采用全局-局部耦合方法对穿越走滑断层的山岭隧道进行全过程多尺度模拟

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Full-process multiscale simulation of a mountain tunnel crossing a strike-slip fault employing a global-local coupled method

　　

摘要

穿越活动断层的隧道失效强烈受控于震源机制和同震断层位移，与远场隧道表现出显著差异。本研究建立了全域-局部耦合模拟方法，以促进对穿越活动断层的长大山岭隧道在同震位移作用下地震响应的研究。全域模拟采用间接边界元法（IBEM），为包含发震断层的山体生成基于物理的地面运动场；局部模拟采用有限元法（FEM），用于模拟隧道-围岩相互作用及相关非线性动力响应。该方法能够高效实现全过程模拟，涵盖断层动态破裂、复杂山地地形中的地震波放大效应以及穿越活动断层的山岭隧道地震响应与动力损伤。基于Mw 6.7走滑型地震情景，本研究提出的模拟方法被用于研究受同震断层位移作用的长大山岭隧道的损伤演化过程。根据两种损伤指标对隧道性能评估，建立了四级抗震设防分区方案，包括：(a) 严重影响区，覆盖断层破碎带并向两侧各延伸约0.3W（W为断层破碎带宽度）；(b) 重要影响区，在严重影响区两侧各延伸22D（D为隧道跨度）；(c) 洞口影响区，从各隧道洞口延伸24D；(d) 一般影响区，指剩余的隧道段。基于该方案，提出了相应的抗震设计要求与针对性防护措施，以增强穿越活动断层的山岭隧道的抗震韧性。研究结果为穿越活动断层地下结构的地震设计与抗震韧性提升提供了理论支撑和实践指导。

引言

地震引发的隧道损伤研究表明，穿越活动断层的隧道极易遭受严重结构破坏。这一脆弱性在多起重大地震事件中被反复观察到。例如，1999年集集地震中，穿越车笼埔断层的石岗引水隧道因断层错动发生剪切破坏，调查显示水平位移约3m、竖向位移4m[1]。类似地，2008年汶川地震中，穿越发震F8断层的龙溪隧道遭受广泛破坏，包括拱顶塌落和衬砌错动[2]。近期，2022年门源地震中，穿越冷龙岭断裂带F5断层的达良隧道记录到同震水平位移2.86m、竖向位移0.91m，导致断层带附近数百米范围内的衬砌严重破坏[3]。这些案例凸显了研究穿越活动断层的长大山岭隧道地震失效机制及相应缓解或防护技术的迫切需求。

关于穿越断层隧道的研究，主要采用了三类方法：解析方法[4]、物理模型试验[5]和数值模拟。其中，将隧道简化为梁模型的解析方法无法准确捕捉复杂的结构响应，且对断层错动下地基弹簧力学行为的定义存在模糊性。物理模型试验虽有利于直观理解，但受限于高成本、尺度效应和有限重复性，难以模拟复杂场地中长大隧道的地震响应，其可靠性还因多重实验不确定性而受到挑战。相比之下，数值模拟具有低成本、广泛应用性和复杂过程建模能力等显著优势，不仅可重现隧道响应模式，还支持理论分析和多参数研究。例如，Sun等[6]采用黏弹性人工边界和等效节点力方法建立了穿越断层破碎带的水利隧道有限元模型，并进行了非线性时程分析。Jiao等[7]利用ABAQUS有限元软件验证了斜入射P波下断层场地模型的精度，并对穿越非活动断层的隧道进行了数值模拟，总结了其失效机制。然而，这些研究通常将断层破碎带视为非均质地质体并假设平面波入射，未考虑实际断层活动引起的非均质波场效应。

在聚焦穿越活动断层隧道的研究中，Qiao等[8]建立了三维有限元模型，通过在上盘施加位移边界条件模拟正断层错动。类似地，An等[9]建立了三维围岩-隧道模型，在上盘施加准静态位移以分析受逆断层错动隧道沿纵向的响应。Zhong等[10]建立了穿越多条走滑断层的山岭隧道三维模型，通过运动块体施加准静态位移系统分析其动力行为。Tang等[11]提出了一种结合子模型和两阶段模拟的数值框架以提高计算效率。值得一提的是，上述研究均通过准静态方法在上盘或下盘施加预设位移来模拟断层错动，然而这种简化忽略了断层动态破裂过程及其产生的地震波传播，可能导致低估地震引发的结构破坏。

为解决这些局限性，Cui等[12]采用结合断层错动和地震波激励的分步方法，研究了二者对穿越断层隧道的耦合作用。Yang等[13]建立了穿越北川-映秀断层的邓家坪隧道三维离散元模型，并以汶川地震记录作为动力输入。模拟结果与观测到的断层错动高度吻合，揭示了隧道在强地面运动和断层运动共同作用下的动力响应特征。Chen等[14]采用Okada位错理论和有限断层模型确定达良隧道在断层运动下的位错量级与方向。Li等[15]在断层中心引入滑动界面，并在断层两侧施加包含永久位移的合成地面运动，实现了断层错动与地震激励的耦合模拟。尽管取得了这些进展，现有研究仍倾向于过度简化近断层地面运动输入，忽视了活动断层的实际运动学行为。

研究表明，近断层地面运动强烈受震源机制和同震断层位移影响，表现出速度脉冲、能量集中、方向效应和显著空间非均匀性等独特特征[16]。此外，地震波传播受断层几何形态和破裂方向控制，而复杂地形与地质条件可引发散射和聚焦效应，进一步加剧波场的空间复杂性[17]。近断层效应与复杂场地条件的相互作用可能导致地面运动的显著局部放大，增加隧道破坏的潜在风险，但这一问题在当前研究中受到关注有限，从而制约了复杂场地中穿越断层隧道地震响应的准确评估[18]。因此，亟需通过物理模拟构建包含复杂场地效应的近断层地震波场，为穿越活动断层的长大山岭隧道地震分析提供更可靠的输入波场，从而实现其全过程地震响应更准确的模拟。

对于穿越活动断层山岭隧道全过程物理模拟，整体数值模型通常无法同时捕捉复杂近断层场地中的大规模地震波传播和隧道结构的精细局部地震响应。近年来，多尺度耦合数值模拟方法为研究穿越活动断层山岭隧道全过程地震响应提供了新视角。Ma等[19]、Xia等[20]、Ba等[21]和Liu等[22]分别开发了多尺度数值框架，包括DEM-FDM耦合方法、基于断错位错位移场的DEM-FDM耦合方法、FDM-DEM耦合方法以及二维FEM与三维扩展FEM相结合的方法。这些方法旨在系统研究大规模断错位错和岩体渐进变形引起的围岩与衬砌系统的局部尺度力学响应。

需要指出的是，现有多尺度研究主要关注断层破裂引起的准静态响应，而受同震断层位错作用隧道动力响应机制的理解仍不充分。近期，将大规模地震波传播分析与局部有限元模拟相结合的跨尺度模拟技术已成为研究穿越断层隧道动力行为的一种有前景的方法[23,24]。然而，隧道通常建于复杂地形与地质环境中，地形变化和岩体非均质性可显著影响断层变形演化和地震波传播。现有研究主要考虑理想化场地条件，忽视了复杂场地效应，难以充分计入复杂场地条件与长大山岭隧道空间尺度效应的叠加影响。

基于上述问题，本研究建立了穿越活动断层山岭隧道的全域-局部耦合模拟框架。全域模拟采用间接边界元法（IBEM），该方法具有自动满足远场辐射条件、降低模型维数以及避免高频数值色散等优势，结合真实震源机制，对包含发震断层的山体系统进行三维地震波场模拟，从而准确表征复杂地形和地质条件下的近断层地面运动，并为局部尺度分析提供物理一致的输入波场。在局部尺度，采用有限元法（FEM）对多维多点地面运动激励下的隧道和围岩进行精细非线性地震分析，从而高效实现穿越活动断层的长大山岭隧道全过程模拟。在该框架中，断层动态破裂引起的地震波激励、地震波在层状介质中的传播、复杂场地条件下的场地放大效应以及隧道结构的后续损伤演化等物理过程被全面整合。值得指出的是，作者及其研究团队此前已开发了近断层山岭隧道的全过程模拟框架[25]。本研究进一步针对穿越断层情形，模拟了同震位移下穿越活动断层长大山岭隧道的地震响应，并纳入了震源机制。

此外，从工程应用角度看，穿越活动断层的隧道抗震损伤程度与距断层距离密切相关。然而，现行相关规范对穿越活动断层隧道的设防范围缺乏明确规定，导致缺乏针对性设防的依据。大多数现有研究聚焦于断层错动面附近的局部防护和缓解措施，而对穿越活动断层隧道长距离抗震设计策略的研究仍不足[26]。因此，有必要将穿越活动断层的长大山岭隧道划分为不同的设防段并明确其范围，从而为差异化抗震设防措施提供理论依据。

本文的组织结构如下：第2章介绍本研究所用的计算模型及相关参数。第3章阐述全域-局部耦合模拟方法的框架并验证其精度。第4章分析情景地震（Mw 6.7）下穿越活动断层山岭隧道的损伤分布特征。第5章结合数值模拟结果与工程经验，划分穿越活动断层的长大山岭隧道抗震设防范围，为其抗震设计提供定量依据，并根据不同区段损伤严重程度提出差异化设防建议。本研究结果不仅为穿越活动断层山岭隧道的抗震设计提供参考，也为高烈度地区地下工程的安全评估、防灾减灾和抗震性能提升提供指导。

章节片段

计算模型

图1(a)展示了穿越断层山岭隧道的完整分析模型。该模型由一个半椭球体山地组成，高度1.5 km，长轴长度8 km，短轴长度3 km。隧道沿短轴穿越山体，而倾角为90°的活动断层沿长轴方向展布，并与长轴平行。

图1(b)展示了与图1(a)所示断层系统相对应的确定性震源模型，用于走滑断层穿越隧道穿越断层的地震响应研究。基于第2节提出的全域-局部耦合仿真方法，本章系统研究了受发震断层影响的山区隧道的损伤演化。在分析中，假定断层为理想界面，不考虑断层破碎带的影响。如图6(a)所示，利用ABAQUS有限元软件建立了隧道及其邻近岩体的局部三维有限元模型。断层破碎带宽度对山区隧道穿越走滑断层损伤演化的影响。本章对不同断层破碎带宽度（W）对山区隧道穿越走滑断层在Mw 6.7情景地震下的地震损伤特性的影响进行了对比分析。图12(a)和(b)展示了不同断层破碎带宽度下关键区域拉损伤和压损伤的分布云图。随着断层破碎带宽度的增加，拉损伤范围逐渐扩大，并伴随着持续的损伤扩展。

长大型山区隧道穿越走滑断层的地震设防分区与分级设计。为应对隧道穿越活动断层时的抗错断和减震问题，已提出众多措施，包括铰接设计、围岩加固、断面超挖、隔震层设置以及新材料的应用。铰接设计[43,44]是一种主动措施，通过将隧道衬砌进行分段来降低纵向刚度，从而提高隧道对断层变形等的适应能力。

结论。本研究的主要贡献有两方面。首先，本研究提出了一种全域-局部耦合仿真方法，用于研究长大型山区隧道在穿越活动断层时的同震位移下的地震响应与损伤演化。在全局尺度上，采用边界元法（IBEM）模拟由断层动态破裂引起的山区三维地震波场，为局部分析提供多点地面运动输入。在局部尺度上，应用有限元法（FEM）进行...

作者贡献声明
刘家乔：撰写——初稿，验证，软件，方法学。刘中仙：撰写——审稿与编辑，指导，概念构思。黄震恩：验证，数据管理。杨琪：可视化，调查研究。

利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52278516）的资助。

刘家乔|刘中仙|黄震恩|杨琪
天津城建大学土木工程学院，天津，300384，中国