考虑多场耦合的正断层活动对输水隧道破坏机理的影响

为何地下输水隧道在地震中会失效

许多城市和农业区依赖长距离地下隧道将山区水源输送到居民区和灌溉地。这类生命线隧道常常穿越活动断层——地壳中的裂缝，在地震时可能突然位移。当断层在隧道下方活动时，两侧地面会以不同方向相对移动，使结构产生拉伸和弯曲。本文研究了断层位移如何损伤大型输水隧道，以及哪些设计选择能提高其安全性。

断层穿越隧道时会发生什么

研究者聚焦于一种常见断层类型——正断层，在此类型中，一侧岩体相对于另一侧下滑。在许多历史地震中，最严重的隧道破坏恰好发生在隧道穿越断层的位置，即便周围岩体看起来仍然完整。在这些穿越处记录到了裂缝、混凝土破碎，甚至塌方。对饮用水和灌溉系统而言，此类失效会中断供水、引发渗漏与冲刷，并且在地下深处的修复通常非常困难且成本高昂。

包含岩体、混凝土与流动水的虚拟试验

为探讨这一问题，作者建立了一个精细的三维数值模型，模拟一条穿越正断层的受压输水隧道。模型包含周围岩体、较弱的断裂带、隧道的钢筋混凝土衬砌以及内部流动的水。两个专用软件工具被耦合：一个计算岩体与混凝土的变形与开裂，另一个模拟湍流水流。耦合平台使这两者相互传递信息，反映隧道的位移与水对其的作用力。在进行大量数值模拟前，团队将数值模型与一项缩尺的实验“沙盘”试验对比验证。数值隧道的弯曲与开裂位置与实体模型几乎一致，尤其是在变形集中区和最大裂缝出现处的表现相似，这增强了对虚拟模型能捕捉关键行为的信心。

隧道在哪里以及如何受损

在所有模拟场景中，有一条清晰的规律：断层活动导致的损伤高度局部化。断层带内的混凝土衬砌以及断层两侧有限的几十米范围发生了严重变形，而长隧道的其余部分几乎保持弹性，只有很少的永久性变化。最脆弱的位置是断层附近隧道的顶部（顶拱）和底部（底拱），在那里弯曲和剪切共同作用，使混凝土在拉伸下被撕裂。作者采用了一个单一的损伤指标——拉伸总体衬砌损伤（OLDT），用于综合反映隧道某段衬砌的开裂程度。随着断层位移的增加，该指标在断层带内迅速上升，接近对应功能近乎丧失的状态，而在其他位置则保持较低。

地质与设计选择如何改变结果

接着团队改变了五个主要参数：断层的位移量、断层倾角、断裂带宽度、断裂带的强度以及隧道衬砌混凝土的强度。较大的断层位移显著提高了断层带内的损伤指标，证实了永久性地表错动是失效的主要驱动因素。较陡的断层倾角和较宽的断裂带主要影响变形沿隧道传播的距离，但并未显著提高峰值损伤。相反，提高断裂带的“韧性”（更强的内聚力）或采用高强度衬砌混凝土，都能缩小严重损坏区的范围并降低损伤指标。有趣的是，隧道内的受压水对衬砌的应力分布有轻微影响，但并未从根本上改变隧道的失效模式；主要控制因素仍是岩体、断裂带与衬砌的相对刚度。

对提升输水生命线安全的启示

对工程师而言，结论是应将设计与加固的重点放在隧道穿越断层的横断面，而非整个线路。加固或注浆处理非常薄弱的断裂带，并在隧道与断层交汇处采用更高强度的衬砌材料或特殊构造细节，可以在发生大位移时大幅降低贯穿性开裂与塌方的风险。研究还表明，像OLDT这样的单一量化损伤指标有助于比较设计方案并设定性能目标。总之，虽然正断层活动是一个严重的危险源，但通过对断层周围岩体处理与隧道衬砌的精心设计，可以在关键时刻保持这些重要输水隧道的功能。

引用: Xinwei, Z., Zhanxiang, C. & Weiheng, L. The effects of normal fault movement on the failure mechanism of water conveyance tunnels considering multi-field interaction. Sci Rep 16, 12447 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41070-9

关键词: 输水隧道, 正断层, 地震隧道破坏, 流固耦合, 地下基础设施安全