跨斷層隧道結構地震響應研究綜述

康海波，萬志強，趙剛應，張 乾

(1. 四川路橋建設股份有限公司公路隧道分公司，四川成都610020；2.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川成都 610031；3. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

在強震作用下，地下建筑產生明顯的損壞，例如阪神地震(1995年)、集集地震(1999年)和汶川地震(2008年)等，在強震地區都造成多座隧道產生明顯的破壞。

在山嶺地區進行隧道選線時，不可避免要穿過斷層，由于斷層破碎帶的存在，隧道受地震作用產生的破壞更加明顯，隧道破壞程度擴大。例如1952年在美國加州克恩郡發生6.4級地震，在地震區域有4條穿越白狼斷層的隧道遭受嚴重破壞，6號隧道襯砌斷裂；5號隧道拱頂出現明顯坍塌；4號隧道的邊墻移動距離達60cm；3號隧道邊墻混凝土擠壓破碎[1]。1978年發生于日本的伊豆尾島地震，造成橫跨斷層的Inatori隧道二襯開裂明顯、鋼筋斷裂、隧道頂部發生混凝土大量掉塊現象，隧道整體變形嚴重[2]；2008年汶川地震，龍溪隧道在跨越斷層段出現多處襯砌塌落、異位，且隧道道周邊出現多條裂紋[3]。綜上可見，跨越斷層隧道在地震時易損壞性較高，因此開展對跨斷層隧道的震害機理以及抗震技術的研究具有重要的意義。本文整合國內外研究成果，介紹國內外跨斷層隧道震害形態，總結跨斷層隧道結構震害影響因素研究、穿過斷層隧道抗減震問題和振動臺模型試驗的研究進展。最終對地震時，跨越斷層隧道需研究的要點做了展望。

1 跨斷層隧道震害特征以及受隧道震害影響的因素研究

在以往的研究過程中一向以為地下結構的抗震能力要高于地面結構，但是在多次實際地震中，地下結構受地震的影響成為不可輕視的一個問題，了解在地震下跨斷層隧道的震害特征是解決隧道抗震問題的關鍵，歸納以往國內外跨斷層隧道的震害形態，見表1。

通過研究國內外跨斷層隧道地震響應發現，跨斷層隧道產生震害有兩部分原因，一是由于地震對隧道產生的震動破壞；還有由于斷層對隧道造成的剪切破壞，在隧道建設過程中，應了解跨斷層隧道震害影響因素有哪些，以便做出應對措施，在影響跨斷層隧道震害因素方面，學者主要從隧道埋深、圍巖等級、斷層寬度、斷層傾向、斷層滑動方式以及斷層與隧道的位置關系等方面進行研究。

表1 穿斷層山區越嶺隧道的震害特征

1.1 斷層傾向因素

在單獨改變斷層傾向下，發現斷層的傾角越小，隧道支護結構的位移和內力值越大，在隧道線路比選過程中應考慮與斷層呈大角度相交。朱長安等[4]以現實工程為依托采取反應時程分析方法，同時基于土-結構相互作用理論，分析了在震動作用下，跨破碎帶隧道縱向圍巖穩定性受斷層傾角的影響，得出在地震作用下，跨斷層隧道圍巖拱頂以及拱腳為抗震薄弱部位，且斷層的傾角越小，隧道結構安全性越小。劉凱[5]通過數值模擬，分析斷層傾向不同時，隧道支護結構的加速度、位移以及應力響應規律，研究結果表明隧道拱頂以及拱腳是抗震相對薄弱環節，斷層傾角變化的范圍隧道支護結構的頻譜特性和應力分布發生變化，特別是大主應力的時程規律。

1.2 斷層寬度因素

在斷層寬度對隧道震害影響方面，一定寬度下，斷層寬度越長，引發隧道襯砌位移和內力的極值越大，但當斷層破碎帶范圍增加到一界限值的時候，破碎帶引發的振動效應并不顯著，可以看出斷層破碎帶范圍對隧道震害的影響在一定程度上還受斷層傾向、隧道深度等因素的影響。劉凱[5]通過數值模擬，分析斷層寬度不同時，隧道襯砌結構的加速度響應、位移響應以及應力響應規律，研究結果表明斷層寬度的改變影響了斷層范圍內隧道支護結構的頻譜特性和內力的分布特征，尤其是最大主應力的發展規律，且斷層寬度增加，隧道震害越明顯。張偉[6]通過對汶川地區震害的調研，通過數值模擬分析非滑動斷層的震害原因，主要研究了破碎帶范圍對隧道支護結構震害的影響,提出了影響因素變化規律，結果表明破碎帶范圍越大，會使得受斷層影響的隧道支護襯砌范圍和受力極值變大。

1.3 圍巖性質因素

隧道作為大跨度地下空間結構，隧道穿過地層的圍巖性質具有差異性，當跨斷層隧道圍巖性質較差時以及地層圍巖性質呈現較大的不均勻性時，在地震時會對跨越斷層隧道產生較大的破壞。李天斌[7]等對汶川地震中發生震害的斷層隧道進行現場調查、收集資料與分析，得出隧道震害受圍巖質量的影響，隧道內產生的震害主要集中在圍巖質量差和地層前后差異較大的位置。因破碎帶圍巖質量差，在震動時對支護結構的約束性小，所以該處受震害嚴重。錢七虎[8]提出在隧道縱向抗震方面，當隧道深度大和周圍地層復雜多變時，圍巖性質存在很大的不均勻性，當隧道受到地震等突變荷載作用下，隧道縱向支護結構將產生不連續的三維形變，使隧道發生損壞，尤其是在隧道穿過活動斷層軟弱破碎帶和在高地應力條件下容易出現震害。影響跨斷層隧道震害方面較多，不同影響條件對跨斷層隧道造成的震害效果不同，周旭東[9]借助灑家埡隧道開展數值分析來探討跨越斷層隧道結構內力響應的特征，在數值模擬軟件中來對比分析不同的斷層寬度、傾角和圍巖質量，并借助安全系數法對支護結構安全性進行評估，最后用敏感性對這3個方面對隧道的影響進行了研究。得到3個方面的敏感性的強弱從大到小順序為斷層的寬度、傾角和圍巖質量。

綜上所述 ，斷層破碎帶的寬度、角度以及圍巖質量變化大的區段對跨斷層隧道震動動力響應有重要影響，且在地震作用下，跨斷層隧道圍巖拱頂以及拱腳為抗震薄弱部位，總的來說對斷層隧道震害因素方面，目前研究方法較為廣泛，分析內容也較為全面，但研究支護結構受斷層錯動方位的影響，以及分別分析隧道支護結構的震害因素受斷層發生錯動與不發生錯動的影響研究不多，并且較少研究斷層受地震動非一致性激勵作用下對隧道襯砌結構的影響。

2 穿越斷層隧道抗震問題研究

研究跨斷層隧道抗震問題，是隧道安全運營的保障，依據地下結構的振動特性，跨斷層隧道抗減震措施的設置思路有兩點：一是提高自身的抗震性能；二是減少地層傳遞至結構的地震能量。需要達到三個方面的效果：

(1)降低加速度放大系數和位移大小，減少支護結構受到圍巖震動后造成較大的壓力而產生開裂。

(2)設計使襯砌結構能夠和地層發生共同變形，減小受到的地層壓力。

(3)在圍巖與支護結構間設置緩沖層，減弱兩者的相互作用，減小轉移到支護結構上的荷載。同樣的，緩沖層還消耗了一些震動輸入的能量，減弱了其對隧道支護結構的影響，以獲取減震的效果。

2.1 圍巖注漿加固

圍巖通過注漿加固改變圍巖質量可以達到提升圍巖整體性和增強隧道抗震能力的效果，鄭清等[10]通過對三種注漿加固方式全環間隔式、全環接觸式和局部式(圖1)，對比分析三種注漿方式對隧道支護結構的抗震效果，得出不同地層下，這三種注漿方式的受力變化規律，提出采用全環間隔式的注漿方法能大幅度提升隧道支護結構的抗震能力。唐垠斐[11]借助對歷來隧道穿斷層段的震害做了詳細的統計與研究，并依靠摩崗嶺隧道開展室內實驗與建立數值模型分析，為分析注漿加固對跨斷層隧道的抗、減震方法效果，分別建立計算模型，得出注漿層厚度的增加和設置抗震縫后，隧道襯砌加速度響應峰值、應力響應均明顯減小，并且提出結合多樣抗、減震方法其效果要好于單一措施的結論。

圖1 注漿加固圍巖方案

2.2 設置減震層

在地下工程結構布置減震層是將隧道支護結構與相鄰圍巖之間布置特殊材料或將支護結構以外一段距離內的巖體力學特性，并適當調整減震層的剛度，以實現減少隧道支護結構受力的目的。減震層既可布置在圍巖與支護結構之間也可布置在初支與二襯中間，通過減震層將支護結構與圍巖介質隔開，以此來減少或改變地震能量對支護結構輸入方式。隧道支護結構減震層的實際效果與其強度、厚薄、長短以及空間布置等方面息息相關。王永剛等[12]采取人為制造地震動，大幅度降低了地震加速度的作用時間；通過有限元數值模擬研究在布置不同數目減震縫工況下的隧道震動響應，得到布置3條減震縫的減震效果最好。劉洋[13]以某地鐵項目，分析了在由不同寬度和邊界條件組合下各工況的計算模型，結論為合理模型寬度應為6倍開挖直徑和粘性邊界條件；并分析了地鐵隧道的減震措施距離斷層的安全距離應為100 m的結論。胡輝[14]借助室內模型試驗和數值模擬對跨越活動斷層隧道的抗震結構開展了分析，制定了符合規定的隧道跨越活動斷層帶的室內試驗方法，其次分析了布置不同距離減震縫工況下的隧道震動反應特點和進一步擴大隧道斷面并布置縱向減震縫工況下的隧道支護結構的響應特點；最終還提出了一種橡膠支護，一種作為新型的有效的隧道抗震結構措施。王林輝[15]經過數值軟件分析，對比得出了跨斷層破碎帶隧道在不同減震層布置方式下的減震效果，最后得到了將減震層布置在二次襯砌和初次支護之間成效最好，減震層縱向長度越長對隧道抗震程度的提高越大，和在跨斷層情行下推薦采取低強度泡沫混凝土的方法。靳宗振[16]從氣動動力學方面切入，借助其瞬變壓力的理念，指出隧道震動反應的分析指標“瞬變內力”，然后依據瞬變內力的理念，判斷跨斷層隧道在震動突變荷載下的最危險的位置為墻角，其次是拱腰；并研究一種柔性連接方式與減震層相聯合作用下的減震效果。隋傳毅等[17]借助室內振動臺試驗，得到在布置減震縫情況下，雖然跨斷層隧道的支護結構的內力可以減小，但在水平方向上的位移會有所增大，導致發生相對滑動；內外管套的減震設計方式，在震動突變下，外層管套會產生與不設防狀況下類似的損壞，但內層管套損壞較小的結論。

2.3 隧道截面擴挖

隧道支護結構擴挖截面設計是依據地震引發斷層的最大概率錯位值，以此確定隧道截面的擴張范圍。地震之后，擴張的隧道截面可確保截面的凈空面積，包含隧道支護結構的各種不連續變形。李鵬[18]依據嘎隆拉隧道工程，研究了3種隧道跨斷層的減震設計，即超挖、鉸接和隔離消能，文章通過建立計算模型分析了鉸接設計的方法與減震效果。李林[19]借助振動臺模型試驗，分別分析了地震動參數不相同下的跨斷層隧道的內力變化規律，得到了跨斷層帶優化的減震組合方法；依托穿高黎貢山斷裂帶實例，研究了相關減震方法及其參數；得出了在穿斷層隧道兩側布置減震措施的最佳范圍。

綜上所述，在跨斷層隧道抗震問題研究方面，研究人員采用數值模擬以及模型試驗的方法，結合實際工程實例，對比研究相關抗震措施對隧道結構的影響，但在量化抗減震措施方面研究較少，盡管地震具有不可控性以及巖土體的不確定性，但我國隧道斷面形式較為統一，且隧道建設集中在地質條件相近的區域較多，所以通過量化抗震措施的研究有益于有針對性的設置和保護隧道結構。

3 穿越斷層隧道振動臺試驗研究

振動臺可以很好地模擬真實地震過程，更接近真實地震情況，是研究隧道震動響應效果最好的手段，如果處理好振動臺試驗各個環節，并且制定合理縝密的試驗方案，可以得到可信度較高的結論，現在對跨斷層隧道振動臺試驗的分析較少。通過振動臺試驗，分析跨斷層隧道動力響應規律，方林等[20]進行了穿斷層隧道在不同震動方向下的相關試驗，研究了隧道動力響應規律和特征。結果表明：震動波在巖體中的傳播在一定程度受斷層的減弱。易誼[21]分析了在單向脈沖型震動作用下的隧道受力變化規律，并得到數值軟件模擬結果的證明，針對隧道支護結構，橫截面上的拱頂區域是減震預防的重點，對于隧道處于邊坡較高地段由于震動的擴大效應，應給予充分重視。

在跨斷層隧道在地震作用下隧道結構破壞形態以及減振措施的抗震效果方面，耿萍等[22]開展了布置減震層的跨斷層破碎帶隧道振動臺室內模型試驗，研究結果表明：減震層可以減少襯砌結構的受力，提升結構在地震中的穩定性。信春雷等[23]利用振動臺室內試驗分析了跨斷層隧道在斷層發生錯動和強烈地震一起施加下支護結構反應與損壞模式。結果表明：在隧道支護結構上布置減震縫能夠有利于減少結構的受力和變形。何川等[24]對穿斷層隧道的受力及破壞模式開展了振動臺模型室內試驗，發現穿斷層區段隧道支護結構的破壞大部分是發生錯動和各種形式的開裂。王崢崢[25]通過室內試驗，分析了穿斷層隧道在人為輸入地震波下的受力變化規律、破壞模式和抗震效果。

綜上所述，對跨斷層隧道振動臺室內試驗，前提條件都是在一致地震激勵下研究支護結構的響應，且大部分僅討論了斷層與地震波相互作用，都未考慮到震動斷層對支護結構的危害，并且忽略斷層中的地質構造對隧道結構震動響應的影響。

4 結論與展望

本文對穿斷層隧道震動響應的研究主要有3個方面，即跨越斷層隧道震害特征以及對隧道震害影響因素、跨斷層隧道抗震措施以及振動臺試驗進行探討。在已發生的多次大地震實例中，跨斷層隧道具有極大的脆弱性，然而在實際的隧道建設過程中，不得不需要穿過斷層，所以對跨斷層隧道支護結構的抗震能力有更高的需求，需要全面和進一步的研究，筆者認為在以下幾個方面需要進一步探討分析：

(1)對跨斷層隧道震害案例可以逐步深入分析，對已有的隧道震害現象進行歸納總結，通過搭建地震等級、隧道震害特征、數量和具體信息等數據庫，新的破壞現象在具有明顯不同才可增加至數據庫，挖掘穿斷層隧道震害的共性以及個性，為分析跨斷層隧道地震機理以及減震措施提供最可靠的資料。

(2)對穿斷層隧道進行在地震激勵下隧道支護結構的破壞機理研究，研究非一致震動、斷層傾角、寬度等對隧道支護結構破壞的影響，研究總結在地震施加下，穿斷層隧道支護結構的破壞模式和主要特點。

(3)振動臺模型試驗可以很好地模擬實際地震情況，是檢驗理論成果的可靠方法，但當前對穿斷層隧道地震振動臺試驗分析較少，隧道作為大跨度空間結構，又不得不需要穿越斷層，因此對穿斷層隧道振動臺試驗的研究是十分有意義的。