強震活動斷裂帶鐵路隧道建設面臨的挑戰(zhàn)與對策

何川，耿萍

（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）

1 強震活動斷裂帶隧道工程建設的挑戰(zhàn)與風險

隨著黨的十九大作出交通強國的戰(zhàn)略決策，基礎設施建設必將以更加迅猛的姿態(tài)在全國鋪開，隧道在交通工程中數(shù)量將越來越多、規(guī)模越來越大，地位也將越來越重要，大量建成和擬建的隧道工程將不可避免地位于我國地震活動頻繁、斷裂帶廣布的西南、西北、華北和東南沿海地區(qū)。

以川藏鐵路為例，工程區(qū)域地震活動強烈、大地震頻發(fā)，是影響工程安全的主要地質災害。據(jù)史料記載，發(fā)生7級以上地震至少22次［1］。參照《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，川藏鐵路沿線總體位于高烈度地震區(qū)，地震動峰值加速度≥0.2g占比53.57%。最大地震動峰值加速度為0.4g，主要集中在波密—林芝段（帕隆藏布）和康定—瀘定段（大渡河瓦斯溝段）［2］。

許多案例證明，穿越活動斷裂帶隧道震后會導致嚴重破壞。1906年美國舊金山發(fā)生8.3級地震，穿越圣安德烈斯斷層的水壩集水隧道震后局部錯動位移值達到240 cm［3］。1952年美國柯恩縣里氏7.5級地震，造成4座跨白狼發(fā)震斷層的鐵路隧道發(fā)生嚴重震害，其中隧道最大偏移量達到122 cm［4］。1999年中國臺灣集集地震造成36座位于近斷層區(qū)域的隧道發(fā)生嚴重破壞［5］。2008年中國汶川地震中，震區(qū)主要鐵路、公路隧道均不同程度受損［6］。其中處于龍門山斷裂帶內的龍洞子隧道出現(xiàn)洞身段環(huán)向錯臺、邊墻上部及頂拱二次襯砌塌落等嚴重震害（見圖1）；位于映秀大斷裂與龍溪斷裂之間的龍溪隧道，地震造成隧道上下相對位移達100 cm左右的錯動變形、襯砌拱部坍塌，導致隧道完全喪失功能［7］。

圖1 汶川地震隧道震害情況［6］

在穿越蠕滑斷裂帶方面，也有一些隧道采用了特殊處理，如美國加利福尼亞南部的克萊爾蒙特輸水壓力隧道穿越的Hayward活動斷層蠕滑量為4.5～6.4 mm/a，在隧道縱向每1.5 m設置1個0.3 m的剪切縫進行抗錯斷設計。高黎貢山隧道穿越的龍陵-瀾滄斷裂每年水平滑動速率為1.07～2.59 mm，隧道預留變形量35 cm以上，以滿足隧道限界和線形要求［8］。

總體來看，黏滑發(fā)震對穿越活動斷層隧道會造成局部邊仰坡地面開裂變形、洞門墻及洞口附近襯砌松動、開裂、滲水等，初期支護壓彎扭曲、膨脹變形侵線，二次襯砌開裂、錯臺、剝落掉塊、局部垮塌、上部拱圈整體掉落，仰拱開裂隆起、洞體垮塌等震害［9］。蠕滑斷層也會由于其逐年累積的位錯而破壞隧道結構，危及隧道正常運營。

2 活動斷裂帶場地蠕滑特性及場地地震效應

大型活動斷裂帶不同位置會表現(xiàn)出不同的活動方式［10］，具體活動方式與整條斷裂帶的活動趨勢有關。斷裂帶上斷層的活動方式主要與巖石材料的性質、賦存狀態(tài)、應變速率、破裂程度等因素有關。活動斷層從黏結到滑移的過程稱為黏滑，蠕滑則是無震狀態(tài)下的持續(xù)蠕動，前者由于其脆性斷裂過程會釋放巨大的能量引發(fā)地震，因此又稱為震源斷層或發(fā)震斷裂。

隧道工程在面臨多條區(qū)域性活動斷裂帶時，會受到強烈的地質作用和頻發(fā)強震的雙重考驗，對其設計建設和運營期間的安全保障提出了更高要求，因此首要任務是開展活動斷裂帶場地蠕滑特性和場地地震效應研究。

2.1 場地蠕滑特性

由于蠕滑斷層每年的錯動量往往較小，通常認為不會產生嚴重破壞，隨著觀測技術的進步以及越來越多跨斷層建筑結構的破壞，業(yè)內已逐漸認識到蠕滑斷層對跨斷層建筑結構的破壞影響不容忽視［11］。學者們針對蠕滑斷層的性質以及蠕滑斷層作用下隧道結構的力學行為進行了研究。張煜［12］建立了圍巖-斷層破碎帶-隧道的斷層蠕滑錯動三維有限元分析模型，得出斷層錯動距離，斷層傾角對隧道襯砌縱向不同部位的應力、位移、裂縫發(fā)展等均產生較大影響的結論。鄭宗溪等［13］通過大量資料調研，指出川藏鐵路穿越多個板塊縫合帶中蠕滑斷裂帶的累計位移效應會嚴重影響隧道安全性。

2.2 場地地震效應

當隧址區(qū)內廣泛分布活動斷裂帶時，斷層黏滑發(fā)震產生的近場地震動與遠場地震動對隧道的作用效果有較大不同［14］。對于近場地震動，許多學者開展了一系列有意義的工作。劉啟方、王海云等［15-16］對近斷層地震動的基本含義進行分析，總結了近斷層地震動的基本特征為近斷層地震動的集中性、地表破裂、地面永久變形、破裂方向性效應、近斷層速度大脈沖和上盤效應。賈俊峰等［17］統(tǒng)計分析了1952—1999年世界范圍內矩震級為M5.4～M7.6的18次地震1 009個臺站的豎向地震記錄，發(fā)現(xiàn)斷層距在0～40 km范圍內，大部分豎向與水平向加速度峰值比值大于一般抗震設計規(guī)范規(guī)定的2/3。賈俊峰等［18］根據(jù)近年研究成果，綜合總結了近斷層地震動方向性效應、滑沖效應、上盤效應和顯著豎向地面運動等主要特征及各自成因。

3 活動斷裂帶隧道響應分析方法及防控技術

3.1 活動斷裂帶隧道抗震分析方法

穿越活動斷裂帶隧道的靜動力響應受到斷層參數(shù)（如傾角、寬度、錯動速率、錯動方向、錯動量等）、地震動參數(shù)（如幅值、持時、頻譜特征、入射方向等）、隧道參數(shù)（如埋深、斷面形式、支護特征、施工工法等）及隧道與斷層的幾何關系等諸多因素影響。當隧道工程區(qū)域分布大量活動斷裂帶時，隧道會面臨強震頻繁、巖體破碎、地形地質條件復雜多變、隧道抗震設防要求高等問題，應對隧道進行橫斷面和縱向抗震計算。目前隧道工程抗震計算方法大體可分為靜力法、反應位移法和動力時程法。

（1）靜力法用于隧道橫斷面的地震反應計算，將結構的慣性加速度通過地震系數(shù)乘以結構自重作為地震荷載進行計算。該方法需要考慮的荷載包括：結構慣性力、上覆土柱慣性力、側向土壓力增量3個部分［19］。但工程實踐和震害調查分析發(fā)現(xiàn)，該方法計算結果與埋深關系密切，隧道埋深較小時計算內力低于實際值，且埋深越小，偏離越嚴重，會導致設計不安全。而隧道埋深增大到一定程度后，計算內力又偏大，且埋深越大，偏離越嚴重，導致設計過于保守（見圖2）。針對這一問題，何川、耿萍等［20-21］通過理論分析、振動臺試驗、數(shù)值模擬等多種手段，對隧道跨度、地震烈度、圍巖級別等參數(shù)敏感度進行分析，提出合理上覆地層等效高度的概念，對靜力法進行了修正（見圖3），研究成果在西部高地震烈度區(qū)大量新建鐵路/公路隧道、特高壓GIL長江電力隧道、汕頭蘇埃海底隧道、廈門地鐵海底隧道等水下隧道，以及地鐵、輸油/氣等多個行業(yè)的隧道中得到廣泛應用。目前研究成果已納入行業(yè)標準JTG 2232—2019《公路隧道抗震設計規(guī)范》和國家標準《盾構隧道工程設計標準（報批稿）》中。

圖2 3種抗震方法埋深與彎矩關系

圖3 修正靜力法計算簡圖［20］

若隧址區(qū)地形復雜，嶺谷高差巨大，則地表水平位移一般無法使用，同時，若隧址區(qū)地震觀測臺站較少，則較難獲得場地輸入地震動時程，可供參考的僅有地震區(qū)劃圖，由于修正靜力法僅需場地峰值加速度即可完成計算，參數(shù)容易獲取，計算簡便，故艱險山區(qū)隧道抗震計算可采用修正靜力法。

（2）縱向反應位移法基于彈性地基梁理論，假定沿隧道軸向地層位移為正弦形式分布，從而推出隧道縱向內力的解析表達式。傳統(tǒng)反應位移法通過假定地層位移分布進而求解隧道地震內力，理論嚴密，計算方便，應用廣泛，但只適用于均勻地層。

當隧道工程處于艱險山區(qū)時，區(qū)域內活動斷裂帶廣布，地層巖性混雜多變，不良地質和特殊巖土發(fā)育，縱向地層分布極為不均，傳統(tǒng)反應位移法不再適用。針對這一問題，何川等［19，22］提出縱向廣義反應位移法（見圖4），該方法核心為：將工程場地的加速度時程作為荷載輸入來獲取實際地層位移響應（見圖5），將位移時程施加在結構上進行擬動力計算。該方法在不過多增加計算時長的情況下提高了反應位移法的計算精度，極大地拓展了反應位移法的適用范圍，現(xiàn)已納入國家標準GB/T 51336—2018《地下結構抗震設計標準》、行業(yè)標準JTG 2232—2019《公路隧道抗震設計規(guī)范》和國家標準《盾構隧道工程設計標準（報批稿）》中，使非均勻地層中隧道縱向抗震問題得到較好地解決。

圖4 縱向廣義反應位移法計算模型

（3）動力時程法可以很好地適用于大型、重要、特殊的隧道結構，地形、地質條件變化較大的區(qū)段，以及需要分析隧道反應時程、頻譜特性、地震持時等因素的特殊情況。當隧址區(qū)內斷裂帶廣布、不良地質發(fā)育、斷層活動性強時，動力時程法可很好地適用于鐵路隧道抗震計算，且能達到較高精度。但對邊界處理、接觸關系、地震動輸入、本構模型等方面要求較高，前后處理及求解代價高。

3.2 穿越蠕滑活動斷裂帶隧道抗斷分析方法

圖5 隧道所在不同位置處地層位移時程分布

斷層蠕滑錯動作用下，隧道襯砌結構的開裂影響因素很多，如斷層蠕滑速率、蠕滑錯動方式、襯砌結構與圍巖之間的接觸屬性、襯砌結構與柔性部分的接觸屬性、混凝土非線性開裂屬性、混凝土損傷本構等［12］。

關于穿越蠕滑活動斷裂帶隧道抗斷問題，國內外專家學者進行了相關研究。Newmark N M等［23］最早建立了分析跨斷層埋地管道地震反應的簡化模型，假定在斷層作用下管道和土體沒有發(fā)生相對位移，但該方法忽略了管道的彎曲剛度和管-土相互作用。Gregor T等［24］采用2種數(shù)值分析模型研究了隧道在斷層錯動作用下結構的力學特性。劉學增等［25］研究了鏈式結構隧道在斷層錯動作用下的受力特性及塑性變形特征。邵潤萌［26］研究了不同的斷層錯動方式、斷層傾角、錯動距離、隧道洞徑大小對于損傷失效的影響效果。

何川研究團隊開展了斷層蠕滑作用下穿越活動斷裂帶隧道損傷方面的研究［12］，以高黎貢山隧道為研究背景，分析不同錯動距離、不同斷層傾角、不同襯砌節(jié)段長度等條件下隧道的應力、位移分布及裂縫損傷拓展過程等（見圖6—圖8）。研究發(fā)現(xiàn)：（1）隧道襯砌整體位移量隨著錯動位移量的增大而增大，且斷層蠕滑錯動對靠近上盤的襯砌位移影響更大，同時最大主應力主要出現(xiàn)在斷層蠕滑錯動發(fā)生界面前后10～20 m范圍內；（2）斷層傾角對于上盤內隧道結構位移最大值幾乎無影響，且傾角越小，拱腰以上部位最大主應力值越大；（3）柔性連接結構可顯著減小斷面的損傷區(qū)域面積，也可分散損傷區(qū)域，且節(jié)段長度在一定范圍內越短，消減量越明顯。

圖6 不同蠕滑錯動距離的位移分析、最大主應力分析

圖7 不同斷層傾角的位移分析、最大主應力分析

圖8 不同節(jié)段長度的最大主應力分布和拉致?lián)p傷

3.3 活動斷裂帶隧道抗震抗斷技術

隧道結構的抗減震技術從廣義上來說屬于結構控制技術的范疇。地表結構的結構控制技術已在實際工程中廣泛應用，但隧道等地下結構相關研究還距實際應用有較大差距［27］。目前隧道常采用的抗震抗斷措施有注漿加固圍巖、設置減震層、斷面擴挖設計、結構鉸接設計等。

（1）加固圍巖。圍巖注漿加固可改善斷層帶內巖土體的物理力學參數(shù)，減小斷層帶與較好圍巖段物理力學性質的差異，從而減小隧道結構由于不同段圍巖位移差引起的破壞。目前常用的3種圍巖加固方式為全環(huán)間隔注漿、全環(huán)接觸注漿和局部注漿［28］。

（2）鉸接設計。支護結構采用節(jié)段性的連接方式，使節(jié)段在斷層帶及其兩側一定范圍內保持相對獨立，剛度相對較小的柔性連接在剛性隧道節(jié)段間（見圖9），使斷層錯動引起的隧道破壞集中在連接部位或結構的局部，而不會導致結構整體性破壞。

圖9 鉸接設計示意圖

（3）擴挖設計。擴挖設計屬于被動設計理念，即隧道斷面的擴大尺寸取決于斷層可能的最大錯位量。在斷裂帶發(fā)生錯動或地震后，斷面的凈空面積可因擴大的隧道斷面得到保證，同時隧道結構的各種不均勻變形也可滿足，為后續(xù)修復提供空間（見圖10）。

圖10 擴挖設計示意圖

（4）設置減/隔震層。隧道與地下結構設置減震層是通過在圍巖和隧道襯砌結構之間設置減震材料，并適當調整這些材料的剛度，使隧道襯砌結構的動力響應減小，同時柔性的減/隔震層還可拓寬結構位移面。設置減震層的基本構想是使原有的襯砌-圍巖系統(tǒng)變?yōu)橐r砌-減震層-圍巖系統(tǒng)。在襯砌與圍巖介質之間設置減震層，從而減小或改變斷層錯動或地震波對結構作用的強度和方式［29］。

（5）穿越活動斷裂帶“自適應”隧道結構體系。該結構由何川研究團隊設想提出，用于穿越蠕滑斷層。根據(jù)地質條件、斷裂構造特性、活動速率及斷裂帶幾何形變關系等因素，設置剛性抗錯斷結構體系（剛性二襯）和柔性結構體系（柔性初期支護和柔性隔斷層），柔性結構體系用于吸收斷層蠕動位移，剛性體系主要用于承擔部分斷層錯動作用和維持隧道線型（見圖11）。

圖11 “自適應”隧道結構體系示意圖

4 思考與建議

活動斷裂帶除了強震和蠕滑問題外，還面臨著高壓突涌水、高溫熱害等問題，這些都將嚴重影響長大鐵路隧道工程的建設及運營。鑒于穿越活動斷裂帶隧道建設重難點及目前研究存在的不足，提出以下研究建議。

4.1 活動斷裂帶形變幾何關系預判及場地地震效應

活動斷裂以一定速率持續(xù)不斷地蠕滑，地震時更將產生強烈錯動。活動斷裂帶不同的變形方向、變形量值對隧道結構的影響程度不同，相應的工程措施也各異，為了滿足結構安全及鐵路隧道線形的雙重要求，開展活動斷裂帶類別，幾何形變方向、大小及影響范圍的預測和判別顯得尤為迫切。同時穿越斷層帶發(fā)震產生的地震波傳播特性、多斷層帶之間的相互作用以及綜合考慮地震波反射、透射特征，結合地震波傾斜入射、山體幾何形態(tài)、山體臨空面等作用下地震波傳播模型的理論解析與深部黏滑錯動至隧址處的映射關系等研究還存在不足，難以實現(xiàn)隧址區(qū)準確的動力輸入。

4.2 隧道受荷釋能模式及抗震抗斷防控體系

活動斷裂強震與蠕滑作用下隧道災變行為極為復雜，應加強對活動斷裂帶隧道損傷機理、性能演化和致災模式的認識，為隧道破壞判據(jù)與安全狀態(tài)評價方法的構建提供理論支撐。有待開展考慮不同荷載作用的成災條件、致災模式、災害與防控間映射關系等條件下的穿越活動斷裂帶隧道安全控制理論研究，構建和完善隧道隔震抗斷控制技術及結構變形自適應設計方法，確保隧道在斷層長期蠕滑作用下的正常使用功能，以及遭遇瞬時地震作用時不至產生嚴重破壞。

4.3 工程場地效應耦合斷裂帶活動效應

穿越活動斷裂帶隧道在受到斷層錯動、地震、高地應力、軟巖等因素的影響時，極易發(fā)生大變形，尤其是非對稱大變形，對隧道危害巨大，因此有必要開展高地應力環(huán)境與活動斷裂帶蠕滑效應耦合作用下隧道結構受力特性研究；同時不同烈度地震下，高地應力活動斷裂帶內隧道地震動力響應不同，隧道結構受損程度、破壞模式以及震害影響因素也值得高度重視。

4.4 活動斷裂帶地下水運移機制及突涌水預測防控

目前關于高壓水賦存規(guī)律及災變機制的研究多集中在突涌水災害致災構造模式分析與隧道開挖后的滲流場演變規(guī)律方面，對深大斷裂帶地下水系統(tǒng)結構特征、賦存特征等方面缺乏系統(tǒng)性研究，對高海拔地區(qū)地下水的補給、流通路徑以及儲存空間等方面的認識有待深化，同時對于高地溫、高應力、高水壓交叉耦合作用下突涌水致災機制的研究較少。另外，在高水壓、高應力條件下防排水材料與結構的失效模式，以及多場耦合作用下穿越深大斷裂帶地區(qū)隧道突水預測理論和控制方法兩方面還有待開展深入研究。

4.5 活動斷裂帶地熱賦存與耦合傳熱機制及熱害防控

關于活動斷裂等復雜構造地熱賦存與溫度場分布等研究大多未考慮巖體擾動后隧道溫度場的重構機理；高熱環(huán)境下隧道結構的研究多集中于宏觀且單一的材料力學性能上，在高地熱條件下界面力學變化特性及微觀顆粒的搭接變化規(guī)律有待深入；關于高地溫支護結構特性的研究以現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬為主，應綜合考慮高地熱對結構性能劣化方面的影響；目前對于高地熱環(huán)境的壓制技術多處于被動狀態(tài)，在熱環(huán)境控制與人體生理機能的關聯(lián)性研究有待深入，川藏鐵路高地熱結合高原氣候的隧道熱害防控尚待展開。

5 結束語

通過大量文獻調研，闡述強震活動斷裂帶鐵路隧道建設面臨的風險及挑戰(zhàn)，同時針對活動斷裂帶蠕滑特性、場地地震效應、抗震抗斷計算方法、抗震抗斷措施等方面研究成果進行系統(tǒng)梳理與總結，可為相關鐵路隧道工程建設提供一定技術支撐。鑒于當前鐵路隧道面臨深大斷裂帶的強活動性及與工程場地效應的強耦合性，基于團隊的研究成果及思考，提出穿越活動斷裂帶長大隧道仍需突破的重難點研究內容和相關研究建議。