在非均匀地震输入下穿越逆断层隧道的力学响应分析

为何地下通道在地震中至关重要

随着城市和国家在山体中修建更长的公路和铁路隧道，越来越多的埋地通道必须穿越活动断层。地震时地层发生位移，隧道周围的岩体可能发生不均匀变形，压碎或撕裂维持通道畅通的混凝土衬砌。本研究考察了当逆断层在地震中发生位移时，穿断层隧道的力学表现，以及哪些设计选择能提高这些结构对依赖它们的公众的安全性。

以一条真实山岭隧道为试验对象

该研究基于中国天山的一项大型工程：天山胜利隧道，这是一条双向公路隧道，总长超过22公里，穿越数处活动断层，所在地区震害强烈且原位岩体应力高。中国和日本过往地震表明，穿断层的隧道在断层错动时可能发生拱顶坍塌、底板隆起、宽裂缝和路面破损。为了解并预防此类破坏，作者构建了一个详细的三维数值模型，包含完整岩体、较弱的断层带和混凝土衬砌，且布局与穿过该隧道线位的一处关键断层相匹配。

不均匀的地面震动

以往大多数研究假定地震在隧道下方的摇动是处处相同的。实际上，断层上盘（上升的一侧）与下盘（下沉的一侧）会表现出不同的运动和永久位移。在这里，研究人员基于一次大型加州地震记录合成了一对地震动，其中一个波形包含永久位移以模拟断层拖拽地面产生的永久偏移，另一个则不含永久偏移。将带永久位移的运动施加于上盘，较简单的运动施加于下盘，使模型能够捕捉两侧不同输入与断层面慢而大的错动相互作用的复合效应。

隧道何处以及如何受损

模拟结果显示，损伤在断层核——断层带中最破碎的狭窄区域——及其附近集中，尤其在半拱处（隧道墙体过渡到拱顶的弯曲肩部）。随着断层位移增大，衬砌混凝土的损伤度迅速接近与宽裂缝甚至压碎相对应的水平。这些高损伤区从断层核向周围岩体扩展，并且在上盘一侧始终更严重，因为逆断层中上盘受到更强的挤压和剪切。应变模式表明隧道横断面周边呈拉伸和压缩分布，半拱处尤为明显，而沿隧道轴线的纵向变形在典型条件下相对较小。

断层宽度与倾角的作用

研究组还探讨了断层带厚度和断层面倾角如何影响损伤。较宽的断层带（以断层岩与周围岩体的相对刚度比更高来表示）可以更缓和地分散变形，改善岩体与衬砌的协同变形。这可使隧道的峰值损伤降低约45%，尽管断层核内的衬砌仍然会出现严重开裂。改变断层倾角产生阈值效应：当断层为中等倾角（约不超过60度）时，整体损伤模式变化不大；但在更陡的倾角下，断层核内的损伤减小，而断层与上盘界面的损伤增大，且几个关键横断面部位的轴向应变——即沿隧道长度拉伸或压缩——也随之上升。

更安全隧道的设计启示

对工程师而言，研究的主要结论是：断层位移量是驱动隧道损伤的主因，其影响超过断层宽度或倾角。半拱区域是最脆弱的部位，因此也是加强的重点。作者建议采取措施，例如在开挖前通过小管注浆和深部灌浆对前方岩体进行预加固，在半拱处局部加厚衬砌并增加钢筋以应对应力集中。尽管模型简化了某些施工细节，其结果已与近期一条因断层错动受损的中国隧道的实测破坏进行了比对，能为设计穿断层隧道提供切实的指导，使重要交通通道在未来地震中更有可能保持畅通并保障人员安全。

引用: Yang, Y., Li, X., Liu, J. et al. Mechanical response analysis of tunnels crossing reverse faults under non-uniform seismic inputs. Sci Rep 16, 13348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43120-8

关键词: 隧道地震破坏, 逆断层隧道施工, 隧道抗震设计, 穿断层基础设施, 地下地震响应