穿越斷層隧道災(zāi)害及抗減震技術(shù)研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述穿越斷層隧道震害實例隨著人們對交通工程的重視，更多的公路工程及鐵路工程需要建設(shè)，隨之而來的是越來越多的交通隧道穿過山嶺[13]。因此，隧道與斷層相交的工程案例也越來越多。隧道在穿越斷層不良地質(zhì)時，容易產(chǎn)生涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害[14,15]。在地震作用下，穿越斷層破碎帶的隧道會由于受力較大，變形不協(xié)調(diào)等產(chǎn)生一系列破壞，給工程建設(shè)帶來一系列的麻煩[16,17]。近百年來，每次發(fā)生強(qiáng)震的地區(qū)，往往伴隨著大量建筑物的破壞。過去人們普遍認(rèn)為地下構(gòu)造物在地震中受到周邊圍巖的約束[18]，不會產(chǎn)生較大的破壞。但是通過近些年的震害研究分析，隧道結(jié)構(gòu)在地震作用過后，周邊圍巖往往變?yōu)樗苄?，對隧道結(jié)構(gòu)的約束能力大大降低，甚至發(fā)生液化，地基失穩(wěn)等一系列不利變化，隧道結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生結(jié)構(gòu)錯位、斷裂等破壞[19]。1906年，美國位于太平洋沿岸的舊金山發(fā)生8.0級地震，穿越圣安德烈斯斷層的兩座南太平洋鐵路隧道遭受嚴(yán)重影響。1921年，日本關(guān)東發(fā)生7.8級大地震，地震災(zāi)區(qū)內(nèi)多座穿越斷層隧道受到破壞，給隧道修復(fù)帶來極大困難。1930年日本伊豆7.0級地震，丹那隧道在穿越活動斷層處產(chǎn)生239cm的水平位錯和60cm的垂直位錯，隧道邊墻出現(xiàn)較多裂縫。1971年美國圣佛南都發(fā)生6.4級地震，多座隧道發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致位于斷層南部的巴爾寶隧道襯砌發(fā)生剝落及變形；圣佛南都隧道緊靠Sylma斷層處，隧道襯砌最大位錯達(dá)到2.3m，致使隧道產(chǎn)生較大的裂縫。1995年日本阪神大地震對災(zāi)區(qū)內(nèi)大量的山嶺隧道造成了嚴(yán)重破壞，致使諸多地下結(jié)構(gòu)在修復(fù)后才能使用。其中，位于斷層破碎帶處隧道地區(qū)涌水及突泥的斷層破碎帶處，施工及修復(fù)工作十分的困難。1999年臺灣集集地震后，研究人員對57座隧道進(jìn)行系統(tǒng)分析，49座隧道發(fā)生掉塊，鋼筋彎曲等損壞。2008年汶川地震，其中四川都汶公路中紫坪鋪隧道、龍洞子隧道和龍溪隧道均穿越斷層，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生了較為嚴(yán)重的襯砌滲水、襯砌開裂等擠壓破壞現(xiàn)象[20]?？傮w來看，強(qiáng)震作用下，穿越斷層隧道在斷層破碎帶處易發(fā)生較大破壞[21]。因此，針對隧道結(jié)構(gòu)穿越斷層時災(zāi)害特點以及動力響應(yīng)特性研究是十分必要的，穿越斷層隧道地震災(zāi)害分析根據(jù)國內(nèi)外研究人員調(diào)查發(fā)現(xiàn)，穿越斷層隧道震害主要有[22]：隧道拱頂塌落、襯砌錯臺、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、二襯剝落、隧道結(jié)構(gòu)變形以及隧道結(jié)構(gòu)倒塌等，一些斷層隧道常見災(zāi)害如圖12所示。（a）拱頂塌落（b）襯砌錯臺（c）二襯剝落（d）襯砌開裂（e）襯砌局部擠壓破壞（f）襯砌滲水圖12隧道結(jié)構(gòu)常見破壞圖為分析斷層隧道災(zāi)害特點，對汶川地震中斷層隧道災(zāi)害[23-26]進(jìn)行調(diào)查。通過對汶川地震隧道震害統(tǒng)計可知，隧道在穿越斷層帶時隧道受到較為嚴(yán)重的破壞。由表11及圖13可知，隧道在穿越斷層帶時隧道結(jié)構(gòu)震害以二襯垮塌為主，占到29.5%；襯砌開裂(裂紋清晰，有一定走向)和隧道垮塌次之，分別占到20.64%和17.07%；路面開裂(不能確定裂紋方向，呈片狀或網(wǎng)狀)再次之，占到13.66%；其他震害類型較少。綜合震害長度為1506m，占統(tǒng)計長度的87.51%。表11斷層帶段隧道結(jié)構(gòu)震害統(tǒng)計分析震害類型ABCDEFGI震害長度（m）37024587342352930653震害比例（%）20.6413.664.851.901.2829.5017.072.96震害類型JKLMNPZ震害長度（m）10213610798118101506震害比例（%）5.697.595.975.476.580.5687.51圖13斷層帶隧道結(jié)構(gòu)震害綜合統(tǒng)計對上述隧道震害進(jìn)行分析，可知隧道在穿越斷層時速隧道結(jié)構(gòu)不同部位發(fā)生較為不同程度的破壞，對造成這些破壞的原因進(jìn)行統(tǒng)計，有以下分析：（1）斷層錯動是造成斷層破碎帶隧道結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重的主要原因[27]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在隧道穿越斷層時，斷層未出現(xiàn)錯動時，隧道未出現(xiàn)二襯垮塌、隧道垮塌的破壞形式，與普通段隧道襯砌破壞形式相似，只是開裂更加嚴(yán)重；在隧道所穿越斷層出現(xiàn)錯動時，隧道出現(xiàn)較為嚴(yán)重的二襯垮塌破壞。（2）斷層上下盤圍巖軟弱是引起斷層破碎帶隧道震害嚴(yán)重的另外一個原因，調(diào)查結(jié)果顯示：斷層破碎帶兩側(cè)上下盤圍巖為III級，隧道出現(xiàn)最嚴(yán)重的破壞是二次襯砌垮塌(震害類型F)，長度比例為24.51%，沒有出現(xiàn)隧道垮塌(震害類型G)，可見，在此情況下，隧道圍巖是穩(wěn)定的。上下盤圍巖為IV級，隧道出現(xiàn)最嚴(yán)重的破壞是隧道垮塌(震害類型G)，長度比例為8.09%，可見，在此情況下，隧道圍巖出現(xiàn)了破壞。上下盤圍巖為V級，隧道出現(xiàn)最嚴(yán)重的破壞是隧道垮塌(震害類型G)，長度比例為24.55%，可見，在此情況下，隧道圍巖出現(xiàn)了嚴(yán)重破壞。（3）斷層破碎帶的寬度對隧道震害也有一定的影響，龍溪隧道斷層破碎帶寬度10m以上，其附近出現(xiàn)了隧道垮塌，同時，這與該斷層錯動也有很大關(guān)系。（4）二次襯砌剛度問題也是引起斷層破碎帶隧道震害嚴(yán)重的一個原因，分析結(jié)果表明：斷層破碎帶兩側(cè)上下盤圍巖為III級，隧道沒有出現(xiàn)垮塌，說明隧道圍巖是穩(wěn)定的，但出現(xiàn)了長度比例為24.51%的二次襯砌垮塌，說明隧道二次襯砌需要進(jìn)行抗震配筋，同時也說明，二次襯砌可以采用柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計，因為隧道沒有出現(xiàn)垮塌，說明初期支護(hù)完好，而初期支護(hù)就是柔性結(jié)構(gòu)。上下盤圍巖為IV級，隧道出現(xiàn)了長度比例為42.81%的二次襯砌垮塌，而隧道垮塌的長度比例僅為8.09%，可見，加強(qiáng)二次襯砌抗震配筋能很好地達(dá)到抗震目標(biāo)。上下盤圍巖為V級的隧道襯砌一般都采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但是，仍有占統(tǒng)計長度14.49%的二次襯砌出現(xiàn)了垮塌，而此時隧道垮塌長度比例為24.55%，可見，應(yīng)該加強(qiáng)二次襯砌的抗震配筋。綜合分析表明，引起斷層破碎帶隧道結(jié)構(gòu)震害原因是：斷層錯動、圍巖條件軟弱、斷層帶寬度以及二襯的強(qiáng)度和剛度。穿越斷層隧道強(qiáng)震動力響應(yīng)研究現(xiàn)狀目前，國內(nèi)外學(xué)者針對隧道震害的研究集中體現(xiàn)在：震害影響因素分析、地震波的傳播方式、震害類型統(tǒng)計等[28,29]。研究結(jié)果表明，在隧道穿越斷層時，斷層的寬度、斷層的傾角、斷層的錯動量、圍巖等級、震級以及震中距是穿越活斷層隧道震害主要影響因素[5,30,31]。其中部分學(xué)者以峰值地面加速度（PGA）來初步對隧道損害程度進(jìn)行判定[32]，對震動作用下的隧道震害分析有一定的指導(dǎo)作用，如表12所示。表12PGA值與隧道破壞程度的關(guān)系PGA值破壞程度PGA≤0.15g隧道損害輕微0.15g＜PGA≤0.45g隧道損害嚴(yán)重PGA＞0.45g隧道損害非常嚴(yán)重對穿越斷層隧道進(jìn)行研究時普遍采用振動理論與進(jìn)行分析[33]。對于研究穿越斷層隧道地震動作用時，一般采用的方法有數(shù)值計算法、解析法與模型試驗法[34]。解析法長時間以來，地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)在人們?nèi)粘＝煌ㄖ兴急戎卦絹碓酱骩35,36]。據(jù)此，科研人員們對地下結(jié)構(gòu)的研究也隨之深入。意大利數(shù)學(xué)家Volerra于1907年創(chuàng)立位錯理論，用于求解位錯面兩側(cè)發(fā)生位移時，物體內(nèi)部及表面產(chǎn)生的位移、應(yīng)變或應(yīng)力分布的問題[37]。1958年Steketee將位錯理論引入地球物理學(xué)，首次用位錯面作為斷層的數(shù)學(xué)模型，奠定了研究三維斷層模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)[38,39]。1964年，Maruyama進(jìn)一步完善了Steketee的工作，并計算了余下的五個格林函數(shù)[40]。1980年，位錯理論經(jīng)過后來學(xué)者的推廣和應(yīng)用，使彈性靜位錯理論得到全面發(fā)展，成為反演地震機(jī)制和研究斷層運動產(chǎn)生的位移場的有力工具[41,42]。福季耶娃根據(jù)彈性理論，對隧道在均一介質(zhì)中應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行求解，得出隧道結(jié)構(gòu)所受力的精確解及近似解[43]。1968年，Newmark等提出各角度諧波入射均質(zhì)同向彈性體的應(yīng)變簡算方法。1962年至1973年，Pao等對P波入射洞室后形成的應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出洞室應(yīng)力的計算方法[44,45]。1990初，Kar等人對P波作用下洞室結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特征進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的解析解。馮又全在彈性地基梁的基礎(chǔ)上，對線性分布基床系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。趙榮高對彈性地基梁進(jìn)行改進(jìn)，得出適用于盾構(gòu)受力分析的修正理論。Bonilla等和Wells等對斷層錯動震害進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出了地震震級與地表破裂長度的計算式[46]。聞學(xué)澤等根據(jù)我國西部地區(qū)實際情況，提出走滑斷層地震震級與地表破裂長度的計算式，地震震級M與最大位錯Dmax的計算公式。數(shù)值模擬法在隧道工程學(xué)中，最常用的是有限差分軟件以及有限元軟件。其中FLAC、DEC和PFC等軟件屬于有限差分軟件。有限元分析是一種建立在結(jié)構(gòu)力學(xué)上的一種數(shù)值計算方法。目前常用的是：ABAQUS、ANSYS和MSC等軟件。高峰等使用有限元軟件，采用粘彈性邊界，對深圳地鐵進(jìn)行三維計算，分析地震作用下的隧道結(jié)構(gòu)受力作用，表明設(shè)置減震層及注漿加固能夠有效抵抗地震動作用。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了求解振動荷載的計算公式。耿萍等[47]利用有限元軟件，對地震作用下穿越斷層隧道縱向的動力響應(yīng)特性進(jìn)行研究。研究得出隧道結(jié)構(gòu)在斷層帶附近的應(yīng)力及內(nèi)力變化規(guī)律，并給出穿越斷層的合理設(shè)防長度，值得工程應(yīng)用。趙建灃[48]基于shear梁模型，對跨斷層隧道的動力響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，得出shear梁受迫振動下的格林函數(shù)解析式，結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)而驗證震動作用下跨斷層隧道結(jié)構(gòu)的函數(shù)解析式，利用數(shù)值模擬的方式對穿越斷層隧道位錯理論進(jìn)行驗證，并證明了所推到的函數(shù)解析式的正確性。此外，崔光耀等[49]根據(jù)震害資料分析，結(jié)合數(shù)值模擬，研究了強(qiáng)震作用下隧道洞口的動力響應(yīng)，并對其進(jìn)行分析。李鵬結(jié)合噶隆拉隧道的位錯反應(yīng)，提出“超挖設(shè)計”、“鉸接設(shè)計”以及“隔離效能”等抗減震措施，并對所提抗震減震措施進(jìn)行分析。秦昌[27]利用有限元軟件ANSYS對地鐵穿越活斷層時斷層錯動效應(yīng)進(jìn)行分析，得出地鐵在穿越活斷層時力學(xué)行為及變形進(jìn)行研究，得出斷層錯動速率與隧道與斷層交角對隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。伍修鋼[26]基于能量釋放理論推導(dǎo)出隧道結(jié)構(gòu)單元體的可釋放應(yīng)變能的公式，并利用數(shù)值模擬的手段對穿越斷層隧強(qiáng)震破壞機(jī)理進(jìn)行研究，并提出斷層處隧道“剛?cè)岵?jì)”與“剛?cè)嵯酀?jì)”的安全控制措施。模型實驗法模型試驗通?？刹捎渺o力和激振試驗來研究模型的動力響應(yīng)規(guī)律，而最常用的是通過激振試驗中的振動臺試驗[50]。振動臺試驗相對人工震源來說成本較低，且更易操作，因此得到廣泛采用[51]。耿萍等[52]以某強(qiáng)震區(qū)穿越斷層的鐵路隧道為依托，開展穿越斷層處隧道抗減震措施的大型振動臺試驗，對試驗的參數(shù)以及指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的說明，得出減震層在隧道結(jié)構(gòu)抗震中的有效性。Lin等以某山嶺隧道為依托，開展了斷層的錯動對隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響的振動臺模型試驗。研究表明，在斷層錯動作用下，隧道周圍會發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的擠壓變形。沈超等[53]逆斷層地表破裂的離心模型試驗，得出斷層錯動速率對地表土的破裂形狀的影響。范凱祥等[54,55]利用振動臺進(jìn)行了設(shè)置抗減震措施下隧道結(jié)構(gòu)模型在強(qiáng)震震動作用下的動力響應(yīng)實驗。得出圍巖-二次襯砌-減震層-初期支護(hù)結(jié)構(gòu)體系比常規(guī)襯砌模式更有利于隧道結(jié)構(gòu)抗減震。同時，試驗得出隧道拱腳和仰拱位置是抗震設(shè)防的重點部位。穿越斷層隧道抗減震技術(shù)研究現(xiàn)狀隧道結(jié)構(gòu)抗減震技術(shù)發(fā)展于上世紀(jì)六七十年代，之前一直沿用地面建筑抗減震技術(shù)及規(guī)范。上世紀(jì)七十年代后期，日本在國內(nèi)一些隧道及地下工程中采取減震措施，之后逐步形成規(guī)范。近些年，隧道工程數(shù)量在復(fù)雜的山嶺地帶逐年上升，穿越工程地質(zhì)越來越復(fù)雜，隨之相應(yīng)的抗減震技術(shù)較為成熟，主要有以下四種應(yīng)對措施[56]。改變圍巖參數(shù)注漿加固措施是通過對隧道周圍圍巖進(jìn)行加固來增大隧道結(jié)構(gòu)的襯砌剛度，提高穿越區(qū)段內(nèi)隧道和圍巖的整體性，屬于剛性設(shè)計[57,58]。唐浪洲[59]根據(jù)隧道洞口段圍巖的地質(zhì)情況，重點分析了全環(huán)間隔注漿加固方式(圖14)。對于穿越不良地質(zhì)的隧道工程，對軟弱圍巖進(jìn)行漸進(jìn)注漿，既能合理利用材料，又能夠增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)在震動作用下的穩(wěn)定性[60]。圖14圍巖漸進(jìn)注漿加固示意圖減震層設(shè)計通過在隧道結(jié)構(gòu)初支及二襯之間設(shè)置一層隔離效能材料作為減震層，用來吸收地震時傳遞來的能量，從而減小隧道結(jié)構(gòu)受到的擾動[61,62]。設(shè)置減震層一般選用橡膠或者泡沫混凝土，使原有的隧道結(jié)構(gòu)變?yōu)閲鷰r—初期支護(hù)—減震層—二次襯砌結(jié)構(gòu)[63]，能夠有效減小震動過程中隧道二襯結(jié)構(gòu)受到的力。圖15減震層力學(xué)模型改變襯砌型式的設(shè)計方法李鵬等采用鉸接設(shè)計法，利用柔性接頭將隧道結(jié)構(gòu)分為多個節(jié)段（見圖16），隧道節(jié)段則可以通過柔性接頭進(jìn)行水平和上下移動。隧道節(jié)段在斷層錯動過程中，能通過柔性接頭進(jìn)行一定幅度的移動，來消耗斷層錯動時的能量。設(shè)置了柔性接頭[64]的隧道結(jié)構(gòu)，在斷層錯動過程中，隨地層變形而進(jìn)行一定的變形，不會發(fā)生整體破壞。圖16隧道襯砌節(jié)段設(shè)計示意圖隧道截面超挖設(shè)計李林等[65]通過對斷層錯動下隧道結(jié)構(gòu)變形的研究，提出對隧道結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行擴(kuò)挖，以保證隧道結(jié)構(gòu)在斷層錯動條件下仍滿足凈空要求。對穿越斷層隧道進(jìn)行截面擴(kuò)挖，不僅能夠保證斷層錯動條件下的凈空要求，還能夠有效的對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行震后修復(fù)。截面擴(kuò)挖的擴(kuò)挖量主要視地震烈度、圍巖條件以及斷面凈空等因素而定，超挖量則依據(jù)斷層錯動量、錯動方式而定。何永輝[66]在對斷層錯動機(jī)理進(jìn)行研究時，根據(jù)斷層寬度進(jìn)行了隧道斷面擴(kuò)挖形式的研究，對穿越10m以下的隧道截面進(jìn)行常規(guī)擴(kuò)挖；對于寬大斷層則進(jìn)行注漿加固區(qū)、擴(kuò)挖區(qū)、非擴(kuò)挖區(qū)進(jìn)行設(shè)計。通過合理的設(shè)計，有效的保證了隧道結(jié)構(gòu)在穿越斷層時的安全性。對穿越斷層隧道進(jìn)行超挖設(shè)計能夠根據(jù)國內(nèi)的施工經(jīng)驗，超挖設(shè)計對于隧道穿越活動斷裂帶有較大抗震作用，擴(kuò)挖設(shè)計示意圖如圖17所示。從震害調(diào)查資料看，截面擴(kuò)挖后，隧道結(jié)構(gòu)在地震中的慣性力明顯增大，在地震作用下容易發(fā)生破壞。因此，在隧道結(jié)構(gòu)超挖過后，應(yīng)該采取其他的措施進(jìn)行抗震設(shè)防。圖17隧道襯砌擴(kuò)挖設(shè)計示意圖目前，科研人員在穿越斷層隧道設(shè)計中，常常根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件，隧道襯砌形式等設(shè)置更加經(jīng)濟(jì)有效的措施，進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的抗減震[67]。實際應(yīng)用中，抗減震措施也常以多種措施相結(jié)合出現(xiàn)[68]，在穿越斷層隧道工程建設(shè)中已得到廣泛應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]信春雷.穿越斷層隧道結(jié)構(gòu)地震動破壞機(jī)理與抗減震措施研究[D].西南交通大學(xué),2015.[2]靳宗振.跨斷層隧道減震結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)研究[D].西南交通大學(xué),2014.[3]趙成林.強(qiáng)震山區(qū)公路隧道洞口段抗震設(shè)防長度計算方法及地震響應(yīng)特征研究[D].西南石油大學(xué),2015.[4]耿萍，何悅，何川，等.穿越斷層破碎帶隧道合理抗震設(shè)防長度研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2014,33(02):358-365.[5]吳志強(qiáng).活斷層錯動下隧道與圍巖的相互作用特征及抗震措施研究[D].石家莊鐵道大學(xué),2017.[6]唐垠斐.山嶺隧道斷層破碎帶地震動力響應(yīng)規(guī)律及抗減震措施研究[D].西南交通大學(xué),2018.[7]張煜.斷層蠕滑錯動作用下隧道襯砌損傷開裂研究及柔性連接抗錯斷措施[D].西南交通大學(xué),2016.[8]王曉.斷層破碎帶地段隧道穩(wěn)定性分析與施工參數(shù)優(yōu)化研究[D].北京交通大學(xué),2017.[9]高嘯也.斷層破碎帶隧道圍巖變形破壞機(jī)理研究[D].重慶交通大學(xué),2017.[10]何川，耿萍.強(qiáng)震活動斷裂帶鐵路隧道建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)與對策[J].中國鐵路.2020(12):61-68.[11]鄭書笛.斷層破碎帶隧道坍塌機(jī)理分析與施工技術(shù)研究[D].煙臺大學(xué),2020.[12]馮亞恒.斷層下隧道地震動響應(yīng)規(guī)律及斷層的處理措施[D].石家莊鐵道大學(xué),2018.[13]連鵬遠(yuǎn).淺埋偏壓小凈距隧道地震響應(yīng)特性研究[D].中南林業(yè)科技大學(xué),2017.[14]劉海東.隧道典型突水突泥致災(zāi)構(gòu)造超前探測響應(yīng)特征與解釋方法[D].山東大學(xué),2018.[15]李健.深埋隧道充填型斷層突水災(zāi)變演化機(jī)理研究[D].中國礦業(yè)大學(xué),2016.[16]BekirAE,CandanG.Aspecialsupportdesignforalarge-spantunnelcrossinganactivefault(T9Tunnel,Ankara–SivasHigh-SpeedRailwayProject,Turkey)[J].EnvironmentalEarthSciences.2021,80(1).[17]JamshidiAvanakiM,HoseiniA,VahdaniS,etal.Seismicfragilitycurvesforvulnerabilityassessmentofsteelfiberreinforcedconcretesegmentaltunnellinings[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology.2018,78:259-274.[18]YanG,ShenY,GaoB,etal.Damageevolutionoftunnelliningwithsteelreinforcedrubberjointsundernormalfaulting:Anexperimentalandnumericalinvestigation[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology.2020,97: