王 杰，盛 儉，趙夢(mèng)丹，王欣宇

（南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇南京 211816）

0 引言

工程建設(shè)特別是線性工程如隧道建設(shè)等，經(jīng)常受到活動(dòng)斷層的影響，特別是在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)，活動(dòng)斷層往往是造成與其相交或毗鄰隧道工程震害的重要原因之一。活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)會(huì)引起隧道襯砌的剪切錯(cuò)位、襯砌開(kāi)裂、邊墻變形等［1］?，F(xiàn)行的各類隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［2-4］中明確規(guī)定，隧道工程的建設(shè)首先應(yīng)選在較為穩(wěn)定的地層中，如果地層條件不滿足，應(yīng)首選避讓且避讓距離要符合規(guī)范要求。在實(shí)際隧道工程建設(shè)中，尤其在我國(guó)活動(dòng)斷層發(fā)育的西部地區(qū)，因地質(zhì)概況、選線、施工方法等因素的制約，各種隧道工程的建造不可避免的要穿越斷層或者選址在距離斷層較近的地方。關(guān)于斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道工程造成影響的實(shí)際案例國(guó)內(nèi)外皆有記錄。如1906年美國(guó)舊金山地震，穿過(guò)圣安德雷斯斷層的兩座隧道均遭受了嚴(yán)重破壞［5］。1999年中國(guó)臺(tái)灣集集地震中，在車(chē)籠埔斷層錯(cuò)動(dòng)作用下對(duì)附近的多處隧道造成破壞［6］，2008年汶川大地震造成位于震中附近的都汶高速公路沿線多座隧道受損嚴(yán)重［7］。2016年日本熊本地震中，斷層附近的俵山隧道遭受?chē)?yán)重?fù)p壞［8］。研究隧道工程在斷層應(yīng)力作用下的反應(yīng)規(guī)律是制定合理抗錯(cuò)斷措施的關(guān)鍵，也是保證隧道工程安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。斷層錯(cuò)動(dòng)作用對(duì)隧道工程影響的研究方法可歸納為理論分析、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬三種。各研究方法及抗斷措施雖已取得了很大進(jìn)展，但是相關(guān)設(shè)計(jì)理念和基礎(chǔ)理論研究仍存在不足。

鑒于斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道工程影響研究存在的不少亟需解決的問(wèn)題，本文首先梳理了斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道工程造成的影響，總結(jié)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的反應(yīng)規(guī)律的各分析方法，歸納各分析方法的發(fā)展歷程。綜合分析了減輕隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞的抗錯(cuò)斷措施，最后指出目前抗斷措施存在的不足。

1 斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道工程的影響

根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式，活動(dòng)斷層分為黏滑型活動(dòng)斷層和蠕滑型活動(dòng)斷層［9］。黏滑型活動(dòng)斷層具有突發(fā)性會(huì)產(chǎn)生快速破裂引起地層永久性位移，嚴(yán)重危害隧道工程的安全。蠕滑型活動(dòng)斷層是一種持續(xù)性且緩慢的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在遭受較大的蠕滑位錯(cuò)量時(shí)會(huì)對(duì)隧道工程產(chǎn)生影響。如汶川地震即是短時(shí)間內(nèi)釋放巨大的能量斷裂帶發(fā)生突然錯(cuò)動(dòng)，地表產(chǎn)生了數(shù)米的位錯(cuò)量，多處隧道形成了近1m的豎向位移，隧道襯砌多處開(kāi)裂、仰拱錯(cuò)臺(tái)，且在斷層破碎帶附近的隧道工程受損最為嚴(yán)重。臺(tái)灣集集地震中，距斷層破碎帶25km內(nèi)的40多座隧道受到不同程度的損壞，隧道產(chǎn)生環(huán)向裂縫并多處剝落、垮臺(tái)，襯砌產(chǎn)生水平位移，拱肩向外側(cè)產(chǎn)生牽拉位移。美國(guó)舊金山地震，鄰近斷層的隧道襯砌產(chǎn)生較大的豎直位錯(cuò)，隧道嚴(yán)重受損并垮塌。

綜上所述，斷層錯(cuò)動(dòng)會(huì)對(duì)鄰近或跨越的隧道工程施加直接性的位錯(cuò)荷載，使隧道工程產(chǎn)生水平和豎向位移，對(duì)其造成極大破壞。因此，在工程建設(shè)之前應(yīng)開(kāi)展活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的影響及針對(duì)性應(yīng)對(duì)措施研究。

2 研究方法

2.1 理論分析

地震對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的破壞作用主要包括兩部分：斷層錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的同震永久變形導(dǎo)致的破壞和強(qiáng)地震動(dòng)導(dǎo)致的震動(dòng)破壞［10］。理論分析主要基于地震動(dòng)場(chǎng)研究、斷層位錯(cuò)量估計(jì)、斷層破碎帶寬度及避讓距離這三個(gè)方面展開(kāi)研究。

關(guān)于地震動(dòng)場(chǎng)研究中，1958年Steketee［11-12］最先將位錯(cuò)理論引入地震形變場(chǎng)研究并導(dǎo)出泊松體內(nèi)點(diǎn)源位錯(cuò)產(chǎn)生的地表位移場(chǎng)模型，開(kāi)啟了研究半無(wú)限空間均勻介質(zhì)地球模型的同震變形問(wèn)題的先河。Okada［13］將位錯(cuò)理論進(jìn)行總結(jié)，逐漸形成了各向同性、彈性半空間介質(zhì)的位錯(cuò)理論體系。被全世界的學(xué)者廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)也有學(xué)者對(duì)此開(kāi)展研究［14-17］，他們以Steketee和Okada的位錯(cuò)理論為基礎(chǔ)，反演了邢臺(tái)地震、唐山地震和汶川地震時(shí)斷層錯(cuò)動(dòng)形成的地表垂直和水平位移場(chǎng)。黃蕓等［18］建立了地鐵隧道受力和變形的理論計(jì)算模型，計(jì)算參數(shù)包含基巖斷層錯(cuò)動(dòng)量、隧道直徑、埋深和斷層傾角。隨后有學(xué)者研究近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)下隧道工程的力學(xué)響應(yīng)［19-20］，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該分開(kāi)考慮近斷層隧道和遠(yuǎn)斷層隧道的受力情況，因?yàn)榻鼣鄬拥卣饎?dòng)釋放的脈沖波容易引起受沖擊結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，其隧道橫截面等效應(yīng)變峰值最大處從拱腳變成拱頂。

對(duì)于地震斷層位錯(cuò)量的研究，國(guó)外學(xué)者基于歷史地震實(shí)例運(yùn)用最小二乘法建立地表破裂參數(shù)之間的關(guān)系式［21-23］。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)性的收集了發(fā)生在中國(guó)境內(nèi)的地震數(shù)據(jù)，建立了震級(jí)與位錯(cuò)量之間的關(guān)系式［24-30］。建立在斷層附近的隧道工程很容易受到位錯(cuò)量影響，許多研究也開(kāi)始關(guān)注隧道工程震害資料的收集，有學(xué)者收集了20世紀(jì)以來(lái)的典型隧道工程破壞實(shí)例，總結(jié)了斷層錯(cuò)動(dòng)下隧道工程的破壞特征，發(fā)現(xiàn)斷層產(chǎn)生的位錯(cuò)量較大時(shí)隧道工程也會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生水平和垂直位錯(cuò)［31-32］。

對(duì)于斷層破碎帶寬度及避讓距離的研究，國(guó)外很多國(guó)家對(duì)地表破裂避讓帶寬度進(jìn)行了相關(guān)法規(guī)的規(guī)定。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究起步較晚，徐錫偉等［33-34］采取同震地表破裂帶寬度統(tǒng)計(jì)法，得到活斷層“避讓帶”的有效寬度值約為30m。薄景山［35］提出了一種考慮地表破裂概率的避讓距離分析方法，后因地質(zhì)條件的復(fù)雜性逐步形成了以地震實(shí)例為基礎(chǔ)來(lái)確認(rèn)避讓距離的方法［36-37］。張維慶［38］調(diào)查了汶川地震中位于斷層破碎帶附近隧道的震害情況，發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶寬度越大，隧道工程的震害越明顯，而且斷層破碎帶寬度在50m以下的較為常見(jiàn)。

綜上所述，地震動(dòng)場(chǎng)研究、斷層位錯(cuò)量估計(jì)、斷層破碎帶寬度及避讓距離的研究取得了較為豐碩的研究成果，但主要研究手段大多基于統(tǒng)計(jì)、預(yù)測(cè)，還不足以滿足量化分析斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道工程影響的要求，目前斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道工程影響的量化計(jì)算主要還依賴于各種物理模型試驗(yàn)分析。

2.2 物理模型試驗(yàn)

物理模型試驗(yàn)方法主要是通過(guò)建立合適的物理模型進(jìn)行模擬，并與觀測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，采用的最多的是土工離心機(jī)試驗(yàn)和砂箱模型試驗(yàn)。

2.2.1 土工離心機(jī)試驗(yàn)

土工離心機(jī)試驗(yàn)概念的提出和踐行可追溯到20世紀(jì)30年代，該試驗(yàn)的基本原理是將土工模型置于高度旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中，通過(guò)讓模型承受離心加速度的作用來(lái)彌補(bǔ)因模型縮尺帶來(lái)的自重的損失，比重力加速度條件下更接近土工構(gòu)筑物的原型。這是一種有效的模擬土體行為的方法。

Burridge等［39］將一系列離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于確定隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力與斷層豎向位移之間的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果證明隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力與斷層豎向位移之間存在線性關(guān)系，認(rèn)為位錯(cuò)量是對(duì)隧道工程造成影響的重要因素。Kiani等［40］在考慮位錯(cuò)量影響的同時(shí)增加上覆土層因素的影響，發(fā)現(xiàn)隧道中受斷層影響的區(qū)域長(zhǎng)度隨著覆蓋土層厚度的增加而變小。Cai等［41］在Kiani研究成果的基礎(chǔ)上研究斷層作用下隧道長(zhǎng)度以及邊界條件對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，得出的結(jié)論和Kiani大致相同，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下引起分段式隧道的破壞會(huì)導(dǎo)致地表塌陷的形成。Sabagh等［42］利用離心機(jī)試驗(yàn)對(duì)有、無(wú)隧道土層中的斷層破裂傳播結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，表明斷層破裂所導(dǎo)致的集中沉降會(huì)對(duì)連續(xù)隧道造成嚴(yán)重破壞。黃強(qiáng)兵等［43］對(duì)西安地裂縫活動(dòng)所引起的地鐵隧道受力變形機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)襯砌開(kāi)裂主要出現(xiàn)在位于下盤(pán)的隧道中。相反，陳宇龍等［44］得出了模型的斷層破裂呈現(xiàn)“上盤(pán)效應(yīng)”的結(jié)論，且與正斷層相比逆斷層的破裂范圍更廣。

2.2.2 砂箱模型試驗(yàn)

砂箱模型試驗(yàn)一般分為固定盤(pán)模型箱和錯(cuò)動(dòng)盤(pán)模型箱兩部分，采用固定盤(pán)保持靜止不動(dòng)，對(duì)錯(cuò)動(dòng)盤(pán)施加邊界條件來(lái)模擬斷層的錯(cuò)動(dòng)過(guò)程。并根據(jù)實(shí)際研究對(duì)象選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料和模型尺寸，通過(guò)改變應(yīng)變量來(lái)觀察模型的變形特征和破壞過(guò)程。

Lin等［45］研究隧道與斷層走向相交情況下隧道工程在逆斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)下的變形規(guī)律，但沒(méi)有開(kāi)展不同斷層傾角逆斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)作用下的隧道結(jié)構(gòu)反應(yīng)規(guī)律的研究，故劉學(xué)增等［46］開(kāi)展了逆斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)情況下傾角分別為75°、60°和45°時(shí)對(duì)公路隧道受力變形和破壞形式的影響，發(fā)現(xiàn)逆斷層的傾角越小斷層錯(cuò)動(dòng)的影響范圍越大，斷層傾角為75°時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的破壞模式主要為直接剪切破壞；當(dāng)斷層傾角為45°時(shí)，隧道的破壞形式以彎曲拉破壞為主。

劉學(xué)增等［47-48］通過(guò)物理模型試驗(yàn)得出傾角為45°、75°時(shí)正斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)作用下對(duì)公路隧道的影響特性，發(fā)現(xiàn)正斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，隧道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的位移，同時(shí)隨著斷層發(fā)生位錯(cuò)量的增加，斷層破裂帶附近所受?chē)鷰r壓力變化較為顯著，且隧道存在脫空段。事實(shí)上，黏滑斷層錯(cuò)動(dòng)的物理模型試驗(yàn)加載速度較慢，不能準(zhǔn)確模擬出斷層錯(cuò)動(dòng)的實(shí)際情況，進(jìn)而對(duì)研究隧道結(jié)構(gòu)受力及反應(yīng)規(guī)律都有不利影響，而且目前物理模型試驗(yàn)裝置尺寸都較小，而實(shí)際斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍較大。孫飛等［49］為了改善此前物理模型試驗(yàn)中存在的不足，設(shè)計(jì)了模擬隧道穿越活斷層的大比例、寬控速模型試驗(yàn)裝置，以烏魯木齊市軌道交通1號(hào)線地鐵區(qū)間隧道穿越九家灣斷層為工程依托，開(kāi)展傾角60°正斷層錯(cuò)動(dòng)下地鐵隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律的大型砂箱試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)在斷層錯(cuò)動(dòng)情況下，近斷層面處的上盤(pán)拱頂及下盤(pán)仰拱出現(xiàn)明顯的圍巖壓力減小，上盤(pán)破壞范圍明顯要大于下盤(pán)。Yan等［50］采用砂箱模型試驗(yàn)研究正斷層作用下鉸接隧道的損傷特性，發(fā)現(xiàn)襯砌節(jié)段間接頭的調(diào)節(jié)可以有效減小隧道結(jié)構(gòu)受拉損傷的長(zhǎng)度。

在對(duì)走滑斷層的研究中，肖至慧［51］通過(guò)研發(fā)大型走滑斷層模型箱模擬走滑斷層錯(cuò)動(dòng)下砂土內(nèi)隧道的變形特征，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中土體的應(yīng)力、變形以及隧道的水平位移，發(fā)現(xiàn)隧道主要在破裂帶附近發(fā)生彎曲破壞。這與劉學(xué)增進(jìn)行的物理模型試驗(yàn)得出的結(jié)果相符。王鴻儒等［52］研究了走滑斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)下隧道損傷機(jī)理及破壞特性，因此在進(jìn)行物理模型試驗(yàn)時(shí)，通常將斷層破碎帶簡(jiǎn)化成為一個(gè)無(wú)厚度的接觸面，而斷層破碎帶是伴隨斷層錯(cuò)動(dòng)面天然存在的。所以王鴻儒等的研究增設(shè)了斷層破碎帶這一要素，自主研發(fā)了模擬不同破碎帶寬度的跨斷層隧道剪切箱，使該物理模型試驗(yàn)的邊界條件更接近真實(shí)原型場(chǎng)地條件，發(fā)現(xiàn)隧道變形主要發(fā)生在斷層破碎帶區(qū)域，隨著距斷層破碎帶的距離增大，變形逐漸減小。

綜上所述，與理論分析及數(shù)值計(jì)算方法相比，物理模型試驗(yàn)在描述結(jié)構(gòu)和材料的破壞過(guò)程、極限破壞形態(tài)等非線性破壞特征方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但物理模型試驗(yàn)過(guò)程中也存在不確定因素，比如由于基巖斷層的位錯(cuò)量以及斷層在土體中的傳播模式不清楚，所以難以確定隧道部位的斷層位錯(cuò)量，從而僅僅依靠物理模型試驗(yàn)很難進(jìn)行定量分析。同時(shí)，各類巖體在形成過(guò)程中經(jīng)歷的復(fù)雜的地質(zhì)作用，斷層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，具有復(fù)雜的邊界條件，物理模型試驗(yàn)并不能有效地模擬這些復(fù)雜的實(shí)際情況。

2.3 數(shù)值模擬

因理論分析方法和物理模型試驗(yàn)都有自身的局限性，難以反映實(shí)際工程問(wèn)題，而數(shù)值模擬方法在施加邊界荷載和數(shù)據(jù)采集方面展現(xiàn)了極大的優(yōu)越性，故而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起數(shù)值模擬技術(shù)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。數(shù)值模擬方法是根據(jù)土體力學(xué)性質(zhì)建立有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算的一種方法，主要包括有限元模擬法、差分法和有限體積法等。常用來(lái)數(shù)值模擬的軟件有ABAQUS、ANSYS、FLAC-3D、UDEC等。

（1）正斷層

Anastasopoulos等［53］使用有限元軟件對(duì)在正斷層作用下深埋隧道的反應(yīng)特性進(jìn)行了研究，首次提出了研究斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道工程的影響時(shí)，應(yīng)考慮斷層破碎帶的位置以及斷層位錯(cuò)量的變化。熊煒等［54］使用MSC.Marc軟件研究了正斷層傾角、錯(cuò)動(dòng)量、隧道走向與之不同交角對(duì)公路山嶺隧道的變形影響，將襯砌材料按完全彈性考慮，但是彈性不能很好地反映襯砌的損傷情況。汪振等［55］改善了這種不能反應(yīng)襯砌損傷的情況，將黏性界面單元嵌入斷層破碎帶中來(lái)模擬斷層的破裂過(guò)程，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型選取混凝土損傷塑性模型，研究了不同斷層傾角下正斷型斷裂對(duì)山嶺隧道的影響，發(fā)現(xiàn)斷層傾角越小對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞越大。

因目前針對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道影響的研究均集中在隧道的受力、變形、損傷情況等方面。而對(duì)上下盤(pán)錯(cuò)動(dòng)造成地鐵隧道的具體影響范圍鮮有研究，對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)防參數(shù)的可靠性也尚未進(jìn)行針對(duì)性的分析驗(yàn)證?；诖耍险窠龋?6］引入有限元模擬軟件GTS研究了正斷層作用下地鐵隧道的變形特征，通過(guò)分析不同位錯(cuò)量引起的隧道變形特性，得出了隧道遭到破壞的臨界位錯(cuò)量，確定了地鐵隧道在與斷裂帶交匯區(qū)域的最小縱向設(shè)防長(zhǎng)度。

（2）逆斷層

Chang等［57］使用二維離散元法研究了不同傾角下逆斷層錯(cuò)動(dòng)在上覆土層中破裂軌跡的傳播規(guī)律。Baziar等［58］采用二維有限元方法研究逆斷層錯(cuò)動(dòng)作用下埋于上覆土層中的隧道的反應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隧道的存在會(huì)影響逆斷層的破裂傳播路徑。焦鵬飛等［59］分析在逆斷層錯(cuò)動(dòng)作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力變形情況，發(fā)現(xiàn)斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)上盤(pán)內(nèi)隧道的影響范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下盤(pán)內(nèi)隧道，這與正斷層錯(cuò)動(dòng)下隧道的影響范圍規(guī)律相同，且斷層對(duì)隧道襯砌影響范圍不受錯(cuò)距大小的影響；同時(shí)發(fā)現(xiàn)逆斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，隧道邊墻處為最不利位置，隨著錯(cuò)距的不斷增加，隧道襯砌發(fā)生剪切破壞。

目前大多針對(duì)隧道與斷層走向垂直的工況，對(duì)于隊(duì)道軸線與活動(dòng)斷層平行情況研究較少，且缺少對(duì)于隧道避讓斷層的安全距離的研究。所以陳之毅等［60］運(yùn)用有限元軟件ABAQUS模擬了不同隧道位置在隱伏逆斷層錯(cuò)動(dòng)下的反應(yīng)特征，并探討隧道與斷層走向平行情況下的避讓距離，發(fā)現(xiàn)位于下盤(pán)的隧道，應(yīng)與斷層保持30m 以上的安全距離。趙伯明等［61］利用有限元軟件FLAC3D建立距離斷層破碎帶50m、100m、150m的隧道結(jié)構(gòu)，通過(guò)在左右兩盤(pán)上各施加一定的速度荷載來(lái)分析斷層錯(cuò)動(dòng)達(dá)到0.28m時(shí)隧道的變形特性，確定隧道與斷層之間的避讓距離為150m。

（3）走滑斷層

趙穎等［62］采用擬靜力有限元計(jì)算方法，確定地鐵隧道在走滑斷層作用下的非線性反應(yīng)規(guī)律。在數(shù)值計(jì)算中加入合理的損傷塑性本構(gòu)模型，建立了判斷隧道結(jié)構(gòu)損傷范圍以及損傷嚴(yán)重程度的關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)隧道拱腰處損傷最為嚴(yán)重；且增加基巖上覆土層厚度可以有效降低隧道結(jié)構(gòu)的損傷程度。王瓊等［63］基于有限元和擬靜力法研究走滑斷層錯(cuò)動(dòng)下逐步增加斷層錯(cuò)距過(guò)程中隧道襯砌各部位的變形特性，發(fā)現(xiàn)隧道在走滑斷層錯(cuò)動(dòng)量小于20cm時(shí)處于正常狀態(tài)，隨著錯(cuò)動(dòng)量逐步增加邊墻最先破壞，其次是拱頂。

走滑斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道工程的影響因素增加了斷層破碎帶寬度、隧道與斷層走向交角的情況。林克昌等［64］采用大型有限元軟件ABAQUS研究了走滑斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，斷層破碎帶寬度為0m、20m、40m時(shí)對(duì)跨斷層巖體隧道錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明：隨著斷層破碎帶寬度逐漸增加，襯砌劇烈變形的范圍逐漸增大，但其量值逐漸減小，影響范圍基本不變，說(shuō)明斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)襯砌的影響范圍存在一限值。汪振等［65］以斷層破碎帶寬度和隧道與斷層交角為分析參數(shù)，研究走滑斷層錯(cuò)動(dòng)下隧道的關(guān)鍵截面變形特征。研究發(fā)現(xiàn)：穿越角度為45°時(shí)，截面的變形模式為水平橢圓，而穿越角度為135°時(shí)，截面的變形模式為直立橢圓；隨著斷層破碎帶寬度的增加，位于斷層破碎帶處的隧道結(jié)構(gòu)變形逐漸減小，尤其是當(dāng)斷層破碎帶寬度大于兩倍的隧道外徑時(shí)，斷層破碎帶處的隧道變形較小。

綜上所述，斷層傾角、位錯(cuò)量、斷層走向與隧道交角、斷層破碎帶寬度都對(duì)斷層附近的隧道工程產(chǎn)生重要影響。正斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，隧道的破壞形式以拉張-擠壓與剪切結(jié)合居多，而且隧道拱頂和拱底是受力比較大的區(qū)域，屬于較為薄弱的部位；逆斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，隧道的破壞形式以剪切破壞居多，隧道邊墻屬于較為薄弱部位；走滑斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，隧道的破壞模式以拉裂破壞居多，且隧道邊墻首先受到破壞。關(guān)于斷層破碎帶寬度的影響只有走滑斷層進(jìn)行了相關(guān)研究，要開(kāi)展正斷層和逆斷層作用下斷層破碎帶寬度的影響研究，與正斷層進(jìn)行對(duì)比分析，得出不同斷層錯(cuò)動(dòng)作用下破壞形式的共性和差別，以便有針對(duì)性的采取抗斷措施。

數(shù)值模擬方法可以很直觀地模擬出隧道結(jié)構(gòu)在各種因素作用下的破裂形態(tài)，較之理論研究和試驗(yàn)研究展現(xiàn)了很大的優(yōu)越性，有助于研究斷層錯(cuò)動(dòng)造成隧道變形的發(fā)生機(jī)理。然而數(shù)值模擬對(duì)材料本構(gòu)參數(shù)以及網(wǎng)格劃分合理性的依賴性很大，材料本構(gòu)選取和網(wǎng)格劃分的不同，往往導(dǎo)致相差很大的計(jì)算結(jié)果。而且目前數(shù)值模擬大多是研究給定位移情況下隧道結(jié)構(gòu)的變形，這種計(jì)算方法不能充分體現(xiàn)出土體和隧道結(jié)構(gòu)之間的相互作用，對(duì)于斷層破裂傳播的開(kāi)始與停止不能很好地進(jìn)行定量研究，所以還需要挖掘更好的方法來(lái)模擬斷層錯(cuò)動(dòng)的過(guò)程。

3 抗斷措施研究

大量的工程案例表明斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道工程造成的危害是巨大的，設(shè)計(jì)一定的抗斷措施降低危害是非常必要的。目前雖然還未形成系統(tǒng)的抗斷錯(cuò)技術(shù)理論，但是現(xiàn)在的工程建設(shè)中，已經(jīng)逐步形成并應(yīng)用一定的抗斷經(jīng)驗(yàn)措施。目前應(yīng)用最廣泛的是一種活斷層區(qū)內(nèi)隧道柔性襯砌設(shè)計(jì)方法［66-70］。主要實(shí)施方法是將斷層區(qū)域內(nèi)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)分成不同長(zhǎng)度的節(jié)段，通過(guò)在各節(jié)段中設(shè)置剛度較小的柔性結(jié)構(gòu)，此柔性結(jié)構(gòu)可以使得相鄰節(jié)段中的襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而減小因斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成的影響，可以很大程度上減小襯砌開(kāi)裂和變形程度。該抗斷措施應(yīng)用于穿越活動(dòng)破裂帶的土耳其公路隧道中，證明可以很好地提高跨斷層隧道的抗錯(cuò)性能。邵潤(rùn)萌［71］通過(guò)數(shù)值模擬研究證明了設(shè)置變形縫可以減小隧道內(nèi)部的變形，當(dāng)隧道受到較大位錯(cuò)的時(shí)候，可以通過(guò)變形縫之間的相對(duì)位移來(lái)減小隧道受到的破壞。同時(shí)她還發(fā)現(xiàn)增加隧道襯砌結(jié)構(gòu)的厚度并不能對(duì)隧道的抗錯(cuò)性能有提升作用。針對(duì)不同變形縫間距對(duì)隧道抗錯(cuò)斷的影響，李學(xué)鋒等［72］運(yùn)用數(shù)值模擬研究了變形縫間距對(duì)跨斷層隧道內(nèi)力與變形的影響，通過(guò)分析不同節(jié)段長(zhǎng)度隧道在斷層作用下的圍巖應(yīng)力變化和塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)，得出合理的變形縫間距。研究結(jié)果表明，變形縫間距越小，隧道整體柔性越大，更有利于隧道的抗錯(cuò)斷。

趙坤等［73］通過(guò)正交試驗(yàn)研究襯砌節(jié)段長(zhǎng)度、柔性連接寬度、柔性連接材料強(qiáng)度3種抗錯(cuò)斷措施的“鉸接設(shè)計(jì)”最優(yōu)化組合，發(fā)現(xiàn)無(wú)論何種鉸接參數(shù)組合，均能夠較大幅度地減小由于斷層錯(cuò)動(dòng)作用引起的襯砌內(nèi)力。王道遠(yuǎn)等［74］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)采取減錯(cuò)層和交錯(cuò)設(shè)縫相結(jié)合的方法可以有效地降低斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響。然而選擇何種抗斷措施，還應(yīng)綜合考慮其地質(zhì)情況、施工水平、工程概況等，選擇合理的“鉸接設(shè)計(jì)”因素，從而達(dá)到最優(yōu)抗錯(cuò)斷效果。

通過(guò)總結(jié)以上各種關(guān)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)的抗斷措施，可以發(fā)現(xiàn)，專家們普遍認(rèn)為目前最為常用的應(yīng)對(duì)措施為設(shè)置柔性連接段，但是對(duì)于連接段長(zhǎng)度以及材料性能的選取，尚沒(méi)有可供參考的設(shè)計(jì)規(guī)范，仍舊是依賴工程經(jīng)驗(yàn)，還是需要綜合考慮工程場(chǎng)地的實(shí)際情況比如地質(zhì)概況、斷裂活動(dòng)形式、隧道開(kāi)挖大小來(lái)確定合理的連接參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有完整可靠的跨斷層抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，也沒(méi)有關(guān)于穿越活動(dòng)斷層隧道抗震措施的有效性驗(yàn)證分析?；诖?，可以采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)已有的隧道震害現(xiàn)象進(jìn)行歸納總結(jié)，通過(guò)建立斷層錯(cuò)動(dòng)形式、隧道震害特征、數(shù)量等數(shù)據(jù)庫(kù)，分析跨斷層隧道震害的共性以及個(gè)性，為分析跨斷層隧道變形特性以及抗斷措施提供最可靠的資料。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道工程影響的研究進(jìn)展，針對(duì)其中存在的問(wèn)題加以簡(jiǎn)要的分析與探討。認(rèn)識(shí)到隧道工程的抗斷措施研究是工程建設(shè)中亟需解決的難題，而斷層錯(cuò)動(dòng)下的隧道工程的變形問(wèn)題是進(jìn)行抗斷措施研究的重要一環(huán)。迄今為止，斷層錯(cuò)動(dòng)下隧道工程的反應(yīng)特性取得了很大成就，但其研究方法仍然存在一定的不足，且相應(yīng)的抗斷措施尚不成熟。主要結(jié)論如下：

（1）理論分析階段，探索了斷層錯(cuò)動(dòng)的發(fā)生機(jī)理，基于地震實(shí)例的統(tǒng)計(jì)分析方法確定了隧道工程的破壞特征，而統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于歷史數(shù)據(jù)的質(zhì)量。需要以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和勘探為主要手段來(lái)完善現(xiàn)有的震例信息，積累可靠數(shù)據(jù)。

（2）物理模型試驗(yàn)可以很直觀地觀測(cè)出隧道工程的破壞程度，但是目前的物理模型試驗(yàn)都是基于均勻、彈性的假設(shè)，需要進(jìn)一步的研究斷層錯(cuò)動(dòng)作用下隧道進(jìn)入塑性的變形特征；同時(shí)物理模型試驗(yàn)難以模擬出實(shí)際場(chǎng)地中復(fù)雜的邊界條件，以及存在諸如縮尺效應(yīng)等影響因素，需要加強(qiáng)物理模型試驗(yàn)研究，以降低這些因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

（3）目前的數(shù)值模擬研究對(duì)隧道工程破壞影響因素分析得較為全面，研究?jī)?nèi)容也很廣泛，但僅考慮單一因素對(duì)隧道工程的影響，斷層錯(cuò)動(dòng)是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要綜合多種因素的作用，所以需要研究多種因素耦合下隧道工程破壞情況；對(duì)于深埋山嶺隧道的研究還需增加地應(yīng)力和圍巖性質(zhì)的影響。

（4）目前普遍認(rèn)為設(shè)置柔性連接段是較為合適的隧道抗斷應(yīng)對(duì)思路，但應(yīng)用于實(shí)際工程中的技術(shù)尚不成熟，且在量化抗斷措施方面研究較少。量化抗斷措施的研究有利于結(jié)合不同工程實(shí)際有針對(duì)性的降低隧道工程震害，所以需要增加抗斷措施的量化研究并完善相關(guān)法律規(guī)范。