Influence Mechanisms of Structural Zoning of Active Fault Zones on Dislocation and Deformation Characteristics of Tunnel Liners

SUN Xin; LI Jianhe; CUI Zhen; SHENG Qian; YIN Jinhan; ZHANG Maochu

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20250221001

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Influence Mechanisms of Structural Zoning of Active Fault Zones on Dislocation and Deformation Characteristics of Tunnel Liners

更新时间：2025-12-12

- Influence Mechanisms of Structural Zoning of Active Fault Zones on Dislocation and Deformation Characteristics of Tunnel Liners
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 45, Issue 5, Pages: 1125-1138(2025)
- 作者机构：
  
  1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉 430071
  2.中国科学院大学，北京 100049
  3.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010
  4.水利部水网工程与调度重点实验室，湖北武汉 430010
  5.宁波市北仑区城市安全运行中心，浙江宁波 315800
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20250221001
  CLC： TU443
- Received：21 February 2025，
  
  Revised：2025-05-11，
  
  Published：28 October 2025
- 稿件说明：
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孙鑫,李建贺,崔臻等.活动断裂带结构分区对隧道错断变形特征的影响机制[J].防灾减灾工程学报,2025,45(05):1125-1138.

SUN Xin,LI Jianhe,CUI Zhen,et al.Influence Mechanisms of Structural Zoning of Active Fault Zones on Dislocation and Deformation Characteristics of Tunnel Liners[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(05):1125-1138.
孙鑫,李建贺,崔臻等.活动断裂带结构分区对隧道错断变形特征的影响机制[J].防灾减灾工程学报,2025,45(05):1125-1138. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20250221001.

SUN Xin,LI Jianhe,CUI Zhen,et al.Influence Mechanisms of Structural Zoning of Active Fault Zones on Dislocation and Deformation Characteristics of Tunnel Liners[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(05):1125-1138. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20250221001.

摘要

活动断裂带产生的永久位移会导致穿越其中的隧道衬砌发生严重变形。为了探究断裂带内部结构分区对隧道衬砌错断变形的影响，总结归纳了一种包括上下盘、破碎带、断裂带核部和破裂面的断裂带错断概化模型，通过改变断裂带不同区域岩体力学参数、断裂带不同区域宽度以及破裂面出现位置，开展围岩‑衬砌隧道的数值试验，测算纵向位移梯度、纵向位移曲率和椭圆度来表征纵向剪切变形、纵向弯曲变形和横断面变形。研究衬砌的纵向变形和横断面变形规律，揭示错断作用下断裂带结构分区对隧道衬砌变形的控制机制。结果表明：（1）断裂带错动作用下，衬砌纵向位移曲线呈“S”型，大部分位移集中在断裂带核部。断裂带核部的剪切变形大于其它区域，峰值发生在破裂面处，弯曲变形主要发生在岩体软硬交界面附近；（2）衬砌横断面变形由隧道纵向的剪切和弯曲共同作用产生，断裂带核部处的变形显著大于破碎带，破裂面附近和软硬岩体交界区域需重点关注；（3）分区岩体软硬程度差距越大和断裂带核部宽度占断裂带总宽度越小时，断裂带核部区间内衬砌纵向变形与横断面变形越剧烈。当破裂面发生在断裂带核部中央时，衬砌纵向变形与横断面变形最剧烈，而破裂面处于断裂带核部与破碎带分界面处，破裂面导致的破坏范围有所增加。

Abstract

Permanent displacement caused by active fault zones can lead to serious deformation of tunnel liners passing through them. To explore the influence of internal structural zoning of fault zones on the dislocation deformation of tunnel liners

this study summarized a generalized model for fault zone dislocation including the hanging wall

footwall

fracture zone

fault zone core

and rupture surface. By changing the mechanical parameters of rock mass in different zones of the fault

the width of different fault zones

and the location of the rupture surface

numerical experiments on the surrounding rock-tunnel liner were conducted. The longitudinal displacement gradient

longitudinal displacement curvature

and ellipticity were measured to characterize longitudinal shear deformation

longitudinal bending deformation

and cross-sectional deformation. The longitudinal and cross-sectional deformation patterns of the liner were investigated

and the controlling mechanisms of fault zone structural zoning on tunnel liner deformation under fault dislocation were revealed. The results showed that: (1) under fault zone dislocation

the longitudinal displacement curve of the liner exhibited an "S" shape

with most displacements concentrated in the fault zone core. The shear deformation in the fault core zone was larger than that in other zones. The peak value occurred at the rupture surface

and the bending deformation mainly occurred near the interface between soft and hard rock masses. (2) The cross-sectional deformation of the liner was caused by the combined action of longitudinal shear and bending. The deformation in the fault zone core was significantly larger than that in the fracture zone. Special attention should be given to areas near the rupture surface and the interface between soft and hard rock masses. (3) The larger the difference in hardness between soft and hard rock masses in different zones and the smaller the ratio of fault core width to the total fault zone width

the more severe the longitudinal deformation and cross-sectional deformation of the liner located in the fault zone core. When the rupture surface occurred at the center of the fault zone core

the longitudinal deformation and cross-sectional deformation of the liner were the most severe. When the rupture surface was located at the interface between the fault zone core and the fracture zone

the damage range caused by the rupture surface increased.

关键词

Keywords

references

Torabi A ， Berg S S . Scaling of fault attributes： A review ［J］. Marine and Petroleum Geology ， 2011 ， 28 （ 8 ）： 1444 - 1460 .

Choi J H ， Edwards P ， Ko K ， et al . Definition and classification of fault damage zones： A review and a new methodological approach ［J］. Earth-Science Reviews ， 2016 ， 152 ： 70 - 87 .

Faulkner D R ， Jackson C A L ， Lunn R J ， et al . A review of recent developments concerning the structure， mechanics and fluid flow properties of fault zones ［J］. Journal of Structural Geology ， 2010 ， 32 （ 11 ）： 1557 - 1575 .

Yu H T ， Zhang Z W ， Chen J T ， et al . Analytical solution for longitudinal seismic response of tunnel liners with sharp stiffness transition ［J］. Tunnelling and Underground Space Technology ， 2018 ， 77 ： 103 - 114 .

黄磊，周颜婷，刘中宪，等 . SH波入射下山体-断层破碎带-隧道相互作用分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2024 ， 44 （ 4 ）： 870 - 880 .

Huang L ， Zhou Y T ， Liu Z X ， et al . Analysis of the interaction between mountains-fault zones-tunnels under SH wave incidence ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2024 ， 44 （ 4 ）： 870 - 880 . （in Chinese）

王天强，崔臻，盛谦，等 . 走滑断层作用下跨断层隧洞错断模型试验研究［J］. 防灾减灾工程学报， 2022 ， 42 （ 3 ）： 597 - 605 .

Wang T Q ， Cui Z ， Sheng Q ， et al . Model experimental study of the influence of strike-slip fault with dislocation on tunnel ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2022 ， 42 （ 3 ）： 597 - 605 . （in Chinese）

乔亚飞，肖颖鸣，丁文其，等 . 跨断层隧道施工应力路径识别与扰动分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2023 ， 43 （ 1 ）： 50 - 59 .

Qiao Y F ， Xiao Y M ， Ding W Q ， et al . Identification of stress path and analysis of disturbance induced by construction of tunnel across fault ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2023 ， 43 （ 1 ）： 50 - 59 . （in Chinese）

周光新，崔臻，盛谦，等 . 活动断裂错动位移模式对隧洞变形与内力的影响研究［J］. 防灾减灾工程学报， 2021 ， 41 （ 6 ）： 1323 - 1330， 1349 .

Zhou G X ， Cui Z ， Sheng Q ， et al . Study on the deformation and internal force of the tunnel under the displacement pattern of the active fault zone ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2021 ， 41 （ 6 ）： 1323 - 1330， 1349 . （in Chinese）

Qiao Y F ， Tang J ， Liu G Z ， et al . Longitudinal mechanical response of tunnels under active normal faulting ［J］. Underground Space ， 2022 ， 7 （ 4 ）： 662 - 679 .

张翔宇，崔臻，张延杰，等 . 穿越活动断层隧道铰接设防宽度估算方法研究［J］. 人民长江， 2024 ， 55 （ 3 ）： 160 - 168 .

Zhang X Y ， Cui Z ， Zhang Y J ， et al . Study on estimation method of hinge fortification width of tunnel crossing active fault ［J］. Yangtze River ， 2024 ， 55 （ 3 ）： 160 - 168 . （in Chinese）

刘国钊，乔亚飞，何满潮，等 . 活动性断裂带错动下隧道纵向响应的解析解［J］. 岩土力学， 2020 ， 41 （ 3 ）： 923 - 932 .

Liu G Z ， Qiao Y F ， He M C ， et al . An analytical solution of longitudinal response of tunnels under dislocation of active fault ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2020 ， 41 （ 3 ）： 923 - 932 . （in Chinese）

Zhang X ， Wang M N ， Li Z J ， et al . Mechanical response of tunnels crossing active fault zones under normal or reverse faulting： A refined nonlinear analytical approximate solution ［J］. Computers and Geotechnics ， 2024 ， 167 ： 106028 .

刘学增，林亮伦 . 75°倾角逆断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2011 ， 30 （ 12 ）： 2523 - 2530 .

Liu X Z ， Lin L L . Research on model experiment of effect of thrust fault with 75°dip angle stick-slip dislocation on highway tunnel ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2011 ， 30 （ 12 ）： 2523 - 2530 . （in Chinese）

周光新，盛谦，张传健，等 . 穿越走滑断层铰接隧洞抗错断设计参数作用机制研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2022 ， 41 （ 5 ）： 941 - 953 .

Zhou G X ， Sheng Q ， Zhang C J ， et al . Study on action mechanism of anti-dislocation design parameters of a tunnel with flexible joint crossing strike-slip faults ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2022 ， 41 （ 5 ）： 941 - 953 . （in Chinese）

刘小岩，张传庆，史铁勇，等 . 跨活断层深埋隧道轴线错动位移模式试验研究［J］. 岩土力学， 2021 ， 42 （ 5 ）： 1304 - 1312 .

Liu X Y ， Zhang C Q ， Shi T Y ， et al . Experimental study of axis displacement mode of deep buried tunnel across active faults ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2021 ， 42 （ 5 ）： 1304 - 1312 . （in Chinese）

孙飞，张志强，秦昌 . 正断层错动下乌鲁木齐地铁1号线隧道结构受迫影响研究［J］. 中国铁道科学， 2019 ， 40 （ 2 ）： 54 - 63 .

Sun F ， Zhang Z Q ， Qin C . Research on influence upon tunnel structure of metro line 1 in Urumqi forced by normal fault dislocation ［J］. China Railway Science ， 2019 ， 40 （ 2 ）： 54 - 63 . （in Chinese）

Zhang C Q ， Liu X Y ， Zhu G J ， et al . Distribution patterns of rock mass displacement in deeply buried areas induced by active fault creep slip at engineering scale ［J］. Journal of Central South University ， 2020 ， 27 （ 10 ）： 2849 - 2863 .

马亚丽娜，盛谦，崔臻，等 . 基于三维离散–连续耦合方法的跨活动断裂隧洞错断破坏机制研究［J］. 岩土工程学报， 2018 ， 40 （增2 ）： 240 - 245 .

Ma Y L N ， Sheng Q ， Cui Z ， et al . Disruption and destruction mechanism of cross-active fault tunnels based on 3D discrete-continuous coupling method ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2018 ， 40 （ Sup 2 ）： 240 - 245 . （in Chinese）

Brazier L G . On the flexure of thin cylindrical shells and other "thin" sections ［J］. Proceedings of the Royal Society of London Series A， Containing Papers of a Mathematical and Physical Character ， 1927 ， 116 （ 773 ）： 104 - 114 .

廖少明 . 圆形隧道纵向剪切传递效应研究［D］. 上海：同济大学， 2002 .

Liao S M . Research on the effect of longitudinal shear transfer on circular tunnel lining ［D］. Shanghai ： Tongji University ， 2002 . （in Chinese）

张冬梅，黄栩，黄宏伟 . 盾构隧道纵向变形引起的横向效应［J］. 同济大学学报（自然科学版）， 2015 ， 43 （ 2 ）： 205 - 212， 272 .

Zhang D M ， Huang X ， Huang H W . Effect of longitudinal deflection on shield tunnel convergence ［J］. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2015 ， 43 （ 2 ）： 205 - 212， 272 . （in Chinese）

汪振，钟紫蓝，黄景琦，等 . 走滑断层错动下山岭隧道关键断面变形及损伤演化［J］. 建筑结构学报， 2020 ， 41 （增1 ）： 425 - 433 .

Wang Z ， Zhong Z L ， Huang J Q ， et al . Deformation and damage evolution of key section of mountain tunnel under strike-slip fault dislocation ［J］. Journal of Building Structures ， 2020 ， 41 （ Sup 1 ）： 425 - 433 . （in Chinese）

王云潇，张聪，王辉，等 . 穿越断层长大深埋隧洞动力非协调变形与破坏机制［J/OL］. 防灾减灾工程学报， 2025 ： 1 - 14 . （ 2025-03-11 ）. https：∥link.cnki.net/doi/10.13409/j.cnki.jdpme.20241023003 https://link.cnki.net/doi/10.13409/j.cnki.jdpme.20241023003 .

Wang Y X ， Zhang C ， Wang H ， et al . Dynamic incompatible deformation and failure mechanism in a long deep buried fault-crossing tunnel ［J/OL］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2025 ： 1 - 14 . （ 2025-03-11 ）. https：∥link.cnki.net/doi/10.13409/j.cnki.jdpme.20241023003. https://link.cnki.net/doi/10.13409/j.cnki.jdpme.20241023003. （in Chinese）

史新伟，冯新，范哲 . 逆断层作用下复合衬砌输水隧洞损伤演化分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1132 - 1140 .

Shi X W ， Feng X ， Fan Z . Damage evolution analysis of composite lining convey tunnel under reverse fault ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1132 - 1140 . （in Chinese）

陈之毅，郭远鹏 . 断层错动和地震动共同作用下跨断层隧道的损伤分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2023 ， 43 （ 1 ）： 132 - 137 .

Chen Z Y ， Guo Y P . Analysis of cross fault tunnel damage under combined action of fault dislocation and ground motion ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2023 ， 43 （ 1 ）： 132 - 137 . （in Chinese）

Wibberley C A J ， Yielding G ， Di Toro G . Recent advances in the understanding of fault zone internal structure： A review ［J］. Geological Society ， London ， Special Publications， 2008 ， 299 （ 1 ）： 5 - 33 .

龙坤 . 断层强度损伤、应力场演化规律及破裂滑移特性研究［D］. 重庆：重庆大学， 2022 .

Long K . Research on strength damage， stress evolution and fracture slip characteristics of the fault zone ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2022 . （in Chinese）

陶凌宇 . 济阳坳陷下古生界碳酸盐岩潜山断裂带结构及控藏作用研究［D］. 东营：中国石油大学（华东）， 2021 .

Tao L Y . Fault zone structure and reservoir control of lower Paleozoic carbonate buried hill in the Jiyang depression ［D］. Dongying ： China University of Petroleum （Huadong）， 2021 . （in Chinese）

Logan J M ， Dengo C A ， Higgs N G ， et al . Chapter 2 fabrics of experimental fault zones： Their development and relationship to mechanical behavior ［C］∥Fault Mechanics and Transport Properties of Rocks-A Festschrift in Honor of W. F. Brace . Amsterdam ： Elsevier ， 1992 ： 33 - 67 .

宋佳佳，孙建孟，王敏，等 . 断层内部结构研究进展［J］. 地球物理学进展， 2018 ， 33 （ 5 ）： 1956 - 1966 .

Song J J ， Sun J M ， Wang M ， et al . Research progress in the internal structure of the fault ［J］. Progress in Geophysics ， 2018 ， 33 （ 5 ）： 1956 - 1966 . （in Chinese）

薛少强，张传庆，肖成志，等 . 输水隧洞赋存活断层蠕滑位移模式研究［J］. 人民长江， 2019 ， 50 （ 11 ）： 149 - 155 .

Xue S Q ， Zhang C Q ， Xiao C Z ， et al . Study on creep displacement modes of active fault where water conveyance tunnel passing through ［J］. Yangtze River ， 2019 ， 50 （ 11 ）： 149 - 155 . （in Chinese）

周辉，赵海涛，李坚，等 . 香炉山隧洞龙蟠：乔后断裂带西支蠕滑特性与位错模式［J］. 长江科学院院报， 2022 ， 39 （ 12 ）： 97 - 104 .

Zhou H ， Zhao H T ， Li J ， et al . Creep characteristics and dislocation mode of the west branch of longpan-Qiaohou fault in Xianglushan tunnel ［J］. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute ， 2022 ， 39 （ 12 ）： 97 - 104 . （in Chinese）

Bastesen E ， Braathen A . Extensional faults in fine grained carbonates–analysis of fault core lithology and thickness–displacement relationships ［J］. Journal of Structural Geology ， 2010 ， 32 （ 11 ）： 1609 - 1628 .

Caine J S ， Evans J P ， Forster C B . Fault zone architecture and permeability structure ［J］. Geology ， 1996 ， 24 （ 11 ）： 1025 .

单亦先，劳海港，王永诗，等 . 岩性差异变化对断层带结构影响的物理模拟［J］. 石油实验地质， 2016 ， 38 （ 1 ）： 108 - 112， 121 .

Shan Y X ， Lao H G ， Wang Y S ， et al . Physical simulation of the influence of lithological differences on fault zone structure ［J］. Petroleum Geology & Experiment ， 2016 ， 38 （ 1 ）： 108 - 112， 121 . （in Chinese）

林爱明 . 断层岩与断层模式［J］. 高校地质学报， 1996 ， 2 （ 3 ）： 295 - 306 .

Lin A M . Fault rocks and faulting model ［J］. Geological Journal of China Universities ， 1996 ， 2 （ 3 ）： 295 - 306 . （in Chinese）

Meng Y J ， Chen H H ， Luo Y ， et al . Architecture of intraplate strike-slip fault zones in the Yanchang Formation， Southern Ordos Basin， China： Characterization and implications for their control on hydrocarbon enrichment ［J］. Journal of Structural Geology ， 2023 ， 170 ： 104851 .

马亚丽娜，崔臻，盛谦，等 . 正断层错动对围岩–衬砌体系响应影响的离散-连续耦合模拟研究［J］. F岩土工程学报， 2020 ， 42 （ 11 ）： 2088 - 2097 .

Ma Y L N ， Cui Z ， Shen Q ， et al . Influences of normal fault dislocation on response of surrounding rock and lining system based on discrete-continuous coupling simulation ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2020 ， 42 （ 11 ）： 2088 - 2097 . （in Chinese）

汪振，钟紫蓝，赵密，等 . 正断型断裂模拟及其对山岭隧道影响研究［J］. 岩土工程学报， 2020 ， 42 （ 10 ）： 1876 - 1884 .

Wang Z ， Zhong Z L ， Zhao M ， et al . Simulation of normal fault rupture and its impact on mountain tunnels ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2020 ， 42 （ 10 ）： 1876 - 1884 . （in Chinese）

唐浪洲，于丽，王玉锁，等 . 走滑断层错动量大小对铁路隧道结构安全性影响的数值分析［J］. 现代隧道技术， 2022 ， 59 （ 1 ）： 214 - 224 .

Tang L Z ， Yu L ， Wang Y S ， et al . Numerical analysis on the effect of strike-slip fault dislocation on the structural safety of railway tunnels ［J］. Modern Tunnelling Technology ， 2022 ， 59 （ 1 ）： 214 - 224 . （in Chinese）

祁彬溪，王凡，陈捷翎 . 粘滑断层错动作用下穿越断层隧道结构响应数值模拟［J］. 建筑结构， 2020 ， 50 （增2 ）： 753 - 758 .

Qi B X ， Wang F ， Chen J L . Numerical simulation of structural response of tunnel crossing fault under stick-slip fault dislocation ［J］. Building Structure ， 2020 ， 50 （ Sup 2 ）： 753 - 758 .

廖少明，侯学渊，彭芳乐 . 隧道纵向剪切传递效应及其一维解析［J］. 岩石力学与工程学报， 2005 ， 24 （ 7 ）： 1110 - 1116 .

Liao S M ， Hou X Y ， Peng F L . Longitudinal shear transfer of tunnel and its 1d analytical solution ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2005 ， 24 （ 7 ）： 1110 - 1116 . （in Chinese）

工程岩体分级标准： GB 50218—2014 . ［S］. 北京：中国计划出版社， 2014 .

公路隧道抗震设计规范： JTG 2232—2019 ［S］. 北京：人民交通出版社， 2019 .

铁路隧道设计规范： TB 10003—2016 ［S］. 北京：中国铁道出版社， 2016 .

孙岩，沈修志 . 我国断裂构造岩分带型式的研究［J］. 中国科学（B辑化学生物学农学医学地学）， 1986 （ 2 ）： 195 - 202 .

Sun Y ， Shen X Z . Research on the zoning patterns of faulted structural rocks in China ［J］. Science in China （Series B： Chemistry ， Biology， Agriculture， Medicine & Earth Sciences）， 1986 （ 2 ）： 195 - 202 . （in Chinese）

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