断层错动对隧道工程影响研究的若干进展

王 杰，盛 俭，赵梦丹，王欣宇

（南京工业大学 交通运输工程学院，江苏南京 211816）

0 引言

工程建设特别是线性工程如隧道建设等，经常受到活动断层的影响，特别是在构造活动强烈的地区，活动断层往往是造成与其相交或毗邻隧道工程震害的重要原因之一。活动断层错动会引起隧道衬砌的剪切错位、衬砌开裂、边墙变形等［1］。现行的各类隧道设计规范［2-4］中明确规定，隧道工程的建设首先应选在较为稳定的地层中，如果地层条件不满足，应首选避让且避让距离要符合规范要求。在实际隧道工程建设中，尤其在我国活动断层发育的西部地区，因地质概况、选线、施工方法等因素的制约，各种隧道工程的建造不可避免的要穿越断层或者选址在距离断层较近的地方。关于断层错动对隧道工程造成影响的实际案例国内外皆有记录。如1906年美国旧金山地震，穿过圣安德雷斯断层的两座隧道均遭受了严重破坏［5］。1999年中国台湾集集地震中，在车笼埔断层错动作用下对附近的多处隧道造成破坏［6］，2008年汶川大地震造成位于震中附近的都汶高速公路沿线多座隧道受损严重［7］。2016年日本熊本地震中，断层附近的俵山隧道遭受严重损坏［8］。研究隧道工程在断层应力作用下的反应规律是制定合理抗错断措施的关键，也是保证隧道工程安全运行的基础。断层错动作用对隧道工程影响的研究方法可归纳为理论分析、物理模型试验和数值模拟三种。各研究方法及抗断措施虽已取得了很大进展，但是相关设计理念和基础理论研究仍存在不足。

鉴于断层错动对隧道工程影响研究存在的不少亟需解决的问题，本文首先梳理了断层错动对隧道工程造成的影响，总结隧道衬砌结构的反应规律的各分析方法，归纳各分析方法的发展历程。综合分析了减轻隧道衬砌结构破坏的抗错断措施，最后指出目前抗断措施存在的不足。

1 断层错动对隧道工程的影响

根据运动形式，活动断层分为黏滑型活动断层和蠕滑型活动断层［9］。黏滑型活动断层具有突发性会产生快速破裂引起地层永久性位移，严重危害隧道工程的安全。蠕滑型活动断层是一种持续性且缓慢的运动过程，在遭受较大的蠕滑位错量时会对隧道工程产生影响。如汶川地震即是短时间内释放巨大的能量断裂带发生突然错动，地表产生了数米的位错量，多处隧道形成了近1m的竖向位移，隧道衬砌多处开裂、仰拱错台，且在断层破碎带附近的隧道工程受损最为严重。台湾集集地震中，距断层破碎带25km内的40多座隧道受到不同程度的损坏，隧道产生环向裂缝并多处剥落、垮台，衬砌产生水平位移，拱肩向外侧产生牵拉位移。美国旧金山地震，邻近断层的隧道衬砌产生较大的竖直位错，隧道严重受损并垮塌。

综上所述，断层错动会对邻近或跨越的隧道工程施加直接性的位错荷载，使隧道工程产生水平和竖向位移，对其造成极大破坏。因此，在工程建设之前应开展活动断层错动对隧道的影响及针对性应对措施研究。

2 研究方法

2.1 理论分析

地震对隧道结构的破坏作用主要包括两部分：断层错动产生的同震永久变形导致的破坏和强地震动导致的震动破坏［10］。理论分析主要基于地震动场研究、断层位错量估计、断层破碎带宽度及避让距离这三个方面展开研究。

关于地震动场研究中，1958年Steketee［11-12］最先将位错理论引入地震形变场研究并导出泊松体内点源位错产生的地表位移场模型，开启了研究半无限空间均匀介质地球模型的同震变形问题的先河。Okada［13］将位错理论进行总结，逐渐形成了各向同性、弹性半空间介质的位错理论体系。被全世界的学者广泛应用。国内也有学者对此开展研究［14-17］，他们以Steketee和Okada的位错理论为基础，反演了邢台地震、唐山地震和汶川地震时断层错动形成的地表垂直和水平位移场。黄芸等［18］建立了地铁隧道受力和变形的理论计算模型，计算参数包含基岩断层错动量、隧道直径、埋深和断层倾角。随后有学者研究近场脉冲型地震动下隧道工程的力学响应［19-20］，发现应该分开考虑近断层隧道和远断层隧道的受力情况，因为近断层地震动释放的脉冲波容易引起受冲击结构的脆性断裂，其隧道横截面等效应变峰值最大处从拱脚变成拱顶。

对于地震断层位错量的研究，国外学者基于历史地震实例运用最小二乘法建立地表破裂参数之间的关系式［21-23］。国内学者针对性的收集了发生在中国境内的地震数据，建立了震级与位错量之间的关系式［24-30］。建立在断层附近的隧道工程很容易受到位错量影响，许多研究也开始关注隧道工程震害资料的收集，有学者收集了20世纪以来的典型隧道工程破坏实例，总结了断层错动下隧道工程的破坏特征，发现断层产生的位错量较大时隧道工程也会相应的产生水平和垂直位错［31-32］。

对于断层破碎带宽度及避让距离的研究，国外很多国家对地表破裂避让带宽度进行了相关法规的规定。国内的相关研究起步较晚，徐锡伟等［33-34］采取同震地表破裂带宽度统计法，得到活断层“避让带”的有效宽度值约为30m。薄景山［35］提出了一种考虑地表破裂概率的避让距离分析方法，后因地质条件的复杂性逐步形成了以地震实例为基础来确认避让距离的方法［36-37］。张维庆［38］调查了汶川地震中位于断层破碎带附近隧道的震害情况，发现断层破碎带宽度越大，隧道工程的震害越明显，而且断层破碎带宽度在50m以下的较为常见。

综上所述，地震动场研究、断层位错量估计、断层破碎带宽度及避让距离的研究取得了较为丰硕的研究成果，但主要研究手段大多基于统计、预测，还不足以满足量化分析断层错动对隧道工程影响的要求，目前断层错动对隧道工程影响的量化计算主要还依赖于各种物理模型试验分析。

2.2 物理模型试验

物理模型试验方法主要是通过建立合适的物理模型进行模拟，并与观测的试验数据进行对比分析，采用的最多的是土工离心机试验和砂箱模型试验。

2.2.1 土工离心机试验

土工离心机试验概念的提出和践行可追溯到20世纪30年代，该试验的基本原理是将土工模型置于高度旋转的离心机中，通过让模型承受离心加速度的作用来弥补因模型缩尺带来的自重的损失，比重力加速度条件下更接近土工构筑物的原型。这是一种有效的模拟土体行为的方法。

Burridge等［39］将一系列离心机试验结果应用于确定隧道衬砌结构应力与断层竖向位移之间的关系，试验结果证明隧道衬砌结构应力与断层竖向位移之间存在线性关系，认为位错量是对隧道工程造成影响的重要因素。Kiani等［40］在考虑位错量影响的同时增加上覆土层因素的影响，发现隧道中受断层影响的区域长度随着覆盖土层厚度的增加而变小。Cai等［41］在Kiani研究成果的基础上研究断层作用下隧道长度以及边界条件对隧道结构的影响，得出的结论和Kiani大致相同，同时发现在断层错动作用下引起分段式隧道的破坏会导致地表塌陷的形成。Sabagh等［42］利用离心机试验对有、无隧道土层中的断层破裂传播结果进行对比分析，表明断层破裂所导致的集中沉降会对连续隧道造成严重破坏。黄强兵等［43］对西安地裂缝活动所引起的地铁隧道受力变形机制进行了研究，发现衬砌开裂主要出现在位于下盘的隧道中。相反，陈宇龙等［44］得出了模型的断层破裂呈现“上盘效应”的结论，且与正断层相比逆断层的破裂范围更广。

2.2.2 砂箱模型试验

砂箱模型试验一般分为固定盘模型箱和错动盘模型箱两部分，采用固定盘保持静止不动，对错动盘施加边界条件来模拟断层的错动过程。并根据实际研究对象选择合适的实验材料和模型尺寸，通过改变应变量来观察模型的变形特征和破坏过程。

Lin等［45］研究隧道与断层走向相交情况下隧道工程在逆断层黏滑错动下的变形规律，但没有开展不同断层倾角逆断层黏滑错动作用下的隧道结构反应规律的研究，故刘学增等［46］开展了逆断层黏滑错动情况下倾角分别为75°、60°和45°时对公路隧道受力变形和破坏形式的影响，发现逆断层的倾角越小断层错动的影响范围越大，断层倾角为75°时，隧道衬砌结构的破坏模式主要为直接剪切破坏；当断层倾角为45°时，隧道的破坏形式以弯曲拉破坏为主。

刘学增等［47-48］通过物理模型试验得出倾角为45°、75°时正断层黏滑错动作用下对公路隧道的影响特性，发现正断层错动作用下，隧道结构会产生较大的位移，同时随着断层发生位错量的增加，断层破裂带附近所受围岩压力变化较为显著，且隧道存在脱空段。事实上，黏滑断层错动的物理模型试验加载速度较慢，不能准确模拟出断层错动的实际情况，进而对研究隧道结构受力及反应规律都有不利影响，而且目前物理模型试验装置尺寸都较小，而实际断层错动对隧道结构的影响范围较大。孙飞等［49］为了改善此前物理模型试验中存在的不足，设计了模拟隧道穿越活断层的大比例、宽控速模型试验装置，以乌鲁木齐市轨道交通1号线地铁区间隧道穿越九家湾断层为工程依托，开展倾角60°正断层错动下地铁隧道结构响应规律的大型砂箱试验。发现在断层错动情况下，近断层面处的上盘拱顶及下盘仰拱出现明显的围岩压力减小，上盘破坏范围明显要大于下盘。Yan等［50］采用砂箱模型试验研究正断层作用下铰接隧道的损伤特性，发现衬砌节段间接头的调节可以有效减小隧道结构受拉损伤的长度。

在对走滑断层的研究中，肖至慧［51］通过研发大型走滑断层模型箱模拟走滑断层错动下砂土内隧道的变形特征，监测试验中土体的应力、变形以及隧道的水平位移，发现隧道主要在破裂带附近发生弯曲破坏。这与刘学增进行的物理模型试验得出的结果相符。王鸿儒等［52］研究了走滑断层黏滑错动下隧道损伤机理及破坏特性，因此在进行物理模型试验时，通常将断层破碎带简化成为一个无厚度的接触面，而断层破碎带是伴随断层错动面天然存在的。所以王鸿儒等的研究增设了断层破碎带这一要素，自主研发了模拟不同破碎带宽度的跨断层隧道剪切箱，使该物理模型试验的边界条件更接近真实原型场地条件，发现隧道变形主要发生在断层破碎带区域，随着距断层破碎带的距离增大，变形逐渐减小。

综上所述，与理论分析及数值计算方法相比，物理模型试验在描述结构和材料的破坏过程、极限破坏形态等非线性破坏特征方面具有独特的优势。但物理模型试验过程中也存在不确定因素，比如由于基岩断层的位错量以及断层在土体中的传播模式不清楚，所以难以确定隧道部位的断层位错量，从而仅仅依靠物理模型试验很难进行定量分析。同时，各类岩体在形成过程中经历的复杂的地质作用，断层结构复杂多变，具有复杂的边界条件，物理模型试验并不能有效地模拟这些复杂的实际情况。

2.3 数值模拟

因理论分析方法和物理模型试验都有自身的局限性，难以反映实际工程问题，而数值模拟方法在施加边界荷载和数据采集方面展现了极大的优越性，故而随着计算机技术的兴起数值模拟技术也得到了长足发展。数值模拟方法是根据土体力学性质建立有限元模型进行分析计算的一种方法，主要包括有限元模拟法、差分法和有限体积法等。常用来数值模拟的软件有ABAQUS、ANSYS、FLAC-3D、UDEC等。

（1）正断层

Anastasopoulos等［53］使用有限元软件对在正断层作用下深埋隧道的反应特性进行了研究，首次提出了研究断层错动对隧道工程的影响时，应考虑断层破碎带的位置以及断层位错量的变化。熊炜等［54］使用MSC.Marc软件研究了正断层倾角、错动量、隧道走向与之不同交角对公路山岭隧道的变形影响，将衬砌材料按完全弹性考虑，但是弹性不能很好地反映衬砌的损伤情况。汪振等［55］改善了这种不能反应衬砌损伤的情况，将黏性界面单元嵌入断层破碎带中来模拟断层的破裂过程，隧道衬砌结构的本构模型选取混凝土损伤塑性模型，研究了不同断层倾角下正断型断裂对山岭隧道的影响，发现断层倾角越小对隧道衬砌结构破坏越大。

因目前针对断层错动对隧道影响的研究均集中在隧道的受力、变形、损伤情况等方面。而对上下盘错动造成地铁隧道的具体影响范围鲜有研究，对相关结构设防参数的可靠性也尚未进行针对性的分析验证。基于此，孟振江等［56］引入有限元模拟软件GTS研究了正断层作用下地铁隧道的变形特征，通过分析不同位错量引起的隧道变形特性，得出了隧道遭到破坏的临界位错量，确定了地铁隧道在与断裂带交汇区域的最小纵向设防长度。

（2）逆断层

Chang等［57］使用二维离散元法研究了不同倾角下逆断层错动在上覆土层中破裂轨迹的传播规律。Baziar等［58］采用二维有限元方法研究逆断层错动作用下埋于上覆土层中的隧道的反应规律，发现隧道的存在会影响逆断层的破裂传播路径。焦鹏飞等［59］分析在逆断层错动作用下隧道衬砌结构的受力变形情况，发现断层错动对上盘内隧道的影响范围要远远大于下盘内隧道，这与正断层错动下隧道的影响范围规律相同，且断层对隧道衬砌影响范围不受错距大小的影响；同时发现逆断层错动作用下，隧道边墙处为最不利位置，随着错距的不断增加，隧道衬砌发生剪切破坏。

目前大多针对隧道与断层走向垂直的工况，对于隊道轴线与活动断层平行情况研究较少，且缺少对于隧道避让断层的安全距离的研究。所以陈之毅等［60］运用有限元软件ABAQUS模拟了不同隧道位置在隐伏逆断层错动下的反应特征，并探讨隧道与断层走向平行情况下的避让距离，发现位于下盘的隧道，应与断层保持30m 以上的安全距离。赵伯明等［61］利用有限元软件FLAC3D建立距离断层破碎带50m、100m、150m的隧道结构，通过在左右两盘上各施加一定的速度荷载来分析断层错动达到0.28m时隧道的变形特性，确定隧道与断层之间的避让距离为150m。

（3）走滑断层

赵颖等［62］采用拟静力有限元计算方法，确定地铁隧道在走滑断层作用下的非线性反应规律。在数值计算中加入合理的损伤塑性本构模型，建立了判断隧道结构损伤范围以及损伤严重程度的关系式，发现隧道拱腰处损伤最为严重；且增加基岩上覆土层厚度可以有效降低隧道结构的损伤程度。王琼等［63］基于有限元和拟静力法研究走滑断层错动下逐步增加断层错距过程中隧道衬砌各部位的变形特性，发现隧道在走滑断层错动量小于20cm时处于正常状态，随着错动量逐步增加边墙最先破坏，其次是拱顶。

走滑断层错动对隧道工程的影响因素增加了断层破碎带宽度、隧道与断层走向交角的情况。林克昌等［64］采用大型有限元软件ABAQUS研究了走滑断层错动作用下，断层破碎带宽度为0m、20m、40m时对跨断层岩体隧道错动反应特性的影响。计算结果表明：随着断层破碎带宽度逐渐增加，衬砌剧烈变形的范围逐渐增大，但其量值逐渐减小，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。汪振等［65］以断层破碎带宽度和隧道与断层交角为分析参数，研究走滑断层错动下隧道的关键截面变形特征。研究发现：穿越角度为45°时，截面的变形模式为水平椭圆，而穿越角度为135°时，截面的变形模式为直立椭圆；随着断层破碎带宽度的增加，位于断层破碎带处的隧道结构变形逐渐减小，尤其是当断层破碎带宽度大于两倍的隧道外径时，断层破碎带处的隧道变形较小。

综上所述，断层倾角、位错量、断层走向与隧道交角、断层破碎带宽度都对断层附近的隧道工程产生重要影响。正断层错动作用下，隧道的破坏形式以拉张-挤压与剪切结合居多，而且隧道拱顶和拱底是受力比较大的区域，属于较为薄弱的部位；逆断层错动作用下，隧道的破坏形式以剪切破坏居多，隧道边墙属于较为薄弱部位；走滑断层错动作用下，隧道的破坏模式以拉裂破坏居多，且隧道边墙首先受到破坏。关于断层破碎带宽度的影响只有走滑断层进行了相关研究，要开展正断层和逆断层作用下断层破碎带宽度的影响研究，与正断层进行对比分析，得出不同断层错动作用下破坏形式的共性和差别，以便有针对性的采取抗断措施。

数值模拟方法可以很直观地模拟出隧道结构在各种因素作用下的破裂形态，较之理论研究和试验研究展现了很大的优越性，有助于研究断层错动造成隧道变形的发生机理。然而数值模拟对材料本构参数以及网格划分合理性的依赖性很大，材料本构选取和网格划分的不同，往往导致相差很大的计算结果。而且目前数值模拟大多是研究给定位移情况下隧道结构的变形，这种计算方法不能充分体现出土体和隧道结构之间的相互作用，对于断层破裂传播的开始与停止不能很好地进行定量研究，所以还需要挖掘更好的方法来模拟断层错动的过程。

3 抗断措施研究

大量的工程案例表明断层错动对隧道工程造成的危害是巨大的，设计一定的抗断措施降低危害是非常必要的。目前虽然还未形成系统的抗断错技术理论，但是现在的工程建设中，已经逐步形成并应用一定的抗断经验措施。目前应用最广泛的是一种活断层区内隧道柔性衬砌设计方法［66-70］。主要实施方法是将断层区域内的隧道衬砌结构分成不同长度的节段，通过在各节段中设置刚度较小的柔性结构，此柔性结构可以使得相邻节段中的衬砌结构发生相对滑动，从而减小因断层错动对隧道结构造成的影响，可以很大程度上减小衬砌开裂和变形程度。该抗断措施应用于穿越活动破裂带的土耳其公路隧道中，证明可以很好地提高跨断层隧道的抗错性能。邵润萌［71］通过数值模拟研究证明了设置变形缝可以减小隧道内部的变形，当隧道受到较大位错的时候，可以通过变形缝之间的相对位移来减小隧道受到的破坏。同时她还发现增加隧道衬砌结构的厚度并不能对隧道的抗错性能有提升作用。针对不同变形缝间距对隧道抗错断的影响，李学锋等［72］运用数值模拟研究了变形缝间距对跨断层隧道内力与变形的影响，通过分析不同节段长度隧道在断层作用下的围岩应力变化和塑性区发展趋势，得出合理的变形缝间距。研究结果表明，变形缝间距越小，隧道整体柔性越大，更有利于隧道的抗错断。

赵坤等［73］通过正交试验研究衬砌节段长度、柔性连接宽度、柔性连接材料强度3种抗错断措施的“铰接设计”最优化组合，发现无论何种铰接参数组合，均能够较大幅度地减小由于断层错动作用引起的衬砌内力。王道远等［74］通过研究发现采取减错层和交错设缝相结合的方法可以有效地降低断层错动对衬砌结构的影响。然而选择何种抗断措施，还应综合考虑其地质情况、施工水平、工程概况等，选择合理的“铰接设计”因素，从而达到最优抗错断效果。

通过总结以上各种关于隧道衬砌结构的抗断措施，可以发现，专家们普遍认为目前最为常用的应对措施为设置柔性连接段，但是对于连接段长度以及材料性能的选取，尚没有可供参考的设计规范，仍旧是依赖工程经验，还是需要综合考虑工程场地的实际情况比如地质概况、断裂活动形式、隧道开挖大小来确定合理的连接参数。目前国内没有完整可靠的跨断层抗震设计规范，也没有关于穿越活动断层隧道抗震措施的有效性验证分析。基于此，可以采用统计分析方法对已有的隧道震害现象进行归纳总结，通过建立断层错动形式、隧道震害特征、数量等数据库，分析跨断层隧道震害的共性以及个性，为分析跨断层隧道变形特性以及抗断措施提供最可靠的资料。

4 结论

本文总结了断层错动对隧道工程影响的研究进展，针对其中存在的问题加以简要的分析与探讨。认识到隧道工程的抗断措施研究是工程建设中亟需解决的难题，而断层错动下的隧道工程的变形问题是进行抗断措施研究的重要一环。迄今为止，断层错动下隧道工程的反应特性取得了很大成就，但其研究方法仍然存在一定的不足，且相应的抗断措施尚不成熟。主要结论如下：

（1）理论分析阶段，探索了断层错动的发生机理，基于地震实例的统计分析方法确定了隧道工程的破坏特征，而统计结果的准确性取决于历史数据的质量。需要以现场调查和勘探为主要手段来完善现有的震例信息，积累可靠数据。

（2）物理模型试验可以很直观地观测出隧道工程的破坏程度，但是目前的物理模型试验都是基于均匀、弹性的假设，需要进一步的研究断层错动作用下隧道进入塑性的变形特征；同时物理模型试验难以模拟出实际场地中复杂的边界条件，以及存在诸如缩尺效应等影响因素，需要加强物理模型试验研究，以降低这些因素对试验结果的影响。

（3）目前的数值模拟研究对隧道工程破坏影响因素分析得较为全面，研究内容也很广泛，但仅考虑单一因素对隧道工程的影响，断层错动是个复杂的过程，需要综合多种因素的作用，所以需要研究多种因素耦合下隧道工程破坏情况；对于深埋山岭隧道的研究还需增加地应力和围岩性质的影响。

（4）目前普遍认为设置柔性连接段是较为合适的隧道抗断应对思路，但应用于实际工程中的技术尚不成熟，且在量化抗断措施方面研究较少。量化抗断措施的研究有利于结合不同工程实际有针对性的降低隧道工程震害，所以需要增加抗断措施的量化研究并完善相关法律规范。