《高烈度区隧道-滑坡体系灾变防控理论与技术》聚焦我国西北高烈度区陆路交通隧道-滑坡工程建设难题，从国内外山岭隧道地震震害调查资料入手，将地震波传播理论与地质力学物理模型相结合、振动台试验与动力学有限元仿真分析相融合，制订基于工程地质分析原理的“隧道-滑坡体系”典型模式分类细则与地质力学物理模型构建方法，揭示隧道下穿滑坡体系从局域到全域的渐进累积变形特征和动力破坏失稳模式；提出隧道下穿滑坡体系空间动力耦合系统结构损伤评价方法和高烈度区滑坡地段隧道*小安全下穿距离计算方法；构建基于动力刚度匹配基的隧道衬砌减隔震结构精准设计方法和消能组合式新型多锚点圆桩加固技术，为隧道工程在复杂地质条件和动力环境下的建设与运营提供理论支撑。

第1章绪论
　　随着我国经济的高速发展，交通运输网逐步向西部山区拓展，众多交通干线穿越西部高烈度山区，桥隧占比急剧攀升[1]。我国山区地形地质条件复杂，地质灾害频发。隧道作为交通线路的控制性工程，在高烈度区选线时常常遇到无法规避的滑坡等地质灾害。当线路不得不以隧道形式穿越滑坡地段时，地震诱发滑坡复活引起隧道下穿滑坡体系的相互作用机理与综合防治技术将会成为隧道工程建设和运营面临的复杂工程病害问题。潜在震害区滑坡地段修建隧道，与单纯的地震-滑坡问题和隧道-地震问题存在本质区别，必须将三者看成一个整体进行研究，分析三者之间的相互作用关系。地震诱发滑坡复活引起的隧道-滑坡体系相互作用将成为科学界面临的罕见难题，将给隧道工程建设和运营带来更多世界性的重大挑战。
　　本书结合中铁西北科学研究院有限公司(简称中铁西北院)、兰州交通大学60余年铁路建设核心技术攻关的硕果积淀，以及数十年交通地质灾害致灾机理研究及防治经验，重点探讨地震作用下隧道-滑坡体系的变形特征与相互作用机理、隧道下穿滑坡体系的工程安全评价及变形控制技术等几方面的问题。
　　1.1高烈度区隧道-滑坡体系发展概况
　　2018年10月29日～2023年10月29日，我国共发生4级以上地震848次，其中4.0～4.9级678次，5.0～5.9级142次，6.0～6.9级27次，7.0级以上1次，*大地震是2021年5月22日在青海果洛州玛多县发生的7.4级地震。
　　我国地处欧亚地震带和环太平洋地震带这两个活跃的地震带上，是一个地震频发的国家。20世纪以来，我国经历了四个地震活跃期，目前正在经历第五个地震活跃期[2]。近段时间在欧亚地震带(西南、西北地区)地球内部活动强烈，地震活动频繁。
　　在山区特别是高烈度区复杂环境下，地质结构复杂，地质环境脆弱，修建隧道交通基础设施等重大工程，将会不可避免地遇到滑坡等灾害。我国滑坡灾害分布广泛。除原有山区复杂环境崩滑灾害外，隧道工程建设扰动及地震作用诱发的滑坡灾害问题也日益突出，其数量之多、规模之大、灾害之严重、处治之困难，世界罕见。
　　目前，高烈度区复杂环境下交通隧道重大工程滑坡灾害防控存在以下三大工程技术难题。
　　(1)灾害机理认识不清。复杂环境下交通隧道重大工程的滑坡灾害地形地质条件千差万别，共性少、个性突出。在项目实施前，相关的地质勘察设计规范不成熟，前期勘察工作不足或不当，导致对滑坡灾害机理认识不清，尤其是对滑坡地质体坡体结构与地震作用影响认识不足，难以事先避开复杂不良地质体，造成交通隧道重大工程巨大浪费与安全隐患。
　　(2)灾害风险评估体系不完善。交通隧道工程建设的全寿命周期理念已被广泛接受，滑坡等典型边坡灾害作为重大工程建设安全防控的重点，有其形成、发展、发生、消亡的过程。认识灾害发生的演变过程，尤其是地震作用触发隐患，是“科学主动防控”的前提。这就需要结合交通隧道工程建设各阶段特点开展针对性风险评估，即勘察设计阶段的灾害预测评估，施工阶段施工安全风险评估及运营阶段的安全后评估。
　　(3)灾害防治技术亟须提升。占支挡加固工程总量60%以上的滑坡灾害锚固工程，其化学稳定性、与锚固结构有关的地震锚固性能可靠性、施工质量隐患三大技术难题尚未完全解决，工程界普遍担忧其长期安全可靠性，亟须开发地震作用下安全耐久的锚固新技术。
　　根据规划，2021～2035年，我国公路、铁路、矿山等重大工程建设仍持续增长，且越来越多的重大工程逐渐从建设阶段转入运维阶段。当前我国交通事业正值蓬勃发展时期。
　　改革开放以来，我国铁路隧道建设取得长足发展。截至2022年底，我国铁路营业里程达到15.5万km，其中，投入运营的铁路隧道17873座、总长21987km；投入运营的高速铁路总长超过4.2万km，共建成高速铁路隧道4178座、总长7032km，其中，长度大于10km的高速铁路特长隧道105座、总长约1339km；投入运营的特长铁路隧道共259座、总长约3498km，其中，长度20km以上的特长铁路隧道12座、总长约283km[3]。我国铁路隧道1979年与2022年发展情况对比如图1-1所示。
　　截至2022年底，我国公路总里程达到535万km，其中高速公路通车里程17.7万km，稳居世界**[4]。近年来，我国公路隧道建设规模不断扩大，成为隧道通车里程*长、规模*大的国家之一。截至2022年底，我国公路隧道共有24850座、总长26784.3km，其中特长隧道1752座、总长7951.1km，长隧道6715座、总长11728.2km[5]。我国公路隧道2009年和2022年发展情况对比如图1-2所示。
　　图1-1我国铁路隧道1979年与2022年发展情况对比[3，6](截至2022年底)(扫码查看彩图)
　　图1-2我国公路隧道2009年和2022年发展情况对比[5，7](截至2022年底)(扫码查看彩图)通常情况下隧道工程震害比房屋、桥梁等地面建筑轻微[8]，但随着地下结构数量的增多，其震害问题受到越来越多关注。在强震下，隧道地下工程震害依然比较突出。表1-1列举了国内外部分隧道震害调查结果。
　　对隧道震害资料的收集，国内外学者已经做了很多工作。1995年日本阪神7.3级地震后，Demachi等[12]对各类已建或正在修建隧道的破坏特征情况进行了分类调研，发现围岩质量差、高烈度区的隧道结构破坏情况较为严重；Konagai等[13]对日本岩手县一座铁路隧道进行多次地震观测，得到围岩加速度和衬砌结构应变等现场记录；崔光耀等[14]对汶川地震后40座公路隧道洞口段震害部位和比例进行统计分析，发现隧道洞口边仰坡崩塌、滑坡和洞口段衬砌结构损坏占一半以上。目前原型观测主要以隧道震后调研为主，分析隧道衬砌结构的震害形态及其变形机理，对正确采取衬砌结构的抗震措施及高烈度区修建隧道工程具有重要意义。
　　近年来，全球各地地震频发。根据山东省地震局的相关记录，2022年我国5.0级以上地震达53次之多(主要发生在西南和西北地区)，强震发生相对频繁。地震灾害将成为我国交通行业今后面临的*主要地质灾害之一。川藏铁路、西成铁路等超级工程，楚大高速公路、仁沐新高速马边支线、渭武高速公路、宝兰客运专线、兰新高铁和武罐高速公路等重点工程受地形地质条件的限制，均处于高烈度区[15]。地震作用成为影响隧道工程抗震设防目标确定的主导因素。在高烈度区隧道建设和运营中面临世界罕见的工程病害问题。地震作用下隧道-滑坡体系的地震波传播互馈机制和空间动力耦合效应尚不明确，没有可以直接吸收的国内外经验，对建设者提出了更加严苛的要求，因此亟待探究这些隧道工程建设和运营过程所蕴含的科学问题。
　　1.2高烈度区隧道-滑坡体系研究进展
　　1.2.1隧道-滑坡体系静力学领域研究历程
　　交通隧道工程建设时，要尽量避免经过滑坡与其他斜坡变形区[16]。一方面，一些滑坡或不稳定斜坡在勘察、施工阶段难以识别，或受山地地形等条件限制，隧道工程地质选线时往往要经过滑坡与其他斜坡变形区[17]。另一方面，稳定或无明显变形的边坡在隧道施工扰动和地震地质演化作用下易发生较大变形，甚至发展为滑坡[18]。许多滑坡与其他斜坡变形场地的隧道工程演变为“隧道-滑坡”问题，使得隧道衬砌结构出现不同程度的病害，影响甚至中断隧道的正常运行。隧道-滑坡相互作用引起的问题日益突出，已成为地下工程的热点问题[19]。
　　国内外学者对滑坡或不稳定斜坡区隧道工程的研究重点聚集在衬砌损伤变形及破坏特征、滑坡体与隧道相互作用机制及隧道衬砌结构病害治理举措等方面。基于极限分析，Mollon等[20]提出一种新的二维破坏机制来确定开挖面的临界坍塌压力；Kitagawa等[21]研究地下工程开挖过程引起的坍塌、顶板塌陷、底鼓等地质灾害的围岩结构和力学特性；马惠民[17]、张鲁新等[22]、毛坚强等[23]综合分析了山区铁路干线多处滑坡导致隧道衬砌结构变形开裂的机理，总结了在滑坡条件下不同段隧道衬砌结构的开裂特征；Chiu等[24]通过现场调查获得了隧道衬砌结构裂缝的全面记录，利用2008～2015年的高分辨率衬砌断面图像，获取了某山区隧道在边坡变形影响下的详细变化；Shalabi[25]、黄生文等[26]、杨长城[27]、贾明辉[28]、杨小礼等[29]、郭乾[30]、张靓[31]、周文皎[32]等学者基于隧道-滑坡的典型工程案例，通过现场调查、数值计算、理论分析和现场监测等研究手段，重点分析了滑坡体失稳与隧道变形之间的相互作用问题。
　　随着研究人员对隧道-滑坡体系相互作用变形机理认识的逐渐深入，针对该复杂体系防治措施的研究步伐也越来越快。许多学者根据实际工程案例提出了不同的隧道-滑坡体系加固设计方案。陶志平[33]、牌立芳等[34]研究了抗滑桩加固隧道-滑坡病害的效用和对策，并提出了抗滑桩加固隧道-滑坡病害的应用范畴及妥善的布桩形式；张伟等[35]以宝天高速公路码头隧道洞口滑坡为典型案例，通过非线性有限元分析，揭示了隧道衬砌结构与滑坡变形区的分布特征并给出了对应的治理措施；邓荣贵等[36]以巨厚滑体内隧道衬砌结构为典型案例，辅以抗滑桩和锚索加固措施，与隧道衬砌结构自成一体，提出了一种滑坡区隧道-锚索-抗滑桩组合自锚式加固体系；许志樟[37]以漳龙高速公路隧道滑坡为典型案例，提出采用截水沟-水平孔排水与抗滑桩相结合的整治方案；尹静[38]对滑坡区隧道-锚索-抗滑桩组合自锚式加固结构进行深入分析，揭示了滑坡区隧道-锚索-抗滑桩组合自锚式加固结构的协同工作性能；谭红[39]以赣龙铁路马蹄径隧道滑坡为典型案例，对其变形机理和稳定性进行评价分析，综合提出了削方减载+预应力锚索、抗滑桩+明洞的整治方案。
　　滑坡是山岭地区隧道建设过程中*常遇到的一种复杂的地质灾害之一，很多时候隧道将不得不临近乃至直接穿越滑坡变形区。隧道穿越斜坡区赋存古老滑坡体或具备滑坡形成的条件，隧道施工开挖或运营期遇到暴雨、地震等自然灾害时极易诱发古老滑坡体复活或造**滑坡产生，继而引起隧道衬砌结构变形，致使交通线路无法正常施工及安全运营。因此，隧道等地下结构并非绝对安全，其抗震性能亦需要引起足够重视。
　　1.2.2隧道-滑坡体系地震波传播互馈机制
　　1.2.2.1坡体对地震波传播规律的影响
　　地表起伏使地震波在近地表传播变得异常复杂。地表散射以及体波和面波相互转化、地表降低波速带使得地震波出现频带变窄、频率降低情况[40]。在地表地形与岩土体内部地震波传播的研究及应用方面，石油探测、采矿和岩土爆破等领域的介入较早[41-45]。
　　学者逐渐意识到不均匀地层，尤其是断层等对地震波传播的影响。Walter等[46]和Marra等[47]通过尤卡断层地下核爆记录数据分析了断层对近场地震波传播的影响，认为断层主要影响地震波传播的频率。国内学者也在这方面进行了持续研究，主要集中在结构面和破碎带中地震波的传播规律研究。梁建文和韩红霞[48-49]利用有限元方法研究了断层破碎带对地震波放大作用的基本规律和非线性放大的影响；万志清等[50]通过模型试验从能量角度阐述了地震波的运动学特征，发现埋藏基岩面对地震波传播产生汇聚与发散作用；王大伟[51]及Wang等[52]用理论分析和数值方法探讨了断层对地震波传播的影响。
　　言志信等[53]、江学良等[54]基于含连拱隧道软弱围岩边坡振动台试验，分析得到软弱围岩边坡在岩体分界面处的加速度响应尤为显著，岩体极易失稳；王树明[55]对黄土边坡进行了大型振动台试验并采用Midas-GTS有限元软件进行模拟计算，发现黄土边坡的加速度放大效应随坡高呈非线性增大变化；李果[56]及宋丹青等[57]通过大型振动台试验的研究手段，研究了软岩顺层、反倾，硬岩顺层、反倾这四类边坡结构的地震动力响应，揭示了不同边坡结构内地震波传播特性及其破坏特征；刘汉香等[58]利用振

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 高烈度区隧道-滑坡体系发展概况 1
1.2 高烈度区隧道-滑坡体系研究进展 4
1.2.1 隧道-滑坡体系静力学领域研究历程 4
1.2.2 隧道-滑坡体系地震波传播互馈机制 6
1.2.3 隧道-滑坡体系空间动力耦合效应及损伤评价方法 7
1.2.4 隧道-滑坡体系衬砌结构荷载和变形及安全距离 9
1.2.5 隧道-滑坡体系抗减震防治技术 11
1.2.6 亟待解决的问题 12
1.3 本书内容及特点 13
参考文献 14
第2章 高烈度区隧道下穿滑坡体系模型概化、振动台试验设计和
有限元模型建立 21
2.1 隧道下穿滑坡体系类型划分及地质力学物理模型建立 21
2.1.1 基于工程地质分析原理的隧道-滑坡体系类型划分 21
2.1.2 基于工程地质分析原理的隧道下穿滑坡体系地质力学物理模型简化 26
2.1.3 隧道下穿滑坡体系典型模式振动台模型概化 35
2.2 振动台试验设计 42
2.2.1 振动台概况 43
2.2.2 模型相似设计及相似材料选择 46
2.2.3 传感器选取及试验模型制作 51
2.3 有限元模型建立 57
2.3.1 PLAXIS 2D 有限元软件简介 57
2.3.2 模型界面设计 58
2.3.3 动力计算步骤 62
2.4 本章小结 62
参考文献 63
第3章 隧道下穿滑坡体系的地震波传播特性及空间变形特征 66
3.1 隧道下穿主滑面典型模式的地震波传播特性及空间变形特征 66
3.1.1 地震波选择及加载工况设计 66
3.1.2 地震作用下衬砌结构动力响应时域特性 69
3.1.3 地震作用下衬砌结构动力响应频域特性 75
3.1.4 隧道下穿主滑面典型模式的空间受力变形模式 77
3.2 隧道下穿牵引段滑面典型模式的地震波传播特性及空间变形特征 80
3.2.1 地震波选择及加载工况设计 80
3.2.2 地震作用下衬砌结构动力响应时域特性 81
3.2.3 地震作用下衬砌结构动力响应频域特性 85
3.2.4 隧道下穿牵引段滑面典型模式的空间受力变形模式 87
3.3 隧道横穿主滑面典型模式的地震波传播特性及空间变形特征 90
3.3.1 地震波选择及加载工况设计 90
3.3.2 地震作用下衬砌结构动力响应时域特性 91
3.3.3 地震作用下衬砌结构动力响应频域特性 95
3.3.4 隧道横穿主滑面典型模式的空间受力变形模式 97
3.4 隧道横穿牵引段滑面典型模式的地震波传播特性及空间变形特征 100
3.4.1 地震波选择及加载工况设计 100
3.4.2 地震作用下衬砌结构动力响应时域特性 101
3.4.3 地震作用下衬砌结构动力响应频域特性 105
3.4.4 隧道横穿牵引段滑面典型模式的空间受力变形模式 106
3.5 本章小结 109
参考文献 110
第4章 隧道下穿滑坡体系空间动力耦合系统结构损伤评价 112
4.1 基于弹塑性效应的隧道衬砌地震累积损伤评价 113
4.1.1 隧道衬砌地震累积损伤评价指标 114
4.1.2 隧道横穿主滑面空间动力耦合系统地震累积损伤PEC 评价 119
4.1.3 隧道横穿牵引段滑面空间动力耦合系统地震累积损伤PEC 评价 121
4.2 基于能量效应的隧道衬砌结构损伤评价 123
4.2.1 基于能量效应的艾里阿斯烈度动力损伤放大效应评价指标 124
4.2.2 隧道横穿主滑面空间动力耦合系统MIa 损伤评价 125
4.2.3 隧道横穿牵引段滑面空间动力耦合系统MIa 损伤评价 128
4.3 基于频谱差异的隧道衬砌结构损伤水平相关性评价 132
4.3.1 基于频谱幅值的对数正态分布结构动力损伤水平相关性评价指标 133
4.3.2 隧道下穿主滑面空间动力耦合系统损伤水平相关性评价 135
4.3.3 隧道下穿牵引段滑面空间动力耦合系统损伤水平相关性评价 141
4.4 本章小结 147
参考文献 148
第5章 高烈度区隧道下穿滑坡体系*小安全下穿距离计算 149
5.1 基于水平地震附加荷载作用的滑坡推力计算 150
5.1.1 **力学的传递系数法滑坡推力计算 150
5.1.2 基于地震波传播时域特性的附加水平地震力计算 151
5.1.3 基于地震波传播时域特性的附加滑坡推力计算 153
5.2 子结构-反应位移地震作用计算 154
5.2.1 **反应位移法地震作用计算 155
5.2.2 基于土-结构相互作用分析的子结构地震作用计算 156
5.2.3 基于LSRDI效应的子结构-反应位移地震作用计算 157
5.3 高烈度区隧道结构荷载和变形的理论解 159
5.3.1 隧道横穿基岩典型力学模式理论解 159
5.3.2 隧道横穿滑体典型力学模式理论解 166
5.3.3 隧道横穿滑面典型力学模式理论解 169
5.4 高烈度区隧道*小安全下穿距离计算 172
5.4.1 隧洞施工径向扰动深度 172
5.4.2 松动岩土体的挤压带拱高 178
5.4.3 *小安全下穿距离 180
5.5 本章小结 181
参考文献 182
第6章 高烈度区隧道下穿滑坡体系的衬砌减隔震技术
及抗震型防治结构设计 183
6.1 岩土地震工程DGS-100振动台研发及可靠性验证 185
6.1.1 DGS-100动态试验加载全数字伺服控制系统研发 185
6.1.2 地震模拟振动台系统组成及工作可靠性检算 187
6.1.3 地震模拟试验台振动伺服油缸工作参数核定及设备可靠性评价 189
6.1.4 振动台设备地基基础处理及可靠性评价 192
6.2 高烈度区隧道下穿滑坡典型模式衬砌减震层优化设计效果评价 200
6.2.1 基于刚度匹配原则的隧道衬砌减震层设计 200
6.2.2 振动台试验设计 209
6.2.3 不同加载序列衬砌结构加速度响应减震效果评价方法 217
6.2.4 不同加载序列衬砌结构动应变响应减震效果评价方法 226
6.3 新型多锚点锚索圆桩加固高烈度区隧道横穿滑面典型模式的抗震性能评估 236
6.3.1 新型多锚点锚索圆桩抗震结构设计优化 236
6.3.2 振动台试验设计 239
6.3.3 不同加载序列多锚点锚索圆桩加速度响应抗震效果评价方法 248
6.3.4 不同加载序列多锚点锚索圆桩动应变响应抗震效果评价方法 257
6.4 本章小结 268
参考文献 269