【《穿越断层隧道灾害及抗减震技术研究的国内外文献综述》6400字（论文）】

穿越断层隧道灾害及抗减震技术研究的国内外文献综述穿越断层隧道震害实例随着人们对交通工程的重视，更多的公路工程及铁路工程需要建设，随之而来的是越来越多的交通隧道穿过山岭[13]。因此，隧道与断层相交的工程案例也越来越多。隧道在穿越断层不良地质时，容易产生涌水、塌方等地质灾害[14,15]。在地震作用下，穿越断层破碎带的隧道会由于受力较大，变形不协调等产生一系列破坏，给工程建设带来一系列的麻烦[16,17]。近百年来，每次发生强震的地区，往往伴随着大量建筑物的破坏。过去人们普遍认为地下构造物在地震中受到周边围岩的约束[18]，不会产生较大的破坏。但是通过近些年的震害研究分析，隧道结构在地震作用过后，周边围岩往往变为塑性，对隧道结构的约束能力大大降低，甚至发生液化，地基失稳等一系列不利变化，隧道结构也随之发生结构错位、断裂等破坏[19]。1906年，美国位于太平洋沿岸的旧金山发生8.0级地震，穿越圣安德烈斯断层的两座南太平洋铁路隧道遭受严重影响。1921年，日本关东发生7.8级大地震，地震灾区内多座穿越断层隧道受到破坏，给隧道修复带来极大困难。1930年日本伊豆7.0级地震，丹那隧道在穿越活动断层处产生239cm的水平位错和60cm的垂直位错，隧道边墙出现较多裂缝。1971年美国圣佛南都发生6.4级地震，多座隧道发生较为严重的破坏，导致位于断层南部的巴尔宝隧道衬砌发生剥落及变形；圣佛南都隧道紧靠Sylma断层处，隧道衬砌最大位错达到2.3m，致使隧道产生较大的裂缝。1995年日本阪神大地震对灾区内大量的山岭隧道造成了严重破坏，致使诸多地下结构在修复后才能使用。其中，位于断层破碎带处隧道地区涌水及突泥的断层破碎带处，施工及修复工作十分的困难。1999年台湾集集地震后，研究人员对57座隧道进行系统分析，49座隧道发生掉块，钢筋弯曲等损坏。2008年汶川地震，其中四川都汶公路中紫坪铺隧道、龙洞子隧道和龙溪隧道均穿越断层，隧道结构发生了较为严重的衬砌渗水、衬砌开裂等挤压破坏现象[20]。总体来看，强震作用下，穿越断层隧道在断层破碎带处易发生较大破坏[21]。因此，针对隧道结构穿越断层时灾害特点以及动力响应特性研究是十分必要的，穿越断层隧道地震灾害分析根据国内外研究人员调查发现，穿越断层隧道震害主要有[22]：隧道拱顶塌落、衬砌错台、支护结构变形、二衬剥落、隧道结构变形以及隧道结构倒塌等，一些断层隧道常见灾害如图12所示。（a）拱顶塌落（b）衬砌错台（c）二衬剥落（d）衬砌开裂（e）衬砌局部挤压破坏（f）衬砌渗水图12隧道结构常见破坏图为分析断层隧道灾害特点，对汶川地震中断层隧道灾害[23-26]进行调查。通过对汶川地震隧道震害统计可知，隧道在穿越断层带时隧道受到较为严重的破坏。由表11及图13可知，隧道在穿越断层带时隧道结构震害以二衬垮塌为主，占到29.5%；衬砌开裂(裂纹清晰，有一定走向)和隧道垮塌次之，分别占到20.64%和17.07%；路面开裂(不能确定裂纹方向，呈片状或网状)再次之，占到13.66%；其他震害类型较少。综合震害长度为1506m，占统计长度的87.51%。表11断层带段隧道结构震害统计分析震害类型ABCDEFGI震害长度（m）37024587342352930653震害比例（%）20.6413.664.851.901.2829.5017.072.96震害类型JKLMNPZ震害长度（m）10213610798118101506震害比例（%）5.697.595.975.476.580.5687.51图13断层带隧道结构震害综合统计对上述隧道震害进行分析，可知隧道在穿越断层时速隧道结构不同部位发生较为不同程度的破坏，对造成这些破坏的原因进行统计，有以下分析：（1）断层错动是造成断层破碎带隧道结构结构震害严重的主要原因[27]。调查发现，在隧道穿越断层时，断层未出现错动时，隧道未出现二衬垮塌、隧道垮塌的破坏形式，与普通段隧道衬砌破坏形式相似，只是开裂更加严重；在隧道所穿越断层出现错动时，隧道出现较为严重的二衬垮塌破坏。（2）断层上下盘围岩软弱是引起断层破碎带隧道震害严重的另外一个原因，调查结果显示：断层破碎带两侧上下盘围岩为III级，隧道出现最严重的破坏是二次衬砌垮塌(震害类型F)，长度比例为24.51%，没有出现隧道垮塌(震害类型G)，可见，在此情况下，隧道围岩是稳定的。上下盘围岩为IV级，隧道出现最严重的破坏是隧道垮塌(震害类型G)，长度比例为8.09%，可见，在此情况下，隧道围岩出现了破坏。上下盘围岩为V级，隧道出现最严重的破坏是隧道垮塌(震害类型G)，长度比例为24.55%，可见，在此情况下，隧道围岩出现了严重破坏。（3）断层破碎带的宽度对隧道震害也有一定的影响，龙溪隧道断层破碎带宽度10m以上，其附近出现了隧道垮塌，同时，这与该断层错动也有很大关系。（4）二次衬砌刚度问题也是引起断层破碎带隧道震害严重的一个原因，分析结果表明：断层破碎带两侧上下盘围岩为III级，隧道没有出现垮塌，说明隧道围岩是稳定的，但出现了长度比例为24.51%的二次衬砌垮塌，说明隧道二次衬砌需要进行抗震配筋，同时也说明，二次衬砌可以采用柔性结构进行抗震设计，因为隧道没有出现垮塌，说明初期支护完好，而初期支护就是柔性结构。上下盘围岩为IV级，隧道出现了长度比例为42.81%的二次衬砌垮塌，而隧道垮塌的长度比例仅为8.09%，可见，加强二次衬砌抗震配筋能很好地达到抗震目标。上下盘围岩为V级的隧道衬砌一般都采用钢筋混凝土结构，但是，仍有占统计长度14.49%的二次衬砌出现了垮塌，而此时隧道垮塌长度比例为24.55%，可见，应该加强二次衬砌的抗震配筋。综合分析表明，引起断层破碎带隧道结构震害原因是：断层错动、围岩条件软弱、断层带宽度以及二衬的强度和刚度。穿越断层隧道强震动力响应研究现状目前，国内外学者针对隧道震害的研究集中体现在：震害影响因素分析、地震波的传播方式、震害类型统计等[28,29]。研究结果表明，在隧道穿越断层时，断层的宽度、断层的倾角、断层的错动量、围岩等级、震级以及震中距是穿越活断层隧道震害主要影响因素[5,30,31]。其中部分学者以峰值地面加速度（PGA）来初步对隧道损害程度进行判定[32]，对震动作用下的隧道震害分析有一定的指导作用，如表12所示。表12PGA值与隧道破坏程度的关系PGA值破坏程度PGA≤0.15g隧道损害轻微0.15g＜PGA≤0.45g隧道损害严重PGA＞0.45g隧道损害非常严重对穿越断层隧道进行研究时普遍采用振动理论与进行分析[33]。对于研究穿越断层隧道地震动作用时，一般采用的方法有数值计算法、解析法与模型试验法[34]。解析法长时间以来，地下结构的建设在人们日常交通中所占比重越来越大[35,36]。据此，科研人员们对地下结构的研究也随之深入。意大利数学家Volerra于1907年创立位错理论，用于求解位错面两侧发生位移时，物体内部及表面产生的位移、应变或应力分布的问题[37]。1958年Steketee将位错理论引入地球物理学，首次用位错面作为断层的数学模型，奠定了研究三维断层模型的数学基础[38,39]。1964年，Maruyama进一步完善了Steketee的工作，并计算了余下的五个格林函数[40]。1980年，位错理论经过后来学者的推广和应用，使弹性静位错理论得到全面发展，成为反演地震机制和研究断层运动产生的位移场的有力工具[41,42]。福季耶娃根据弹性理论，对隧道在均一介质中应力及应变状态进行求解，得出隧道结构所受力的精确解及近似解[43]。1968年，Newmark等提出各角度谐波入射均质同向弹性体的应变简算方法。1962年至1973年，Pao等对P波入射洞室后形成的应力集中现象进行分析，提出洞室应力的计算方法[44,45]。1990初，Kar等人对P波作用下洞室结构的反应特征进行分析，得出相应的解析解。冯又全在弹性地基梁的基础上，对线性分布基床系数进行改进。赵荣高对弹性地基梁进行改进，得出适用于盾构受力分析的修正理论。Bonilla等和Wells等对断层错动震害进行统计分析，得出了地震震级与地表破裂长度的计算式[46]。闻学泽等根据我国西部地区实际情况，提出走滑断层地震震级与地表破裂长度的计算式，地震震级M与最大位错Dmax的计算公式。数值模拟法在隧道工程学中，最常用的是有限差分软件以及有限元软件。其中FLAC、DEC和PFC等软件属于有限差分软件。有限元分析是一种建立在结构力学上的一种数值计算方法。目前常用的是：ABAQUS、ANSYS和MSC等软件。高峰等使用有限元软件，采用粘弹性边界，对深圳地铁进行三维计算，分析地震作用下的隧道结构受力作用，表明设置减震层及注浆加固能够有效抵抗地震动作用。在此基础上，推导出了求解振动荷载的计算公式。耿萍等[47]利用有限元软件，对地震作用下穿越断层隧道纵向的动力响应特性进行研究。研究得出隧道结构在断层带附近的应力及内力变化规律，并给出穿越断层的合理设防长度，值得工程应用。赵建沣[48]基于shear梁模型，对跨断层隧道的动力响应函数进行推导，得出shear梁受迫振动下的格林函数解析式，结合数值模拟进而验证震动作用下跨断层隧道结构的函数解析式，利用数值模拟的方式对穿越断层隧道位错理论进行验证，并证明了所推到的函数解析式的正确性。此外，崔光耀等[49]根据震害资料分析，结合数值模拟，研究了强震作用下隧道洞口的动力响应，并对其进行分析。李鹏结合噶隆拉隧道的位错反应，提出“超挖设计”、“铰接设计”以及“隔离效能”等抗减震措施，并对所提抗震减震措施进行分析。秦昌[27]利用有限元软件ANSYS对地铁穿越活断层时断层错动效应进行分析，得出地铁在穿越活断层时力学行为及变形进行研究，得出断层错动速率与隧道与断层交角对隧道结构动力响应的影响。伍修钢[26]基于能量释放理论推导出隧道结构单元体的可释放应变能的公式，并利用数值模拟的手段对穿越断层隧强震破坏机理进行研究，并提出断层处隧道“刚柔并济”与“刚柔相济”的安全控制措施。模型实验法模型试验通常可采用静力和激振试验来研究模型的动力响应规律，而最常用的是通过激振试验中的振动台试验[50]。振动台试验相对人工震源来说成本较低，且更易操作，因此得到广泛采用[51]。耿萍等[52]以某强震区穿越断层的铁路隧道为依托，开展穿越断层处隧道抗减震措施的大型振动台试验，对试验的参数以及指标进行了详细的说明，得出减震层在隧道结构抗震中的有效性。Lin等以某山岭隧道为依托，开展了断层的错动对隧道结构动力响应影响的振动台模型试验。研究表明，在断层错动作用下，隧道周围会发生剪切破坏，导致隧道结构产生较大的挤压变形。沈超等[53]逆断层地表破裂的离心模型试验，得出断层错动速率对地表土的破裂形状的影响。范凯祥等[54,55]利用振动台进行了设置抗减震措施下隧道结构模型在强震震动作用下的动力响应实验。得出围岩-二次衬砌-减震层-初期支护结构体系比常规衬砌模式更有利于隧道结构抗减震。同时，试验得出隧道拱脚和仰拱位置是抗震设防的重点部位。穿越断层隧道抗减震技术研究现状隧道结构抗减震技术发展于上世纪六七十年代，之前一直沿用地面建筑抗减震技术及规范。上世纪七十年代后期，日本在国内一些隧道及地下工程中采取减震措施，之后逐步形成规范。近些年，隧道工程数量在复杂的山岭地带逐年上升，穿越工程地质越来越复杂，随之相应的抗减震技术较为成熟，主要有以下四种应对措施[56]。改变围岩参数注浆加固措施是通过对隧道周围围岩进行加固来增大隧道结构的衬砌刚度，提高穿越区段内隧道和围岩的整体性，属于刚性设计[57,58]。唐浪洲[59]根据隧道洞口段围岩的地质情况，重点分析了全环间隔注浆加固方式(图14)。对于穿越不良地质的隧道工程，对软弱围岩进行渐进注浆，既能合理利用材料，又能够增强隧道结构在震动作用下的稳定性[60]。图14围岩渐进注浆加固示意图减震层设计通过在隧道结构初支及二衬之间设置一层隔离效能材料作为减震层，用来吸收地震时传递来的能量，从而减小隧道结构受到的扰动[61,62]。设置减震层一般选用橡胶或者泡沫混凝土，使原有的隧道结构变为围岩—初期支护—减震层—二次衬砌结构[63]，能够有效减小震动过程中隧道二衬结构受到的力。图15减震层力学模型改变衬砌型式的设计方法李鹏等采用铰接设计法，利用柔性接头将隧道结构分为多个节段（见图16），隧道节段则可以通过柔性接头进行水平和上下移动。隧道节段在断层错动过程中，能通过柔性接头进行一定幅度的移动，来消耗断层错动时的能量。设置了柔性接头[64]的隧道结构，在断层错动过程中，随地层变形而进行一定的变形，不会发生整体破坏。图16隧道衬砌节段设计示意图隧道截面超挖设计李林等[65]通过对断层错动下隧道结构变形的研究，提出对隧道结构断面进行扩挖，以保证隧道结构在断层错动条件下仍满足净空要求。对穿越断层隧道进行截面扩挖，不仅能够保证断层错动条件下的净空要求，还能够有效的对隧道结构进行震后修复。截面扩挖的扩挖量主要视地震烈度、围岩条件以及断面净空等因素而定，超挖量则依据断层错动量、错动方式而定。何永辉[66]在对断层错动机理进行研究时，根据断层宽度进行了隧道断面扩挖形式的研究，对穿越10m以下的隧道截面进行常规扩挖；对于宽大断层则进行注浆加固区、扩挖区、非扩挖区进行设计。通过合理的设计，有效的保证了隧道结构在穿越断层时的安全性。对穿越断层隧道进行超挖设计能够根据国内的施工经验，超挖设计对于隧道穿越活动断裂带有较大抗震作用，扩挖设计示意图如图17所示。从震害调查资料看，截面扩挖后，隧道结构在地震中的惯性力明显增大，在地震作用下容易发生破坏。因此，在隧道结构超挖过后，应该采取其他的措施进行抗震设防。图17隧道衬砌扩挖设计示意图目前，科研人员在穿越断层隧道设计中，常常根据当地地质条件，隧道衬砌形式等设置更加经济有效的措施，进行隧道结构的抗减震[67]。实际应用中，抗减震措施也常以多种措施相结合出现[68]，在穿越断层隧道工程建设中已得到广泛应用。参考文献[1]信春雷.穿越断层隧道结构地震动破坏机理与抗减震措施研究[D].西南交通大学,2015.[2]靳宗振.跨断层隧道减震结构地震动力响应研究[D].西南交通大学,2014.[3]赵成林.强震山区公路隧道洞口段抗震设防长度计算方法及地震响应特征研究[D].西南石油大学,2015.[4]耿萍，何悦，何川，等.穿越断层破碎带隧道合理抗震设防长度研究[J].岩石力学与工程学报.2014,33(02):358-365.[5]吴志强.活断层错动下隧道与围岩的相互作用特征及抗震措施研究[D].石家庄铁道大学,2017.[6]唐垠斐.山岭隧道断层破碎带地震动力响应规律及抗减震措施研究[D].西南交通大学,2018.[7]张煜.断层蠕滑错动作用下隧道衬砌损伤开裂研究及柔性连接抗错断措施[D].西南交通大学,2016.[8]王晓.断层破碎带地段隧道稳定性分析与施工参数优化研究[D].北京交通大学,2017.[9]高啸也.断层破碎带隧道围岩变形破坏机理研究[D].重庆交通大学,2017.[10]何川，耿萍.强震活动断裂带铁路隧道建设面临的挑战与对策[J].中国铁路.2020(12):61-68.[11]郑书笛.断层破碎带隧道坍塌机理分析与施工技术研究[D].烟台大学,2020.[12]冯亚恒.断层下隧道地震动响应规律及断层的处理措施[D].石家庄铁道大学,2018.[13]连鹏远.浅埋偏压小净距隧道地震响应特性研究[D].中南林业科技大学,2017.[14]刘海东.隧道典型突水突泥致灾构造超前探测响应特征与解释方法[D].山东大学,2018.[15]李健.深埋隧道充填型断层突水灾变演化机理研究[D].中国矿业大学,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: