1 引 言
我国西部地区处于欧亚板块与印度洋板块交界，位于喜马拉雅地震带，地震活动频繁而强烈，有一半区域位于地震基本烈度Ⅶ度及以上地震区，面对复杂地质与活动断裂带，西部深埋长大隧道工程建设存在着巨大挑战。2022年青海门源地震时，大梁隧道道床隆起、衬砌环向挤压破坏，隧道整体为走滑挤压破坏；2008年汶川地震时，龙溪隧道出现大量错动挤压破坏，拱腰出现不同程度的裂缝。在西部强震区的大型断裂带中，由于断层与构造应力的作用，形成了许多断层破碎带，而在破碎带内部由于挤压会产生多个破裂面。在强震作用下大型活动破碎带发生多次滑动与错动，可能会造成断层带上、下盘及周围岩土体产生复杂的空间变形，同时兼有压、剪、扭等地震力作用，由此导致穿越破碎带的隧道结构严重变形、开裂甚至破坏。
目前许多国内外学者对穿越断层隧道进行了大量研究。在理论方面，禹海涛等将隧道简化为地层中的弹性地基梁，建立振动微分方程，推导出长大隧道及节段式衬砌隧道纵向地震响应解析解。刘国钊等推导了活动性断裂带错动作用下隧道纵向力学响应的解析解并进行了验证，还根据受影响程度对隧道沿纵向进行了分区。Zhao等采用弹性地基梁模型，考虑了地层与隧道的切向相互作用，建立了断裂带蠕变作用下隧道内力的解析解，并通过数值模拟进行了验证。在模型试验方面，Wang等开展了振动台模型试验，研究了隧道结构-土体-地表结构相互作用体系的地震反应规律，发现隧道的存在一定程度上阻碍了地震波传播，从而降低了地表结构的地震反应。Yan等、Shen等通过振动台试验，研究了穿越断层隧道的抗减震措施，提出在穿越活动断裂区段采用节段衬砌和柔性接头能有效减小衬砌结构损伤破坏。樊玲等通过振动台模型试验 研究了活断层滑动和地震作用下隧道动力学响应， 得出衬砌加速度峰值主要受断层的存在和地震激励 方向的影响，受正断层滑移量的影响较小。范凯祥 等通过大型振动台模型试验，研究了隧道穿越软 硬围岩段时在地震荷载作用下设置减震层后结构的 动力响应特性。张熙等通过数值模拟，分析了穿 越多断层隧道结构在断层多级走滑错动下的位移、 应力响应规律，建立了基于柔性初期支护、刚性二次 衬砌和节段铰接的穿越蠕滑断层隧道自适应结构， 探究了在错动区和缓冲区内设置隧道自适应结构的 抗错性能。林克昌等利用ABAQUS有限元软件研 究了断层宽度对跨断层岩体隧道错动反应特性的影 响，发现拉/压应力峰值出现在变形最为剧烈的位 置，剪应力峰值出现在错动盘和断层交界面附近。 王天强开展了断层错动作用下隧洞受迫影响模型 试验，并借助FLAC3D软件进行了断层错动量、断层 带宽度、断层带围岩强度、断层倾角的敏感性研究。
综上所述，以往的成果主要集中在单走滑断层面走滑错动作用下山岭隧道的破坏与动力响应研究，然而在中国西部部分活动断裂带存在多破裂面的情况，目前对隧道穿越断层破碎带内存在多破裂面的情况研究较少，张熙等针对穿越多破裂面隧道开展了振动台试验研究，从地震能量角度讨论了隧道结构与围岩的损伤发展。本文针对某穿越活动性多破裂面破碎带的隧道在强震作用下结构与围岩动力响应特性问题，建立多破裂面破碎带地质力学模型，结合无限元边界对结构-围岩进行地震动分析，通过振动台模型试验与数值模拟研究，剖析强震作用下隧道-围岩的动力响应规律及多破裂面破碎带滑动规律。
2考虑多破裂面走滑断层力学模型
走滑断层地震是构造地震的主要类型之一，被认为是在一个相当长时间内，断层面上剪应力积累达到临界水平时的结果。当走滑断层破碎带内存在多个破裂面时，破碎带的滑动受到破裂面剪应力释放量的影响。为研究穿越多破裂面破碎带隧道在地震作用下的动力响应规律，基于弹性地基理论建立集中质量力学分析模型，如图1所示。
图1多破裂面走滑断层地质力学模型
根据拟静力法结合等效刚度与等效质量并忽略阻尼，得到微分方程：
式中：U为位移矩阵；P为外力矩阵（由输入加速度确定）；M、K为质量矩阵与刚度矩阵，表达式为：
式中：ks1为上盘地基弹簧系数；ks2为破碎带地基弹簧系数；k为破裂面剪切弹簧刚度；α为破裂面与轴线交角；m1、m2为上盘与破碎带等效质量；U1 ~U4为上盘与破碎带错动位移。ksi及k的表达式如下：
式中：E为土体弹性模量；Es为破裂面处弹性模量（取围岩较大值）；v为土体泊松比；T为运动土体运动方向长度；H为隧道埋深。
根据式（1）~式（4）可求得多破裂面走滑断层破碎带滑动位移之比，将围岩力学参数代入式（2）中求出刚度矩阵、位移矩阵与质量矩阵，代入式（3）~式（4）得到土体及断层面的弹簧刚度及剪切刚度，通过式（1）建立微分矩阵可求得各个集中质量的滑动位移之比，令U1为单位位移，可分别得到U2、U3、U4。
3工程概况
某隧道位于西部高烈度地震区，隧址区属构造剥蚀中高山地貌，隧道围岩由新近系花岗闪长岩、细—粗黑云母二长花岗岩，三叠系上统杂谷脑组变质石英砂岩与夹板岩等组成。上覆土层由第四系冲洪积物、碎石、块石组成，厚度约为40～65m，覆盖层厚度大，下伏基岩为三叠系（T3 z）变质砂岩夹板岩，坡体自然状态下稳定性好。隧道穿越西部高烈度地震区大型左旋走滑断裂带，与断裂带的交角约76°，断层倾角约76°，断层带内存在多个破裂面，破碎带内岩体以糜棱岩化花岗岩、断层角砾及压碎岩为主，在洞身段断裂影响宽度为308m。隧道埋深约300 m，主要穿越Ⅳ级与Ⅴ级围岩，隧址区50年超越概率10%的地震动加速度超过0.4g。隧道穿越活动断裂带地质剖面图如图2所示，隧道断面如图3所示。
图2 依托工程区地质概况
图3 依托工程隧道断面（单位：cm）
4 振动台试验
4.1 振动台设备
本次试验所用振动台为西南交通大学陆地交通地质灾害防治技术国家工程研究中心地震模拟振动台试验系统（图4），该振动台由美国MTS公司定制生产，地震模拟振动台尺寸为8m×10m，振动台负载能力160t，满载加速度水平向1.2g、竖向1.0g，满载峰值水平速度1.2m/s、竖向1.0 m/s，主台最大倾覆力矩6000kN·m，最大位移800mm。
图4 试验装置及振动台
模型箱尺寸为3.5 m（长）×2.5 m（宽）×2.2 m（高）。上下盘外侧由槽钢加固，破碎带内有交角与倾角均为76°的破裂面，破裂面间紧密接触，并有3个33 cm宽的箱体，箱体间通过螺栓连接。破碎带与上下盘交界处的顶部由内钢梁支撑，破碎带底部设置有滑轮，使破碎带可相对上下盘在X向自由移动。在试验过程中，松开腹板位置破碎带与上下盘的连接螺栓，将上下盘固定在振动台台面，使断层破碎带可以在X向产生错动位移，形成多破裂面破碎带。
4.2 模型相似材料
选取长度[L]、密度[ML−3]和弹性模量[L-1M0T−2]作为基本物理量，确定几何相似比CL =lp /lm =30，密度相似比Cρ =ρp /ρm =1.5，弹性模量相似比CE =Ep /Em =45。根据量纲分析原理，其余物理量的量纲均可以用基本量纲进行表示，具体见表1。
表1 模型相似比
针对模型试验中围岩相似材料的原材料选择，由于河砂自身的均匀性，可以模拟实际围岩中的离散性，选择河砂作为骨料；由于机油的胶结能力较弱，可以较好地模拟软弱围岩，因此选择机油作为胶结材料；为调节不同级别围岩的密度，选择粉煤灰和重晶石粉作为辅助材料。其中Ⅳ级围岩配比为河沙∶粉煤灰∶机油=4∶5∶1；Ⅴ级围岩配比为河沙∶粉煤灰∶机油=3.1∶5.7∶1.2。围岩相似材料物理力学参数见表2。
表2 隧道围岩模型材料参数
耿萍等、范凯祥等大部分学者采用石膏和水等材料作为模拟衬砌结构的原材料。本次试验选用石膏、石英砂、重晶石、硅藻土、水作为隧道衬砌的相似原材料。根据动力试验相似比的要求并考虑经济性，采用正交试验方法进行相似材料配比设计，通过单轴抗压试验，测试模型材料的弹性模量和泊松比，如图5所示。最终选择配合比为石膏∶石英砂∶重晶石∶硅藻土∶水=1∶0.2∶0.6∶0.4∶1.4，隧道衬砌相似材料物理力学参数见表3。
图5 衬砌材料参数试验
表3 衬砌模型材料参数
试验动力加载采用汶川地震波作为台面输入，从与隧道轴线垂直的水平方向（X向）进行激震，加速度峰值取0.05g、0.1g、0.2g、0.3g、0.4g共5种工况，在加载前进行白噪声扫频。
4.3 测点布置
根据张熙等的研究结果确定振动过程中动力响应较大的位置进行监测点布置，如图6所示。其中，A1 ~A7用以研究穿越断层破碎带隧道受地震动影响的加速度响应特征，A1 ~A3、A5、A7用以研究围岩纵向受地震动的影响及响应规律，A3、A4、A6用以研究断层破碎带侧向边界的加速度响应特征与断层破碎带内围岩的加速度放大效应。
图6 隧道模型监测点布置（单位：cm）
5 数值模拟及结果分析
5.1 模型建立
根据依托工程特点及隧道设计地勘报告，建立隧道三维有限元模型，其中上下盘为Ⅳ级围岩，断层破碎带为Ⅴ级围岩。上下盘与破碎带之间、隧道与围岩之间的接触面切向摩擦系数取0.2，法向接触采用允许接触后分离的硬接触。计算模型无限元边界采用CIN3D8单元，围岩及隧道结构采用C3D8R单元。根据依托工程情况与振动台试验相似比例，建立试验原型场模型，模型尺寸取3.5m（长）×2.5m（宽）×2.2 m（高），破裂面倾角为76°，与隧道轴线交角为76°，破碎带宽1.0 m，破碎带内存在2个破裂面。建立的有限元模型如图7所示，本文计算选取的模型参数见表2、表3。
图7 隧道及围岩有限元模型
5.2 地震动输入
根据黄胜等的研究，基于无限元人工边界的地震动输入方法对围岩-隧道结构模型的动力响应进行分析，考虑入射波从底部垂直入射。根据工程特点选取汶川波作为输入波，地震波时程曲线如图8所示，将地震波沿X方向转换为地震等效节点荷载施加于无限元边界，分别在模型底部与侧面施加法向与切向地震力。
图8 PGA=0.4g输入汶川地震波
5.3 试验结果与数值模拟结果对比分析
5.3.1 不同埋深加速度响应对比
通过对PGA=0.1g、0.4g时A3、A4、A6测点X方向加速度的监测，分析不同埋深加速度响应规律，限于篇幅，仅给出PGA=0.4g时A3、A4、A6测点加速度时程曲线，如图9所示。从图9中可以看出，A3、A4、A6加速度峰值接近，加速度时程变化一致。数值模拟与模型试验结果对比见表4，可知加速度峰值A4＞A3；数值模拟中在各PGA地震作用下，A4测点加速度放大系数分别为281.7%（0.1g）、199.2%（0.4g），放大效应随着PGA增大而减小。
图9 输入PGA=0.4g时A3、A4、A6加速度时程曲线
表4 测点A3、A4、A6加速度响应对比
从表4可以看出，当PGA=0.1g时，试验与数值模拟所得的加速度峰值最小相对差值为12.0%，当 PGA=0.4g时，加速度峰值最小相对差值为6.7%，说明在PGA较大时模型试验能够较好地模拟地震动作用；A6加速度峰值相对差值为负，这是因为模型试验边界存在地震波反射，导致了加速度放大。
5.3.2 相同高度纵向围岩加速度响应对比
对PGA=0.1g、0.4g时A1 ~A3、A5、A7测点的加速度响应进行分析，由于篇幅所限，重点分析PGA=0.4g时各测点加速度时程曲线，如图10所示。由图10可知，数值模拟与模型试验加速度时程曲线变化规律基本一致，破碎带内的测点加速度峰值大于上下盘的，上盘的加速度峰值大于下盘的。
图10 输入PGA=0.4g时A1 ~A3、A5、A7加速度时程曲线
纵向各测点加速度响应对比见表5，可以得出，当PGA=0.1g时，破碎带内各测点数值模拟与模型试验加速度响应相对最大相差17.4%；当PGA=0.4g时，各测点加速度响应相对差值较小（最大为13.0%）；在地震作用下，断层破裂面附近加速度峰值最大（0.71g），上下盘加速度相对较小（0.61g），反映了穿越多破裂面隧道围岩结构的动力响应规律。
表5 纵向各测点加速度响应对比
5.3.3 侧向（X向）滑动位移对比
在模型试验侧向边界设置靶点，通过自动修正技术即数字图像追踪技术（YOLO-V2、边缘检测、Hough直线检测和透视变换相结合的任意视角倾斜影像技术），并在固定相机位置的监测下，可得到试验边界（试验装置）地震时的滑动位移，通过对破碎带的侧向（X向）位移监测，分析破碎带在存在多个破裂面时的滑动规律。
选取右侧边界3个监测靶点，靶点位置如图11所示。振动台试验中监测的X向位移为破碎带内部各破裂面的整体位移，能反映出整体的位移特性，数值模拟中破碎带内的围岩位移呈现出非线性特征，选取各破裂面之间的破碎带中间位置进行监测，提取出各部分最大侧向位移。
图11 侧向（X向）位移监测点布置
对PGA=0.4g时试验与数值模拟的结果进行对比分析，见表6。从表6可以看出，断层下盘（固定盘）向上盘（错动盘）方向破碎带侧向最大位移逐级增大，试验与数值模拟结果的相对差值变大，最大为11.99%，说明地震时上盘带动破碎带逐级滑动。
表6 PGA=0.4g时侧向（X向）位移及相对差值
断层破碎带内多个破裂面之间的滑动关系可以通过滑动量的相对比值即相对滑动率来描述，相对滑动率可以反映出断层破碎带内各个破裂面之间的滑动过程与剪应力释放的过程。当出现多级（≥3）断层或破碎带时，可以通过相对滑动率分析地震时断层的活动规律，故采用相对滑动率γ对模型箱错动规律进行定量分析，其计算公式为：
式中，Ui和Uj分别为基准和绝对位移，即U1为基准位移，U2、U3为绝对位移。
根据表2、表3所列参数并通过式（1）~式（4）计算可知，随着上盘的错动，导致破裂面积累的剪应力逐级释放，各层滑动位移量逐级减小，各级位移错动量比值为U1 ∶U2 ∶U3 ∶U4 =1.000∶0.610∶0.543∶0.466，应力释放量为（Ui-Ui-1）k。
输入PGA=0.4g时破碎带相对滑动率如图12所示。从图12可以看出，当PGA=0.4g时，相对于破碎带Ⅰ，数值模拟中破碎带Ⅲ相对滑动率为33.5%，破碎带Ⅱ相对滑动率为16.2%；模型试验中破碎带Ⅲ相对滑动率为31.0%，破碎带Ⅱ相对滑动率为15.7%；理论解析中U2与U3相对于U4的相对滑动率分别为30.9%、16.5%，两者大小关系均接近于2倍。
图12 输入PGA=0.4g时破碎带相对滑动率
从各个破裂面之间的滑动位移关系可以得出，在对隧道穿越多破裂面破碎带的设防设计中，可以根据定量给出的错动位移量对隧道进行渐进式定量抗减震设防，选取不同的节段长度以及不同减震层刚度以适应渐进错动位移。
6 结 论
本文结合弹性地基理论建立了隧道穿越多破裂面破碎带地质力学模型，利用无限元人工边界建立隧道围岩模型并进行分析，开展了多破裂面破碎带振动台试验研究，主要研究结论如下：
（1）通过分析多破裂面破碎带的运动性质并建立地质力学理论模型，得出各级破碎带滑动位移量比值U1 ∶U2 ∶U3 ∶U4 =1.000∶0.610∶0.543∶0.466，说明破碎带内各级滑动量逐渐减少，破裂面处积累剪应力量逐渐释放。
（2）通过数值模拟与试验对比分析，随着埋深的减小，围岩的加速度峰值明显增大，放大效应随着PGA增大而减小，围岩的加速度峰值相差在6.7%~ 13.6%之间。
（3）在隧道围岩纵向同一高度处，断层破碎带与上下盘交界处附近围岩加速度峰值最大，上下盘加速度相对较小，揭示了多破裂面破碎带隧道与围岩结构的动力响应规律。在PGA=0.1g时数值模拟与试验绝对差值为2.7%~17.4%，在PGA=0.4g时两者绝对差值为0.8%~13.0%，反映出数值模拟与试验结果的准确性。
（4）通过数值模拟与试验错动位移的对比分析，震动方向（Ｘ向）最大位移相对差值在9.92%~ 11.99%之间；从上盘至下盘，各破碎带侧向最大位移逐级减小，理论解析、数值模拟与试验中相对滑动率从30.9%、33.46%、30.99%减小至16.50%、16.17%、15.70%，揭示出多破裂破碎带在地震作用下的滑动规律，可为多破裂面（≥3）破碎带在地震时的滑动规律提供参考及预测，并建议对隧道穿越多破裂面破碎带的设防设计中可以采用渐进式抗减震设防措施设计。
摘自《现代隧道技术》