随着西部大开发战略的逐步推进，国家对西部地区铁路、公路建设的持续支持，在西部地质条件复杂恶劣的地区也开始了铁路、公路建设。西部地区地形起伏较大，为提高车辆运行效率，直线化趋势使得公路、铁路建设过程中不可避免地要修建大量的隧道工程，且经常遇到活动断裂。在断层错动及破碎带围岩影响下，隧道不均匀沉降严重，从而导致隧道出现破坏。因此研究跨断层隧道受断层错动影响的范围、变形特征、位移变化特征等一系列问题对跨断层隧道工程安全具有重要意义^[1]。

王威等^[2]对活动断裂对深埋隧洞的影响进行了总的研究概述；Nooraddin等^[3]通过数值模拟对矩形大断面隧道围岩应力进行了分析；李永乾等^[4]通过模型试验与数值模拟研究了主应力方向对隧道稳定性的影响；张煜等^[5]通过ABAQUS数值模拟研究了断层不同蠕滑错动距离对不同倾角断层隧道衬砌的影响特征；刘学增等^[6–9]通过室内模型试验研究了不同倾角无断层破碎带正断层错动对隧道的影响特性；信春雷等^[10–12]通过振动台模型试验研究了地震对跨走滑断层隧道的影响；徐前卫等^[13]通过数值模拟与室内模型试验研究了无断层破碎带跨断层隧道围岩渐进性破坏特征；何伟等^[14]研究了竖向地震动对软土隧道的影响；来弘鹏等^[15]通过离心模型试验研究了双洞效应对隧道地层变形规律的影响；张文正等^[16]基于现场实测数据对隧道衬砌进行了受力分析；Johansson等^[17]通过试验和数值模拟的手段，根据断层位移和失效应变确定结构设计准则；范君黎等^[18]通过模型试验与数值模拟研究了高宽比对隧道围岩稳定性的影响。综上所述，目前针对无断层破碎带及单因素影响下不同破碎带宽度、倾角的断层错动对跨断层隧道的破坏特征影响已取得不少成果，但针对双因素的不同宽度破碎带及不同倾角综合影响下断层错动对隧道衬砌的影响范围及危险区域的研究仍有待深入。以西部山区某隧道为工程依托，实时跟踪监测隧道沉降数据，并进行了深入分析研究；同时，通过ABAQUS有限元数值模拟软件，以走滑断层为研究对象，就断层宽度、倾角对跨断层隧道错动反应特征进行研究，为隧道工程设计、施工提供参考。

隧道地处西部山区地震多发带。岩体受构造影响严重，岩体较破碎，节理裂隙发育，岩体完整性较差，自稳能力较差，围岩级别为Ⅳ～Ⅴ级。隧址区地震活动强烈，地震基本裂度为Ⅷ度。

研究对象为隧道左线断面ZK80+650～ZK80+750、ZK81+700～ZK81+760（Z表示左线，K表示里程，ZK80+650表示高速公路左线起点80 km+650 m处）。断面ZK80+650～ZK80+670岩层产状345°∠70°，经判断为Ⅴ级围岩；断面ZK80+670～ZK80+750岩层产状345°∠70°，经判断为Ⅳ级围岩，岩性一致。断面ZK81+715～ZK81+752岩层产状355°∠65°，经判断为Ⅳ级围岩；断面ZK81+700～ZK81+715与ZK81+752～ZK81+760岩层产状355°∠65°，经判断为Ⅴ级围岩。断面ZK81+700～ZK81+728、ZK81+752～ZK81+760岩体结构面较粗糙，断面ZK81+733～ZK81+752岩体结构面较平整。断面ZK81+747～ZK81+760围岩结构面平均间距大于断面ZK81+700～ZK81+742；结构面组数小于断面ZK81+700～ZK81+742。两个断面的围岩岩性主要为中风化绢云石英千枚岩，结构结合面较差，围岩节理裂隙较发育，岩体潮湿、较破碎，完整性较差，围岩稳定性较差。

监测断面测点布置如图1所示。

隧道开挖后，在隧道拱顶中部同一垂线位置及周边同一水平位置的岩体中分别钉入一颗膨胀螺丝作为量测基准点。用水准仪、塔尺和钢尺量测断面沉降量。对围岩性质较为一致的区段每隔20 m布设一套观测点，围岩性质变化较大的区段每隔10 m布设一套观测点 。

图1(Fig. 1)

图1 隧道沉降监测测点布置 Fig. 1 Layout of tunnel settlement monitoring points

隧道左线下沉监测结果如图2所示。

图2(Fig. 2)

图2 隧道左线下沉监测结果 Fig. 2 Tunnel left-line sinking monitoring results

由图2（a）可知，拱顶下沉量大于周边下沉量。左线隧道断面ZK80+650的监测时长为49 d，高于断面ZK80+670的监测时长44 d；断面ZK80+650的围岩强度较断面ZK80+670的围岩强度高；两个断面拱顶与拱底的下沉量相差约1 mm。左线隧道断面ZK80+670～ZK80+710的拱顶下沉量逐渐降低，在ZK80+710之后拱顶下沉量逐渐增大，结合累计监测时长进行分析发现ZK80+650～ZK80+750累计监测时长逐渐减少，断面ZK80+750的累计监测时长为19 d。可以预见随着监测时间的进一步加长，断面ZK80+690～ZK80+750的拱顶与拱底下沉量还将有明显的增加。从曲线的变化趋势分析，拱顶累计下沉量在断面ZK80+710达到其极小值，周边累计下沉量在断面ZK80+730也达到其极小值，但断面ZK80+710与断面ZK80+730的周边下沉量相差只有1.3 mm。由断面ZK80+690～ZK80+750隧道不均匀沉降量结合地层资料进行分析，可得知隧道穿越破碎围岩段时产生的较大沉降量将对其邻近的较破碎围岩段隧道沉降量产生影响，范围约20～30 m。

由图2（b）可知，拱顶下沉量大于周边下沉量。断面ZK81+755的监测时长为39 d，高于断面ZK81+700的监测时长22 d。从曲线的变化趋势分析，拱顶累计下沉量在断面ZK81+730达到极大值，周边累计下沉量在断面ZK81+720达到极大值，但断面ZK81+720与断面ZK81+730的周边下沉量相差1.0 mm。断面ZK81+730～ZK81+750的拱顶下沉量逐渐增加，是围岩结构面在断面ZK81+753处由粗糙变为平整造成的。断面ZK81+700～ZK81+730拱顶沉降量逐渐减小，是由该段围岩结构面粗糙造成的。由断面ZK81+700～ZK81+760隧道不均匀沉降量结合围岩累计监测时间进行分析，得知隧道穿越破碎围岩段时产生的较大沉降量将对其邻近20～30 m的较破碎围岩段隧道沉降量产生影响。由图2（b）分析可知，当断面的粗糙程度增加时，隧道拱顶与周边的沉降量将减小。

对比分析图2（a）、（b）发现，Ⅴ级围岩宽20 m，倾角70°时Ⅴ级围岩段隧道沉降对相邻Ⅳ级围岩隧道沉降的影响范围稍大于Ⅴ级围岩宽8 m、倾角65°的影响范围。图2（a）、（b）工况下的隧道拱顶下沉量均大于周边下沉量。隧道断面ZK80+650～ZK80+750的地质状况一致性优于断面ZK81+700～ZK81+760，因此图2（a）的拱顶下沉量与周边下沉量曲线变化趋势均好于图2（b）的相应曲线。

通过现场隧道变形数据可发现沉降量较大段的隧道会对其邻近段产生影响，但影响范围等难以确定；且由于现场监测样本有限，难以确定破碎带宽度、倾角对隧道沉降的影响。为研究不同断层破碎带宽度、倾角对跨断层隧道的影响特征，采用ABAQUS数值模拟研究隧道衬砌在断层错动影响下的位移、应变、最大主应力的变化情况。

采用ABAQUS建立不同宽度破碎带、倾角对跨断层岩体隧道错动反应特性影响的3维计算模型。模型包括上盘、下盘、破碎带及隧道衬砌结构4部分，均采用实体单元模拟，相互作用面采用摩擦接触面考虑。为简化计算，将衬砌和二衬简化为一体。模型所选取的隧道形状为圆形，其内径5 m、壁厚50 cm。一般认为，当围岩范围超过隧道半径3～5倍时，边界条件基本不影响有限元计算的结果^[19]。模型宽、高100 m，长200 m；假设围岩与衬砌为各向同性连续介质，围岩采用Mohr-Coulomb本构模型，衬砌采用线弹性本构模型。选取破碎带宽度为10、20、40 m，断层倾角为65°、75°、85°。边界条件设置时，将左盘和破碎带设为固定盘，右盘沿断层面的错动模拟走滑断层沿断层面的相对错动，以上盘即右盘沿断层面向上错动10 cm模拟走滑断层错动10 cm，也约束模型两侧、两端的法向位移，模型顶面为自由面。计算过程中，模型总尺寸保持不变，破碎带位于模型中间部位，左盘、右盘上顶面的尺寸大小一致。模型如图3所示，中间部位为破碎带，两侧为围岩。模型计算所选材料的物理力学参数如表1所示。

图3(Fig. 3)

图3 模型网格图（以断层宽度20 m，倾角75°为例） Fig. 3 Mesh diagram of model (fault width 20 m , angle 75°)

表1(Tab. 1)

表1 材料物理力学参数 Tab. 1 Physical-mechanical parameters of materials

表1 材料物理力学参数 Tab. 1 Physical-mechanical parameters of materials 材料 密度/(kg·m–3) 弹性模量/GPa 泊松比 摩擦角/(°) 黏聚力/MPa 围岩 2 300 1.50 0.35 14 0.135 断层破碎带 1 600 0.85 0.40 24 0.090 衬砌 2 500 30.00 0.20 — —

综合分析断层宽度、断层倾角改变时断层错动对隧道衬砌的影响，发现断层倾角改变时模拟结果的规律性优于断层宽度改变时模拟结果的规律性，因此进行计算结果分析时，主要从断层倾角的方向进行分析说明。

断层错动对跨断层隧道衬砌位移的影响在拱顶、拱腰、拱底大致相同，即在断层错动影响下，隧道纵向坐标相同时的衬砌位移变化大致相同。因此只选取拱顶处的位移变化予以展示（图4）。

图4(Fig. 4)

图4 模型位移（以断层宽度20 m，倾角75°为例） Fig. 4 Displacement of model (fault width 20 m, angle 75°)

由图4可知，错动盘向上错动对断层破碎带隧道衬砌上方的围岩影响范围呈椭圆形，对隧道衬砌下方无影响，且上方的椭圆形位移带呈明显的分区。断层错动对破碎带拱腰上方宽约30 m、高约40 m的区域位移有影响，其中对拱腰上方宽约16 m、高约12 m的区域位移有较大影响。断层错动对固定盘围岩位移的影响表明固定盘围岩的位移特征与错动方式有关。断层错动面处隧道衬砌的位移变化未达到最大值区间，这是由于错动盘的错动使得衬砌在固定盘近错动面一段有与错动盘段隧道衬砌相似的移动，但围岩与断层破碎带的限制导致隧道衬砌越远离错动面位移越小。断层破碎带的位移由隧道衬砌与错动盘的错动引起，因此位移较相邻衬砌小。

图5显示了隧道衬砌位移变化趋势受断层倾角影响的情况。

图5(Fig. 5)

图5 拱顶位移 Fig. 5 Displacements of vault

断层错动对隧道衬砌拱顶的影响范围约45 m，对拱腰及拱底的影响范围约40 m。受断层倾角的影响，断层错动对隧道衬砌位移变化的影响存在较小差异。断层倾角65°，断层错动对隧道衬砌拱顶在固定盘的最远影响距离距错动面约15 m，在错动盘的最远影响距离距错动面约35 m。断层倾角75°，断层错动对隧道衬砌拱顶在固定盘的最远影响距离距错动面约20 m，在错动盘的最远影响距离距错动面约25 m。断层倾角85°，断层错动对隧道衬砌拱顶的影响范围向固定盘移动了约5 m。断层倾角65°，断层错动对隧道衬砌拱底在固定盘的最远影响距离距错动面约30 m，在错动盘的最远影响距离距错动面约10 m。断层倾角75°、85°，断层错动对隧道衬砌拱底的影响范围向错动盘移动了约5 m。随着断层倾角增加，断层错动对隧道衬砌拱顶位移的影响将向固定盘一侧移动；对拱底位移的影响将向错动盘一侧移动。随着断层宽度、倾角的变化，隧道衬砌拱腰受影响范围几乎不变，且对固定盘与错动盘隧道衬砌拱腰的最远影响距离距错动面均约为20 m。

为尽量贴近现场隧道拱顶与周边的沉降特征，在分析数值模拟的隧道衬砌拱顶与拱腰的位移特征时采用错动盘向下错动10 cm、断层破碎带宽20 m、倾角65°工况，如图6所示。

图6(Fig. 6)

图6 隧道衬砌位移 Fig. 6 Tunnel lining displacement diagram

由图6可知，拱顶位移与拱腰位移的变化趋势相同，但拱顶位移稍大于拱腰位移。断层错动对固定盘隧道衬砌拱顶与拱腰的最远影响距离约20 m，对错动盘拱顶与拱腰的最远影响距离约45 m。图5、6对比分析可知，断层错动方式对固定盘隧道衬砌位移的影响范围接近，但位移趋势存在差异。断层倾角65°时，错动盘向上错动对隧道衬砌位移的影响范围小于错动盘向下错动对隧道衬砌的影响范围。错动盘向上错动隧道衬砌位移的变化速率大于错动盘向下错动对隧道衬砌的影响速率。

图7为衬砌纵向应变分布云图。

由图7可知，隧道衬砌在断层错动影响下拱顶、拱底分为明显的受拉、受压区，且拱顶与拱底的受拉区与受压区范围大小及形状大致相同，但拱顶的受拉、受压区面积大于拱底的受拉、受压区面积。隧道拱腰处受拉区与受压区的分界不明显，故在分析隧道衬砌的纵向应变时不分析隧道衬砌拱腰处的应变，只研究拱顶与拱底处隧道衬砌的应变。

图7(Fig. 7)

图7 衬砌纵向应变分布云图（以断层宽度10 m，倾角75°为例） Fig. 7 Vertical stress distribution cloud map of lining (fault width 10 m , angle 75°)

图8～10为不同断层倾角衬砌纵向应变。

图8显示断层倾角65°，断层错动对隧道衬砌拱顶应变的影响范围约110 m，对拱底应变的影响范围约115 m；对固定盘拱顶应变的影响范围约60 m，对固定盘拱底应变的影响范围约65 m；对错动盘拱顶、拱底应变的影响范围约50 m。

图8(Fig. 8)

图8 断层倾角65°衬砌纵向应变 Fig. 8 Longitudinal strain of lining with 75° dip angle

图9(Fig. 9)

图9 断层倾角75°衬砌纵向应变 Fig. 9 Longitudinal strain of lining with 75° dip angle

图10(Fig. 10)

图10 断层倾角85°衬砌纵向应变 Fig. 10 Longitudinal strain of lining with 85° dip angle

图8～10对比分析可知，当断层倾角由65°增加至75°、85°时，断层错动对隧道衬砌的影响范围减少了10 m。断层倾角75°，断层错动对固定盘拱顶与拱底应变的影响范围约55 m，对错动盘拱顶与拱底应变的影响范围约45 m。随着断层倾角增加至85°，断层错动对拱顶、拱底的影响范围向固定盘侧移动了约5 m。

图8～10显示，断层宽度10、20、40 m，断层倾角65°、75°、85° 隧道衬砌拱顶与拱底零应变点在固定盘距错动面5 m内。不同断层宽度与倾角的拱顶与拱底应变变化范围略有不同，但拱顶与拱底的最大拉应变与最大压应变之间的距离相等。断层倾角65°时，最大拉应变与最大压应变之间的距离约35 m；断层倾角75°、85°时，最大拉应变与最大压应变之间的距离约30 m。固定盘拱顶最大压应变与拱底最大拉应变距错动面约20 m，但拱顶最大压应变距错动面的距离稍小于拱底最大拉应变距错动面的距离。错动盘拱顶最大拉应变距错动面约15 m，拱底最大压应变距错动面约10 m，且随着断层倾角增大，距错动面的距离逐渐减小。但在断层倾角65°，断层宽度10、20 m时，断层错动对固定盘拱顶、拱底的影响范围比其余工况大1～4 m，对错动盘拱顶、拱底的影响范围比其余工况大1～5 m。

此外，当断层宽度相同、断层倾角65°时隧道衬砌应变的最大值小于断层倾角75°、85°时的应变最大值。宽度10、20 m时，断层倾角75°大于断层倾角85°的应变最大值，但当断层宽度增加至40 m时，断层倾角75°小于断层倾角85°的应变最大值。不同断层宽度、倾角的跨断层隧道拱顶与拱底的同一侧应变最大值相等，但随着断层宽度增加，应变最大值逐渐减小。

衬砌最大主应力结果如图11所示。

图11(Fig. 11)

图11 衬砌最大主应力（以断层宽度20 m，倾角75°为例） Fig. 11 Maximum main stress of lining (fault witdh 20 m , angle 75°)

由图11可知，隧道拱顶、拱底在断层错动影响下，有明显的危险区域。拱顶、拱底的最大主应力分布范围为从右至左，与断层的倾角方向相反，且拱顶的危险区域大于拱底的危险区域。从应力分布情况进行分析，发现断层错动对最大主应力的影响有明显的分区现象。

图12～14为不同断层宽度、倾角跨断层隧道衬砌的拱顶、拱腰、拱底所受最大主应力，其影响范围大致一致。

图12(Fig. 12)

图12 衬砌拱顶最大主应力 Fig. 12 Maximum principal stress of lining vault

图13(Fig. 13)

图13 衬砌拱底最大主应力 Fig. 13 Maximum principal stress at the bottom of lining arch

图14(Fig. 14)

图14 衬砌拱腰最大主应力 Fig. 14 Maximum principal stress of the lining of the arch waist

断层错动对拱顶的影响范围约45 m，对拱底的影响范围约50 m，对拱腰的影响范围约85 m。断层错动对固定盘一侧隧道衬砌拱顶的最远影响距离距错动面约5 m，对拱腰的最远影响距离距错动面约50 m；对错动盘一侧衬砌拱顶、拱腰的最远影响距离距错动面约40 m。断层错动对隧道衬砌拱底的影响范围为固定盘一侧距错动面约5～55 m。在断层错动影响下，隧道衬砌拱顶最大主应力的最大值出现在错动盘距错动面约15 m，拱腰最大主应力的最大值出现在错动面附近5 m以内的区域，拱底最大主应力的最大值在固定盘距错动面约20 m。

对比分析图12（a）、（b）、（c）发现，断层倾角相同时，断层宽度对拱顶最大主应力的影响较小。断层宽度相同时，随着断层倾角的增加，最大主应力也随之增加。断层倾角由65°增至75°，最大主应力的增加值明显大于断层倾角由75°增至85°最大主应力的增加值。对比分析图13（a）、（b）、（c）发现，断层倾角相同时，断层宽度对拱底的影响较拱顶明显，拱底与拱顶的最大主应力变化趋势近似。对比分析图14（a）、（b）、（c）发现，断层错动对拱腰的影响范围较拱顶与拱底明显增大，且拱腰的最大主应力呈明显的梯级分布；将应力增加较缓慢且在拱腰分布较广的最大主应力称为第1梯级最大主应力，将应力增长速率明显加快且出现应力峰值的最大主应力称为第2梯级最大主应力。从拱腰最大主应力分布进行分析，第1梯级最大主应力分布于断层错动面附近，且不同断层宽度、倾角影响下第1梯级最大主应力的范围大致相同，约25 m；第2梯级最大主应力分布于第1梯级最大主应力两侧，且左右两侧的第2梯级最大主应力分布范围大致相等。断层倾角65°，第2梯级最大主应力分布于第1梯级最大主应力两侧约35 m的范围；当断层倾角大于65°，断层倾角每增加10°，第2梯级最大主应力的范围减少10 m。对比分析图12、13、14发现，断层倾角75°时断层宽度变化对隧道衬砌的影响较倾角65°、85° 明显。从断层宽度对隧道衬砌最大主应力的影响进行分析，发现随着断层宽度的增加，最大主应力的值逐渐减小，但减小的幅度较轻微。从拱顶、拱腰、拱底的最大主应力大小进行分析，发现拱顶的最大主应力最大，拱底次之，拱腰最小。

为将现场监测数据与数值模拟结果更直观地对比分析，以距错动面距离为变量选取记录破碎带宽度20 m时的隧道位移变化（图15）。由图15分析得出，破碎带倾角75°、70°，宽度20 m时，拱顶、周边、拱腰沉降对相邻部分的位移影响约25 m。

图15(Fig. 15)

图15 隧道位移变化 Fig. 15 Tunnel lining displacement diagram

图16为破碎带倾角65°时隧道的位移变化。由图16分析得出，宽度约10 m时，拱顶、周边、拱腰沉降对相邻部分的位移影响约20 m。

图16(Fig. 16)

图16 隧道位移变化 Fig. 16 Tunnel lining displacement diagram

对比分析图15、16得出周边沉降对相邻部分的位移影响范围略大于拱腰对相邻部分的位移影响范围，这是由于现场监测时选取的周边监测点的位置高于拱腰所在位置。由图15可知，当隧道岩性一致时，隧道沉降与数值模拟结果具有良好的一致性；由图16可知，当隧道岩性发生改变时，隧道沉降量也会相应变化，如岩层粗糙程度增加时，隧道沉降量减小，但岩性改变对沉降变化趋势影响有限。综合对比分析可知，数值模拟结果与现场监测数据吻合度较好，即数值模拟结果可靠，具有良好的参考价值。

以下结论中如无特殊说明，所指皆为断层错动10 cm，断层宽度10、20、40 m，断层倾角65°、75°、85°中的模型。

1）隧道衬砌位移受断层错动影响的范围最小，最大主应力受影响的范围次之，应变受影响的范围最大。随着断层宽度增加、倾角减小，断层错动对隧道衬砌的影响范围逐渐增加。

2）随着断层宽度增大，断层错动对固定盘一侧隧道衬砌拱顶、拱底位移、应变的影响范围逐渐增加；对错动盘一侧拱顶、拱底位移、应变的影响范围逐渐减小，但总体受影响范围变化不大。

3）随着断层倾角增加，断层错动使得隧道衬砌拱顶位移的影响范围向固定盘一侧移动；拱底位移的影响范围向错动盘一侧移动；拱腰处位移影响范围变化不大。隧道衬砌应变范围受断层倾角影响不大。

4）在断层错动影响下隧道衬砌拱顶在错动盘距错动面约15 m的距离处最危险，拱腰在错动面附近5 m以内的区域最危险，拱底在固定盘距错动面约20 m的距离处最危险。断层宽度越小，倾角越大，最大主应力越大，隧道越危险。受断层错动影响，拱顶最先出现破坏，但破坏面积较小；随后拱底出现破坏，破坏面积稍大于拱顶；最后拱腰出现破坏，破坏面积最大，且随着断层宽度的增加，破坏面积也随之增加。