通过活断层区隧道抗震研究综述★

赵 颖 林晓东

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.哈尔滨学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

通过活断层区隧道抗震研究综述★

赵 颖1林晓东2

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.哈尔滨学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

介绍了隧道震害的主要表现形式，对隧道震害成因进行了详细分析，总结了通过活断层区隧道的理论和试验研究现状，为跨断层隧道的抗震设计、施工及安全性评价提供了参考依据。

活断层，隧道，震害，抗震

0 引言

我国处于活动期的断层分布较广，有许多大中城市均遭遇过强烈地震的袭击，地震发生的频度高、强度大，造成的灾害严重。活断层是指在近期地质时期有过活动、现今持续活动，在不远的将来有可能重新活动的断层[1]。活断层错动引发的地震不仅能够使覆盖土层地表产生永久的位移，而且还会产生强烈的震动，对于穿越断层的建筑物以及地下结构等产生不可修复性的破坏。GB 50011—2010建筑抗震设计规范[2]中规定，为了防止地震时断层错动而引发结构破坏，建筑物的选址应避开活断层。由于隧道工程线路走向取决于交通功能的要求，因此导致越来越多的区间隧道不可避免的穿越地震断层，断层错动会对隧道等地下工程产生灾难性的、不可恢复的破坏，甚至会导致结构的整体坍塌[3，4]。1971年，美国圣佛南都发生6.4级地震，邻近SantaSuzana断层和Sylmar断层处的隧道破坏最为严重，最大垂直位错量为229 cm。1995年日本阪神发生7.2级地震，建于花岗岩中总长度为16 km，穿越多条断层的六甲隧道破坏最为严重，拱肩衬砌出现多条裂缝，洞口开裂破损。2008年汶川8.0级地震，处于F3和F2断层之间的龙溪隧道因断层错动形成了1 m左右的竖向错动变形，导致衬砌拱部塌落[5]。我国对于地下结构抗震方面的研究与美国、日本等国家相比相对滞后，到目前为止，还没有建立一套比较完整的地下结构抗震设计规范，尤其对于通过活断层区隧道抗震方面的研究还比较缺乏。因此，针对通过活断层区隧道等地下结构的抗震问题的深入研究意义重大。

1 隧道震害成因分析

隧道震害主要表现为[5，6]：洞口被崩塌落石、山体滑坡堵塞，洞口段衬砌开裂剥落掉块甚至坍塌，洞口处的边仰坡支护开裂、脱落甚至垮塌；洞身段衬砌产生纵向开裂、横向开裂、斜向开裂以及环向开裂，混凝土剥落甚至坍塌，钢筋外露，衬砌漏水；通过活断层或断层破碎带的隧道会出现衬砌错台、局部或洞体垮塌等。

隧道震害的类型有多种，导致隧道震害形成的原因有三种[7，8]：围岩失稳、地震惯性力以及地震诱发的断层活动。围岩失稳是指由于围岩的变形、松散、液化等原因导致本来具有抗震能力的结构破坏，不能正常工作。围岩失稳多发生在岩性变化较大、浅埋地段或隧道结构刚度远大于地层刚度的围岩中。地震惯性力是指地震引起强烈的地层运动，使隧道与周围介质一起运动，在结构中产生的惯性力导致结构产生过度变形而破坏，在洞口附近受此影响较大。断层活动造成的错动破坏是指隧道穿越活断层时，由于围岩的直接错动造成衬砌产生剪切开裂破坏(如图1所示)，衬砌开裂形式主要表现为横向开裂、斜向开裂和环向开裂等。如都汶公路龙溪隧道经过活断层附近的衬砌产生严重错台，在错台附近产生横向和斜向裂缝(如图2所示)。虽然这种破坏通常被限制在活断层附近较小的范围内，但是这种突然的变形却是永久性的、不可恢复的，对于隧道来说是灾难性的破坏，甚至会造成洞体整体垮塌(如图3所示)，给震后的修复工作带来了巨大的困难。

2 研究现状

2.1 理论研究现状

在理论研究方面国内外学者主要是通过有限元分析跨断层隧道的地震反应特性，并给出了一些对工程有意义的研究结论，研究成果为通过活断层区隧道工程抗震设计、施工以及安全评价工作提供了技术支持和参考依据。

2008年Anastasopoulos等[10]利用所建立的非线性有限元计算模型研究了正断层错动下以及地震荷载作用下深埋隧道的变形反应。在研究正断层错动下隧道的反应时，采用的是准静力计算方法，并给出了在断层倾角为45°～60°的正断层作用下，垂直位错量与土层厚度的比值不超过1%，地表就不会产生位错。

2009年王峥峥[11]根据所提出的无限元静—动力人工边界建立了围岩—隧道相互作用的有限元计算模型，对高烈度地震区穿越断层隧道的损伤分布、发展情况进行了分析，提出了抗震安全评价的两种方法：损伤指标和能量指标。最后开展了振动台模型试验，并与数值计算结果进行了对比分析。

2011年刘恺[12]利用有限元分析软件对成兰线穿越断层的隧道进行了抗断层位错研究，研究结果表明：断层错动对隧道结构的影响主要集中在断层处及其附近一定范围内；在断层位错作用下，隧道结构最大位移发生在仰拱部位，最小位移发生在拱顶部位；在相同断层位错作用下，隧道结构的震害程度随着断层倾角的减小而逐渐增大；在相同断层位错作用下，断层破碎带越宽，隧道受到影响的范围也就越大；在断层错动下，坚硬的围岩对隧道变形和受力的影响较软弱围岩更为不利。

2012年张维庆[13]采用数值模拟计算方法研究了穿越断层隧道在断层错动和地震惯性力分别作用下的震害机理，研究表明：与地震惯性力相比，断层错动使隧道衬砌结构的受拉状态更为不利；断层位错量相同时，上下垂直错动引起隧道结构的震害最大，水平错动震害最小；当隧道与断层平行时，给出了0.05 m正、逆断层错动下隧道的安全距离；深层注浆较接触注浆对于隧道结构抗错断的效果要好。

2013年林克昌等[14]采用大型有限元软件ABAQUS，以走滑断层为例，就断层宽度对跨断层岩体隧道错动反应特性的影响开展了非线性数值模拟研究。计算结果表明：走滑断层错动对衬砌的影响范围随断层宽度的不同而变化，当断层宽度由0逐级增加至20 m，40 m时，影响范围逐渐增大；当断层宽度由40 m增加至60 m时，影响范围基本不变，说明断层错动对衬砌的影响范围存在一限值。

2.2 试验研究现状

2003年Kontogianni和Stiros[15]通过试验研究了隧道衬砌管片环向接头部位分别在逆断层、走滑断层作用下的应力应变反应，并总结出不同断层倾角下，管片环向接头部位应力应变的变化规律。2007年Lin等[16]通过提升底板试验模拟了逆冲断层作用下，位于砂土中的盾构隧道变形破坏特点，并分析了杨氏模量和膨胀角对结构的影响，最后采用了数值模拟计算对试验结论进行了验证。2011年刘学增等[17]通过模型试验研究了公路隧道在断层倾角为75°的逆断层粘滑错动工况下的反应规律，试验结论给出了受压、受拉区的范围以及最大拉、压应变发生的位置，并指出衬砌以剪切破坏为主。

目前，国内外学者对于通过活断层区隧道破坏机理和抗震减震措施的研究还较为有限，我国还没有专门的跨断层隧道抗震设计规范，可参考的规范条文多为定性描述。振动台试验可为研究跨断层隧道结构的破坏机理和抗震能力提供较为直观的方法。目前对于跨断层隧道的振动台试验研究主要集中于抗震减震措施效果及断层错动效应等。国内外已开展的跨断层隧道振动台模型试验非常有限。

2012年Sim等[18]开展了小直径管道跨越直立断层的振动台试验，研究结果发现埋置于轮胎派生骨料与干砂混合地层中的管道，位于跨断层区域的弯矩较小且地震加速度较低。2013年崔光耀等[19]通过试验重点研究了穿越粘滑断层的隧道抗震减震技术。

2014年信春雷等[20]通过振动台模型试验研究了地震荷载作用下，隧道结构常规与新型抗震减震措施的反应特性与破坏机制，试验中采用的抗震减震措施如图4所示。研究结果表明：套管式可变形结构的抗震减震性能最好；减震层可以提高隧道整体耐震性能；减震缝通过提高隧道纵向自由度来减轻震害。

3 结语

隧道工程作为生命线工程的重要组成部分，其造价高，使用周期长，很多隧道工程位于高烈度地震区，并有可能穿越活断层，所以一旦地震发生，破坏严重，修复困难，还会造成巨大的国民经济损失和人员伤亡。国内外对于跨断层隧道结构的抗震研究还比较少，没有完整可靠的跨断层抗震设计规范，可以借鉴的抗震设计标准多为定性描述。因此，针对高烈度地震区跨断层隧道的抗震研究工作极为迫切且具有现实意义。

[1] 赵 颖.通过活断层区地铁隧道地震反应分析[D].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,2014.

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On anti-seismic survey of tunnel across active fault★

Zhao Ying1Lin Xiaodong2

(1.SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.HarbinUniversity,Harbin150080,China)

This article mainly introduce the earthquake damage formal of tunnel， and detailed analysis the reasons for tunnel seismic damage， as the same time summarizes tunnel across active fault theoretical and test study of the current situation， so as to provide reference for seismic design， construction and safety evaluation of tunnel across fault.

active fault， tunnel， earthquake damage， anti-seismic

2015-04-22★：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(项目编号：DL13BB20)

赵 颖(1979- )，女，博士，工程师； 林晓东(1979- )，男，硕士，讲师

1009-6825(2015)19-0137-03

U457.5

A