饱和断层带附近隧道在SV波作用下的地震响应：流固耦合与断层特性的影响

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Seismic response of tunnels adjacent to saturated fault zones under SV-wave: Effects of fluid-solid coupling and fault properties

　　

摘要

在Biot孔弹理论框架下，针对SV波激励下位于饱和断层带附近的隧道的地震响应，本文提出了一个解析解。围岩和断层带被建模为流体饱和的多孔介质，而隧道衬砌则视为单相弹性介质。通过基于Hankel变换的坐标转换方法，将圆形隧道边界与平面断层界面有效耦合，避免了传统大圆弧近似带来的误差。所提出的解法通过现有解析结果及ABAQUS模拟进行了验证。参数分析表明，饱和断层带的影响强烈依赖于具体几何配置：当隧道与入射波处于断层同侧时，隧道的动力响应相比无断层情况可增加65.8%；而当断层位于隧道与入射波之间时，则会产生屏蔽效应，使隧道响应最大降低24.7%。在较高频率下，这种放大或屏蔽效应更为显著，当模量比Eg/Ef为4.0时，动力应力集中因子可增加90%。断层带宽度会导致响应出现周期性变化，当断层宽度约为地震波波长的0.25倍时，动力应力集中因子可增加65.8%。利用三组实测地震动进行的时域分析进一步证明了该频域解法的适用性。本研究为理解在线性孔弹假设下、位于饱和断层带附近的隧道的应力与孔压耦合响应提供了理论参考与机制依据。

引言

随着交通、水利及能源基础设施需求的不断增加，隧道建设逐渐向地震活跃区及断层带延伸。在此类环境中，地震作用可能引发裂缝、剥落、衬砌变形以及漏水等问题，进而威胁到结构的安全性与使用性能（Yao等，2026；Tsinidis等，2020；Xin等，2024）。如图1所示（Wang等，2026），隧道可能穿越、与断层或断裂带相交，或位于其附近，而这些不同的空间关系会导致截然不同的地震响应特性。

通过现场调查、数值模拟（Wang等，2025a、2025b、2025c）、模型试验（Shen等，2020）以及理论分析（Zhang等，2025a；Tang等，2024；Chang等，2025），人们对穿过活断层的隧道有了更深入的了解，也为此类隧道的设计提供了参考。不过，许多隧道实际上是与断层带相邻而非直接穿越，即便没有发生直接破裂，由于波的反射、透射、散射和放大作用，地震影响依然可能十分显著。在中国四川，沿石棉公路建设的隧道由于靠近大渡河、鲜水河等活断层带，在2022年泸定地震中遭受了破坏，这与意大利南部地震活跃的亚平宁山脉中的近断层隧道工程情况类似（Yao等，2023；Corigliano等，2011）。

先前的研究已经表明，断层带能够改变地震波的传播路径，并重新分配地下结构周围的变形与应力（Yang等，2021；Zhang等，2023a）。振动台试验与数值模拟结果显示，近断层的地质不连续面可能会放大地面变形，从而增加隧道所承受的地震作用（Huang等，2017；Liu等，2021）。尽管有限元法与边界元法这类数值方法在处理复杂介质与几何结构方面十分有效，但它们往往难以揭示模式转换机制，也不太便于进行系统的参数分析（Liu等，2021）。

波函数展开法仍然有助于理解入射波、断层带与隧道结构之间的相互作用。近期有一些研究针对受SH波、P波和SV波作用的断层附近深隧道，推导出了近似解析解，但这些研究忽略了隧道内散射波与断层带内散射波之间的相互作用（Yu等，2023；Chen等，2023）。对于受瑞利波、P波和SV波作用的浅层圆形结构，也已有类似的解析研究（Bobet等，2023；Yue和Liu，2025）。然而，对于靠近断层的隧道，仍有两个关键问题未能得到充分解决：首先，断层带通常具有弱胶结、高度破碎且渗透性强的特点，这容易导致地下水积聚，因此流体-固体耦合在地震作用下可能起着至关重要的作用（Shayan等，2025；Wang等，2025a）。尽管如此，与干燥或单相介质中的类似情况相比，SV波作用下位于饱和断层带附近的隧道的地震响应仍较少受到关注。此外，隧道圆形边界与平面断层界面之间的耦合关系，也增加了得出精确解析解的难度。

Biot孔弹理论为描述饱和多孔介质中的波传播提供了严谨的理论框架（Biot，1956；Berryman，1980）。在此基础上，有多项研究探讨了饱和土体中地下洞室与隧道周围的波散射现象，为隧道与土体的相互作用分析奠定了重要理论基础（Li等，2022；Liang等，2007）。基于Hankel变换的半空间处理方法，在将圆形隧道边界与平面边界更精确地耦合方面，相较于传统的大圆弧近似方法具有明显优势（Zhao等，2023；Lin等，2010）。然而，要为SV波激励下位于饱和断层带附近的隧道建立解析解仍然面临挑战，因为隧道边界为圆形，而断层界面为平面，同时还需要满足机械连续性条件。

为填补这一空白，本研究基于Biot理论，针对SV波入射作用下位于饱和断层带附近的隧道，提出了一个解析解。其中，围岩与断层带被建模为流体饱和的多孔介质，隧道衬砌则视为单相弹性介质。通过基于Hankel变换的坐标转换方法，能够准确地将圆形隧道边界与平面断层界面耦合起来，从而避免传统大圆弧近似带来的误差。所提出的解法通过现有解析结果及ABAQUS模拟进行了验证。在此基础上，系统研究了入射波频率、断层带宽度、刚度对比以及隧道-断层-波的相对配置等因素的影响，同时还利用地震动进行了时域分析，以评估该频域解法作为初步评估与参考工具的可行性。

章节节选

问题描述

本研究针对SV波激励下位于饱和断层带附近的隧道的地震响应，推导出了一个解析解。如图2所示，该隧道位于断层带附近，隧道中心到断层边界的垂直距离为d，而隧道衬砌的外半径与内半径分别为a和b。

以隧道中心为原点，建立了笛卡尔坐标系（x，y），其中x轴垂直于断层带，y轴

所提解析解的验证

所提出的解析解通过三种方式进行了验证：第一，将其与单相介质的现有解析解进行比较；第二，将模型简化为位于均匀饱和介质中的深隧道，再与经典解法进行对比；第三，通过ABAQUS有限元模型对解法进行数值验证。作为对比，隧道衬砌的动态响应是通过动力应力集中因子与孔压集中因子来评估的

参数研究

本节通过参数分析，以隧道衬砌表面的动力应力集中因子与孔压集中因子作为核心指标，研究断层带特性、入射波条件以及水力力学参数对隧道地震响应的影响。隧道与断层之间的距离在5.0米到1000米之间变化，间隔为1米，以此确定最大响应值。此外，还考虑了两种不同的配置方案

时域分析

虽然关于隧道地震响应的波函数展开法研究大多在频域中进行，但实际地震动属于瞬态且具有宽频特性（Chang等，2026）。因此，有必要检验所提出的频域解法在时域中的工程适用性。在本研究中，利用幅值为1的谐波SV波，推导出了SV波激励下位于饱和断层带附近的隧道的频域响应

结论

• (1)
  在Biot孔弹理论框架下，针对SV波激励下位于饱和断层带附近的隧道，本研究建立了一个严谨的解析解。该解法通过现有解析结果及ABAQUS模拟进行了验证，结果表明其在捕捉耦合动力应力与孔压响应方面具有较高的准确性。
• (2)
  饱和断层带对相邻隧道的地震影响，强烈依赖于隧道、断层与波的相对配置关系。该

CRediT作者贡献说明

Ming-Yu Chang：论文撰写——初稿撰写、可视化分析、方法设计、实验研究、正式分析、概念构建。Yu-Quan Liu：论文撰写——初稿撰写、方法设计、实验研究、数据整理。Yu-Sheng Shen：论文撰写——审阅与编辑、验证工作、项目监督、整体概念构建。Wei Zheng：资源提供、实验研究、数据整理。Yang Yu：项目监督、实验研究、数据整理。Ming-Chao Yan：可视化分析、实验研究、正式分析。Yong-Yi Li：

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国四川省自然科学基金（编号：2026NSFSC0301）、中国铁路集团有限公司科技研发计划（编号：2025-Zhuanxiang-09）以及国家自然科学基金（编号：52278414）的支持。作者们还要特别感谢西南交通大学王琦博士在地震波处理方面所提供的帮助。

Ming-Yu Chang|Yu-Quan Liu|Yu-Sheng Shen|Wei Zheng|Yang Yu|Ming-Chao Yan|Yong-Yi Li