围内是受力变形的集中位置,且当断层倾角小于50°时衬砌的受力类似于一端固定的悬臂梁。通过对衬砌的相对沉降量、纵向应力及剪应力的分析计算,将衬砌的主要破坏模式分为3类:在大纵向应力作用下,以拉张破坏为主、挤压破坏为辅的拉张-挤压型破坏,在大剪应力作用下发生的直接剪断型破坏,以及拉张-挤压与剪切结合的破坏形式。

正断层两盘的瓦斯突出分布特征及其地质成因浅析

煤与瓦斯突出是采煤生产中一种严重的地质灾害 ,它主要发生在地质构造破坏带 .对正断层两盘瓦斯突出发生的规律研究表明 ,突出主要发生在正断层的上盘 .导致这一结果的主要原因是突出煤体主要分布于正断层的下降盘 .断层构造、构造煤分布及其与瓦斯突出的这种相互控制作用是地史上和现今构造应力场长期作用的结构 .这一规律性认识对于揭示瓦斯突出的发生机理和瓦斯突出区域预测有着重要的理论和实践意义 .讨论正断层两盘突出煤体的分布规律对于构造地质学也具有一定的启示 .

藏南错那-沃卡裂谷的第四纪正断层作用及其特征

地表调查发现,位于西藏南部的错那-沃卡裂谷带包含了3个相对独立的地堑-半地堑——沃卡、邛多江和错那-拿日雍错地堑（从北到南）,并构成了该区重要的近SN向控震构造带。该裂谷带整体的展布方式及其中各地堑主边界断裂带的正断层活动指示了100°±2°的区域伸展方向。各边界断裂带的活动强度分析表明,断裂的平均垂直活动速率介于0.3-1.9mm/a。其中,末次盛冰以来合理的活动速率估算值为1.2-1.5mm/a,而末次间冰期以来的活动速率只有（0.6±0.3）mm/a,暗示该裂谷带的断裂活动行为可能类似于地震的丛集活动,存在间歇期与活跃期交替出现的特点。综合分析认为,中-下地壳物质的近EW向伸展或流动所导致的上地壳均匀拉张模式可能是该裂谷带的主要成因。

“两硬”条件正断层影响下的冲击地压发生规律研究

断层是能够诱发冲击地压的一种重要地质构造,为研究断层活动对冲击地压发生的作用机制,以大同忻州窑煤矿8935回采工作面为例,通过对4个月内连续发生的十余次冲击地压案例的分析,得到正断层影响下的冲击地压的发生特征,冲击地压发生前后电磁辐射、微震等的信号特征和前兆信息。研究结果表明:冲击地压发生频度和强度受断层影响明显,断层对冲击地压的影响体现在两方面:一方面是改变了煤岩体的物理力学性质,另一方面是使构造应力场变得复杂;微震事件集中在断层前方230~360 m,冲击位置在工作面前方0~60 m;电磁辐射能量和脉冲数曲线呈现马鞍形的形态时预示着冲击危险来临,随后发生冲击地压的概率极高;微震监测显示冲击地压发生能量为105~106 J量级,持续出现能级大于105 J的微震事件,且能量起伏变化大,则存在冲击危险。

中国大陆古地震研究的关键技术与案例解析(3)——正断层破裂特征、环境影响与古地震识别

正断层在中国大陆地区广泛存在。由于地表破裂个性的存在和堆积环境的不同,要揭露真实、完整的古地震活动历史,一些问题需要认真关注和讨论。从正断层大地震地表破裂特征、一般识别标志,结合中国正断层古地震研究的案例和地质地貌、气候环境可能造成的影响,提出在中国开展正断层古地震研究,需注意的技术要点:1)因地制宜地选择探槽开挖位置。宜选择断层错动面简单、单次位移量不太大、外力的侵蚀与堆积作用相对平衡、堆积物粒度中细、能取到测年样品的地段开挖探槽;应尽量避免在断错地层以黄土、次生黄土或块状亚砂土等为主的地区,若避不开这类地点,可考虑小冲沟附近,有少量上游不同成分堆积物的地点开挖探槽。2)精细的探槽记录与分析。对于黄土等块状堆积,要特别注意颜色、粒度、排列方向的细微变化可能暗示着接触界线;识别崩积楔等的要素是崩塌相中杂乱结构和团块状物质,冲刷相上部发育的土壤层;对于坎前堆积物主要为黄土或次生黄土等不易分辨的物质时,细致辨别堆积单元的颜色、粒度、非黄土类物质和钙富集程度等。3)综合的识别技术与检验方法。"逐次限定"方法、"位移量限定法"和"多探槽校验法",断错事件的重建等,有助于判断所确定的古地震是否真实和完整。

青藏高原中部温泉盆地西缘的晚新生代正断层作用

在青藏高原中部的温泉盆地西侧发育了1条倾向东的强烈活动的近SN正断层——温泉盆地西缘断裂。它是在印度板块与欧亚板块强烈碰撞的背景下,青藏高原中北部地区自晚新生代以来发生近EW向伸展变形的产物。晚新生代以来,该断裂上的最大垂直错动量不会<21km,错动中生代褶皱地层所暗示的最大垂直位移量为(60±22)km。第四纪期间,该断裂发生了多期活动,形成了山前的多套断层三角面和多级断层陡坎地貌。根据断裂垂直错动晚第四纪期间不同时代的地层和地貌体所形成的断层崖高度估算,其晚第四纪以来的最大活动速率不超过12mm/a,平均活动速率为045mm/a。初步的探槽分析表明,晚更新世末期以来沿该断裂至少发生了3次震级不同的古地震事件。综合该断裂的全新世活动特点推断,它是在未来具有较大可能发生6～7级地震的一条重要控震断裂。

柔性连接隧道在正断层黏滑错动下的变形特征

针对穿越60°倾角活动正断层情况,隧道采取节段长度为0.5D(D为隧道洞径)、节段间柔性连接的隧道抗断措施;并对柔性连接隧道在正断层黏滑错动作用下的受力、变形特征进行模型试验研究。试验结果表明:在距离土体主破裂面1D范围内,柔性连接隧道衬砌结构的纵向、环向应变变化较大。柔性连接隧道的主要破坏形式为节段间转动和错台,隧道节段连接处发生2处转角为33°和28°的转动破坏,破坏范围为2.5D。在相同条件下,与未采取抗断设计的完整隧道相比:柔性连接隧道衬砌结构纵向应变要小于完整隧道应变,其破坏范围也小于完整隧道的破坏范围。

胡庆油田反向正断层形成机理与油气聚集关系

以构造地质学和石油地质学基础理论为指导 ,探讨胡庆油田北东向反向正断层的形成机理与油气聚集的关系。研究认为 ,北北东向反向正断层的形成受北东—南西向张应力及右旋剪切力控制 ,反向正断层的走向与张应力方向基本垂直 ;反向正断层的相对挤压区有利于油气聚集 ,油气主要分布在断层弧形内侧相对应力集中区和几条断层组成的向油源区敞开的断块区。

维西—乔后断裂南段正断层活动特征

根据野外调查结果,重点阐述了维西—乔后断裂南段的活动特征。研究表明,维西—乔后断裂南段在第四纪表现出明显的活动特征,运动性质以正断层作用为主。维西—乔后断裂南段对巍山第四纪盆地有着明显的控制作用,因受其影响盆地内阶地不对称发育。箐门口、佛堂村、洗澡塘探槽揭示该断裂断错了晚更新世堆积,被错最新地层14C年龄(15 430±60)a B.P.,OSL年龄为(11.6±1.6)ka,表明其最新活动时代在晚更新世末期。洗澡塘村断层地貌清晰,西河Ⅱ级阶地上发育高2 m左右的断层陡坎。根据阶地断层陡坎高度和阶地面形成年龄估算,晚更新世以来该断裂段垂直滑动速率约为0.18~0.32 mm/a。

60°倾角正断层黏滑错动对山岭隧道影响的试验研究

通过1∶50室内模型试验,模拟了60°倾角正断层黏滑错动下,与之正交的隧道结构的受力变形破坏过程,并布置传感器监测了隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向的应变和隧道环向的应变。试验结果表明,地层的永久变形和地层-结构的相互作用,导致了围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘和剪切带范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘和剪切带隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘和剪切带范围内纵向弯矩为正,下盘范围内为负,隧道偏心受压;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D=0.3m,理论上该值略偏大;隧道衬砌破坏区域,在剪切带和下盘范围分别为0.75和1.5倍隧道宽度。

45°倾角正断层粘滑错动对隧道影响试验分析

通过1∶50室内模型试验,模拟了45°倾角正断层粘滑错动下,与之正交的隧道结构的受力变形破坏过程,并布置传感器监测了隧道顶部和底部的围岩压力、隧道轴向的应变和隧道环向的应变.结果表明,围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘和剪切带范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘和剪切带隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘和剪切带范围内隧道纵向弯矩为正,下盘范围内为负,隧道偏心受压;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D=0.7m,理论上该值略偏大;隧道衬砌破坏区域长度,在剪切带和下盘范围分别为1.7和2.8倍隧道宽度.

正断层位移长度关系及其研究意义

正断层位移长度关系是近年来研究正断层的一种常用方法 ,它将断层的研究从二维扩展到三维。研究正断层位移长度关系对于研究正断层演化、盆地演化以及油气勘探等方面具有重要意义。讨论了影响正断层位移距离剖面形态的主要因素 :断层端的脆韧性变形、围岩强度、远程应力以及断层之间的相互作用和连接等。根据正断层位移距离剖面的几何形态和断层发育阶段 ,可将断层的位移模式分为 3个类型 :(1)对称的椭圆状或钟状代表简单的单条断层 ;(2 )不对称的似椭圆状或钟状代表断层间的相互作用 ;(3)不规则的锯齿状代表由多条断层连接而成的断层。介绍了伴随正断层发育的传递斜坡、盆内高地等构造单元以及断层位移距离剖面的测量制作方法。测量时应注意恢复其剥蚀部分。

内蒙古狼山地区新生代断层活动特征：对正断层生长的限定

阿拉善地块东北缘的狼山地区新生代发育有3期构造,分别为中新世NW-SE向挤压形成的逆断层,NNE向挤压形成的左行走滑断层以及晚新生代NW-SE向伸展形成的高角度正断层。结合阿拉善地块东缘的新生代构造,认为狼山地区新生代断层的活动与青藏高原东北缘的逐步扩展、应力场逐渐调整有关。狼山山前正断层目前是一条贯通的断层,其演化基本符合恒定长度断层生长模型,断层中间部位滑动速率最大,向断层两侧逐渐递减。从不同方法得出的滑动速率来看,进入全新世以来,断层滑动速率有逐渐变小的趋势。结合阿拉善地块内部及东缘断层震源机制解以及断层的几何学、运动学特征,认为河套—吉兰泰盆地和银川盆地属于两个性质不同的伸展盆地,两者通过构造转换带相连,转换区内断层表现为右行走滑。转换区5级以上地震可能是受区域性NE-SW向挤压,近南北向右行断层活动的表现。