强震活动断裂带铁路隧道建设面临的挑战与对策

何川，耿萍

（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

1 强震活动断裂带隧道工程建设的挑战与风险

随着党的十九大作出交通强国的战略决策，基础设施建设必将以更加迅猛的姿态在全国铺开，隧道在交通工程中数量将越来越多、规模越来越大，地位也将越来越重要，大量建成和拟建的隧道工程将不可避免地位于我国地震活动频繁、断裂带广布的西南、西北、华北和东南沿海地区。

以川藏铁路为例，工程区域地震活动强烈、大地震频发，是影响工程安全的主要地质灾害。据史料记载，发生7级以上地震至少22次［1］。参照《中国地震动参数区划图》，川藏铁路沿线总体位于高烈度地震区，地震动峰值加速度≥0.2g占比53.57%。最大地震动峰值加速度为0.4g，主要集中在波密—林芝段（帕隆藏布）和康定—泸定段（大渡河瓦斯沟段）［2］。

许多案例证明，穿越活动断裂带隧道震后会导致严重破坏。1906年美国旧金山发生8.3级地震，穿越圣安德烈斯断层的水坝集水隧道震后局部错动位移值达到240 cm［3］。1952年美国柯恩县里氏7.5级地震，造成4座跨白狼发震断层的铁路隧道发生严重震害，其中隧道最大偏移量达到122 cm［4］。1999年中国台湾集集地震造成36座位于近断层区域的隧道发生严重破坏［5］。2008年中国汶川地震中，震区主要铁路、公路隧道均不同程度受损［6］。其中处于龙门山断裂带内的龙洞子隧道出现洞身段环向错台、边墙上部及顶拱二次衬砌塌落等严重震害（见图1）；位于映秀大断裂与龙溪断裂之间的龙溪隧道，地震造成隧道上下相对位移达100 cm左右的错动变形、衬砌拱部坍塌，导致隧道完全丧失功能［7］。

图1 汶川地震隧道震害情况［6］

在穿越蠕滑断裂带方面，也有一些隧道采用了特殊处理，如美国加利福尼亚南部的克莱尔蒙特输水压力隧道穿越的Hayward活动断层蠕滑量为4.5～6.4 mm/a，在隧道纵向每1.5 m设置1个0.3 m的剪切缝进行抗错断设计。高黎贡山隧道穿越的龙陵-澜沧断裂每年水平滑动速率为1.07～2.59 mm，隧道预留变形量35 cm以上，以满足隧道限界和线形要求［8］。

总体来看，黏滑发震对穿越活动断层隧道会造成局部边仰坡地面开裂变形、洞门墙及洞口附近衬砌松动、开裂、渗水等，初期支护压弯扭曲、膨胀变形侵线，二次衬砌开裂、错台、剥落掉块、局部垮塌、上部拱圈整体掉落，仰拱开裂隆起、洞体垮塌等震害［9］。蠕滑断层也会由于其逐年累积的位错而破坏隧道结构，危及隧道正常运营。

2 活动断裂带场地蠕滑特性及场地地震效应

大型活动断裂带不同位置会表现出不同的活动方式［10］，具体活动方式与整条断裂带的活动趋势有关。断裂带上断层的活动方式主要与岩石材料的性质、赋存状态、应变速率、破裂程度等因素有关。活动断层从黏结到滑移的过程称为黏滑，蠕滑则是无震状态下的持续蠕动，前者由于其脆性断裂过程会释放巨大的能量引发地震，因此又称为震源断层或发震断裂。

隧道工程在面临多条区域性活动断裂带时，会受到强烈的地质作用和频发强震的双重考验，对其设计建设和运营期间的安全保障提出了更高要求，因此首要任务是开展活动断裂带场地蠕滑特性和场地地震效应研究。

2.1 场地蠕滑特性

由于蠕滑断层每年的错动量往往较小，通常认为不会产生严重破坏，随着观测技术的进步以及越来越多跨断层建筑结构的破坏，业内已逐渐认识到蠕滑断层对跨断层建筑结构的破坏影响不容忽视［11］。学者们针对蠕滑断层的性质以及蠕滑断层作用下隧道结构的力学行为进行了研究。张煜［12］建立了围岩-断层破碎带-隧道的断层蠕滑错动三维有限元分析模型，得出断层错动距离，断层倾角对隧道衬砌纵向不同部位的应力、位移、裂缝发展等均产生较大影响的结论。郑宗溪等［13］通过大量资料调研，指出川藏铁路穿越多个板块缝合带中蠕滑断裂带的累计位移效应会严重影响隧道安全性。

2.2 场地地震效应

当隧址区内广泛分布活动断裂带时，断层黏滑发震产生的近场地震动与远场地震动对隧道的作用效果有较大不同［14］。对于近场地震动，许多学者开展了一系列有意义的工作。刘启方、王海云等［15-16］对近断层地震动的基本含义进行分析，总结了近断层地震动的基本特征为近断层地震动的集中性、地表破裂、地面永久变形、破裂方向性效应、近断层速度大脉冲和上盘效应。贾俊峰等［17］统计分析了1952—1999年世界范围内矩震级为M5.4～M7.6的18次地震1 009个台站的竖向地震记录，发现断层距在0～40 km范围内，大部分竖向与水平向加速度峰值比值大于一般抗震设计规范规定的2/3。贾俊峰等［18］根据近年研究成果，综合总结了近断层地震动方向性效应、滑冲效应、上盘效应和显著竖向地面运动等主要特征及各自成因。

3 活动断裂带隧道响应分析方法及防控技术

3.1 活动断裂带隧道抗震分析方法

穿越活动断裂带隧道的静动力响应受到断层参数（如倾角、宽度、错动速率、错动方向、错动量等）、地震动参数（如幅值、持时、频谱特征、入射方向等）、隧道参数（如埋深、断面形式、支护特征、施工工法等）及隧道与断层的几何关系等诸多因素影响。当隧道工程区域分布大量活动断裂带时，隧道会面临强震频繁、岩体破碎、地形地质条件复杂多变、隧道抗震设防要求高等问题，应对隧道进行横断面和纵向抗震计算。目前隧道工程抗震计算方法大体可分为静力法、反应位移法和动力时程法。

（1）静力法用于隧道横断面的地震反应计算，将结构的惯性加速度通过地震系数乘以结构自重作为地震荷载进行计算。该方法需要考虑的荷载包括：结构惯性力、上覆土柱惯性力、侧向土压力增量3个部分［19］。但工程实践和震害调查分析发现，该方法计算结果与埋深关系密切，隧道埋深较小时计算内力低于实际值，且埋深越小，偏离越严重，会导致设计不安全。而隧道埋深增大到一定程度后，计算内力又偏大，且埋深越大，偏离越严重，导致设计过于保守（见图2）。针对这一问题，何川、耿萍等［20-21］通过理论分析、振动台试验、数值模拟等多种手段，对隧道跨度、地震烈度、围岩级别等参数敏感度进行分析，提出合理上覆地层等效高度的概念，对静力法进行了修正（见图3），研究成果在西部高地震烈度区大量新建铁路/公路隧道、特高压GIL长江电力隧道、汕头苏埃海底隧道、厦门地铁海底隧道等水下隧道，以及地铁、输油/气等多个行业的隧道中得到广泛应用。目前研究成果已纳入行业标准JTG 2232—2019《公路隧道抗震设计规范》和国家标准《盾构隧道工程设计标准（报批稿）》中。

图2 3种抗震方法埋深与弯矩关系

图3 修正静力法计算简图［20］

若隧址区地形复杂，岭谷高差巨大，则地表水平位移一般无法使用，同时，若隧址区地震观测台站较少，则较难获得场地输入地震动时程，可供参考的仅有地震区划图，由于修正静力法仅需场地峰值加速度即可完成计算，参数容易获取，计算简便，故艰险山区隧道抗震计算可采用修正静力法。

（2）纵向反应位移法基于弹性地基梁理论，假定沿隧道轴向地层位移为正弦形式分布，从而推出隧道纵向内力的解析表达式。传统反应位移法通过假定地层位移分布进而求解隧道地震内力，理论严密，计算方便，应用广泛，但只适用于均匀地层。

当隧道工程处于艰险山区时，区域内活动断裂带广布，地层岩性混杂多变，不良地质和特殊岩土发育，纵向地层分布极为不均，传统反应位移法不再适用。针对这一问题，何川等［19，22］提出纵向广义反应位移法（见图4），该方法核心为：将工程场地的加速度时程作为荷载输入来获取实际地层位移响应（见图5），将位移时程施加在结构上进行拟动力计算。该方法在不过多增加计算时长的情况下提高了反应位移法的计算精度，极大地拓展了反应位移法的适用范围，现已纳入国家标准GB/T 51336—2018《地下结构抗震设计标准》、行业标准JTG 2232—2019《公路隧道抗震设计规范》和国家标准《盾构隧道工程设计标准（报批稿）》中，使非均匀地层中隧道纵向抗震问题得到较好地解决。

图4 纵向广义反应位移法计算模型

（3）动力时程法可以很好地适用于大型、重要、特殊的隧道结构，地形、地质条件变化较大的区段，以及需要分析隧道反应时程、频谱特性、地震持时等因素的特殊情况。当隧址区内断裂带广布、不良地质发育、断层活动性强时，动力时程法可很好地适用于铁路隧道抗震计算，且能达到较高精度。但对边界处理、接触关系、地震动输入、本构模型等方面要求较高，前后处理及求解代价高。

3.2 穿越蠕滑活动断裂带隧道抗断分析方法

图5 隧道所在不同位置处地层位移时程分布

断层蠕滑错动作用下，隧道衬砌结构的开裂影响因素很多，如断层蠕滑速率、蠕滑错动方式、衬砌结构与围岩之间的接触属性、衬砌结构与柔性部分的接触属性、混凝土非线性开裂属性、混凝土损伤本构等［12］。

关于穿越蠕滑活动断裂带隧道抗断问题，国内外专家学者进行了相关研究。Newmark N M等［23］最早建立了分析跨断层埋地管道地震反应的简化模型，假定在断层作用下管道和土体没有发生相对位移，但该方法忽略了管道的弯曲刚度和管-土相互作用。Gregor T等［24］采用2种数值分析模型研究了隧道在断层错动作用下结构的力学特性。刘学增等［25］研究了链式结构隧道在断层错动作用下的受力特性及塑性变形特征。邵润萌［26］研究了不同的断层错动方式、断层倾角、错动距离、隧道洞径大小对于损伤失效的影响效果。

何川研究团队开展了断层蠕滑作用下穿越活动断裂带隧道损伤方面的研究［12］，以高黎贡山隧道为研究背景，分析不同错动距离、不同断层倾角、不同衬砌节段长度等条件下隧道的应力、位移分布及裂缝损伤拓展过程等（见图6—图8）。研究发现：（1）隧道衬砌整体位移量随着错动位移量的增大而增大，且断层蠕滑错动对靠近上盘的衬砌位移影响更大，同时最大主应力主要出现在断层蠕滑错动发生界面前后10～20 m范围内；（2）断层倾角对于上盘内隧道结构位移最大值几乎无影响，且倾角越小，拱腰以上部位最大主应力值越大；（3）柔性连接结构可显著减小断面的损伤区域面积，也可分散损伤区域，且节段长度在一定范围内越短，消减量越明显。

图6 不同蠕滑错动距离的位移分析、最大主应力分析

图7 不同断层倾角的位移分析、最大主应力分析

图8 不同节段长度的最大主应力分布和拉致损伤

3.3 活动断裂带隧道抗震抗断技术

隧道结构的抗减震技术从广义上来说属于结构控制技术的范畴。地表结构的结构控制技术已在实际工程中广泛应用，但隧道等地下结构相关研究还距实际应用有较大差距［27］。目前隧道常采用的抗震抗断措施有注浆加固围岩、设置减震层、断面扩挖设计、结构铰接设计等。

（1）加固围岩。围岩注浆加固可改善断层带内岩土体的物理力学参数，减小断层带与较好围岩段物理力学性质的差异，从而减小隧道结构由于不同段围岩位移差引起的破坏。目前常用的3种围岩加固方式为全环间隔注浆、全环接触注浆和局部注浆［28］。

（2）铰接设计。支护结构采用节段性的连接方式，使节段在断层带及其两侧一定范围内保持相对独立，刚度相对较小的柔性连接在刚性隧道节段间（见图9），使断层错动引起的隧道破坏集中在连接部位或结构的局部，而不会导致结构整体性破坏。

图9 铰接设计示意图

（3）扩挖设计。扩挖设计属于被动设计理念，即隧道断面的扩大尺寸取决于断层可能的最大错位量。在断裂带发生错动或地震后，断面的净空面积可因扩大的隧道断面得到保证，同时隧道结构的各种不均匀变形也可满足，为后续修复提供空间（见图10）。

图10 扩挖设计示意图

（4）设置减/隔震层。隧道与地下结构设置减震层是通过在围岩和隧道衬砌结构之间设置减震材料，并适当调整这些材料的刚度，使隧道衬砌结构的动力响应减小，同时柔性的减/隔震层还可拓宽结构位移面。设置减震层的基本构想是使原有的衬砌-围岩系统变为衬砌-减震层-围岩系统。在衬砌与围岩介质之间设置减震层，从而减小或改变断层错动或地震波对结构作用的强度和方式［29］。

（5）穿越活动断裂带“自适应”隧道结构体系。该结构由何川研究团队设想提出，用于穿越蠕滑断层。根据地质条件、断裂构造特性、活动速率及断裂带几何形变关系等因素，设置刚性抗错断结构体系（刚性二衬）和柔性结构体系（柔性初期支护和柔性隔断层），柔性结构体系用于吸收断层蠕动位移，刚性体系主要用于承担部分断层错动作用和维持隧道线型（见图11）。

图11 “自适应”隧道结构体系示意图

4 思考与建议

活动断裂带除了强震和蠕滑问题外，还面临着高压突涌水、高温热害等问题，这些都将严重影响长大铁路隧道工程的建设及运营。鉴于穿越活动断裂带隧道建设重难点及目前研究存在的不足，提出以下研究建议。

4.1 活动断裂带形变几何关系预判及场地地震效应

活动断裂以一定速率持续不断地蠕滑，地震时更将产生强烈错动。活动断裂带不同的变形方向、变形量值对隧道结构的影响程度不同，相应的工程措施也各异，为了满足结构安全及铁路隧道线形的双重要求，开展活动断裂带类别，几何形变方向、大小及影响范围的预测和判别显得尤为迫切。同时穿越断层带发震产生的地震波传播特性、多断层带之间的相互作用以及综合考虑地震波反射、透射特征，结合地震波倾斜入射、山体几何形态、山体临空面等作用下地震波传播模型的理论解析与深部黏滑错动至隧址处的映射关系等研究还存在不足，难以实现隧址区准确的动力输入。

4.2 隧道受荷释能模式及抗震抗断防控体系

活动断裂强震与蠕滑作用下隧道灾变行为极为复杂，应加强对活动断裂带隧道损伤机理、性能演化和致灾模式的认识，为隧道破坏判据与安全状态评价方法的构建提供理论支撑。有待开展考虑不同荷载作用的成灾条件、致灾模式、灾害与防控间映射关系等条件下的穿越活动断裂带隧道安全控制理论研究，构建和完善隧道隔震抗断控制技术及结构变形自适应设计方法，确保隧道在断层长期蠕滑作用下的正常使用功能，以及遭遇瞬时地震作用时不至产生严重破坏。

4.3 工程场地效应耦合断裂带活动效应

穿越活动断裂带隧道在受到断层错动、地震、高地应力、软岩等因素的影响时，极易发生大变形，尤其是非对称大变形，对隧道危害巨大，因此有必要开展高地应力环境与活动断裂带蠕滑效应耦合作用下隧道结构受力特性研究；同时不同烈度地震下，高地应力活动断裂带内隧道地震动力响应不同，隧道结构受损程度、破坏模式以及震害影响因素也值得高度重视。

4.4 活动断裂带地下水运移机制及突涌水预测防控

目前关于高压水赋存规律及灾变机制的研究多集中在突涌水灾害致灾构造模式分析与隧道开挖后的渗流场演变规律方面，对深大断裂带地下水系统结构特征、赋存特征等方面缺乏系统性研究，对高海拔地区地下水的补给、流通路径以及储存空间等方面的认识有待深化，同时对于高地温、高应力、高水压交叉耦合作用下突涌水致灾机制的研究较少。另外，在高水压、高应力条件下防排水材料与结构的失效模式，以及多场耦合作用下穿越深大断裂带地区隧道突水预测理论和控制方法两方面还有待开展深入研究。

4.5 活动断裂带地热赋存与耦合传热机制及热害防控

关于活动断裂等复杂构造地热赋存与温度场分布等研究大多未考虑岩体扰动后隧道温度场的重构机理；高热环境下隧道结构的研究多集中于宏观且单一的材料力学性能上，在高地热条件下界面力学变化特性及微观颗粒的搭接变化规律有待深入；关于高地温支护结构特性的研究以现场实测和数值模拟为主，应综合考虑高地热对结构性能劣化方面的影响；目前对于高地热环境的压制技术多处于被动状态，在热环境控制与人体生理机能的关联性研究有待深入，川藏铁路高地热结合高原气候的隧道热害防控尚待展开。

5 结束语

通过大量文献调研，阐述强震活动断裂带铁路隧道建设面临的风险及挑战，同时针对活动断裂带蠕滑特性、场地地震效应、抗震抗断计算方法、抗震抗断措施等方面研究成果进行系统梳理与总结，可为相关铁路隧道工程建设提供一定技术支撑。鉴于当前铁路隧道面临深大断裂带的强活动性及与工程场地效应的强耦合性，基于团队的研究成果及思考，提出穿越活动断裂带长大隧道仍需突破的重难点研究内容和相关研究建议。