《KSCE Journal of Civil Engineering》：Research on Deformation and Support Control of Tunnels Crossing Active Fault Zones
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在隧道穿越活动断层带施工期间，可能面临坍塌与变形等挑战。该研究基于现场试验，旨在分析东马场1号隧道（DMT-1）的应力与变形特征。借助机器学习技术，研究人员预测了隧道未来两年的沉降值。此外，通过数值模拟评估了超高性能混凝土（UHPC）衬砌的支护可靠性，并经现场
在隧道穿越活动断层带施工期间，可能面临坍塌与变形等挑战。该研究基于现场试验，旨在分析东马场1号隧道（DMT-1）的应力与变形特征。借助机器学习技术，研究人员预测了隧道未来两年的沉降值。此外，通过数值模拟评估了超高性能混凝土（UHPC）衬砌的支护可靠性，并经现场监测验证。研究结果表明，显著的地应力及活动断层带与深埋DMT-1的交切导致初期支护变形、拱部开裂与隆起以及二次衬砌开裂等变形表现。所提出的UHPC衬砌展现出有效的隧道加固效果，在隧道基础设施可持续发展中发挥关键作用。
研究背景与立项依据：随着隧道工程向深部地层拓展，施工遭遇断层带难以避免。断层带围岩自稳能力差，在高地应力与破碎软岩耦合下易发生坍塌、初期支护变形、拱部开裂隆起及二次衬砌开裂，传统单/浅断层研究难以覆盖大宽度全新世活动断层（如程海断层F4，宽60—70 m、左旋走滑20 mm/年）下深埋（最大埋深约613 m）、小净距（最小净距24 m）隧道的长期稳定问题；既有监测多偏短期，缺乏两年期变形外推与闭环验证。为此，研究人员以云南永胜县东马场1号隧道（DMT-1，左线ZK70+180~ZK75+278、右线K70+130~K75+335）为对象，融合现场监测试验、机器学习预测、UHPC（Ultra-High Performance Concrete，超高性能混凝土）衬砌设计、FLAC3D数值仿真与加固后百日监测，形成“监测—预测—支护—再监测”闭环。
主要关键技术方法：研究人员采用水压致裂法获取三维地应力（最大水平主应力19.76 MPa，方向NE75°）；提取拱顶254天非等距沉降序列，经三次样条插值与标准化后按8:1:1划分训练/验证/测试集；以LSTM（Long Short-Term Memory，长短期记忆网络，双层隐单元64/32、Adam优化、MSE损失、前14天预测下1步）为核心，对比GM(1,1)与SVR；在CAD-Rhino-ANSYS构建120 m×120 m×60 m模型并导入FLAC3D，围岩取V级（GB 50086-2019）、Mohr-Coulomb准则，锚杆/管棚简化为cable/beam单元，评估原支护与60 cm厚UHPC衬砌（等效常规混凝土1.0—1.2 m）的位移场与应力安全系数；最后在K72+260~+330断层段实施UHPC补强并连续监测100天。
研究结果
1 工程背景与地应力：DMT-1穿越程海活动断层（310°∠72°压性逆断层），围岩为强风化泥岩、石英砂岩、断层角砾等；水平孔最大/最小主应力19.76/10.23 MPa，垂直孔16.09/12.26 MPa，最大水平主应力与洞轴夹角75°—85°，属极高地应力环境。
2 衬砌与支护损伤演化：断层邻近段初期支护呈冠沉径向裂、边墙内挤、钢架“Z/S”扭屈；仰拱填充面纵裂宽达90 mm，山侧较海侧上抬10 mm；二次衬砌环向/斜向裂累计614 m。
3 隧道沉降特征与预测：G1/G2/G3点254天沉降463.5/504.4/493.0 mm；LSTM预测365天为481.2/510.8/524.2 mm，732天为492/520.7/534 mm（RMSE 1.85 mm，R2 0.992，优于SVR的4.78 mm与GM(1,1)的10.45 mm）；以G3的534 mm为预警基线。
4 隧道变形治理
4.1 UHPC衬砌数值模拟：60 cm UHPC（抗压120 MPa、抗拉5 MPa、弹模40 GPa）补强后，模拟最大水平收敛407.7 mm、拱沉428.6 mm、仰拱隆起778.4 mm（地板断层角砾塑性挤入所致）；锚杆最大拉应力208.49 MPa（<235 MPa设计值）；UHPC衬砌拱腰最大压应力46.53 MPa（安全系数2.58）、拱底最大拉应力0.61 MPa（安全系数8.20），配筋后压/拉安全系数2.63/8.62，均满足规范。
4.2 支护后监测：二层初期支护平均位移1.2—1.7 mm/d，仰拱施作后降至0.4—0.5 mm/d，百日累计36.5—48.6 mm；G1/G2/G3模拟与实测误差仅2.31%/1.84%/1.89%，验证模型可信。
讨论与结论翻译：本文围绕穿越活动断层带的DMT-1隧道，针对大断裂带、低岩强、高地应力环境，揭示其变形属性并预测两年沉降，提出UHPC衬砌方案。（1）水平孔最大/最小地应力19.76/10.23 MPa，垂直孔16.09/12.26 MPa，最大水平主应力方向NE75°，与未挖洞轴交角75°—85°，属极高地应力。（2）深埋交切活动断层致变形以初期支护变形、拱裂隆起、二衬开裂为主。（3）UHPC衬砌抗压安全系数约2.58、抗拉约8.20；配筋UHPC衬砌抗压约2.63、抗拉约8.62，满足要求。（4）UHPC应用后平均位移持续低于2 mm/d，证实其在断裂带维持稳定的正向作用。（5）研究创新性在于将UHPC薄壁高强补强、LSTM长期沉降预测、现场—数值闭环验证三者集成，为高地应力断层带大变形隧道提供可复制框架。该文发表于《KSCE Journal of Civil Engineering》。
