顺序组合地震荷载与断层错动作用下隧道的力学响应：基于 FDM-DEM 耦合方法的研究

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Mechanical response of tunnels under sequentially combined seismic loading and fault dislocation: insights from FDM-DEM coupled approach

　　

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  开发了一种连续—离散耦合框架，用于模拟隧道在地震—断层错动作用下的响应。
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  所提出的FDM–DEM耦合模型经过系统验证，能够再现地震响应和断层滑移行为。
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  识别了错动—地震荷载顺序效应对结构力学响应的影响。

引言

在构造运动过程中，当活动断层沿线积累的构造应力超过围岩强度极限时，断层沿发生黏滑位移，释放能量并触发地震[1]（即D-E顺序）；反过来，地震荷载会改变受影响区域内其他活动断层的应力状态，从而诱发断层变形和错动[2]（即E-D顺序）。如图1所示，穿越活动断层的隧道在地震与断层错动的顺序作用下可能遭受严重破坏[3]、[4]。例如，对1999年集集地震中石刚坝引水隧洞[5]、2008年汶川地震中龙溪隧道[6]以及2022年青海门源地震中大凉隧道[7]的地震后调查发现，在断层错动界面处存在衬砌开裂和剥落以及坍塌现象，严重阻碍了震后的修复和清理工作。因此，理解穿越活动断层的隧道在地震与断层错动顺序作用下的力学响应，对于隧道设计和安全具有重要意义。

已有大量研究通过地震破坏调查[6]、[8]、模型试验[9]、[10]、[11]以及数值模拟[12]、[13]、[14]、[15]开展，主要关注隧道在单次地震或断层错动下的力学响应，而对其在地震荷载与断层错动共同作用下的行为关注有限。在已有的有限尝试中，崔哲等[16]研究了隧道在断层破裂变形复合地震激励下的变形响应和破坏机制，并通过数值方法验证了"节段"设计的性能。唐等[17]推导了隧道在地震与走滑断层共同作用下的纵向力学响应解析解。张聪等[18]提出了考虑地震激励与断层破裂综合效应的隧道结构易损性指标，并建立了综合概率模型以量化不同破坏状态发生的可能性。梅等[3]研究了隧道在断层错动与地震荷载顺序作用下的结构响应。张栋等[19]开发了包含内聚力界面单元的计算模型，模拟蠕滑断层滑移及随后的地震激励，并研究了隧道在复合荷载下的力学响应。

然而，上述研究主要依赖于连续介质方法，对断层围岩的不连续性及其峰值后应变软化特性考虑有限。离散元方法（DEM）和耦合有限差分法—离散元方法（FDM-DEM）是分析围岩和结构从微观裂纹萌生、扩展到宏观失稳的整个破坏过程的有力工具，已被广泛应用于穿越活动断层隧道力学响应的研究。然而，现有研究主要关注断层滑移[9]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]等静力条件下的模拟，对地震动力响应分析[25]关注有限，且尚未见报道基于FDM-DEM耦合数值方法研究隧道在地震与断层错动顺序作用下的响应。造成这一研究空白的主要原因有两方面。第一，连续介质动力分析中常用的黏性和自由场边界是通过介质的应力—速度关系建立的，无法直接应用于颗粒集合体，使得基于颗粒的DEM模型地震输入困难[26]。第二，工程尺度的三维围岩—隧道结构模型需要大量颗粒和巨大的计算资源，使得在工程尺度上完全离散建模难以实现。

为了克服上述局限，基于FDM-DEM方法建立了一种计算模型，用于分析隧道结构在地震荷载与断层错动顺序效应下的力学响应。在该模型中，地震输入和动力人工边界由连续介质域处理，而离散域仅限于断层破碎带，该区域的不连续变形和峰值后应变软化主导了隧道响应，从而将颗粒数量控制在可管理的范围内。通过自由场分析、对比模型试验和传统FDM模型验证了耦合模型的可靠性，随后对位于中国云南某穿越活动断层的山区隧道进行了研究，为地震荷载与断层错动作用下隧道响应的数值分析提供参考。

章节摘要

耦合FDM-DEM方法

本研究采用耦合FDM-DEM方法，研究隧道在地震荷载与断层错动顺序叠加下的力学响应。FDM部分采用FLAC[27]软件，该软件基于显式有限差分原理；DEM模拟选用PFC[28]，因其适用于揭示岩体破裂等大变形破坏过程[26]、[29]。FDM与DEM之间的耦合以及模拟过程为

耦合模型的动力响应

建立了一个尺寸为120 m × 120 m × 200 m的自由场连续介质模型。围岩采用弹性本构关系建模，参数设定为ρ = 2400 kg/m³、E = 0.5 GPa、μ = 0.28。基于入射波长和频率等参数，确定了4 m × 4 m的网格尺寸。系统阻尼设为零。如图3所示，用于模拟断层的离散域尺寸为80 m × 60 m × 16 m，倾角为90°，

计算模型与参数

本节基于中国西南部某穿越活动断层的典型公路隧道。隧道场地位于川滇菱形块体的东缘，处于小江断裂带的影响范围内，构造活动强烈，存在强烈地震和断层错动风险，在地震荷载与断层错动顺序作用下可能导致隧道结构严重破坏。隧道穿越一处

结论

本研究采用FDM-DEM方法建立了穿越活动断层隧道的连续—离散耦合模型，模拟隧道在地震—断层错动序列下的力学响应。首先，通过自由场分析和与实验室试验结果的对比验证了所提耦合模型在模拟地震荷载和断层错动方面的有效性。其次，FDM-DEM耦合模型相比传统FDM模型的优越性是

作者贡献声明

陈雨生：撰写——初稿、方法论、调查研究、数据整理、概念构思。丁祖德：撰写——审阅与编辑、监督、调查研究、经费获取。王顺国：撰写——审阅与编辑、经费获取。刘鹏：撰写——审阅与编辑、调查研究。周安安：撰写——审阅与编辑、调查研究。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52568058）和云南省教育厅科学研究基金项目（编号：2025Y0278）的资助，作者对此表示衷心感谢。

陈雨生|丁祖德|王顺国|刘鹏|周安安