跨走滑断层隧道失稳演化过程及稳定性分析.pdf

文章编号0062-102106C2023NO.9(Ser.300)JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETY第9 期（总30 0）Sep20232023年9 月程道铁报学跨走滑断层隧道失稳演化过程及稳定性分析王道远布亚芳张亚琴王朝红1米米田小路2杨杰3袁金秀（1.河北交通职业技术学院，石家庄0 50 0 9 1；2.中铁十六局集团第四工程有限公司，北京10 140 0；3.河北建设集团股份有限公司，保定57 2 0 0 0）摘要：研究目的：为评判跨走滑断层隧道的稳定性，首先视跨断层隧道为一含剪切带的“围岩断层围岩”复合岩体系统，揭示其失稳演化机制；其次基于含断层带复合剪切梁理论，推导跨走滑断层隧道失稳临界损伤长度、临界损伤荷载和极限位移计算表达式；最后对影响隧道稳定性的主要参数进行敏感性分析。研究结论：（1）跨走滑断层隧道失稳演化过程主要经历3个典型阶段，即含剪切带的“围岩断层围岩”系统变形协调促使强度降低、断层剪切带两侧围岩受拉而呈现拉裂损伤区、“围岩复合剪切带围岩”系统达到新的平衡状态；（2）当断层宽度、动摩擦系数、峰值剪应力、剪切梁剪切模量越小，隧道埋深、剪切梁宽度、塑性软化剪切模量越大，跨走滑断层隧道稳定性越差；（3）跨走滑断层隧道稳定性影响因素的敏感性为：断层宽度t剪切梁剪切模量G隧道埋深H滑动摩擦系数r断层塑性软化剪切模量G断层峰值剪应力Tfe；（4)本研究结论可为跨走滑断层隧道设计提供一定的理论依据。关键词：隧道工程；走滑断层；失稳机制；剪切梁理论；敏感性分析中图分类号：U45文献标识码：AStability Analysis and Instability Evolution Process of Tunnel Crossing Strike-slip FaultWANG Daoyuan,BU Yafang,ZHANG Yaqin,WANG Zhaohong,TIAN Xiaolu?,YANG Jie,YUANJinxiu(1.Hebei Jiaotong Vocational and Technical College,Shijiazhuang,Hebei 050091,China;2.China Railway 16thBureau Group Fourth Engineering Co.Ltd,Beijing 101400,China;3.Hebei Construction Group Corporation Limited,Baoding,Hebei 572000,ChinaAbstract:Research purposes:In order to evaluate the stability of tunnel crossing strike-slip fault,the tunnel crossingfault was regarded as a surrounding rock-fault-surrounding rock composite rock mass system with shear zone,andits instability evolution mechanism was revealed.Based on the theory of composite shear beam with fault zone,thecalculation expressions of critical damage length,critical damage load and ultimate displacement were derived.Finally,the sensitivity analysis of main parameters affecting the stability of tunnel was carried out.Research conclusions:(1)The instability evolution process of tunnel crossing strike-slip fault has experienced threetypical stages,including:the deformation coordination of the surrounding rock-fault-surrounding rock systemwith shear zone causes the strength to decrease,the surrounding rock on both sides of the fault shear zone is stretchedand presents a strain crack damage zone,and the surrounding rock-composite shear zone-surrounding rock*收稿日期：2 0 2 2-12-16基金项目：河北省自然科学基金资助项目（E2021419001）*作者简介：王道远，19 8 2 年出生，男，教授。王道远张亚琴等：跨走滑断层隧道失稳演化过程及稳定性分析布亚芳第9 期63system reaches a new equilibrium state.(2)When the fault width,dynamic friction coefficient,peak shear stress andshear modulus of shear beam are smaller,the tunnel buried depth,shear beam width and plastic softening shear modulusare larger,and the tunnel construction process crossing strike slip fault is more prone to instability.(3)The sensitivity offactors affecting the stability of tunnel construction crossing strike slip fault is as follows:fault width t shear modulusof shear beam G buried depth of tunnel H sliding friction coefficient r plastic softening shear modulus of faultG,peak shear stress of fault Tfe.(4)The research conclusion can provide a certain theoretical basis for the design oftunnels crossing strike slip faults.Key words:tunnel engineering;strike-slip fault;instability mechanism;shear beam theory;sensitivity analysis1研究背景断层带内一般以软弱破碎、结构松散、黏粒含量高、部分饱水的断层泥为主，进而形成夹杂在两侧硬岩间的一软弱结构面。与均一地层不同，跨断层隧道施工过程中常常存在应力集中或应力突变现象，并伴随地震、爆破、开挖等而发生滑移失稳国内外众多学者针对跨正逆断层隧道失稳机制、稳定性计算方法、控制措施开展了广泛而深入的研究，主要有：Kiani等 1 采用离心机模型试验手段，揭示了跨正断层隧道破坏机制，明确了覆土厚度与隧道稳定性的关系;Saeid等 2 基于“有限差分离散元”协和计算理论，探讨了正逆断层倾角、断层带宽度、断层与隧道交角等参数对隧道稳定性影响规律；刘学增等 3基于相似模型试验，揭示了不同角度下正逆断层隧道失稳、破坏演化规律；宋瑞刚等 4 从功能转化角度，建立了跨断层破碎带深埋条件下“隧道一围岩”失稳尖点突变模型，提出了断层滑移失稳判据；左清军等 5基于突变理论，通过引入刚度比系数和水致弱系数，构建了跨正逆断层隧道稳定性评判理论模型；Yan等 6 开展了跨正断层隧道抗错断模型试验，提出了可提升20%的隧道抗错能力的新型“钢胶”减错缝结构；王道远等 7.8 采用数值计算和模型试验相结合方法，对比分析了不同类型减错层、减错缝在应对正逆断层抗错断过程中的优劣，提出了初期支护与二次衬砌交错设置减错缝的新型结构形式。走滑断层是由于两侧的剪切力作用而促使左右盘顺断层走向发生的相对水平移动，而关于跨走滑断层隧道稳定性研究鲜有报道。赵颖等 9 利用ABAQUS数值计算手段，通过内嵌沈新普提出的损伤塑性本构关系，分析了衬砌结构破坏类型和损伤发展过程，为精准施作控制措施提供了理论依据；唐浪洲等 10 以二郎山隧道为依托，建立了“隧道断层”有限差分数值计算模型，探讨了走滑断层错动量与隧道结构稳定性关系；周光新等 11 自主设计了走滑断层模拟试验箱，通过观测黏滑错动过程中香炉山隧道衬砌结构破坏形态、裂缝开展规律，揭示了跨走滑断层铰链式隧道结构失稳机理。已有研究成果对跨正逆断层隧道的结构设计和施工具有重要指导意义，但跨走滑断层隧道结构的稳定性研究手段仅限于数值计算和模型试验，研究成果也仅限于隧道结构破坏形态和失稳机制。因此，本文基于含断层带复合剪切梁理论，建立跨走滑断层隧道围岩失稳计算模型，理论解析隧道失稳临界损伤长度、临界损伤荷载和极限位移表达式，为跨越走滑断层隧道结构设计和稳定性控制措施施作提供理论储备。2走滑断层破坏失稳演化过程断层相对两侧围岩（上盘、下盘）宽度较窄小，可视为夹持在上下盘间的一水平剪切带，如图1（a）所示，上盘、下盘与断层构成了一个变形系统。隧道尚未开挖前，上下盘与断层内岩体处于初始应力状态（初始平衡状态）；隧道开挖后，原始平衡被打破，应力经过多次重分布达到一个新的平衡状态（包含垮塌后平衡状态）。为较清楚阐述隧道开挖掘进过程中断层内岩体应力变化及分布规律，以新莲隧道小菁走滑断层为原型，其上下盘岩性以砂岩夹页岩为主，其力学参数为：=27kN/m,E=24 CPa,c=0.2MPa,=46,断层内岩性以全风化泥质页岩为主,其力学参数为：=2 0 kN/m，E=1.2GPa,c=0.03MPa，=32,断层与隧道交角为76，上下盘与断层间设置Interface接触单元，建立的三维有限元计算模型如图1（b）所示，上盘下盘隧道A围岩断层(a）示意图2023年9 月报程学道铁64(b)数值模型图1断层内应力受开挖影响计算模型通过观测隧道拱顶与断层交界处A点正应力和剪切应力T的变化，进而厘清断层内岩体应力变化规律。现将计算结果绘制于图2 中。应力/MPa10开挖后剪应力开挖前01距断层距离/D-14-12-10-8-64-224681012145-10正应力开挖前开挖后-20图2开挖前后断层内A点应力变化情况从图2 可以看出：第一，隧道开挖前围岩处于初始应力状态，其断层内A点正应力和剪切应力沿隧道轴向为一水平线。第二，隧道开挖后断层带附近正应力和剪切应力均呈现增大趋势，且剪应力增大倍数较正应力大；剪切应力T最大增幅2.6 4倍，正应力最大增幅1.7 0 倍，隧道开挖过程中对断层扰动以剪切应力T增长为主。将图1（a)断层简化为与隧道正交的具有一定宽度的剪切带窄条，与两侧上下盘构成了含剪切带的“围岩断层围岩”复合岩体隧道开挖对含剪切带的“围岩断层围岩”复合岩体系统扰动或破坏可大致分为三个阶段：阶段I（断层剪切带与两侧上下盘围岩变形协调促使强度降低）、阶段（变形协调促使断层剪切带两侧上下盘部分围岩破坏）、阶段（含剪切带的新复合岩体重复阶段I和阶段过程直至达到新的平衡稳定状态而终止），如图3所示。隧道的开挖破坏了含剪切带的“围岩一断层一围岩”复合岩体构成的稳定性系统（其断层剪切带为该平衡系统的薄弱部分），在剪切应力的作用下，充填大量软弱破碎岩体的断层剪切带首先由弹性状态向塑(a)阶段I(b)阶段(c)阶段图3复合岩体失稳演化过程性状态转变，在状态转变过程中其剪切应力达峰值强度并伴随水平滑移和体积膨胀，促使围岩和断层交接处呈现拉应力区（由断层剪切带滑移或体积膨胀引起），其拉应力为,=T,=,:tanp+c(1)式中断层带内岩体峰值强度；C,断层带内岩体内聚力和内摩擦角。当小于断层剪切带两侧上下盘围岩内抗拉强度，则断层剪切带的破坏失稳仅引起两侧上下盘围岩强度降低，而不会造成其破坏，即处于图3（a）所示变形协调仅降低上下盘围岩强度而不发生破坏；当,大于断层剪切带两侧上下盘围岩内抗拉强度，则两侧上下盘围岩水平和竖向拉应力不等值，相当于处于单向受拉状态而宏观上呈现拉裂缝（图3（b）。图3(b)所示的演化过程实质是断层剪切带内岩体破坏后促使“围岩断层围岩”系统进行应力调整重分布，其结果是紧邻断层剪切带两侧上下盘围岩强度降低至系统所能承受范围，即出现图3（b）所示拉裂区。至此，断层剪切带两侧上下盘拉裂区与断层剪切带构成了图3（c)所示新的“复合剪切带”，新的“复合剪切带”与两侧未受到破坏的上下盘构成了新的“围岩-复合剪切带围岩”复合岩体系统。同理，新的“复合剪切带”引起两侧上下盘拉应力为g=T=g tanp+c(2)式中新的“复合剪切带”内岩体峰值强度（残余强度）；c,复合剪切带内岩体内聚力和内摩擦角。比较式（1）和式（2）可以看出：两者表达式类似，其阶段和阶段I作用机理一致，阶段势必重复阶段I的演化过程，但阶段重复演化阶段I过程中其复合剪切带内的力学参数c、为岩体应力应变残余值，较阶段I演化过程中的力学参数p、C、要小，演化剧烈程度要弱。按上述阶段I阶段过程演化，断层剪切带或新的“复合剪切带”水平滑移、体积膨胀直至两侧上下TyY1王道远布亚芳第9 期张亚琴等：跨走滑断层隧道失稳演化过程及稳定性分析65盘围岩强度大于剪切带所组成的系统所能承受的载荷，断层剪切带引起的“围岩断层围岩”复合岩体系统动态演化停止，系统趋于稳定。3基于复合剪切梁理论稳定性分析3.1含断层的复合剪切梁力学平衡关系波兰教授MrozZ在分析含节理面的一端固定一端自由的长梁力学行为时，提出了“剪切梁”的概念，其并非为实际端部受一对大小相等、方向相反的剪应力梁体，而是为便于推导长梁“应力一应变”关系而假定的结构力学模型。根据含剪切带的“围岩断层围岩”复合岩体系统失稳动态演化过程，本节视“围岩-断层一围岩”为一含剪切带的复合剪切梁。断层HHSpHSD隧道X000XQQ(a）隧道-断层模型（b）复合剪切梁模型图4走滑断层稳定性分析模型图4a)中,D为隧道高度;H、S、S分别为隧道的埋深、塑性影响区范围、塑性滑动区影响范围。一般而言，断层与隧道多呈30 9 0 交角，为便于分析，将图4(a)隧道跨走滑断层段简化为图4(b）上下盘夹一垂直断层的紧密粘贴在一起的复合剪切梁体。其中间断层剪切带厚度为t；上下盘剪切梁厚度为L，宽度为B,高度为H。根据复合剪切梁理论，隧道爆破、开挖扰动促使断层变形、滑移失稳，可视其底部存在一对大小相等、方向相反的剪力Q。，两侧存在大小相等、方向相反的水平地应力H，上下盘剪切梁内剪应力与断层内剪应力T自相平衡。假定复合剪切梁在剪力Q。的作用下只发生沿z向的位移u=u（y），上下盘剪切梁内剪应力T在z向等值分布T=T(y）。不考虑构造地应力影响，水平地应力与埋深呈正比，则OH=(H-y)(3)式中入一侧压力系数；地层岩体容重。由上盘、断层、下盘构成的含断层的复合剪切梁模型,在断层状态由弹性一塑性一滑动变化过程中，假定上下盘剪切梁始终为弹性梁，则duT=T(y)=-Gdy(4)式中G剪切梁剪切模量。根据复合剪切梁理论，上下盘剪切梁内剪应力TdT与断层内剪应力T自相平衡,则BL+BT=0,即dL+T=0(5)dy将式（4）代人式（5)得du=0dyGL(6)式(6)即为含断层的复合剪切梁力学平衡微分控制方程。3.2各典型段复合剪切梁内应力及位移推导走滑断层在底部剪力Q。和水平地应力共同作用下，断层内岩体首先由弹性状态进人塑性，进而滑动而形成宏观裂纹（完全的损伤状态）。一般而言，有限的变形利于围岩载荷释放，过大变形必然失稳塌方，其塑性变形对围岩稳定性起决定性作用，采用“刚塑”模型进行上盘断层下盘构成的复合剪切梁体应力和位移的推演。顺图4中轴（自下而上）分为三个典型区段（图5）：塑性滑动段(0 yyt);塑性软化段（yiyy2）；刚性段（yy2）,其yivy2分别对应图4中SS其典型区段可采用式(7）、式（8)和式(9)进行描述。TfTfcHG,02H图5断层刚一塑一滑分段情况塑性滑动段塑性软化段Tf=Tfcu,yiyy2(8)刚性段T,=0,y2yH(9)3.2.1塑性滑动段塑性滑动段为0 yy区段,其对应断层内本构关系为式（7）,将式(3)和式(7)代人式(6)得du_uray(H-y)=0(10)dyGLdy0得失稳临界损伤长dr(O)对式(2 5)求导并令dy2023年9 月报程铁学道66其微分方程的解为MrAyH3u=+Diy+D2(11)6GL2GL式中 Di,D2常数。对式（11）两边求导得duy+D(12)dy2GLGL将式（12）代人式（4)得2MryHT：y-GD,(13)2LL将边界条件y=O时,u=u（O）、T=T（O)代人式(11)和式(13)得D,=T(O),D,=u(0)(14)G即urAyH(O)3u=y+u(o)(15)6GL2GLGMryH2y+T(O)(16)T2LL式（15）和式（16）即为塑性滑动段剪切梁内位移和剪应力表达式3.2.2塑性软化段塑性软化段为yiyyz区段,其对应断层内本构关系为式（8）,将式（8)代人式（6)得2dTfc0GLt(17)uGL其微分方程的解为GTfeu=D,cos(18)GLi10GLtG/t式中D3,D4常数。对式（18）两边求导得du=DACDCOSsindyGLtGLtGLtGLiy(19)将式(19)代人式（4)得GGT=D,Gsin-D4GGLtcoSGLtGLtGLt(20)当y=y2时,T=Tfe;当y=y2时，T=0,故将边界条件=y时u（2）=0、（2）=0 代人式（18）和式(20)得TfcGTfcGfD;=COS,D4=Gf/tGLtGGLt(21)即Tf(22)uCOSGLtGtG(23)TsinCGLGLtIS式（2 2）和式（2 3）即为塑性软化段剪切梁内位移和剪应力表达式。由于塑性滑动段和塑性软化段在y=yi具有连续性,故u(yi）=u(y t）、T(y i）=T(y t）,即生,故u(yi）=u(y i)=T(Yi)TfGu(0)COSfsGLtGTfeyiGt3+人G/Lsin2GLY1GLt(24)GGT(O)=Tfofsy1GLt2LL(25)式（2 4）和式（2 5）即为隧道跨走滑断层施工过程中，隧道轴线与断层交界处断层上下盘走滑位移和剪应力表达式。度（走滑断层滑动撕裂长度），见式（2 6）TfcGMrAyH*COS=0LL十y1GLtL(26)将式(2 6)回代式（2 4）和式（2 5）得走滑断层塑性软化未波及地表（局部失稳）下极限位移以及对应的失稳临界损伤荷载为GGt(y2-）Tfey1*3urAyH*2u(o）COSin十(27)2GLy1GLtGLt3GLGtGs*2MrAyHT(0)Tfcsiny1十y(28)GY2一2LLGLtL特别地，当塑性软化波及地表（y2=H），走滑断层滑移失稳呈现整体失稳状态，此时只需将式（2 6）式(28)中y2替换为H,即可获得相应状态下整体失稳临界损伤长度、极限位移和失稳临界损伤荷载。王道远布亚芳第9 期张亚琴等：跨走滑断层隧道失稳演化过程及稳定性分析674参数敏感性分析4.1参数影响规律分析走滑断层施工过程一般不易失稳，但在强烈爆破震动或其他高能（地震）急剧释放过程易于失稳。式（2 7)和式（2 8）表明，临界损伤长度y和损伤荷载T(o)与隧道所处位置H、断层内岩体几何和力学参数（t、r、G s、T r e）、剪切梁几何和力学参数（L、G）等相关。假定上下盘剪切梁和断层参数如下：H=30m，L=10mm,t=1m,容重=2 6 kN/m,隧道等代圆半径ro=10.8m,入=0.5,r=0.5,G=40MPa,单轴抗压强度R,=50MPa,Gs=20MPa,Tf=5MPa,则计算的塑性区半径y2=7.47m,临界损伤长度y=0.62m，临界损伤荷载T(o)=7.08MPa。4.1.1断层宽度影响规律为探讨隧道跨越走滑断层过程中不同几何和力学参数对其临界损伤长度和临界损伤荷载影响规律，变化断层宽度t分别为50 cm、6 0 c m、7 0 c m 8 0 c m、9 0 c m、100cm,其他参数保持不变。现将断层宽度与临界损伤长度和临界损伤荷载关系绘制成图，如图6、图7 所示。3.02.52.01.51.00.55060708090100断层宽度/cm图6断层宽度与临界损伤长度关系7.57.06.56.05.55.0415060708090100断层宽度/cm图7断层宽度与临界损伤荷载关系由图6、图7 可以看出：临界损伤长度随断层宽度的增大而呈近似线性减小，而临界损伤荷载随断层宽度的增大而呈现近似线性增大；说明在特定地质条件下，走滑断层宽度的增大利于隧道施工跨越断层的稳定，即隧道跨越窄断层更易失稳。需要注意的是，上下盘剪切梁宽度与断层宽度存在如下关系：上下盘剪切梁宽度的增加相当于断层宽度的减小。实际计算表明，上下盘剪切梁宽度与临界损伤荷载均呈现近似反比例关系，即随着上下盘剪切梁宽度的增大，临界损伤荷载均呈近似线性减小。4.1.2隧道埋深影响规律限定其他参数不变，变化隧道埋深H分别为30 m、50m、10 0 m、150 m、2 0 0 m，将隧道埋深与临界损伤长度和临界损伤荷载关系绘制成图，如图8、图9 所示。2.52.01.51.00.5306090120150180210隧道深度/m图8隧道埋深与临界损伤长度关系8.07.87.67.47.2A7.0306090120150180210隧道深度/m图9隧道埋深与临界损伤荷载关系图8 和图9 表明：临界损伤长度和临界损伤荷载均随隧道埋深的增加而非线性增大。随着埋深的增加，走滑断层两侧水平地应力（夹持力）随之增大，间接增大了走滑断层软弱结构面的抗撕裂滑移能力。同时，隧道开挖、爆破振动引起走滑断层失稳的临界损伤荷载T(o)随隧道埋深的增加而增长较为迅速，即当埋深达到一定数值后，临界损伤荷载(o)将足够大，此时跨走滑断层隧道施工过程不易失稳4.1.3峰值剪应力影响规律变化峰值剪应力Trc分别为5MPa、10 M Pa、15M Pa、20MPa、2 5M Pa、30 M Pa,其他参数保持不变。现将峰值剪应力与临界损伤长度和临界损伤荷载关系绘制成图，如图10、图11所示。从图10 可以看出，临界损伤长度随峰值剪应力的增大而呈非线性减小变化规律；而图11表明，临界损伤荷载随峰值剪应力的增大而近似呈线性增大变化规律。走滑断层内软弱岩体峰值剪应力的增大一方面限2023年9 月程报学道铁680.70.60.50.451015202530峰值剪应力/MPa图10峰值剪应力与临界损伤长度关系504540353025201510551015202530峰值剪应力/MPa图11峰值剪应力与临界损伤荷载关系制了临界损伤长度（走滑断层滑动撕裂长度）的扩展，同时也增大了断层抗滑断能力，进而提升了断层的稳定性。4.1.4剪切模量影响规律将断层塑性软化剪切模量、上下盘剪切梁剪切模量与临界损伤长度和临界损伤荷载关系绘制成图，如图12 图15所示3.02.52.01.51.00.542025303540塑性软化剪切模量/MPa图12塑性软化剪切模量与临界损伤长度关系8.07.57.0A6.56.05.55.02025303540塑性软化剪切模量/MPa图13塑性软化剪切模量与临界损伤荷载关系3.02.52.01.51.00.50202530354045剪切梁剪切模量/GPa图14剪切梁剪切模量与临界损伤长度关系8.07.57.06.56.05.55.04202530354045剪切梁剪切模量/CPa图15剪切梁剪切模量与临界损伤荷载关系图12 图15表明：断层内塑性软化剪切模量和上下盘剪切梁剪切模量对临界损伤长度和临界损伤荷载影响规律正好相反。临界损伤长度随着断层内塑性软化剪切模量的增大而非线性增大，随着上下盘剪切梁剪切模量的增大而近似线性减小；临界损伤荷载随断层内塑性软化剪切模量的增大而非线性减小，随着上下盘剪切梁剪切模量的增大而近似线性增大。可以认为，上下盘剪切梁剪切模量越大、断层内塑性软化剪切模量越小，临界损伤长度越小、临界损伤荷载越大，走滑断层越不易失稳4.1.5动摩擦系数影响规律将断层内动摩擦系数与临界损伤长度和临界损伤荷载关系绘制成图，如图16、图17 所示。1.41.21.00.80.60.40.51.01.52.0动摩擦系数图16动摩擦系数与临界损伤长度关系由图16、图17 可以看出：随着动摩擦系数的增王道远张亚琴等：跨走滑断层隧道失稳演化过程及稳定性分析布亚芳第9 期698.07.87.67.47.27.040.51.01.52.0动摩擦系数图17动摩擦系数与临界损伤荷载关系大,其临界损伤长度和临界损伤荷载均呈增大趋势，但临界损伤长度的增长后期趋于平缓，临界损伤荷载的增大后期有增速趋势。动摩擦系数越大，临界损伤长度和临界损伤荷载越大，其跨断层隧道施工过程越不易失稳。4.2走滑断层失稳敏感特性确定前述分析已厘清了走滑断层几何和力学参数（断层宽度t、隧道埋深H、断层峰值剪应力Tfc、断层塑性软化剪切模量Gts、上下盘剪切梁剪切模量G、滑动摩擦系数r）对跨断层隧道施工过程稳定性影响规律，现基于参数敏感性分析方法探求不同参数对隧道稳定性影响的敏感特性，为隧道跨越走滑断层处治措施提供参考和建议。利用理论计算、混合正交试验、曲线拟合、参数敏感性分析等方法，考虑断层宽度t、隧道埋深H、断层峰值剪应力Tfc、断层塑性软化剪切模量Gfs上下盘剪切梁剪切模量G、滑动摩擦系数u等建立32 种计算工况,以临界损伤长度为走滑断层稳定性敏感特性指标，确定走滑断层稳定性影响因素基本参数集，如表1所示。表1影响因素参数集影响因素参数取值范围基准值50 cm.60 cm、7 0 c m8 0 c m、断层宽度t100 cm90 cm、10 0 c m30 m、50 m、10 0 m、150 m、隧道埋深H30m200 m5 MPa、10 M Pa、15 M Pa、断层峰值剪应力Tfe5MPa20 MPa、2 5 M Pa 30 M Pa断层塑性软化剪切20 MPa、2 5 M Pa、30 M Pa、20MPa模量Gs35 MPa、40 M Pa上下盘剪切梁剪切20 GPa、2 5 G Pa、30 CPa、40 GPa模量G35 GPa、40 G Pa、45 G Pa动摩擦系数山0.5、1.0、1.5、2.00.5现将不同参数下，临界损伤长度y与不同影响因素变化规律趋势绘制成图，如图18 图2 3所示。3.0注：一一计算值；2.5-拟合曲线2.0y,=0.0399t+4.559 91.51.00.55060708090100断层宽度/cm图18断层宽度与临界损伤长度拟合曲线2.5注：一一计算值；2.0一拟合曲线y=0.0093H+0.28971.51.00.5306090120150180210隧道深度/m图19隧道埋深H与临界损伤长度拟合曲线0.70.6y=0.000 3 Tf2 0.017Te+0.686 60.50.451015202530峰值剪应力/MPa图2 0峰值剪应力T与临界损伤长度拟合曲线3.0注：一一计算值；2.5-拟合曲线2.01.5y;=2.884 81n(Gra)-7.980 41.00.52025303540塑性软化剪切模量/MPa图2 1塑性软化剪切模量G与临界损伤长度拟合曲线将图18 图2 3拟合趋势曲线表达式分别带入敏dp(k)岁,获得的敏感度函数k感度函数Sh（）=dk如表2 所示。2023年9 月程报学道铁703.0注：一一计算值；2.5-拟合曲线2.0y;=-0.096 1G+4.47231.51.00.50202530354045剪切梁剪切模量/CPa图2 2剪切梁剪切模量G与临界损伤长度拟合曲线1.4注：一一计算值；1.2一拟合曲线1.00.8y;=0.858 3/0.46050.60.40.51.01.52.0动摩擦系数图2 3动摩擦系数，与临界损伤长度拟合曲线表2拟合特征函数和敏感度函数参数拟合特征函数敏感度函数-0.039 9tty=-0.039 9t+4.559 9y(t)=0.039 9t+4.559 90.009 3HHyt=0.009 3H+0.289 7yi(H)=0.009 3H+0.289 70.000 6T-0.017TfcTicyi=0.000 3 i,0.017 re+0.686 6（T f e)=0.000 3 T 0.017 f。+0.6 8 6 62.8848Gyt=2.884 8ln(Grs)-7.980 4yi(Gi)=2.8848ln(G,)7.9804-0.096 1GG=0.096 1G+4.472 3yt(G)=0.096 1G+4.472 3yi=0.858 3%10.395.340.4605y（u)=0.8583元%0.4605将表1基准值分别代人表2 敏感度函数曲线yt(t)-t、y t（H)-H、y t（T r e）-T f e v y t（G）-G syi（G）-G、y i（r）-r。其不同影响因素下敏感度因子如表3所示。表3敏感度因子参数工况HTfeGG敏感度因子0.700.490.110.440.610.46从表3可以看出：跨走滑断层隧道施工过程稳定性主要影响因素（断层宽度t、隧道埋深H、断层峰值剪应力Tfe、断层塑性软化剪切模量Gs、上下盘剪切梁剪切模量G、滑动摩擦系数r）,其敏感性由强至弱依次为：断层宽度t上下盘剪切梁剪切模量G隧道埋深H滑动摩擦系数r断层塑性软化剪切模量Grs断层峰值剪应力Tfe5结论（1)基于含断层带复合剪切梁理论，推导了跨走滑断层隧道失稳临界损伤长度、临界损伤荷载和极限位移计算表达式（2）跨走滑断层隧道失稳演化过程经历了3个典型阶段，即含剪切带的“围岩断层围岩”系统变形协调促使强度降低、断层剪切带两侧围岩受拉而呈现拉裂缝区、“围岩一复合剪切带围岩”系统达到新的平衡状态。（3）当断层宽度、动摩擦系数、峰值剪应力、剪切梁剪切模量越小，隧道埋深、剪切梁宽度、塑性软化剪切模量越大，跨走滑断层隧道施工过程更易失稳。（4)跨走滑断层隧道施工过程稳定性影响因素的敏感性为：断层宽度t剪切梁剪切模量G隧道埋深H滑动摩擦系数r断层塑性软化剪切模量Grs断层峰值剪应力Te。（5）为提升跨走滑断层隧道施工过程的稳定性，可从断层段渐进式注浆、隧道设置减错缝和减错层等方面采取工程控制措施参考文献：1KIANI M,AKHLAGHI T,GHALANDARZADEH A.Experimental Modeling of Segmental Shallow Tunnels inAlluvial Affected by Normal Faults J.Tunnelling andUnderground Space Technology,2016,51:108-119.2SAEID AL,YAZDANI M,ASSADI LANGROUDI A.Control of Fault Lay-out on Seismic Design of Large王道远布亚芳第9 期张亚琴等：跨走清增新层橡天擦意演化过程及稳定性分析71Underground Caverns J.Tunnelling and UndergroundSpace Technology,2015,50:305-316.3刘学增，王煦霖，林亮伦6 0 倾角正断层黏滑错动对山岭隧道影响的试验研究J土木工程学报，2 0 14（2）：121-128.Liu Xuezeng,Wang Xulin,Lin Lianglun.ModelExperimental Study on Influence of Normal Fault with60Dip Angle Stick-slip Dislocation on MountainTunnel J.China Civil Engineering Journal,2014(2):121-128.4宋瑞刚，张顶立，文明穿越断层破碎带深埋隧道围岩失稳的突变理论分析 J土木工程学报,2 0 15（S1）：2 8 9-292.Song Ruigang,Zhang Dingli,Wen Ming.The CuspCatastrophe Theory Analysis for Instability of Deep-buried Tunnels Surrounding Rock through FaultFracture Zone J.China Civil Engineering Journal,2015(S1):289 292.5左清军，吴立，陆中功，等。浅埋偏压隧道洞口段软弱围岩失稳突变理论分析J岩土力学，2 0 15（S1）：42 4430.Zuo Qingjun,Wu Li,Lu Zhonggong,etc.InstabilityAnalysis of Soft Surrounding Rock in Shallow TunnelPortal under Unsymmetrical Pressure by CatastropheTheory J.Rock and Soil Mechanics,2015(S1):424-430.6Yan Gaoming,Shen Yusheng,Gao Bo,etc.DamageEvolution of Tunnel Lining with Steel ReinforcedRubberJointssunderNormalFaulting:AnExperimental and Numerical Investigation J.Tunnelling and Underground Space Technology,2020,97:103223.7王道远，崔光耀，袁金秀，等断裂黏滑错动下隧道减错措施作用效果模型试验研究 J岩土工程学报，2 0 18(8):1515-1521.Wang Daoyuan,Cui Guangyao,Yuan Jinxiu,etc.Model Test on Effect of Dislocation Reducing Measuresof Stick-slip Fault of Tunnels J.Chinese Journal ofGeotechnical Engineering,2018(8):1515-1521.8王道远，崔光耀，袁金秀，等.强震区隧道施工塌方段震害机理及处治技术研究J岩土工程学报，2 0 18（2）：353359.Wang Daoyuan,Cui Guangyao,Yuan Jinxiu,etc.Resarch on Seismic Damage Mechanism and TreatmentTechnologies of Construction Landslide Section of theHighway Tunnel in Highly Seismic Region J.ChineseJournal of Geotechnical Engineering,2018(2):353-359.9赵颖，郭恩栋，刘智，等走滑断层位错作用下城市地铁隧道损伤分析 J岩土力学，2 0 14（S2）：46 7-47 3.Zhao Y