許學良，馬偉斌，金愛兵，柴金飛，羅金濤

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；3.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083）

受限于線路走向和地形地質(zhì)條件，長線型的隧道結(jié)構(gòu)不可避免地穿越活動斷裂帶［1-2］。近年來，穿越活動斷裂帶隧道結(jié)構(gòu)的抗錯和抗震問題越來越受到國內(nèi)外工程界重視，并成為地下工程研究的難點和熱點問題之一［3］。歷次震害統(tǒng)計結(jié)果表明，斷裂錯動是造成隧道結(jié)構(gòu)變形破壞的最主要因素［4-8］。

在隧道穿越活動斷裂帶對策上，當前主要的設計規(guī)范［9-10］給出的多為原則性規(guī)定和建議，缺乏對隧道結(jié)構(gòu)的具體性要求。既有穿越活動斷裂帶隧道工程措施主要有“鉸鏈設計”“隔離消能設計”和“超挖設計”等［11］，關(guān)于前2 種工程措施的研究相對較多［1-2，12-13］，一些學者得出了有益結(jié)論；關(guān)于“超挖設計”的研究則相對較少。超挖設計可分為改變隧道斷面型式和擴挖斷面，對于前者，考慮到圓形隧道的斷面受力較好，因此穿越活動斷裂帶隧道多采用圓形或類圓形斷面型式；對于后者，擴挖斷面的具體數(shù)值即預留位錯空間，通常根據(jù)活動斷裂錯動方式及錯動量確定，并多依靠經(jīng)驗給出。如：美國舊金山灣區(qū)捷運系統(tǒng)BART的Berke?ley 隧道在穿越Hayward 活動斷裂帶時采用圓形斷面，斷面擴挖1英尺（約30 cm），而穿越同一斷裂帶的舊金山Claremont 輸水隧洞［14］在側(cè)洞外緣到主洞襯砌內(nèi)緣處預留2.6 m 位錯空間；我國蘭新鐵路烏鞘嶺隧道穿越F7活動斷層時［15］采用了預留百年的位錯空間（水平25 cm，垂直5 cm）；我國大瑞鐵路高黎貢山隧道穿越鎮(zhèn)安及勐冒活動斷裂時，隧道斷面預留35 cm位錯空間［16］。

在穿越活動斷裂帶隧道結(jié)構(gòu)的錯斷破壞機理研究上，常用的研究手段為室內(nèi)模型試驗和數(shù)值仿真試驗。模型試驗比例尺一般較小，多為1∶50～1∶30［12-13，17］，具有縮尺效應，而且結(jié)果離散性大、重復性差。隨著計算機性能的提升，數(shù)值仿真試驗得到廣泛應用。已有學者在研究跨斷層隧道結(jié)構(gòu)響應機理時采用了以ABAQUS 和FLAC 為代表的有限元分析方法［18-20］，該方法計算效率高，適用于連續(xù)介質(zhì)大變形工況，但無法真實再現(xiàn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖及斷層之間錯動損傷破壞過程。相比有限元法，離散單元法克服了連續(xù)介質(zhì)的宏觀連續(xù)性假設，在模擬分析局部破裂上優(yōu)勢明顯［21］。馬亞麗娜等［22］采用三維離散-連續(xù)耦合方法分析了跨正斷層隧洞因錯動而產(chǎn)生的位移變化及力學響應，為香爐山隧洞抗斷措施設計提供了指導。但目前尚未有采用離散單元法分析走滑型活動斷裂錯動作用下隧道結(jié)構(gòu)響應的研究報道。

在隧道縱向破壞范圍的劃分和斷面環(huán)向損傷破壞指標的具體量值上，目前業(yè)界缺乏統(tǒng)一的控制標準。對于隧道縱向上的影響范圍，多采取定性的估算方式［18，20］。對于隧道橫斷面上的損傷，王鴻儒等［23］利用ABAQUS中混凝土本構(gòu)的受拉損傷因子和受壓損傷因子來判定隧道截面的損傷破壞程度；唐浪洲等［24］采用最大剪應變0.002 判斷襯砌是否發(fā)生破壞；城市地鐵領域中，相關(guān)標準規(guī)范［25-26］分別以層間位移角1 250 和直徑變形率6‰作為評價城市地鐵隧道矩形和圓形斷面損傷狀態(tài)的具體指標。

以某穿越走滑型活動斷裂帶隧道為工程背景，首先采用離散單元法建立圍巖-襯砌-斷裂帶三維塊體離散單元模型，分析不同錯動量作用下隧道襯砌整體位移響應；然后明確統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)位移及斷面變形損傷控制標準，以預留位錯空間30 cm 的方案為例，分析走滑型活動斷裂錯動作用下隧道縱向上的位移變化和橫斷面上的徑向變形損傷規(guī)律，對比30，60 和90 cm 這3 種斷面預留位錯空間方案下隧道襯砌響應規(guī)律，結(jié)果可為隧道抗錯設計及施工提供借鑒指導。

1 工程概況及數(shù)值模型

1.1 工程概況

工程背景為某單洞雙線隧道，隧道長度超過20 km，最大埋深約1 200 m。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，區(qū)域深大斷裂發(fā)育，近場區(qū)強震活動水平較高，地震活動分布不均勻，明顯受多條區(qū)域性活動斷裂控制。其中，YLX 斷裂帶與隧道軸向呈約76°大角度相交，相交處隧道埋深約340 m，斷裂帶寬約118 m，斷裂帶距離隧道出口約6.8 km。根據(jù)現(xiàn)場勘探資料，YLX 斷裂帶為左旋走滑型，黏滑運動，水平錯動速率為3～4 mm·a-1，發(fā)震能力可能在6～7 級。以鄰近發(fā)生的2010 年玉樹7.1 級地震最大錯動量［27］作為參考，YLX 斷裂帶未來最大突發(fā)錯動量不超過1.8 m。

選取穿越Y(jié)LX 斷裂帶及其兩側(cè)一定范圍的隧道區(qū)段為研究對象。斷裂帶內(nèi)為Ⅵ級軟弱破碎圍巖，斷裂帶外為Ⅴ級圍巖，隧道區(qū)段采用Ⅵ級圍巖復合式襯砌。受限于當前的技術(shù)條件，隧道埋深處錯動量尚無法確定，綜合當前技術(shù)條件和工程經(jīng)濟合理性，設計3種斷面預留位錯空間方案，分別為30，60 和90 cm。不同預留位錯空間下隧道襯砌支護參數(shù)均相同，其中初期支護為C30 噴射混凝土，厚度25 cm；二次襯砌結(jié)構(gòu)為C35 鋼筋混凝土，厚度60 cm。以預留位錯空間30 cm 方案為例，此時隧道凈空斷面高×寬為11.68 m×12.65 m，如圖1所示。

圖1 穿越活動斷裂隧道典型斷面（預留位錯空間30 cm）（單位：cm）

1.2 模型建立

1）模型及隧道結(jié)構(gòu)尺寸確定

采用離散單元法，建立圍巖-襯砌-斷裂帶三維塊體離散單元模型如圖2 所示。綜合設計資料、相關(guān)規(guī)范［10］及計算效率等因素，確定參數(shù)：模型尺寸為160 m×80 m×80 m（長×寬×高），寬度和高度方向上模型邊界至隧道中心取3D，D為隧道跨度；隧道設置于模型中間，斷面凈空尺寸高11.68 m，跨度12.65 m；斷裂帶寬20 m，離散為5條間距5 m 的斷裂，傾角為90°，與隧道軸線夾角為76°；襯砌節(jié)段長9 m、共18 個，變形縫寬0.1 m、共17 條；計算時對隧道襯砌單元網(wǎng)格加密，生成的模型共計7 792個塊體、555 314個單元。2）材料參數(shù)賦值圍巖、斷裂帶及襯砌材料采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，具體參數(shù)見表1。其中：圍巖和斷裂帶分別根據(jù)文獻［28］中的Ⅴ級和Ⅵ級圍巖物理力學參數(shù)取值；初期支護、二次襯砌和變形縫單元根據(jù)文獻［29］取值。模型中各接觸面采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型，力學參數(shù)根據(jù)文獻

表1 圍巖、斷裂帶及襯砌材料參數(shù)

圖2 圍巖-襯砌-斷裂帶三維塊體離散元模型

［30］和文獻［18］綜合確定，具體見表2。

表2 接觸面計算力學參數(shù)

3）邊界條件設置

設置2 類邊界條件：①速度邊界條件，設置模型底部、模型前后左右四周的邊界節(jié)點法向速度為零；②應力邊界條件，根據(jù)實際在模型頂部施加垂直向下的應力，應力值等于上覆巖層自重，取為8.51 MPa。

4）地應力平衡

采用水壓致裂法獲得隧址區(qū)40 組地應力數(shù)據(jù)，通過回歸分析可知，在埋深不超過400 m 時，側(cè)壓力系數(shù)比值約為2.25（σH和σv分別為最大水平主應力和垂直主應力），側(cè)壓力系數(shù)比值約為1.35（σh為最小水平主應力）。據(jù)此，隧道區(qū)段埋深處的垂直主應力取9 MPa，最大水平主應力取20.25 MPa，最小水平主應力取12.15 MPa。

為防止模型在施加地應力時出現(xiàn)屈服開裂，先對模型進行彈性狀態(tài)下地應力平衡求解，然后賦予實際材料參數(shù)計算至平衡，結(jié)果如圖3 所示。圖中：正、負值分別表示拉、壓應力。由圖3 可知：斷裂帶周圍應力場波動變化較大，斷裂帶處的垂直主應力和最小水平主應力明顯高于斷裂帶兩側(cè)的，其分布呈“W”形，這可能與斷裂帶兩側(cè)地層圍巖構(gòu)造運動及擠壓有關(guān)；與隧道軸線平行的最大水平主應力在斷裂帶處波動較緩。

圖3 模型地應力平衡結(jié)果

5）開挖支護平衡

為聚焦斷裂錯動，暫不考慮隧道開挖后對襯砌支護結(jié)構(gòu)的影響，計算時直接一次性開挖，然后施加初期支護、二次襯砌和變形縫等隧道襯砌結(jié)構(gòu)；開挖支護平衡后，模型位移清零，并將其作為后續(xù)開展走滑錯動研究的基礎模型。

1.3 模型驗證

得到離散單元模型后，分別采用室內(nèi)模型試驗和震害調(diào)研2 種形式，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)縱向扭轉(zhuǎn)形態(tài)和襯砌節(jié)段間錯臺開展趨勢驗證。

在走滑型斷裂錯動作用下，文獻［18］的室內(nèi)縮尺模型最終形態(tài)及本文所用的數(shù)值模型計算結(jié)果如圖4 所示。圖中：數(shù)字表示縮尺模型的襯砌節(jié)段編號。由圖4 可知：模型試驗中，主動側(cè)和固定側(cè)的隧道襯砌在斷裂帶附近發(fā)生扭轉(zhuǎn)、偏移，縱向上呈“S”形；本文所用的數(shù)值模型計算結(jié)果與室內(nèi)縮尺模型試驗最終形態(tài)趨勢總體一致，隧道襯砌水平位移亦呈“S”形，顯著性差異錯動位移主要集中在斷裂帶及其兩側(cè)附近。

圖4 走滑型斷裂錯動作用下隧道襯砌縱向最終形態(tài)

結(jié)合文獻［12］對汶川地震中龍溪隧道的震害調(diào)研成果，進行襯砌節(jié)段間錯臺的趨勢印證，如圖5 所示。由圖5 可知：此次地震雖然為逆斷層運動誘發(fā)的區(qū)域地震，但引起隧道所穿越的次級斷裂卻表現(xiàn)出走滑特征［13］，造成襯砌節(jié)段施工縫處出現(xiàn)較大錯臺；本研究所用的數(shù)值模型計算結(jié)果中斷裂帶范圍內(nèi)隧道襯砌節(jié)段間表現(xiàn)出明顯的錯臺，與龍溪隧道震害調(diào)研結(jié)果趨勢一致，且錯臺量隨著斷裂錯動量的增加而增大。

圖5 走滑型斷裂錯動作用下隧道襯砌錯臺

室內(nèi)模型試驗和震害調(diào)研均表明，本文建立的三維塊體離散元模型能較為真實地反映走滑型斷裂錯動作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的響應特征。

2 監(jiān)測斷面分布及錯動位移場

2.1 監(jiān)測斷面及監(jiān)測點

塊體離散單元模型的應力應變離散性較大且無明顯規(guī)律，因此以隧道斷面上關(guān)鍵節(jié)點的位移作為監(jiān)測變量。設置監(jiān)測斷面共計30 個，在斷裂帶附近進行加密，每個襯砌節(jié)段的兩端都設有監(jiān)測斷面；在遠離斷裂帶處，每個襯砌節(jié)段只監(jiān)測1個斷面。沿隧道縱向監(jiān)測斷面分布如圖5 所示。圖中：隧道中心線附近數(shù)字表示襯砌節(jié)段編號；以斷裂帶中心為界，紅色和藍色虛線分別表示左側(cè)和右側(cè)的監(jiān)測斷面；監(jiān)測斷面編號記為“襯砌節(jié)段編號-斷面序號”，如“22-1”表示編號22 的襯砌節(jié)段的第1 個監(jiān)測斷面。各監(jiān)測斷面上測點布置一致，如圖6 所示。圖中：紅色圓點為監(jiān)測點，分布在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右墻腳、仰拱底部，共8處。分別取拱頂—仰拱底部、左拱腳—右拱腳、左拱腰—右墻腳和右拱腰—左墻腳的測點間相對位移，用于隧道橫斷面徑向變形損傷評估。

圖6 沿隧道縱向監(jiān)測斷面分布圖

圖7 監(jiān)測斷面上監(jiān)測點布置示意圖

2.2 錯動位移場

將基礎模型的固定盤底部固定，對錯動盤施加水平向速度，沿主斷裂面走向，分別按錯動0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，1.00，1.50 和1.80 m 共計13 種工況計算隧道襯砌位移響應。

圖8 展示了部分錯動量下隧道襯砌整體位移云圖。由圖8 可知：受斷裂錯動產(chǎn)生的擠壓、剪切、張拉等作用影響，即使水平錯動量較小，主斷裂面附近兩側(cè)襯砌依然發(fā)生明顯的位移變化；隨著斷裂錯動量的增加，斷裂兩側(cè)襯砌整體位移差異越來越顯著，影響范圍越來越大，在遠離斷裂的隧道兩端，由于襯砌自身的剛性約束作用，差異較小，襯砌整體穩(wěn)定。

圖8 不同走滑錯動量下隧道襯砌整體位移（部分）

為清晰展示斷裂帶處隧道襯砌在走滑錯動下的豎向位移，以錯動量最大（1.8 m）工況為例，給出此時襯砌豎向位移局部剖視圖，如圖9 所示。圖中：正值表示位移豎直向上，負值表示位移豎直向下。由圖9 可知：較大的豎向位移集中在主斷裂面所橫跨襯砌的變形縫附近，襯砌拱頂下沉，最大沉降量為432.7 mm，仰拱上拱，最大上拱量為557.1 mm；另外，斷裂帶附近發(fā)生襯砌剝落掉塊、隧底隆起分離，體現(xiàn)了離散單元法能夠再現(xiàn)局部破裂分離的優(yōu)勢。

圖9 斷裂帶處襯砌豎向位移剖視圖（走滑錯動1.8 m時）

3 走滑型活動斷裂錯動作用下隧道結(jié)構(gòu)響應

在統(tǒng)一結(jié)構(gòu)位移及斷面變形損傷控制標準的基礎上，以預留位錯空間30 cm 的方案為例，分析隧道縱向上位移變化和橫斷面上徑向變形損傷規(guī)律，并對比30，60 和90 cm 這3 種預留位錯空間方案下的襯砌響應規(guī)律。

3.1 結(jié)構(gòu)位移及類圓形斷面變形損傷控制標準

斷裂錯動會引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)縱向上差異位移和橫斷面上徑向變形，為此須統(tǒng)一結(jié)構(gòu)位移和變形損傷控制標準，以確定影響范圍和損傷破壞狀態(tài)。

在隧道縱向上，襯砌節(jié)段之間因斷裂錯動而產(chǎn)生差異位移。根據(jù)《WJ-7 和WJ-8 特殊調(diào)整扣件暫行技術(shù)條件》（鐵總科技［2015］16 號），軌道高低位置調(diào)整量為-10～60 mm。由于隧底與其上方軌道之間存在彈條墊板、軌道板等結(jié)構(gòu)物，隧底與鋼軌之間變形尚無確定關(guān)系。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采用±10 mm作為襯砌節(jié)段間相對差異位移的控制指標（正值表示上升或與錯動方向一致，負值表示下沉或與錯動方向相反），即差異位移的絕對值大于10 mm 時判定為不均勻變形區(qū)；反之判定為相對穩(wěn)定區(qū)。

在隧道橫斷面上，開挖支護平衡后模型位移清零，僅考慮地層錯動對隧道襯砌橫斷面變形影響，并通過隧道襯砌上監(jiān)測點之間相對位移計算斷面的變形率。復合式襯砌結(jié)構(gòu)的變形損傷判定指標缺少相關(guān)研究。文獻［25—26］給出的結(jié)構(gòu)損傷橢圓率（隧道變形小于6‰）適用于城市地鐵管片圓形隧道斷面。穿越活動斷裂帶雙線隧道斷面型式為類圓形，可借鑒上述規(guī)范，取徑向變形率Φ作為隧道結(jié)構(gòu)變形損傷狀態(tài)判定指標，定義為襯砌相對位置變形與對應的襯砌內(nèi)徑的比值，上下限取±6‰（正值表示徑向張拉，負值表示徑向壓縮）。

3.2 隧道縱向上位移變化

隧道縱向上位移變化以拱頂和仰拱底部的豎向位移、左拱腳和右拱腳的水平位移為主；左、右拱腰和對向墻腳的豎向及水平位移變化與之相似，不做贅述。

1）拱頂豎向位移

不同錯動量下，各襯砌節(jié)段拱頂?shù)呢Q向位移及相鄰襯砌節(jié)段間的差異位移如圖10 所示。圖中：隧道縱向位置取0為斷裂帶中心處，正、負值分別表示斷裂帶的右、左側(cè)。由圖10可得到如下結(jié)論。

圖10 拱頂豎向位移及差異位移（預留位錯空間30 cm）

（1）受錯動盤地層錯動產(chǎn)生的擠壓、剪切、張拉等作用，隧道拱部較大豎向位移主要集中在斷裂帶及其兩側(cè)附近，呈“V”形。隨著錯動盤錯動量不斷增加，主斷裂面附近兩側(cè)隧道襯砌拱頂豎向位移越來越大，如錯動量為0.1 m 時拱頂沉降的最大值為17.0 mm，錯動量為1.8 m 時的最大值為320.7 mm，達到前者的18.8倍。

（2）距離斷裂帶越遠，兩端襯砌節(jié)段間拱頂豎向差異位移越小。在錯動盤一側(cè)，拱頂豎向位移均為負值，表明錯動盤側(cè)襯砌拱頂均下沉，其位移先增大后趨于穩(wěn)定，約為5 mm；在固定盤一側(cè)，拱頂豎向位移先急劇增大，后增速變緩、趨于平穩(wěn)，錯動量小于1.0 m 時該側(cè)隧道襯砌拱頂豎向位移較小且基本不變，在1.2 mm 上下波動，而錯動量不小于1.0 m 后，該側(cè)與主斷面距離大于20 m的隧道襯砌拱頂位移在不斷增大，呈上翹趨勢，這可能與襯砌擠壓有關(guān)。

（3）不同錯動量下，豎向位移的顯著性差異主要集中在斷裂帶及其兩側(cè)附近，差異位移極值為282.3 mm，位于主斷裂面附近。錯動量大于0.50 m 后，顯著性差異范圍基本不變。以±10 mm 作為控制標準，不均勻變形區(qū)為固定盤側(cè)距斷裂帶左邊界12.2 m 至錯動盤側(cè)距主斷裂面12.2 m 范圍內(nèi)，其余為相對穩(wěn)定區(qū)。

2）仰拱底部豎向位移

不同錯動量下，各襯砌節(jié)段仰拱底部的豎向位移及相鄰襯砌節(jié)段間的差異位移如圖11 所示。由圖11可得到如下結(jié)論。

圖11 仰拱底部豎向位移及差異位移（預留位錯空間30 cm）

（1）受錯動盤錯動作用，圍巖擠壓剪切隧底襯砌結(jié)構(gòu)，隧底仰拱較大豎向位移主要集中在斷裂帶及其兩側(cè)附近，呈倒“V”形。隨著錯動盤錯動量不斷增加，主斷裂面附近兩側(cè)仰拱底部豎向位移的越來越大，如錯動量為0.1 m 時仰拱底部上拱的最大值為26 mm，錯動量為1.8 m 時的最大值為525.2 mm，達到前者的20.2倍。

（2）距離斷裂帶越遠，錯動盤側(cè)和固定盤側(cè)襯砌節(jié)段仰拱底部豎向位移逐漸減小至趨于平穩(wěn)，位移值均為正、為上拱狀態(tài)，而且固定盤側(cè)仰拱底部豎向位移值基本都大于錯動盤側(cè)的。

（3）不同錯動量下，豎向位移的顯著性差異主要集中在斷裂帶及其兩側(cè)附近，差異位移極值為441.5 mm，位于主斷裂面附近。錯動量大于0.50 m后，顯著性差異范圍基本不變。不均勻變形區(qū)為固定盤側(cè)距離斷裂帶左邊界12.2 m 至錯動盤側(cè)距離主斷裂面12.2 m范圍內(nèi)，其余為相對穩(wěn)定區(qū)。

3）左拱腳水平位移

不同錯動量下，各襯砌節(jié)段左拱腳的水平位移及相鄰襯砌節(jié)段間的差異位移如圖12 所示。由圖12可得到如下結(jié)論。

圖12 左拱腳水平位移及差異位移（預留位錯空間30 cm）

（1）左拱腳的較大水平位移主要集中在主斷裂面附近，呈“S”形。隨著錯動盤錯動量不斷增加，錯動盤側(cè)襯砌左拱腳水平位移不斷增大，主斷裂面附近兩側(cè)襯砌左拱腳水平位移的差異也越來越大，如錯動量為0.1 m 時左拱腳水平位移的最大值為96.7 mm，錯動量為1.8 m時的最大值為1 746.2 mm，達到前者的18倍。

（2）距離斷裂帶越遠，兩端襯砌節(jié)段左拱腳水平差異位移越小。錯動盤側(cè)襯砌左拱腳水平位移下降至一穩(wěn)定值，固定盤側(cè)則逐漸上升至一平穩(wěn)值；在隧道縱向-20～10 m 范圍內(nèi)，水平位移為負值，表明襯砌受斷裂影響隨之同向錯動，在隧道縱向小于-20 m 后，水平位移為正值，可能與襯砌間相互擠壓有關(guān)。

（3）不同錯動量下，水平位移的顯著性差異主要集中在斷裂帶及其兩側(cè)附近，差異位移極值為1 366.7 mm，位于主斷裂面附近。錯動量不小于1.50 m 時，顯著性差異范圍基本不變。不均勻變形區(qū)為固定盤側(cè)距斷裂帶左邊界28.60 m 至錯動盤側(cè)距主斷裂面4.8 m范圍內(nèi)，其余為相對穩(wěn)定區(qū)。

4）右拱腳水平位移

不同錯動量下，各襯砌節(jié)段右拱腳水平位移及相鄰襯砌節(jié)段間的差異位移如圖13 所示。由圖13可得到如下結(jié)論。

圖13 右拱腳水平位移及差異位移（預留位錯空間30 cm）

（1）右拱腳的水平位移分布及水平差異位移均與左拱腳的相似，錯動量為0.1 m 時右拱腳水平位移的最大值為97.4 mm，錯動量為1.8 m 時的最大值為1 783.3 mm，達到前者的18.3 倍；在隧道縱向-30～10 m 范圍內(nèi)，水平位移為負值，表明襯砌受斷裂影響隨之同向錯動，而在隧道縱向小于-30 m 后，水平位移為正值，可能與襯砌間相互擠壓有關(guān)。

（2）不同錯動量下，隧道右拱腳水平位移的顯著性差異主要集中在斷裂帶及其兩側(cè)附近，差異位移極值為1 166.0 mm，位于主斷裂面附近。錯動量不小于1.0 m 時，顯著性差異范圍基本不變。不均勻變形區(qū)為固定盤側(cè)距斷裂帶左邊界22.78 m至錯動盤側(cè)距主斷裂面10.62 m 范圍內(nèi)，其余為相對穩(wěn)定區(qū)。

5）斷裂帶兩側(cè)影響段長度

綜上，隧道襯砌顯著性位移主要集中在斷裂帶及其兩側(cè)附近，隨著錯動量的增加，襯砌節(jié)段之間的差異位移也越來越大。隧道拱頂豎向位移向下，呈“V”形；仰拱底部豎向位移向上，呈倒“V”形；左右拱腳的水平位移方向均與斷裂錯動方向一致，呈“S”形，但右拱腳的不均勻變形區(qū)范圍要大于左拱腳的，這可能與右側(cè)拱墻受地層錯動直接作用、而左側(cè)拱墻受間接作用有關(guān)。以±10 mm作為控制標準，不均勻變形區(qū)為固定盤側(cè)距斷裂帶左邊界28.6 m 至錯動盤側(cè)距主斷裂面12.2 m 范圍內(nèi)，其余為相對穩(wěn)定區(qū)。

穿越活動斷裂帶隧道設防范圍分為斷裂帶核心段和斷裂帶兩側(cè)影響段，均應加強抗震和抗錯設計。根據(jù)既有研究成果［11，13］，設防范圍L的計算式為

式中：B1和B2分別為固定盤側(cè)、錯動盤側(cè)的影響段長度，m；W為斷裂帶寬度，m。

對于該模型工況：斷裂傾角90°、寬度20 m、與隧道軸向夾角76°，隧道襯砌長度9 m、變形縫寬度10 cm，在斷面預留位錯空間30 cm 方案下，得到斷裂帶兩側(cè)影響段長度分別為B1取28.6 m，約2.45D；B2取12.2 m，約1.05D。

3.3 隧道橫斷面上徑向變形損傷

1）隧道橫斷面徑向變形率

分別將開挖平衡后拱頂—仰拱底部、左拱腳—右拱腳、左拱腰—右墻腳和右拱腰—左墻腳4 處徑向距離定為襯砌內(nèi)徑，得到不同錯動量下對應位置的徑向變形率曲線如圖14 所示。圖中：紅色虛線和箭頭分別表示主斷裂面和錯動方向；正、負值分別表示徑向拉伸、壓縮。由圖14 可發(fā)現(xiàn)較大的徑向變形率均出現(xiàn)在斷裂帶及其兩側(cè)附近，并進一步得到如下結(jié)論。

圖14 隧道橫斷面徑向變形率曲線（預留位錯空間30 cm）

（1）對于拱頂—仰拱底部，徑向變形率最凸出區(qū)間為固定盤側(cè)-22.3 m 至錯動盤側(cè)31.3 m 范圍內(nèi)，拱頂—仰拱底部徑向處于壓縮狀態(tài)；依據(jù)標準，錯動量大于0.15 m 時，最大徑向變形率超過損傷判定指標6‰。

（2）對于左拱腳—右拱腳，徑向變形率最凸出區(qū)間為固定盤側(cè)-13.7 m 至錯動盤側(cè)22.3 m 范圍內(nèi)；錯動量不小于1.0 m 時，固定盤側(cè)還有1 個徑向變形凸起區(qū)域，區(qū)域內(nèi)徑向變形率為負，表明左拱腳—右拱腳之間徑向處于壓縮狀態(tài)；錯動量大于0.30 m時，最大徑向變形率超過損傷判定指標。

（3）對于左拱腰—右墻腳，徑向變形率最凸出區(qū)間為固定盤側(cè)-13.3 m 至錯動盤側(cè)22.5 m 范圍內(nèi)；錯動盤側(cè)徑向變形率為負，處于壓縮狀態(tài)；錯動量不小于1.0 m 時，固定盤側(cè)徑向變形率為正，處于張拉狀態(tài)，錯動量大于1.0 m 時，固定盤側(cè)-40 m 處徑向變形率小于0，由張拉狀態(tài)變?yōu)閴嚎s狀態(tài)；錯動量大于0.30 m 時，最大徑向變形率超過損傷判定指標。

（4）對于右拱腰—左墻腳，徑向變形率最凸出區(qū)間為固定盤側(cè)-13.7 m 至錯動盤側(cè)13.7 m 范圍內(nèi)；錯動盤和固定盤側(cè)徑向變形率均為負，處于壓縮狀態(tài)；錯動量大于0.25 m 時，最大徑向變形率超過損傷判定指標。

2）變形后斷面形態(tài)

根據(jù)前述徑向變形，可刻畫出變形前、后的隧道斷面形態(tài)，其中典型的斷面形態(tài)對比如圖15 所示。由15 可知：固定盤側(cè)，左拱腳—右拱腳和右拱腰—左墻腳的壓縮變形相對較小，左拱腰—右墻腳為張拉狀態(tài)；斷裂帶中間，隧道斷面整體處于壓縮變形狀態(tài)，拱頂—仰拱底部的變形量最大，右拱腰—左墻腳次之；主斷裂面附近，隧道斷面變形量最大，拱頂—仰拱底部和左拱腳—右拱腳均處于壓縮變形狀態(tài)，左拱腰—右墻腳和右拱腰—左墻腳均處于張拉狀態(tài)，隧道結(jié)構(gòu)破壞也最為嚴重；錯動盤側(cè)，隧道斷面整體處于壓縮變形狀態(tài)，拱頂—仰拱底部和右拱腰—左墻腳的相對變形相對較小。

圖15 變形前后的代表斷面形態(tài)（預留位錯空間30 cm）

3.4 不同預留位錯空間下隧道襯砌響應規(guī)律對比

3 種預留位錯空間方案下，隧道襯砌最大位移及襯砌節(jié)段之間的差異位移極值如圖16 所示。由圖16 可知：隨著預留位錯空間的增加，拱頂和仰拱底部的豎向位移均呈增加趨勢，分別從320.7 和525.2 mm 增加到580.9 到548.1 mm，增幅分別為81.14%和4.36%；左拱腳和右拱腳的水平位移最大值變化范圍較小，左拱腳減幅1.37%，右拱腳增幅0.7%，且右拱腳水平位移最大值更大；拱頂豎向差異位移極值和左、右拱腳水平差異位移極值均呈增加趨勢，分別從282.3，1 366.7 和1 166 mm 增加到512.4，1 736.3和1 746.6 mm，增幅分別為81.51%，27.00%和49.80%，仰拱底部則變化相對較小，減幅2.0%。

圖16 不同預留位錯空間下隧道襯砌最大位移及襯砌節(jié)段之間差異位移極值

3 種預留位錯空間方案下，隧道襯砌影響范圍及損傷破壞臨界錯動量如圖17 所示。由圖17 可知：隨著預留位錯空間的增加，錯動盤側(cè)影響長度B1和固定盤側(cè)影響長度B2變化均較小，且B1大于B2，B1在2.5D水平波動，B2保持在1.2D水平；左拱腳—右拱腳和左拱腰—右墻腳的損傷破壞臨界錯動量曲線重合，除拱頂—仰拱底部始終保持在0.15 m外，隨著預留位錯空間的增加，其他3條臨界錯動量曲線均呈下降趨勢，分別由0.30，0.30和0.25 m下降至0.15 m。

圖17 不同預留位錯空間下隧道襯砌影響范圍及損傷破壞臨界錯動量

綜上，隨著斷面預留位錯空間增加，隧道襯砌位移也在不斷增加，斷裂帶兩側(cè)襯砌影響長度基本不變，斷面上襯砌關(guān)鍵節(jié)點間損傷破壞臨界錯動量呈降低趨勢，不利于隧道結(jié)構(gòu)抗措。

4 討論

1）隧道橫斷面襯砌損傷破壞的臨界錯動量

受活動斷裂的擠壓、搓揉等構(gòu)造作用，斷裂帶區(qū)域內(nèi)圍巖破碎，核心帶內(nèi)圍巖甚至蝕變?yōu)槟嗌碃睿?1］。圓形隧道斷面受力比較好，因此穿越活動斷裂帶隧道通常采用圓形或者類圓形斷面型式。對圓形或類圓形隧道襯砌損傷破壞的臨界錯動量，文獻［24］得出走滑斷層左旋錯動0.6 m 后隧道結(jié)構(gòu)開始破壞，這與本研究及其他研究的結(jié)果差異較大，原因是其采用的襯砌破壞判斷標準——最大剪應變?nèi)?.002 實際為混凝土壓應變，見規(guī)范［29］條文6.2.1。文獻［23］得出，當走滑斷層錯動10 cm 時，襯砌在斷層滑動面附近達到嚴重損傷狀態(tài)。文獻［32］采用ANSYS 有限元分析軟件得出，當走滑斷層位錯超過20 cm 時，隧道襯砌開始破壞。本研究以徑向變形率6‰作為襯砌結(jié)構(gòu)損傷判定指標，得出襯砌損傷破壞臨界錯動量為0.15 m，與多數(shù)研究的結(jié)果基本一致。

2）走滑型活動斷裂錯動作用下隧道斷面響應

計算分析表明，走滑型活動斷裂錯動作用下，隧道襯砌拱頂和仰拱底部變形最為嚴重，這與文獻［19］研究結(jié)果基本一致。因此穿越走滑型活動斷裂帶隧道的設計及施工過程需要重點加強隧道拱頂和仰拱部位。走滑錯動量相同時，隨著斷面預留位錯空間的增加，除拱頂—仰拱底部外，其他3 處的徑向變形率都在增加，使得襯砌損傷破壞臨界錯動量變小，不利于結(jié)構(gòu)抗錯和抗震。這與文獻［18］模型試驗的結(jié)果一致。

3）穿越活動斷裂帶隧道斷面擴挖的必要性當前穿越活動斷裂帶隧道（洞）已有一些成功實施案例，常用的首選設計思路是，根據(jù)活動斷裂運動方式、活動速率等參數(shù)，估算出隧道（洞）服役期內(nèi)（一般為百年）最大錯動量，據(jù)此對隧道斷面進行適當擴挖。前人與本文的研究成果均表明，擴挖隧道斷面會降低隧道整體穩(wěn)定性和抗錯性能。但隧道穿越活動斷裂帶時必須預留足夠的凈空設防方案，以保證斷裂錯動后隧道斷面補強空間［20，33］。

5 結(jié)論

（1）隨著錯動量的增加，斷裂兩側(cè)襯砌整體位移差異越來越顯著，影響范圍越來越大，遠離斷裂的兩端隧道襯砌間位移差異較小且整體穩(wěn)定。較大的豎向位移集中在主斷裂面所橫跨襯砌的變形縫附近，錯動量最大（1.8 m）工況下，襯砌拱頂下沉432.7 mm，仰拱底部上拱557.1 mm。

（2）明確了統(tǒng)一的隧道復合式襯砌結(jié)構(gòu)位移及類圓形斷面變形損傷控制標準。在縱向上，以±10 mm 作為襯砌節(jié)段間相對差異位移的控制指標，即襯砌節(jié)段間差異位移的絕對值大于10 mm時判定為不均勻變形區(qū)，反之判定為相對穩(wěn)定區(qū)；在橫斷面上，參考城市地鐵管片圓形隧道斷面橢圓率，以徑向變形率±6‰作為變形損傷狀態(tài)判定指標。

（3）對于依托工程，隧道襯砌的顯著性位移和徑向變形率最凸出區(qū)間均主要集中在斷裂帶及其兩側(cè)附近。隧道拱頂豎向位移向下，呈“V”形；仰拱底部豎向位移向上，呈倒“V”形；左右拱腳水平位移方向均與斷裂錯動方向一致，呈“S”形。

（4）隧道襯砌節(jié)段間差異位移隨著走滑型活動斷裂錯動量的增加而增大，斷面上拱頂和仰拱底部變形最為嚴重。依據(jù)隧道結(jié)構(gòu)變形損傷狀態(tài)判定指標，以預留位錯空間30 cm 方案為例，依托工程沿主斷裂面走向的錯動量大于0.15 m 時，拱頂與仰拱底部之間徑向變形率超過判定指標6‰，隧道襯砌結(jié)構(gòu)將發(fā)生損傷破壞。設計及施工過程中須重點加強拱頂和仰拱部位。

（5）隨著斷面預留位錯空間由30 cm 增加到90 cm，襯砌位移極值也在不斷增大，但斷裂帶兩側(cè)隧道襯砌影響長度基本不變，固定盤側(cè)影響長度約為2.5 倍隧道跨度，錯動盤側(cè)影響長度約為1.2倍隧道跨度；斷面上關(guān)鍵節(jié)點之間損傷破壞臨界錯動量呈減少趨勢，除拱頂—仰拱底部外，其他關(guān)鍵部位間損傷破壞臨界錯動量減少到0.15 m，這對隧道結(jié)構(gòu)抗措不利。隧道穿越活動斷裂帶時必須預留足夠的凈空設防方案，以保證斷裂錯動后隧道斷面補強空間。