摘要
鉴于穿越地震活动带逆断层的铁路山岭隧道易受逆断层滑动的影响，且目前铁路隧道穿越多条活动性断层可供借鉴经验较少的现状。文章采用数值分析方法，对活动逆断层错动下的铰链式衬砌隧道在地震荷载作用下围岩加固方式、超挖设计结构的动力响应进行对比分析。结果表明逆断层错动时，对浅部地层变形的影响范围大于深部，但最大附加变形出现在深部断层面附近，且错距越大其最大附加变形值越大，断层活动对隧道结构安全影响较为显著。注浆加固并不改变衬砌在地震中的震动频谱特性，宜采用施作单层衬砌预留修复空间的设计方案。对于是否超挖设计的两种工况下，衬砌位移变化规律一致，衬砌的震动频谱特性一致。经过监控量测发现支护压应力在埋设2个月左右后趋于稳定。所得结论可为今后类似工程结构设计与施工提供参考。
穿越地震活动带逆断层的山岭隧道易受断层滑动的影响，近年来逐渐受很多学者研究关
综上所述，铁路隧道全洞身穿越地震高发区活动性逆断层可借鉴的设计成果较少。而一味地增加衬砌的刚度不一定能够有效地抵抗地震带的作用。
综上目前已有文献和减震措施可知，目前穿越断层修建隧道有4种设计理念：(1)加固围岩；(2)设置减震层；(3)设置柔性接头；(4)超挖设计。
活动性断层段隧道围岩及支护结构变形机理、隧道衬砌在地震作用下的可靠性、隧道衬砌地震受损后的修复措施、施工过程中的变形控制等问题都是亟待解决的技术难题。基于敦格铁路隧道特点，本文通过现场调查、数值分析、现场测试相结合的方法，研究活动性断层对围岩及支护结构变形机理、地震作用下衬砌结构可靠性等，从而确定活动性断层隧道衬砌结构设计和施工措施，从而保障隧道施工安全、结构稳定、运营安全和震后可修复性，以期为今后类似工程结构设计与施工提供参考。
敦格铁路阔克萨隧道位于祁连褶皱系阿尔金山断块的党河南山—青海南山断褶带，由于受到多期地质构造的影响，该褶皱带地质构造较为复杂。工点范围内沟谷发育，地形凌乱，植被稀疏。隧道洞身全段位于F3断层破碎带内。隧道纵断面如
图1 阔克萨隧道纵断面图
Fig.1 Profile view of Kuokesa tunnel
F3断层性质为一左旋走滑逆断层，走向近东西向，倾角75°左右。上盘为震旦系长城组石英片岩，下盘为第三系泥岩夹砾岩。断层破碎带宽度500～1 200 m，物质组成主要为断层泥、断层角砾，局部可见有碎裂岩。该断层为全新世活动断层，有明显活动的痕迹，断层两侧强烈挤压，在断层南侧可见有泉出露。预测未来100年的突发位错量：水平6.2 m、垂直2.8 m。阔克萨隧道全部在断层破碎带内通过，对隧道工程影响很大。考虑隧址区断层分布范围广，日后活动的可能性较大，为提高衬砌结构抗错断性能，采取“衬砌节段＋剪切缝”的链式结构方案，即为节段式衬砌结构。顾名思义，节段式衬砌结构不同于整体式浇筑衬砌，而是将整体衬砌分为不同节段，节段间用剪切缝链接，进而提高抗错动能力。
该隧道为单线隧道复合式结构，其中初支为C25喷射混凝土厚25 cm、H175钢架间距0.6 m，钢筋混凝土二次衬砌衬厚55 cm，如
图2 隧道支护结构断面图(单位：cm)
Fig.2 Section view of tunnel supporting structure (Unit：cm)
为揭示逆断层地质构造在上盘错动时对下盘岩层内位移场、应力场的影响，采用三维有限差分程序FLA
考虑到所涉问题的复杂性，对计算模型进行如下简化：模型中下盘为断层带，取Ⅴ级围岩，上盘岩层取IV级围岩；围岩在计算模型中定义为弹塑性材料，符合Mohr-Coulomb屈服准则；错动面采用FLA
(1) 计算模型
数值分析采用三维弹塑性分析，数值模型长400 m(x轴方向)、宽50 m(z轴方向)、高100 m(y轴方向)，如
图3 逆断层错动数值模型及边界条件
Fig.3 Numerical model of reverse fault dislocation and its boundary conditions
(2) 物理力学参数
模拟断层带岩体下盘为Ⅴ级围岩、上盘为Ⅳ级围岩，隧道围岩及结构采用八节点六面体单元来模拟。Ⅳ、Ⅴ级围岩的物理力学参数见
为了研究不同断层错距对地层变形的影响特征，模拟了断层错动0.5 m、1.5 m、2.0 m及3.0 m工况，不同错距下下盘断层产生的附加竖向变形云图和竖向应力分布特征如
由
(1) 断层在不同错距下对下盘竖向应力分布特征影响规律基本一致，除去模型底部边界效应影响外，皆呈现出断层错动对深部应力扰动较大，而对浅部应力扰动较小的规律；
(2) 不同错距错动后，地层相同深度位置处的应力值相差不大，表明断层错动后相邻地层的应力值与分布特征基本定型，错距增大对其影响较小；
(3) 断层错动后对下盘地层应力扰动范围要远大于变形影响范围。
根据上节揭示的逆断层地质构造在上盘错动时对下盘岩层内位移场、应力场的影响，本节继续采用三维有限差分程序FLA
(1) 模型及参数
数值计算中隧道结构采用单线隧道复合式结构型式，三维数值模型计算范围选取沿隧道轴线纵向(z轴)取50 m，隧道横截面方向(x轴)长56 m、约取隧道跨度的6倍，垂直方向(y轴)取62 m，隧道埋深24m，处于模型中偏上部位。隧道轴线方向与断层面倾向一致。其力学参数与2.2节一致。
计算模型如
图4 三维数值计算模型
Fig.4 Three-dimensional numerical model
(2) 监测点布置
监测点设在隧道的衬砌上，沿隧道进深方向每隔4 m设一组监测点，位置如
图5 衬砌上横断面监测点示意图
Fig.5 Schematic diagram of monitoring points on cross section of lining
(3) 地震波选取
本文采用瑞利阻尼，最小临界阻尼比。本文选择最小临界阻尼比为3%；结合地震动峰值加速度最小中心频率确定为2.5 Hz。采用埃而森特罗波(EI Centro)，20 s加速度时程曲线如
图6 地震加速度时程曲线
Fig.6 Time history curve of seismic acceleration
(4) 围岩加固工况
加固围岩的主要有全环间隔注浆、全环接触注浆和局部注浆三种方式。本文计算模型分为无加固圈、全环间隔注浆法形成的加固圈、全环接触注浆法形成的加固圈、利用局部注浆法形成的加固圈四种工况，断面如
图7 围岩加固计算工况
Fig.7 Calculation conditions of surrounding rock reinforcement
(5) 超挖设计工况
在得到最优加固圈和减震层工况的基础上，分别设置2种不同的超挖对比，工况1为：预留超挖面，仅施作一层50 cm厚衬砌，工况2在工况1的基础上，在预留的空间再施做一层衬砌，形成2层衬砌的复合结构，如
图8 不同工况横断面示意图
Fig.8 Diagram of cross section under different working conditions
(1) 位移响应对比分析
① 衬砌各监测点的沿隧道轴线方向位移对比
由
② 衬砌各监测点沿主震方向位移对比
由
(2) 应力响应对比分析
① 衬砌上各个监测点的最大拉应力对比
由
图9 衬砌关键部位最大拉应力峰值
Fig.9 Peak value of maximum tensile stress at key parts of lining
图10 衬砌关键部位最大拉应力峰值相对无加固圈降低幅度
Fig.10 Decrease of the peak value of maximum tensile stress at key parts of lining relative to the working condition without reinforcement ring
② 衬砌上各个监测点的最大压应力对比
由
图11 衬砌关键部位最大压应力峰值
Fig.11 Peak value of maximum compressive stress at key parts of lining
图12 关键部位最大压应力峰值相对无加固圈降低幅度
Fig.12 Decrease of the peak value of maximum compressive stress at key parts of lining relative to the working condition without reinforcement ring
(3) 加速度响应对比分析
由
图13 衬砌各监测点沿主震方向加速度峰值
Fig.13 Peak acceleration of each monitoring point of the lining along the direction of main shock
由
图14 两种工况下的拱顶处位移对比曲线
Fig.14 Comparison curves of displacements at vault under two working conditions
图15 施做衬砌隧道关键部位的最大拉应力和压应力
Fig.15 Maximum tensile stress and maximum compressive stress of key parts of lining tunnel
图16 不同工况断面接触面拱顶x方向加速度时程
Fig.16 Acceleration time history in the x direction of the vault of contact surface under different working conditions
根据最优围岩加固方式和超挖设计建设后的隧道需要进行现场监测研究，以测试研究结果的准确性和实用性。为此，本节对典型断面进行监控量测研究。
设置2个压力应力量测断面，分别为DK191＋97、DK191＋70；拱顶下沉及水平收敛量测断面间距为5 m。测点布置如
图17 监测点布置图
Fig.17 Layout map of monitoring points
量测频率：压力量测1次/天，变形量测1～2次/天。现场元件埋设照片如
图18 现场元件埋设
Fig.18 In-site component burying
DK191＋97断面，自2014年6月1日上台阶开挖支护，2014年6月21日仰拱开挖支护，2014年7月2日浇筑二次衬砌。
由
图19 DK191＋97断面量测结果
Fig.19 Measurement results of DK191＋97 section
图20 DK191＋70断面量测结果
Fig.20 Measurement results of DK191＋70 section
DK191＋70断面，于2014年6月9日上台阶开挖支护，2014年6月29日仰拱开挖支护，至2014年7月10日浇筑二次衬砌。
由
采用数值分析方法，对活动逆断层错动下的铰链式衬砌隧道在地震荷载作用下围岩加固方式、超挖设计结构的动力响应进行对比，得出如下结论：
(1) 逆断层错动时，对浅部地层变形的影响范围大于深部，但最大附加变形出现在深部断层面附近，且错距越大，最大附加变形值越大；断层活动对隧道结构安全影响较为显著。
(2) 注浆加固对隧道衬砌在地震中的位移响应影响不大，注浆加固能明显地降低衬砌的拉应力和压应力，但注浆加固并不改变衬砌在地震中的震动频谱特性。
(3) 预留修复空间(工况1)及直接施作双层衬砌(工况2)衬砌位移变化规律一致，衬砌的震动频谱特性一致，宜采用施作单层衬砌预留修复空间的设计方案。
(4) 支护压应力在埋设2个月左右后趋于稳定。量测初期支护围岩压力略大于规范松动压力，二次衬砌接触压力均未超过材料的极限强度。
参考文献(References)
HE C,KOIZUMI A.Study on seismic behavior and seismic design methods in transverse direction of shield tunnels[J].Structural Engineering and Mechanics,2001,11(6):651-662. [百度学术]
KOIZUMI A, HE C.Dynamic behavior in longitudinal direction of shield tunnel located at irregular ground with considering effect of secondary lining[C]//Proceedings 12th World Conference on Earthquake Engineering, 2000: 1-9. [百度学术]
CILINGIR U,GOPAL MADABHUSHI S P.A model study on the effects of input motion on the seismic behaviour of tunnels[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2011,31(3):452-462. [百度学术]
耿萍，吴川，唐金良，等.穿越断层破碎带隧道动力响应特性分析[J].岩石力学与工程学报,2012,31(7):1406-1413. [百度学术]
GENG Ping,WU Chuan,TANG Jinliang,et al.Analysis of dynamic response properties for tunnel through fault fracture zone[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(7):1406-1413. [百度学术]
蒋树屏，蒋华，王晓雯，等.高烈度地震区公路隧道洞口段大型振动台模型试验方案设计[J].公路,2009,54(10):245-249. [百度学术]
JIANG Shuping,JIANG Hua,WANG Xiaowen,et al.Design test scheme of large-scale shaking table model for tunnel outlet of highway tunnel in seismic region with strong motion[J].Highway,2009,54(10):245-249. [百度学术]
蒋树屏，文栋良，郑升宝.嘎隆拉隧道洞口段地震响应大型振动台模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(4):649-656. [百度学术]
JIANG Shuping,WEN Dongliang,ZHENG Shengbao.Large-scale shaking table test for seismic response in portal section of Galongla tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(4):649-656. [百度学术]
陈泽龙，崔江余，王军，等.富水断层带隧道突水突泥的临界判据[J].铁道建筑,2020,60(11):53-55,63. [百度学术]
CHEN Zelong,CUI Jiangyu,WANG Jun,et al.Critical criterion for water inrush and mud gushing of tunnel in water-rich fault zone[J].Railway Engineering,2020,60(11):53-55,63. [百度学术]
闫高明，申玉生，高波，等.穿越黏滑断层分段接头隧道模型试验研究[J].岩土力学,2019,40(11):4450-4458. [百度学术]
YAN Gaoming,SHEN Yusheng,GAO Bo,et al.Experimental study of stick-slip fault crossing segmental tunnels with joints[J].Rock and Soil Mechanics,2019,40(11):4450-4458. [百度学术]
马栋，闫肃，王武现.赣深高铁龙南隧道大型富水断层破碎带施工技术[J].隧道建设(中英文),2020,40(11):1634-1641. [百度学术]
MA Dong,YAN Su,WANG Wuxian.Construction technology of large-scale water-rich fault and fractured zone in Longnan tunnel on Jiangxi-Shenzhen high-speed railway[J].Tunnel Construction,2020,40(11):1634-1641. [百度学术]
张少强，侯圣均，江传彬，等.走滑断层错动作用下隧道变形的数值分析[J].现代隧道技术,2020,57(增刊1):418-424. [百度学术]
ZHANG Shaoqiang,HOU Shengjun,JIANG Chuanbin,et al.Numerical analysis of tunnel deformation under the slip of strike-slip fault[J].Modern Tunnelling Technology,2020,57(Suppl01):418-424. [百度学术]
刘学增，谷雪影，代志萍，等.活断层错动位移下衬砌断面型式对隧道结构的影响[J].现代隧道技术,2014,51(5):71-77. [百度学术]
LIU Xuezeng,GU Xueying,DAI Zhiping,et al.Influence of lining section type on a tunnel structure under active fault movement[J].Modern Tunnelling Technology,2014,51(5):71-77. [百度学术]
FAN Ling,CHEN Jieling,PENG Shuquan,et al.Seismic response of tunnel under normal fault slips by shaking table test techniqueFull-text in English[J].Journal of Central South University,2020,27(4):1306-1319. [百度学术]
宋成辉，李伟，蒋富强，等.穿越东非大裂谷内马铁路隧道的抗震分析及断层位错设计[J].工程地质学报,2020,28(4):867-876. [百度学术]
SONG Chenghui,LI Wei,JIANG Fuqiang,et al.Seismic analysis and fault dislocation design of the tunnel through rift valley of Nairobi-Malabar railway[J].Journal of Engineering Geology,2020,28(4):867-876. [百度学术]
蒋树屏，李鹏，林志.穿越活动断层区隧道的抗断设计对策[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2008,27(6):1034-1036,1041. [百度学术]
JIANG Shuping,LI Peng,LIN Zhi.Design strategies of breaking resistance of tunnels crossing active faults zone[J].Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Sciences),2008,27(6):1034-1036,1041. [百度学术]
