考虑走滑断层错动的大型深埋隧洞群性能

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Performance of large deep tunnel complex considering strike-slip fault dislocation

　　

穿越活动断裂的大型高压水工隧洞群的安全建造与运行是西部重大水电基地开发中的关键工程挑战。隧洞群承受由群组效应与断层错动共同构成的复杂力学环境，这显著加剧了围岩损伤与结构失稳的风险。然而，现有的隧洞间距设计方法未能考虑断层错动的影响。本研究通过单洞与双洞的对比模型试验，论证了在断层条件下研究隧洞间距的必要性。随后，研究人员开展数值分析以探究隧洞群围岩力学响应的演化机制，并基于三种不同判据评估了不同地质条件下的合理隧洞间距。试验与数值结果均表明：相邻隧洞间的中间岩柱是维持隧洞群整体稳定的关键承载构件，其力学状态对断层错动和隧洞间距高度敏感。此外，合理隧洞间距的评估建议：在岩体力学质量较差、隧洞埋深较大或断层倾角较缓的情况下，应采用更大的隧洞间距。这些结果可为穿越活动断裂的深埋隧洞群设计与性能评估提供有价值的参考。

**论文解读：考虑走滑断层错动的大型深埋隧洞群性能研究**

**1. 研究背景、现存问题与研究必要性**

随着全球对交通、水利及能源存储等工程需求的持续增长，隧道工程正日益向深埋、双洞乃至多洞紧密平行布置的隧洞群方向发展。此类紧密间距隧洞群的开挖会在围岩中引发复杂的应力重分布与显著扰动，加剧隧洞间岩体的损伤，对整体稳定性构成严峻挑战。同时，活动断层错动对隧道安全构成巨大威胁，如中国台湾石岗坝引水隧道在集集地震中被直接剪断，土耳其Kozdere铁路下穿隧道出现严重环向裂缝，中国大梁隧道在门源地震中发生拱顶开裂与边墙衬砌剥落等实例均证明了这一点。

尽管已有大量研究分别关注隧洞群与断层错动的挑战，但两者的组合工况会形成更为严酷的力学环境：开挖引发的群组效应与断层错动导致的强烈剪切及大变形相互作用，其耦合效应可显著加剧围岩与隧道结构的损伤，风险远超单一隧道或无断层错动的隧洞群。然而，现有基于无断层条件建立的隧洞群布局方案在此复杂力学环境中不再适用。因此，研究断层错动下隧洞群的最小安全距离，揭示其失稳机理，对于确保穿越活动断层的隧洞群安全、优化穿越断层的隧洞群布局方案至关重要。该研究旨在通过综合模型试验与数值分析，系统揭示断层错动下隧洞群围岩力学行为的演化机制，并基于多种判据评估不同地质条件下的合理隧洞间距，为工程设计提供参考。

**2. 主要研究方法**

研究人员采用物理模型试验与三维数值模拟相结合的综合研究方法。模型试验基于自主研发的模型试验装置，以相似理论（几何相似比C_l=1:40，弹性模量相似比C_E=1:60）制备模型，模拟了单洞与双洞在走滑断层错动下的力学响应，通过布置应变片和土压力盒监测衬砌应变与围岩压力。数值模拟采用FLAC^3D软件，建立了考虑断层带（宽度60 m）、断层倾角（70°、80°、90°）、围岩等级（IV级、V级）、地应力水平（20 MPa、30 MPa、40 MPa）及不同隧洞间距（从2.5D至4D梯度变化）的多参数三维模型，模拟了开挖、支护及断层错动（采用S型位移分布模式，最大错动量100 cm）全过程，共设置18组108个计算工况。

**3. 研究结果**

* **3. 1. 断层错动位移的影响**：以地应力40 MPa、断层带围岩V级、倾角90°、间距3.5D的工况为例，数值模拟结果显示，随着断层错动从25 cm增至100 cm，监测断面中间岩柱的最大主应力集中区由蝴蝶形演化为椭圆形，中间区域应力高度集中；最大剪切应变增量围绕各隧洞呈环状分布，并随错动位移增大而向外扩展、最终在中间岩柱中心形成新的集中带。监测点最大主应力与最大剪切应变增量全程持续增长，且发展速率呈加速趋势。应力路径分析表明，随着错动进行，监测点应力状态（σ₃持续减小，σ₁增加）逐渐逼近莫尔-库仑强度包络线，在最大错动100 cm时触及屈服面，表明中间岩柱已发生塑性屈服，承载力达到极限。

* **3. 2. 隧洞间距的影响**：在地应力40 MPa、V级围岩、倾角90°条件下，当间距从4D减小至2.5D时，中间岩柱的最大主应力集中强度和影响范围显著增加，各隧洞周围的应力集中区逐步重叠，最终在中间岩柱内形成统一应力集中区。最大剪切应变增量也随间距减小而逐渐扩展并相互连接。当间距达到最小值2.5D时，监测点应力值出现明显回落现象，表明中间岩柱发生了塑性破坏或结构失稳，导致应力释放与重分布。这表明过小的间距会显著强化中间岩柱的应力集中与剪切变形，使其在断层错动下更易发生剪切破坏。

* **3. 3. 断层倾角的影响**：在地应力30 MPa、V级围岩、间距3D条件下，当断层倾角从70°增至90°时，中间岩柱的应力集中区略有扩大，表明陡倾角会中等程度增强应力集中，但整体影响有限。监测点数据显示，最大主应力随倾角增大呈缓慢上升趋势，而最大剪切应变增量则持续下降，这表明陡倾角使中间岩柱更易受压、但不易发生剪切破坏。总体而言，断层倾角对中间岩柱力学状态的控制作用相对较弱。

**4. 讨论与结论**

**讨论部分**：该研究系统验证了塑性区（PLZ）准则、位移曲线拐点（INF）准则及屈服接近度（YAI）准则在断层错动工况下评判隧洞群最小间距的适用性。三类判据结果较为接近，相互验证了临界间距值的可靠性。对比表明，当断层带围岩为IV级时，INF与YAI准则结果更保守可靠；当为V级时，PLZ准则结果最为保守。综合各工况结果，地应力变化对最小间距的最大影响幅度为0.75D，断层带岩体等级的影响也为0.75D，而断层倾角的影响仅为0.25D。因此，地应力水平与断层带围岩等级是控制临界间距的关键参数，断层倾角影响相对次要。

**研究结论翻译**：
(1) 断层错动进一步加剧了相邻隧洞间的相互作用。在双洞模型试验中，围岩破裂模式比单洞情况更为复杂。双洞内侧衬砌应变显著高于外侧。具体而言，相对于单洞，A洞峰值拉应变增加35.12%，B洞增加32.75%；峰值压应变分别增加87.5%和37%。中间岩柱的土压力也出现异常增大。这些观察结果证实，在错动条件下隧洞相互作用被放大，导致比单洞工况更危险的情况。
(2) 断层错动过程中，隧洞群围岩的损伤呈现明显的时空演化规律。数值模拟结果显示，当错动位移达到100 cm时，隧洞周围的应力与剪切应变集中区逐渐扩展。塑性区总体积增加21.0%，而关键监测断面上的塑性区面积增加51.8%。这些渐进劣化过程深刻反映了隧洞群围岩损伤的持续累积，且效果主要集中在断层带内。
(3) 中间岩柱被确定为维持隧洞群整体稳定的关键承载构件，其力学状态对断层错动和隧洞间距高度敏感。在断层错动下，中间岩柱内容易产生应力集中，导致应力路径持续逼近强度包络线。因此，中间岩柱比外部围岩更易进入塑性状态并发生剪切破坏。
(4) 隧洞间距是控制隧洞群稳定的关键设计参数，其值直接影响中间岩柱的应力集中程度与破坏模式。过小的间距会导致相邻隧洞应力场强烈叠加，在中间岩柱中形成高应力区，使其在错动下更易受压和剪切破坏。因此，对于穿越活动断层的深埋隧洞群，工程设计中必须严格避免采用过小间距。
(5) 基于多工况数值模拟，提出了一套基于差异化地质条件的隧洞间距实用设计策略。在所有模拟的地质情景中，建议的隧洞间距变化范围为2.5D至3.75D。从工程选址与设计角度看，在断层带围岩力学等级低、隧道埋深大或断层倾角较缓的区域，应采用更大的隧洞间距布局，以有效降低断层错动对隧洞群的影响，提升隧道结构安全性。此外，对于埋深相对较低的隧洞群，需要采用综合设计方案，使隧洞间距大于允许最小值的同时加固中间岩柱，并在必要时采用超前支护体系，以全面提升结构安全。