通過活斷層區隧道抗震研究綜述★

趙 穎 林曉東

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.哈爾濱學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

通過活斷層區隧道抗震研究綜述★

趙 穎1林曉東2

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.哈爾濱學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

介紹了隧道震害的主要表現形式，對隧道震害成因進行了詳細分析，總結了通過活斷層區隧道的理論和試驗研究現狀，為跨斷層隧道的抗震設計、施工及安全性評價提供了參考依據。

活斷層，隧道，震害，抗震

0 引言

我國處于活動期的斷層分布較廣，有許多大中城市均遭遇過強烈地震的襲擊，地震發生的頻度高、強度大，造成的災害嚴重。活斷層是指在近期地質時期有過活動、現今持續活動，在不遠的將來有可能重新活動的斷層[1]。活斷層錯動引發的地震不僅能夠使覆蓋土層地表產生永久的位移，而且還會產生強烈的震動，對于穿越斷層的建筑物以及地下結構等產生不可修復性的破壞。GB 50011—2010建筑抗震設計規范[2]中規定，為了防止地震時斷層錯動而引發結構破壞，建筑物的選址應避開活斷層。由于隧道工程線路走向取決于交通功能的要求，因此導致越來越多的區間隧道不可避免的穿越地震斷層，斷層錯動會對隧道等地下工程產生災難性的、不可恢復的破壞，甚至會導致結構的整體坍塌[3，4]。1971年，美國圣佛南都發生6.4級地震，鄰近SantaSuzana斷層和Sylmar斷層處的隧道破壞最為嚴重，最大垂直位錯量為229 cm。1995年日本阪神發生7.2級地震，建于花崗巖中總長度為16 km，穿越多條斷層的六甲隧道破壞最為嚴重，拱肩襯砌出現多條裂縫，洞口開裂破損。2008年汶川8.0級地震，處于F3和F2斷層之間的龍溪隧道因斷層錯動形成了1 m左右的豎向錯動變形，導致襯砌拱部塌落[5]。我國對于地下結構抗震方面的研究與美國、日本等國家相比相對滯后，到目前為止，還沒有建立一套比較完整的地下結構抗震設計規范，尤其對于通過活斷層區隧道抗震方面的研究還比較缺乏。因此，針對通過活斷層區隧道等地下結構的抗震問題的深入研究意義重大。

1 隧道震害成因分析

隧道震害主要表現為[5，6]：洞口被崩塌落石、山體滑坡堵塞，洞口段襯砌開裂剝落掉塊甚至坍塌，洞口處的邊仰坡支護開裂、脫落甚至垮塌；洞身段襯砌產生縱向開裂、橫向開裂、斜向開裂以及環向開裂，混凝土剝落甚至坍塌，鋼筋外露，襯砌漏水；通過活斷層或斷層破碎帶的隧道會出現襯砌錯臺、局部或洞體垮塌等。

隧道震害的類型有多種，導致隧道震害形成的原因有三種[7，8]：圍巖失穩、地震慣性力以及地震誘發的斷層活動。圍巖失穩是指由于圍巖的變形、松散、液化等原因導致本來具有抗震能力的結構破壞，不能正常工作。圍巖失穩多發生在巖性變化較大、淺埋地段或隧道結構剛度遠大于地層剛度的圍巖中。地震慣性力是指地震引起強烈的地層運動，使隧道與周圍介質一起運動，在結構中產生的慣性力導致結構產生過度變形而破壞，在洞口附近受此影響較大。斷層活動造成的錯動破壞是指隧道穿越活斷層時，由于圍巖的直接錯動造成襯砌產生剪切開裂破壞(如圖1所示)，襯砌開裂形式主要表現為橫向開裂、斜向開裂和環向開裂等。如都汶公路龍溪隧道經過活斷層附近的襯砌產生嚴重錯臺，在錯臺附近產生橫向和斜向裂縫(如圖2所示)。雖然這種破壞通常被限制在活斷層附近較小的范圍內，但是這種突然的變形卻是永久性的、不可恢復的，對于隧道來說是災難性的破壞，甚至會造成洞體整體垮塌(如圖3所示)，給震后的修復工作帶來了巨大的困難。

2 研究現狀

2.1 理論研究現狀

在理論研究方面國內外學者主要是通過有限元分析跨斷層隧道的地震反應特性，并給出了一些對工程有意義的研究結論，研究成果為通過活斷層區隧道工程抗震設計、施工以及安全評價工作提供了技術支持和參考依據。

2008年Anastasopoulos等[10]利用所建立的非線性有限元計算模型研究了正斷層錯動下以及地震荷載作用下深埋隧道的變形反應。在研究正斷層錯動下隧道的反應時，采用的是準靜力計算方法，并給出了在斷層傾角為45°～60°的正斷層作用下，垂直位錯量與土層厚度的比值不超過1%，地表就不會產生位錯。

2009年王崢崢[11]根據所提出的無限元靜—動力人工邊界建立了圍巖—隧道相互作用的有限元計算模型，對高烈度地震區穿越斷層隧道的損傷分布、發展情況進行了分析，提出了抗震安全評價的兩種方法：損傷指標和能量指標。最后開展了振動臺模型試驗，并與數值計算結果進行了對比分析。

2011年劉愷[12]利用有限元分析軟件對成蘭線穿越斷層的隧道進行了抗斷層位錯研究，研究結果表明：斷層錯動對隧道結構的影響主要集中在斷層處及其附近一定范圍內；在斷層位錯作用下，隧道結構最大位移發生在仰拱部位，最小位移發生在拱頂部位；在相同斷層位錯作用下，隧道結構的震害程度隨著斷層傾角的減小而逐漸增大；在相同斷層位錯作用下，斷層破碎帶越寬，隧道受到影響的范圍也就越大；在斷層錯動下，堅硬的圍巖對隧道變形和受力的影響較軟弱圍巖更為不利。

2012年張維慶[13]采用數值模擬計算方法研究了穿越斷層隧道在斷層錯動和地震慣性力分別作用下的震害機理，研究表明：與地震慣性力相比，斷層錯動使隧道襯砌結構的受拉狀態更為不利；斷層位錯量相同時，上下垂直錯動引起隧道結構的震害最大，水平錯動震害最小；當隧道與斷層平行時，給出了0.05 m正、逆斷層錯動下隧道的安全距離；深層注漿較接觸注漿對于隧道結構抗錯斷的效果要好。

2013年林克昌等[14]采用大型有限元軟件ABAQUS，以走滑斷層為例，就斷層寬度對跨斷層巖體隧道錯動反應特性的影響開展了非線性數值模擬研究。計算結果表明：走滑斷層錯動對襯砌的影響范圍隨斷層寬度的不同而變化，當斷層寬度由0逐級增加至20 m，40 m時，影響范圍逐漸增大；當斷層寬度由40 m增加至60 m時，影響范圍基本不變，說明斷層錯動對襯砌的影響范圍存在一限值。

2.2 試驗研究現狀

2003年Kontogianni和Stiros[15]通過試驗研究了隧道襯砌管片環向接頭部位分別在逆斷層、走滑斷層作用下的應力應變反應，并總結出不同斷層傾角下，管片環向接頭部位應力應變的變化規律。2007年Lin等[16]通過提升底板試驗模擬了逆沖斷層作用下，位于砂土中的盾構隧道變形破壞特點，并分析了楊氏模量和膨脹角對結構的影響，最后采用了數值模擬計算對試驗結論進行了驗證。2011年劉學增等[17]通過模型試驗研究了公路隧道在斷層傾角為75°的逆斷層粘滑錯動工況下的反應規律，試驗結論給出了受壓、受拉區的范圍以及最大拉、壓應變發生的位置，并指出襯砌以剪切破壞為主。

目前，國內外學者對于通過活斷層區隧道破壞機理和抗震減震措施的研究還較為有限，我國還沒有專門的跨斷層隧道抗震設計規范，可參考的規范條文多為定性描述。振動臺試驗可為研究跨斷層隧道結構的破壞機理和抗震能力提供較為直觀的方法。目前對于跨斷層隧道的振動臺試驗研究主要集中于抗震減震措施效果及斷層錯動效應等。國內外已開展的跨斷層隧道振動臺模型試驗非常有限。

2012年Sim等[18]開展了小直徑管道跨越直立斷層的振動臺試驗，研究結果發現埋置于輪胎派生骨料與干砂混合地層中的管道，位于跨斷層區域的彎矩較小且地震加速度較低。2013年崔光耀等[19]通過試驗重點研究了穿越粘滑斷層的隧道抗震減震技術。

2014年信春雷等[20]通過振動臺模型試驗研究了地震荷載作用下，隧道結構常規與新型抗震減震措施的反應特性與破壞機制，試驗中采用的抗震減震措施如圖4所示。研究結果表明：套管式可變形結構的抗震減震性能最好；減震層可以提高隧道整體耐震性能；減震縫通過提高隧道縱向自由度來減輕震害。

3 結語

隧道工程作為生命線工程的重要組成部分，其造價高，使用周期長，很多隧道工程位于高烈度地震區，并有可能穿越活斷層，所以一旦地震發生，破壞嚴重，修復困難，還會造成巨大的國民經濟損失和人員傷亡。國內外對于跨斷層隧道結構的抗震研究還比較少，沒有完整可靠的跨斷層抗震設計規范，可以借鑒的抗震設計標準多為定性描述。因此，針對高烈度地震區跨斷層隧道的抗震研究工作極為迫切且具有現實意義。

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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★：中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(項目編號：DL13BB20)

趙 穎(1979- )，女，博士，工程師； 林曉東(1979- )，男，碩士，講師

1009-6825(2015)19-0137-03

U457.5

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