逆断层作用下隧道结构弹塑性损伤及模型试验

曾佳龙; 申玉生; 冯停洋; 余义林; 王超; 王浩鱇

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507426

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (26) :11459-11470 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507426

交通运输

逆断层作用下隧道结构弹塑性损伤及模型试验

曾佳龙 ¹ ,
申玉生 ¹^,²^,^* ,
冯停洋 ¹ ,
余义林 ¹ ,
王超 ¹ ,
王浩鱇 ¹

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Elastoplastic Damage of Tunnel Structures and Model Test under Reverse Fault Action

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摘要

断层错动对隧道工程的破坏不容忽视,对断层作用下隧道结构弹塑性损伤进行深入研究具有重要的理论和工程实际意义。借助ABAQUS有限元软件与室内模型试验,通过数值模拟和模型试验相结合的方法分析了断层错动作用下隧道设置柔性接头和减错层抗错措施对隧道结构抗错性能的影响,并利用混凝土塑性损伤(concrete damaged plasticity,CDP)模型分析了隧道结构衬砌的损伤特征,得到隧道抗错措施的设计参数最优范围,结合模型试验验证了抗错措施的适用性。结果表明:断层错动距离较大时柔性接头采用单位刚度比0.3∶1≤K≤1.2∶1的隧道衬砌可以显著降低损伤等级;减错层单位刚度比K靠近1∶4 000能达到最佳的抗错效果;在断层错动1 m时,无措施圆形隧道在断层附近区域±20 m发生严重损坏,在拱顶部位的-20~0 m区域隧道发生压缩破坏,0~20 m区域隧道发生严重脱落与坍塌并伴随剪切错台,发生严重拉伸破坏。研究成果可为强震区长大隧道工程的抗错设计提供有益参考。

Abstract

The damage inflicted by fault movement on tunnel engineering structures is a critical concern that warrants thorough investigation. Conducting in-depth research on the elastoplastic damage behavior of tunnel structures under fault activity is held to possess significant theoretical and practical engineering value. By utilizing ABAQUS finite element software in conjunction with laboratory-scale model testing, the influence of flexible joints and error-reducing layers (anti-error measures implemented within tunnels) on the structural error resistance performance under fault displacement was comprehensively analyzed. Furthermore, CDP (concrete damaged plasticity) model was employed to evaluate the damage characteristics of tunnel lining structures. Based on the combined results of numerical simulations and physical model tests, the optimal design parameter ranges for these error-resistant measures were determined, and their effectiveness was validated. The findings indicate that when subjected to significant fault offsets, tunnel linings equipped with flexible joints featuring a unit stiffness ratio of 0.3∶1 ≤K≤1.2∶1 demonstrate a marked reduction in structural damage severity. Additionally, an error-reducing layer with a unit stiffness ratio close to 1∶4 000 is found to achieve the most effective error-resistant performance. Under a fault displacement of 1 meter, severe structural damage is experienced by an unprotected circular tunnel within a ±20 m radius from the fault zone. Specifically, compressive failure occurs in the crown area between -20 and 0 m, while tensile failure accompanied by severe detachment, collapse, and shear misalignment is observed between 0 and 20 m. These research outcomes provide valuable insights and references for the seismic-resistant design of long tunnels in seismically active regions.

Graphical abstract

关键词

隧道工程 / 逆断层 / 衬砌结构 / 数值模拟 / 模型试验

Key words

tunnel engineering / reverse fault / lining structure / numerical simulation / model test

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曾佳龙, 申玉生, 冯停洋, 余义林, 王超, 王浩鱇. 逆断层作用下隧道结构弹塑性损伤及模型试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(26): 11459-11470 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507426

ZENG Jia-long, SHEN Yu-sheng, FENG Ting-yang, YU Yi-lin, WANG Chao, WANG Hao-kang. Elastoplastic Damage of Tunnel Structures and Model Test under Reverse Fault Action[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(26): 11459-11470 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507426

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“十四五”期间,随着中国西部陆海新通道、国家重大铁路工程的全面建设,新建铁路会不可避免地穿越断裂活动频繁、地震烈度高、构造复杂的山区^[1]。许多深埋长大隧道工程亟须解决抗震设防问题,如何有效保障隧道结构的安全与稳定,以及提高穿越活动断裂带隧道工程的抗震与抗错能力,已成为解决强震区复杂隧道建设难题的关键。

目前,许多中外学者对穿越活动断裂带隧道的抗错断措施研究主要集中在超挖设计、铰接设计、刚柔并济以及隔离效能等方法,或将多种措施结合进行隧道抗错断设计。梁建文等^[2]基于混凝土塑性损伤(concrete damaged plasticity,CDP)本构模型构建盾构管片的三维壳-弹簧有限元模型,通过静力弹塑性分析方法研究了断层错动作用下隧道结构的力学响应。孙风伯^[3]提出了穿越活动断层隧道抗拉错组合变形缝定量设置的定量公式。崔光耀等^[4]采用数值分析与模型试验的方法,研究了隧道抗错方案的适用性,结果表明隧道设置10 cm减错层的减震效果优于5 cm和15 cm。粟威等^[5-6]通过数值模拟分析了断层对隧道结构产生的错动响应,提出隧道节段衬砌铰接设计抗错断措施,通过对比发现3 m节段衬砌控制效果最佳。闫高明^[7]通过开展错动模型试验,分析了柔性接头连接的节段式衬砌隧道的力学行为。马亚丽娜等^[8]采用模型试验与数值模拟对穿越断层隧道有无铰接设计下衬砌错断响应进行研究,结果显示断层错动面附近是铰接式衬砌的主要破坏区域,且衬砌节段间出现了显著角度偏转。An等^[9]提出了断层位错的两级设计方法,建立三维土-隧道有限元模型判断了方法的合理性,结果表明采用节段衬砌加柔性接头可显著降低隧道损伤。Wang等^[10]建立了穿越断层盾构隧道的三维数值模型,研究盾构隧道的破坏特征,结果显示断层破碎带的核心和断层与围岩的边界是隧道严重变形的主要部位。

综上所述,现有研究主要侧重于断层作用下隧道的主动防护性能,而针对断层错动下隧道损伤的防护研究相对较少,隧道抗错措施需要兼具主动防护的灵活性和被动防护的可靠性,因此有必要开展隧道抗错措施的防护性能及其在断层作用下对隧道结构的损伤规律研究。

基于此,现采用数值模拟和模型试验相结合的方法,分析断层错动作用下隧道设置柔性接头和减错层抗错措施对隧道结构抗错性能的影响,利用混凝土CDP模型分析隧道结构衬砌的损伤特征,得到隧道抗错措施的设计参数最优范围。随后通过开展模型试验分析逆断层错动下隧道结构的损伤特性,验证抗错措施的适用性。研究成果可为强震区长大隧道工程的抗错设计提供有益的参考。

1 工程概况

依托隧道工程位于中国西部高原地区,该工程穿越活动断裂带,隧道采用双护盾隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)工法施工,隧道长度 6 605 m,隧址区属于构造地貌。区域内发育一条近东西向倾滑断裂带。该断裂带断裂走向290°,断层面N倾,倾角60°~75°,断裂性质为逆冲型,蠕滑速率为0.4 mm/年,该断裂带未来100年可能引发的地表最大垂直位错量可达1.0 m。断层带内大型角砾岩块,一般厚度3~10 m,个别可达20 m左右,裂隙发育。断层上下盘为Ⅳ级围岩,破碎带内围岩为Ⅴ级。论文研究中断层破碎带宽度取 20 m,隧道轴线与活动断裂带交角取90°,断层倾角取75°,如图1所示。

隧道采用圆形截面隧道,隧道直径6.15 m,采用C35混凝土衬砌,厚度为0.35 m,初期支护厚度为0.24 m,强度为C20混凝土,隧道断面图如图2所示。

2 计算模型建立

2.1 混凝土CDP损伤模型

为了在有限元模拟中更准确地捕捉衬砌混凝土的损伤特性,王雨航^[11]对混凝土塑性参数采用CDP模型来描述混凝土在拉伸和压缩状态下的特征。该模型建立在材料各向同性假定的基础上,采用损伤变量修正材料的弹性刚度张量,结合拉伸-压缩损伤机理来表征混凝土的非线性行为特征,能有效模拟混凝土材料在塑性阶段的刚度衰减现象。

图3为C35混凝土单轴拉伸与压缩应力应变曲线和损伤关系图,在混凝土受拉受压过程中产生压缩破碎及拉伸开裂的破坏,主要与拉伸、压缩时的等效塑性应变有关。

根据《混凝土结构设计规范》(GB/T 50010—2010),混凝土单轴受压受拉应力应变曲线可以由式(1)确定。

(1)σ=(1-d)E₀ε

式(1)中:d为混凝土损伤因子;ε为混凝土单轴总应变;E₀为混凝土初始弹性模量。

(2)d_c=$\left\{\begin{array}{ll}1-\frac{\mathit{n}{\mathit{\rho }}_{\mathit{c}}}{\mathit{n}-1+{\mathit{x}}^{\mathit{n}}},& \mathit{x}\le 1\\ 1-\frac{{\mathit{\rho }}_{\mathit{c}}}{{\mathit{\alpha }}_{\mathit{c}}{(\mathit{x}-1)}^{2}+\mathit{x}},& \mathit{x}>1\end{array}\right.$

(3)d_t=$\left\{\begin{array}{ll}1-[1.2-0.2{\mathit{x}}^{5}],& \mathit{x}\le 1\\ 1-\frac{{\mathit{\rho }}_{\mathit{t}}}{{\mathit{\alpha }}_{\mathit{t}}{(\mathit{x}-1)}^{1.7}+\mathit{x}},& \mathit{x}>1\end{array}\right.$

(4)n=$\frac{{\mathit{E}}_{0}{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{c}\mathit{r}}}{{\mathit{E}}_{0}{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{c}\mathit{r}}-{\mathit{f}}_{\mathit{c}\mathit{r}}}$

(5)x=$\frac{\mathit{\epsilon }}{{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{r}}}$

(6)ρ=$\frac{{\mathit{f}}_{\mathit{r}}}{{\mathit{E}}_{0}{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{r}}}$

(7)α=0.157f${}_{\mathit{r}}^{0.785}$-0.905

式中:ρ_c、ρ_t分别为受压、受拉状态下的强度-刚度比参数;α_c与α_t为混凝土单轴受压受拉应力应变下降段参数;n为混凝土单轴受压应力-应变曲线上升段的形状参数;ε_cr为混凝土单轴受压峰值应变;f_cr为混凝土单轴抗压峰值强度;ε_r为相应受力状态下的参考应变,通常取峰值应变;f_r为相应受力状态下的参考强度。

根据式(1)~式(7)可以得到C35混凝土单轴受拉受压应力应变曲线及损伤系数关系。

禹海涛等^[12]基于隧道衬砌结构的弹塑性损伤演化特征,建立了四阶段安全评估体系,根据衬砌截面损伤发展程度,将其安全状态划分为4个等级,如表1所示。

2.2 模型建立

采用Abaqus软件建立围岩隧道三维数值模型,对隧道抗错结构进行精细化建模,主要研究内容为逆断层作用下减错层、衬砌刚度比和柔性接头宽度对隧道损伤特性的影响,为得到抗错措施的最优参数范围,建立三维模型,如图4所示。

依托实际隧道工程,围岩与衬砌参数如表2所示,对每个衬砌断面单元格进行监测,用于揭示隧道抗错措施的抗错性能,并以隧道入口为坐标原点,每个模型总长为400 m,宽度与高度均为70 m,围岩与隧道均采用实体单元格,隧道与围岩接触切向摩擦系数设置为0.3,法向设置为可接触分离的硬接触,上下盘与破碎带以及滑动面接触设置为相同接触。

3 隧道抗错措施弹塑性损伤分析

3.1 柔性接头对隧道结构损伤影响分析

3.1.1 工况设置

隧道节段衬砌通过柔性接头连接,为达到相邻衬砌结构相互移动以模拟柔性接头的抗错位作用,柔性结构与衬砌结构采用不同的弹性模量,两者采用绑定接触,用于研究设防范围内柔性接头刚度变化对隧道结构损伤规律及抗错性能的影响。根据文献[13 -18]研究成果,隧道抗错措施中节段衬砌长度确定为6.0 m,据此得到隧道柔性接头研究参数如表3所示。

为研究隧道柔性接头各参数之间对衬砌抗错性能的影响,采用柔性接头刚度与隧道衬砌的单位刚度比K进行定量,并利用正交设计确定计算工况如表4所示,K表示为

(8)K=$\frac{{\mathit{E}}_{\mathit{j}}{\mathit{I}}_{\mathit{j}}}{\mathit{L}}$

$\frac{\mathit{b}}{{\mathit{E}}_{\mathit{c}}{\mathit{I}}_{\mathit{c}}}$

式(8)中:E_j为柔性接头材料弹性模量;I_j为接头截面惯性矩;E_c为混凝土衬砌弹性模量;I_c为混凝土衬砌横截面惯性矩;L为衬砌纵向长度;b为柔性接头自身的宽度。

对于柔性接头工况,有

(9)K=$\frac{{\mathit{E}}_{\mathit{j}}/{\mathit{\lambda }}_{\mathit{j}}}{{\mathit{E}}_{\mathit{c}}/{\mathit{\lambda }}_{\mathit{c}}}$

式(9)中:λ_c为混凝土跨高比;λ_j为柔性接头跨高比。

令β=E/λ,表示结构的几何刚度系数,则K=β_j+β_c。由此可以得到任意隧道截面及节段衬砌下,柔性接头所适合的设计参数范围,即当衬砌跨高比为1时,柔性接头的几何刚度系数 β=KEC。

3.1.2 隧道衬砌结构损伤分析

将工况1、工况3、工况4和工况5在断层错动量为0.5、1.0 m情况下的损伤分布进行绘制,如图5 和图6所示。

选取衬砌结构每个单元质心位置处的损伤因子d来表征该单元的损伤程度,则隧道各个单元横截面位置处的结构塑性损伤可由该断面所有单元损伤指数对单元体积加权平均得到,即损伤体积比,可定量表征任一横断面结构的整体损伤程度。各断层错动量下损伤指数峰值如图7所示。

(10)

$\mathit{D}\mathit{S}=\frac{\sum _{\mathit{i}=1}^{\mathit{n}}{\mathit{d}}_{\mathit{i}}{\mathit{V}}_{\mathit{i}}}{\sum _{\mathit{i}=1}^{\mathit{n}}{\mathit{V}}_{\mathit{i}}}$

式(10)中:DS为损伤体积比;d_i为第i个单元质心位置处的损伤因子大小;V_i为第i个单元的体积。

如图5、图6及图7所示,随着断层错动距离的增加,隧道衬砌的拉压损伤指数上升,当断层错动从0.5 m增加到1.0 m时,无措施隧道的压缩损伤指数从0.61增加至0.94,增幅为54%,拉伸损伤指数从0.68增加至0.72,并且在断层错动量U=0.5 m 时拉伸损伤占主导地位,断层错动量U=1.0 m 时压缩损伤占主导地位;采用较高单位刚度比(工况3)时,在断层错动0.5、1.0 m下,隧道衬砌全部处于中等损坏或严重损坏状态;采用较低单位刚度比(工况5)时,在较大错动距离下,隧道衬砌的损伤等级显著降低,可从中等损坏恢复至轻微损坏状态。

为得到采取柔性接头后隧道结构损伤分布特征,选取在断层错动量为1.0 m时穿越断层隧道无措施及工况5的压缩与拉伸损伤云图如图8所示。从图8可知,隧道结构设置节段衬砌与柔性接头措施后,隧道结构的压缩与拉伸损伤程度与范围明显减小;衬砌损伤明显转移至柔性接头附近区域,从而降低了其他部位的损伤程度,并且压缩损伤明显大于拉伸损伤;隧道结构损伤范围的降低说明设置柔性接头措施的有效性。

将各工况下损伤指数变化率进行绘制,如图9所示。从图9可以看出,不同断层错动量下,衬砌结构的拉压损伤指数在工况2或工况3时变化率趋于稳定;拉伸损伤变化率随着断层错动量的增加而显著减小;压缩损伤指数变化率最大为50.8%,并且断层错动量U=0.5 m情况下的变化率总体比断层错动量U=1.0 m时高;单位刚度比(K≤0.6∶1)的损伤变化率显著高于单位刚度比(K≥1.2∶1)的损伤变化率,建议采用较低单位刚度比(0.3∶1≤K<1.2∶1)设计隧道衬砌,以节约成本。

3.2 减错层对隧道结构损伤影响分析

3.2.1 工况设置

所研究的减错层物理力学参数如表5所示,衬砌节段长度统一定为6 m,柔性接头宽度取20 cm,柔性接头弹性模量取衬砌的1/100,并进行正交设计确定计算工况如表6所示。

根据式(8)单位刚度比表达式,可以得到不同隧道形状下减错层厚度与隧道直径的比值为

(11)

$\frac{\mathit{t}}{\mathit{D}}$>=$\frac{\sqrt[4]{\mathit{K}\mathit{\alpha }\left[1\right.-{(1-\mathit{\eta })}^{4}]+1}-1}{2}$

式(11)中:t为减错层厚度;D为隧道等效圆截面外直径;K为单位刚度比;α为衬砌弹模与减错层弹模之比;η为等效圆隧道内径与外径之比。

3.2.2 隧道衬砌结构损伤分析

将工况1、2、3、5和工况7在断层错动量为0.5、1.0 m情况下的损伤分布进行绘制,如图10和图11所示,各断层错动量下隧道损伤指数峰值如图12所示。

从图10、图11及图12可知,随着断层错动距离的增加,隧道衬砌的拉压损伤指数显著上升,在断层错动量U>0.5 m时压缩损伤占主导地位;采用较高单位刚度比(K=1∶500,K=1∶250)时,断层错动距离U=0.5~1.0 m下,隧道衬砌全部处于中等损坏或严重损坏状态;采用较低单位刚度比(K≤1∶2 000)时,在错动距离U=0.5 m下,隧道衬砌可达到轻微损坏状态;错动距离U>0.5 m下,隧道衬砌的损伤等级显著降低,可从严重-中等损坏降低至中等-轻微损坏状态。

为得到采取减错层后隧道结构损伤分布特征,选取在断层错动量为1.0 m时穿越断层隧道无措施及单位刚度比K=1∶4 000的损伤云图如图13所示。

从图13可知,隧道结构设置节段衬砌加减错层措施后,隧道结构的压缩与拉伸损伤程度与范围明显减小,但压缩损伤的纵向范围略有增大,其中严重损伤范围显著减小;衬砌的拉压损伤明显集中在柔性接头附近区域,其他部位的损伤程度降低,拉压损伤范围规律一致;隧道结构损伤范围的明显降低说明设置减错层措施的有效性。

各工况下损伤指数变化率如图14所示,不同断层错动量下,隧道结构的拉压损伤指数在工况6或工况7(K>1∶1 000)时变化率趋于稳定,并且拉压损伤变化率随着K的增大而先增大后减小。工况2或工况3变化率明显高于其他工况,工况3(K=1∶4 000)压缩损伤变化率最大为65.6%。断层错动距离U=0.5~1.0 m,采用较高单位刚度比(K>1 000∶1)时,隧道衬砌出现中等甚至严重损坏,采用较低单位刚度比(1∶6 500≤K≤1∶1 000)时,隧道衬砌仅出现轻微或中等损坏。

4 模型试验

4.1 试验装置

为满足隧道结构在实际环境中受到的断层错动作用,研发了一种穿越断层隧道结构试验加载装置,即一种刚性模型箱。模型箱外部尺寸为长×宽×高=3.5 m×2.5 m×2.2 m,隧道结构位于模型箱中心位置延伸,与模型箱长平行;模型箱下盘固定在地面,上盘通过模型箱副板螺栓连接,上盘底部安装千斤顶以模拟上盘错动下的隧道结构响应,如图15所示。

4.2 相似材料设计

选取长度[L]、密度[ML^-3]和弹性模量[L^-1M⁰T^-2]作为基本物理量,根据实际工程情况,综合考虑模型箱尺寸和边界效应等因素,确定本次试验几何相似比C_L=l_p/l_m=20,密度相似比C_ρ=ρ_p/ρ_m=1.5,弹性模量相似比C_E=E_p/E_m=30。根据Buckingham π定理和量纲分析法,推导出其他主要物理量的相似常数,如表7所示。

依托西部高原实际工程隧道穿越宽度为 6.55 m,根据几何相似比得到试验宽度为0.33 m。考虑石膏材料与混凝土具有相似的脆性特征,同时具备稳定性好、成型便捷、易于加工等优势,选择石膏作为试验的衬砌材料,本次试验衬砌原型和理论模型力学参数如表8所示。

本次试验衬砌材料配比为石膏∶石英砂∶重晶石∶硅藻土∶水=1∶0.2∶0.6∶0.4∶1.4。围岩相似材料由骨料组分、胶凝物质和功能添加剂构成,Ⅳ级围岩模拟材料配比(质量分数)为:河砂(18%)+粉煤灰(31.2%)+机油(8.5%)+重晶石粉(25.3%)+石英砂(17%),Ⅴ级围岩模拟材料配比(质量分数)为:河砂(31%)+粉煤灰(57%)+机油(12%),断层滑动带填充材料采用河砂与木屑按5∶1质量比混合配制,具体的围岩材料物理力学参数如表9所示。

4.3 试验工况

为了分析逆断层作用错动下隧道结构的损伤特征及全面评估设计的抗错措施的合理性与性能,验证该措施的适用性。试验设计了两组工况对比分析隧道抗错措施的适用效果,工况1节段衬砌采用刚性连接,工况2节段衬砌采用柔性接头与减错层,如图16所示。

4.4 隧道结果试验损伤分析

无措施隧道取全段进行分析,如图17所示,隧道严重损坏段位于破碎带及其附近区域(等效为 -20 m,20 m),即C、D、E段;在拱顶部位,C-D段即破碎带与下盘交界附近,隧道发生严重的压缩破坏,D-E段即破碎带与上盘交界附近,隧道外侧发生严重脱落与坍塌,并且有一定的剪切错台现象,此区域隧道发生严重的拉伸破坏;在仰拱部位,D段内侧衬砌产生了许多斜向的拉裂缝,靠近C段方向隧道内部被拉伸损坏,E段衬砌出现严重的压碎崩溃破坏;在断层错动5 cm(等效为1 m)后,无措施隧道在拱顶及仰拱部位均产生了严重的衬砌坍塌崩溃以及损伤,损伤区域与数值模拟损伤分布一致,需采取抗错措施减小隧道损伤范围。

有措施隧道选取C~H段进行分析,如图18所示,采取抗错措施后,隧道结构的损伤程度以及损伤范围明显降低,并且损伤与破坏出现集中现象,同时也说明了采取措施后的有效性;在拱顶部位, C段外侧与D段内侧均出现了贯通的纵向裂缝,G段外侧出现贯通裂缝且在靠近H段的接头处出现了衬砌掉块现象,说明了衬砌被压坏且损伤出现了集中现象,H段内部出现了多条纵向及斜向裂缝;在仰拱部位,D段接头处略有掉块且出现了贯通裂缝,E段接头处出现了压溃现象,G段与H段出现了多条拉伸斜裂缝及贯通裂缝;逆断层错动5 cm(等效为 1 m)后,有措施圆形隧道的损伤程度及范围急剧减小,并且坍塌崩溃主要出现在接头处,损伤出现集中,保证了隧道其他部分的安全。

5 结论

依托西部高原实际隧道工程,采用数值模拟与模型试验方法分析了逆断层作用下隧道衬砌损伤特征,得出以下结论。

(1)柔性接头的设置能够显著减少隧道结构的损伤。断层错动距离U=0.5 m时,采用单位刚度比(K≤1.2∶1),隧道衬砌仅出现轻微或中等损坏状态。断层错动距离较大(U>0.5 m)时,采用单位刚度比0.3∶1≤K≤1.2∶1的隧道衬砌可以显著降低损伤等级为中等损坏,断层错动量较小的区域,可适当降低刚度比(K<0.6∶1)。

(2)减错层的设置能够有效吸收断层错动产生的能量,明显减少隧道结构的损伤范围与程度。单位刚度比K靠近1∶4 000能达到最佳的抗错效果,该范围内的隧道衬砌结构能够适应不同断层错动量以降低隧道结构的损伤程度,使其达到安全或轻微损坏范围内。

(3)在断层错动5 cm(等效1 m)时,无措施圆形隧道在断层附近区域20 m范围内发生严重损坏,在下盘拱顶部位的0~20 m区域隧道发生压缩破坏,上盘拱顶部位的0~20 m区域隧道发生严重脱落与坍塌并伴随剪切错台,发生严重拉伸破坏。下盘仰拱部位的0~20 m区域发生了严重的压溃破坏。采取抗错措施后,隧道结构的损伤程度及损伤范围明显降低,严重损伤集中出现在接头附近,主要呈现出拱顶拉坏显著,仰拱压坏显著,损伤部位及范围与数值模拟拉压损伤规律一致。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	Song S, Shen Y, Yu Y, et al. Shaking table test on seismic response and failure characteristics of buried pipeline-tunnel structure crossing fault fracture zone[J]. Tunnelling and Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research, 2026, 167: 107006.

[2]	梁建文, 吴泽群, 辛钰, 等. 断层错动下盾构隧道抗震措施研究[J]. 地震工程与工程振动, 2020, 40(1): 1-11.

[3]	Liang Jianwen, Wu Zequn, Xin Yu, et al. Seismic countermeasures of shield tunnel under fault movement[J]. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics, 2020, 40(1): 1-11.

[4]	孙风伯. 穿越活动断裂山岭隧道抗位错机理与方法研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2018.

[5]	Sun Fengbo. Failure mechanism and method of anti-dislocation of mountain tunnel through active fault[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2018.

[6]	崔光耀, 伍修刚, 王明年, 等. 高烈度地震区黏滑断层隧道减错层减震模型试验研究[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(11): 2125-2131.

[7]	Cui Guangyao, Wu Xiugang, Wang Mingnian, et al. Model tests on damping of shock absorption layer of stick-slip fracture tunnel in highly seismic areas[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(11): 2125-2131.

[8]	粟威, 陶伟明, 易鹏豪, 等. 穿越走滑断层隧道错动影响分区及隧道节段式衬砌抗错断性能控制[J]. 科学技术与工程, 2024, 24(18): 7534-7541.

[9]	Su Wei, Tao Weiming, Yi Penghao, et al. Misalignment influence zone and misalignment resistance of segmental lining of tunnel through strike-slip faults[J]. Science Technology and Engineering, 2024, 24(18): 7534-7541.

[10]	粟威, 陶伟明, 匡亮, 等. 穿越走滑断层隧道柔性接头抗错性能试验研究[J]. 铁道标准设计, 2025, 69(6): 123-133.

[11]	Su Wei, Tao Weiming, Kuang Liang, et al. Experimental study on anti-dislocation performance of flexible joints in tunnels crossing strike-slip faults[J]. Railway Standard Design, 2025, 69(6): 123-133.

[12]	闫高明. 强震区跨断层山岭隧道结构柔性接头力学机理研究[D]. 重庆: 西南交通大学, 2020.

[13]	Yan Gaoming. Mechanical mechanism study of fault-crossing mountain tunnel with flexible joint in strong seismic areas[D]. Chongqing: Southwest Jiaotong University, 2020.

[14]	马亚丽娜, 陈雅琪, 刘继国, 等. 跨走滑断层铰接式隧洞衬砌错断破坏机制研究[J]. 现代隧道技术, 2023, 60(5): 136-147.

[15]	Ma Yalina, Chen Yaqi, Liu Jiguo, et al. Research on failure mec-hanism of tunnel with articulated lining crossing strike-slip fault[J]. Modern Tunnelling Technology, 2023, 60(5): 136-147.

[16]	S An, Tao L J, Han X C, et al. Application of two-level design method on subway tunnel crossing active fault: a case study on Urumqi subway tunnel intersected by reverse fault dislocation[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2021, 80: 3871-3884.

[17]	Wang Q, Geng P, Li P, et al. Failure analysis of circumferential joints and preferable bolt form of shield tunnel under normal fault dislocation[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2024, 146: 105648.

[18]	王雨航. 正断层蠕滑错动下隧道衬砌损伤分析及高韧抗错衬砌材料研究[D]. 长春: 吉林大学, 2024.

[19]	Wang Yuhang. Damage analysis of tunnel lining under normal fault creep slip and study on high toughness anti-fault lining materials[D]. Changchun: Jilin University, 2024.

[20]	禹海涛, 许桦霖, 卫一博. 穿活动断裂带隧道抗错动易损性分析方法[J]. 岩土工程学报, 2024, 46(10): 2060-2068.

[21]	Yu Haitao, Xu hualin, Wei Yibo. Seismic fragility analysis met-hod for evaluation of dislocation resistance of tunnels crossing active fault zones[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2024, 46(10): 2060-2068.

[22]	张熙, 申玉生, 易鹏豪, 等. 穿越多断层破碎带隧道自适应结构走滑错动特性研究[J]. 铁道标准设计, 2024, 68(5): 137-146.

[23]	Zhang Xi, Shen Yusheng, Yi Penghao, et al. Study on response characteristic of tunnel self-adaptive structure crossing multi-fault fracture zone under creep-slip motion[J]. Railway Standard Design, 2024, 68(5): 137-146.

[24]	Zhang X, Shen Y S, Zhou P F, et al. Partitions of seismic affected zone and characteristics of segmental lining based on energy principle[J]. Journal of Central South University, 2023, 30(1): 227-242.

[25]	张熙, 申玉生, 常铭宇, 等. 穿越多破裂面隧道节段衬砌地震损伤破坏振动台试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2023, 42(9): 2237-2252.

[26]	Zhang Xi, Shen Yusheng, Chang Mingyu, et al. Shaking table test research on seismic damage and failure of tunnel segmental lining crossing multiple rupture surfaces[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2023, 42(9): 2237-2252.

[27]	刘凯旋. 穿越断层破碎带隧道动力响应与安全性评价研究[D]. 天津: 天津大学, 2022.

[28]	Liu Kaixuan. Study on dynamic response and safety evaluation of tunnel crossing fault fracture zone[D]. Tianjin: Tianjin University, 2022.

[29]	Shen Y S, Wang Z Z, Yu J, et al. Shaking table test on flexible joints of mountain tunnels passing through normal fault[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2020, 98: 103299.

[30]	王浩鱇, 申玉生, 潘笑海, 等. 强震区穿越多破裂面破碎带隧道动力特性试验研究[J]. 现代隧道技术, 2025, 62(1): 212-220, 230.

[31]	Wang Haokang, Shen Yusheng, Pan Xiaohai, et al. Experimental study on dynamic characteristics of tunnels crossing multi-fault fracture zones in strong earthquake regions[J]. Modern Tunnelling Technology, 2025, 62(1): 212-220, 230.

基金资助

国家自然科学基金(52278414)

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Received	Published	Revised
2025-10-24	2026-09-18	2026-02-06
Online Date
2026-10-09

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