洞口支撐作用下隧道-滑坡平行體系受力模式研究

趙 金,吳紅剛,牌立芳,李玉瑞

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070； 2.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730030； 3.中國中鐵滑坡工程實驗室,蘭州 730000； 4.西部環(huán)境巖土及場地修復技術(shù)工程實驗室,蘭州 730000)

“十三五”期間，隨著國家基建重心向西部轉(zhuǎn)移，在鐵路和公路建設(shè)中都采用大量的隧道通過山體。根據(jù)施工經(jīng)驗，山區(qū)隧道地質(zhì)條件一般比較復雜，尤其是隧道洞口段地質(zhì)條件差，容易產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)，往往會導致坡體內(nèi)隧道變形破壞，阻礙交通的運行[1]。因此坡體蠕滑變形對平行體系中隧道的受力模式的影響及破壞過程的研究具有重要意義。

近年來，專家、學者關(guān)于隧道滑坡受力模式的影響方面，做了大量的研究工作。馬惠民等[2-4]通過對中國山區(qū)大量鐵路干線的隧道變形實例的調(diào)查分析，提出了滑坡病害與隧道變形的5種地質(zhì)模型，并通過模型試驗對隧道滑坡相互作用機理進行了研究。毛堅強等[4]應(yīng)用接觸問題的有限元算法對隧道滑坡間的相互作用機理及受力變形規(guī)律進行了研究。王玉龍等[5-6]研究了偏壓-滑坡隧道圍巖變形和受力特征。許淑珍等[7]研究了在滑坡體黃土隧道中使用縱環(huán)向注漿聯(lián)合的支護技術(shù)。尹靜等[8]建立隧道與滑坡土體相互作用的彈性圍巖-隧道結(jié)構(gòu)梁模型，采用傳遞矩陣法推導內(nèi)力和位移的傳遞矩陣計算式。王雷等[9]應(yīng)用MIDAS GTS有限元計算軟件對鐵路隧道斜向穿越滑坡體時的受力變形特征，以及隧道洞身開挖對滑坡穩(wěn)定的影響過程進行了研究。吳紅剛[10-12]等研究了隧道與滑坡的相對位置關(guān)系以及不同位置情況下滑坡體對隧道的作用形式，提出隧道-滑坡正交體系、平行體系和斜交體系。杜升濤等[13-16]研究了正交體系下隧道滑坡的作用機理，提出了隧道在滑坡推力作用下的受力模式及相應(yīng)的治理結(jié)構(gòu)。張靚等[17]通過理論公式推導和數(shù)值模擬分析，研究了斜交體系下圍巖與隧道的相互作用機理，分析了作用于襯砌的滑坡推力分布情況及隧道本身的變形規(guī)律。弭坤等[18]運用有限元分析計算的方法，分析了實際工程中采用預應(yīng)力錨索抗滑樁和普通抗滑樁聯(lián)合作用時，抗滑樁和擋墻中應(yīng)力分布和水平位移的變化規(guī)律。

綜上所述，眾多學者對隧道-滑坡相互作用機理和治理技術(shù)方面做了大量研究，但對基于橋隧過渡段支撐作用下隧道-滑坡平行體系受力模式及隧道破壞形式的研究較少。本文通過模型試驗，以連續(xù)加載的方式模擬坡體蠕滑變形對平行體系中隧道的受力模式的影響及破壞過程。

1 試驗設(shè)計原型與目的

目前，我國鐵路橋隧過渡段主要采用橋梁伸入隧道與隧道連接的形式[19](圖1)，當洞口邊坡失穩(wěn)時，隧道在橋隧過渡段的支撐作用下受到滑坡推力的影響而產(chǎn)生變形破壞。

因此，本次模型試驗在橋隧過渡段支撐方式作用下，研究隧道-滑坡平行體系中隧道的受力模式及破壞形式。

圖1 橋隧過渡段支撐方式

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料選擇

本次模型試驗各材料的選擇如表1所示。

表1 試驗材料

2.2 試驗模型設(shè)計

此模型試驗在室外的模型箱內(nèi)完成，模型箱尺寸為：長1 400 cm，寬600 cm，高1 100 cm?；禄瑤閳A弧型，坡面為40°的單面斜坡。試驗模型整體如圖2所示。

圖2 隧道-滑坡整體模型

試驗中在滑體第二個截面中部主滑段處埋設(shè)1根φ50 cm的PVC管，管長110 cm，為了模擬滑帶處的應(yīng)力集中，使隧道處于懸臂狀態(tài)，其中60 cm埋設(shè)在基巖中，同時管子后端固定在澆筑板上。同時在洞口下面設(shè)置一矩形木塊，伸入基巖中固定，模擬橋隧過渡段支撐方式，如圖3所示。

圖3 橋隧過渡段支撐作用下模型示意(單位：cm)

2.3 試驗傳感器布置及測試內(nèi)容

模型試驗采用應(yīng)變片以及應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀全程監(jiān)測逐級加載作用下隧道受滑坡推力的變形情況，共設(shè)置隧道縱向、滑帶前后環(huán)向3個斷面。其中縱向沿隧道軸線布置16個電阻式應(yīng)變片，滑帶前后2.5 cm環(huán)向分別布置8個電阻式應(yīng)變片，如圖4所示。

圖4 隧道應(yīng)變片布置

為了監(jiān)測坡體在加載過程中的穩(wěn)定性，在隧道坡頂、坡腳分別布置水平向和豎直向百分表，平面布置如圖5所示。為了更好地反映在各個階段的試驗效果，設(shè)計試驗時，采用分段均勻逐級加載的方式。

圖5 百分表布置斷面(單位：cm)

3 試驗過程

本試驗擬定為探究性試驗，試驗外力加載利用標準加載板，每個0.5 kN，在加載平臺上依次放置，每次加載后直到百分表讀數(shù)趨于平穩(wěn)后再次加載，最終使坡體破壞或隧道破壞結(jié)束試驗，加載工況如表2所示。

表2 試驗工況方案設(shè)計

4 試驗結(jié)果分析

本試驗通過坡面位移、隧道應(yīng)變測試數(shù)據(jù)處理與分析，重點探討在無支檔結(jié)構(gòu)下，單滑面隧道-滑坡平行體系上部加載在隧道洞口支撐方式、隧道的變形特征以及破壞形式。

4.1滑體位移變形分析

本次主要討論坡頂和坡腳位移變化趨勢，在每一次加載前和加載穩(wěn)定后分別記錄百分表讀數(shù)，直至試驗結(jié)束。為了說明坡體的變形情況，將加載過程分為前期加載(0～1.5 kN)、中期加載(1.5～3.0 kN)、后期加載(3.0～4.0 kN)3個階段。坡頂、坡角位移S-T曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6 坡頂位移S-t曲線

圖7 坡腳位移S-t曲線

前期加載：在前期加載過程中隨著加載板的增加，坡頂百分表水平位移緩慢增大，豎向位移減小；坡腳豎向、水平位移均無明顯變化。這是由于滑坡體處于應(yīng)力重分布階段，此時抗滑段的抗滑力大于主滑段的滑坡推力，致使下部滑體穩(wěn)定。同時滑體上部土體較松散，孔隙率大，隨著頂部荷載的增加，不斷地使坡體上部土體擠密壓實，產(chǎn)生沉降位移。

中期加載：隨著荷載的增加，此時坡體主滑段主滑力不斷接近抗滑力，使坡體處于蠕滑變形階段，荷載的直接作用首先使上部坡體的位移形變繼續(xù)增大，且不斷向下部坡體傳遞，坡腳的土體擠壓，導致坡腳下部滑體變形明顯滯后于坡頂上部滑體，說明坡體內(nèi)應(yīng)力的傳遞有一個過程。所以坡頂和坡腳的百分表水平、豎直位移均增大，但是坡頂水平和豎直位移變化幅度卻明顯大于坡腳。同時在坡體中部產(chǎn)生裂縫(圖8)，這是由于坡體在蠕滑變形過程中抗滑力大于滑體自身的抗剪強度而發(fā)生剪切破壞。

圖8 滑體裂縫變化

后期加載：在此加載階段，坡體變形進一步增加，坡頂和坡腳百分表的水平、豎直位移均繼續(xù)增大，當荷載達到3.5 kN時，隨著荷載的繼續(xù)增加，坡體位移急劇變化，說明3.0～3.5 kN荷載作用下的坡體處于極限平衡狀態(tài)。隨著荷載的增加，滑體與基巖產(chǎn)生錯動，坡體整體失穩(wěn)破壞，坡頂產(chǎn)生裂縫，并不斷擴大(圖9)；坡腳土體破壞、塌落(圖10)。此時坡頂和坡腳百分表的水平、豎直位移均急劇增大，同時坡腳豎直位移在坡體塌落后又急劇減小。

圖9 坡頂裂縫變化

圖10 坡腳裂縫變化

4.2 隧道縱向應(yīng)變分析(圖11)

圖11 隧道軸向應(yīng)變曲線

為了說明隧道在滑坡推力作用下應(yīng)變的變化規(guī)律，將滑坡發(fā)展過程分為坡體穩(wěn)定變形階段、坡體蠕滑變形階段、坡體破壞階段。

(1)前期加載(坡體穩(wěn)定變形階段)

隨著荷載的施加，滑體內(nèi)各測點的應(yīng)變值開始均變化不大，隨后位于洞口處的應(yīng)變值(1號)增大趨勢較其他滑體內(nèi)測點明顯。這是由于施加的荷載剛開始僅對上部坡體產(chǎn)生影響，未傳遞到隧道上，滑體處于穩(wěn)定狀態(tài)。坡頂荷載的不斷增大致使主滑段的滑坡推力不斷推擠抗滑段的滑體，使作用于隧道的滑坡推力由滑帶處不斷向隧道洞口擴展(隨著坡體的形成，滑坡推力作用到隧道上具有一個時間效應(yīng)，先對滑帶處的隧道造成影響，再不斷地向洞口擴展)。同時隧道洞口受到橋隧過渡段的支撐而彎曲，產(chǎn)生較大的變形。

(2)中期加載(坡體蠕滑變形階段)

此階段滑帶(11號、13號)處應(yīng)變值增加最快，并且達到所有測點中的最大值，洞口與滑帶隧道中部(5號)的應(yīng)變值變?yōu)樨撝?。這是由于荷載的不斷增大致使坡體產(chǎn)生蠕滑變形，形成滑帶，導致滑坡推力對該處隧道產(chǎn)生應(yīng)力集中。同時由于洞口支撐，可將隧道簡化為梁式結(jié)構(gòu)，梁的一端絞支，另一端為固定端，中間受滑坡推力作用而彎曲變形。

(3)后期加載(坡體破壞階段)

此階段隧道變形規(guī)律與上一階段一致，如圖11所示。當荷載達到3.5 kN時，滑帶(11號、13號)處應(yīng)變值達到最大值，此時坡體處于極限平衡狀態(tài)，其中與滑帶相交段所受的滑坡推力最大。由圖11(b)可知，當滑體達到極限平衡狀態(tài)時，隨著荷載的增加，隧道應(yīng)變值均沒有明顯變化，這是因為滑體已經(jīng)失穩(wěn)，作用于隧道上的滑坡推力達到最大值不再增大。當時間為2 900 s時所有應(yīng)變值均急劇改變，隧道破壞。因為坡體已經(jīng)滑動，產(chǎn)生明顯位移，隧道受到的彎矩和剪力都達到最大，最終導致隧道在滑面處發(fā)生錯動，形成剪切錯臺。

4.3 隧道環(huán)向應(yīng)力分析

從圖12可以看出，當滑體達到極限平衡狀態(tài)時，斷面2和斷面3隧道拱部所受到的應(yīng)力均比隧道底部大。同時隧道拱部受拉，底部受壓，在隧道受拉與受壓的過渡區(qū)域形成中性區(qū)。

圖12 滑體極限平衡狀態(tài)下隧道環(huán)向應(yīng)力(單位：cm)

4.4 隧道破壞模式分析

從圖13～圖15可以看出，位于隧道拱部的1號和7號應(yīng)變值首先發(fā)生突變，之后位于邊墻的2號和6號應(yīng)變值也發(fā)生了突變，最后發(fā)生突變的是位于隧道底部的3號、4號和5號。說明坡體處于失穩(wěn)破壞時，較大的滑坡推力和位移作用于隧道上，導致隧道坡壞的位置位于滑帶附近。且隧道拱部受到的滑坡推力最大，首先產(chǎn)生剪切裂縫，隨后向邊墻擴展，最后裂縫貫通到隧道底部，導致隧道整體破壞。

圖13 隧道破壞斷面

圖14 隧道2號斷面應(yīng)變隨時間變化曲線

圖15 隧道3號斷面應(yīng)變隨時間變化曲線

5 結(jié)論

通過室外模型試驗，研究橋隧過渡段支撐作用下，隧道—滑坡平行體系中隧道在滑坡推力作用的變形模式及破壞過程，得到以下結(jié)論。

(1)滑坡的變形發(fā)展過程有3個階段，分別為坡體穩(wěn)定變形階段、坡體蠕滑變形階段、坡體破壞階段。同時在坡體變形過程中，坡腳滑體變形明顯滯后于坡頂滑體，即滑體內(nèi)應(yīng)力的傳遞有一個過程。

(2)在橋涵過渡段支撐作用下，位于滑體內(nèi)隧道的變形特征與梁式結(jié)構(gòu)一致，可將該段隧道簡化為梁式結(jié)構(gòu)，梁的一端絞支，另一端為固定端。

(3)軸向上，位于滑帶處隧道所受的滑坡推力最大，此處極易發(fā)生剪切錯斷；截面上，隧道拱部所受到的應(yīng)力比隧道底部大，同時隧道拱部受拉，底部受壓，在隧道受拉與受壓的過渡區(qū)域形成拉壓中性區(qū)。

(4)隧道坡壞的位置位于滑帶附近，且隧道拱部受到的滑坡推力最大，首先產(chǎn)生剪切裂縫，隨后向邊墻擴展，最后裂縫貫通到隧道底部，導致隧道整體破壞。