滑坡內(nèi)隧道變形模式與荷載計算方法

趙 金，吳紅剛，劉德仁，牌立芳,4，李玉瑞

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000；3.中國中鐵滑坡工程實驗室，甘肅 蘭州 730000；4.西部環(huán)境巖土與場地修復(fù)技術(shù)工程實驗室，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和國土的開發(fā)利用，建設(shè)規(guī)模越來越大，范圍越來越廣，尤其在山區(qū)和丘陵地區(qū)開發(fā)中，鐵路的修建不可避免通過隧道穿越山體，然而這些山體在降雨、地震等因素下極易產(chǎn)生滑坡，在交通運營使用時，在滑坡推力的作用下易導(dǎo)致鐵路發(fā)生變形、破壞，影響行車安全。因此，越來越多的專家、研究工作者重視對于滑坡與隧道的相互作用模式和隧道的開挖對滑坡的影響的研究。馬惠民，[1]張魯新等[2]，毛堅強等[3]研究了坡體蠕滑的成因及隧道的變形機理。王俊偉等[4]研究了渭河隧道施工對上覆滑坡體擾動影響及滑坡對隧道圍巖的作用機理，提出相應(yīng)的治理措施。王玉龍等[5]研究了孫家崖偏壓-滑坡隧道圍巖變形和受力特征。許淑珍等[6]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)。吳紅剛等[7]，朱苦竹等[8]，王建修等[9]，范建海等[10]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和破壞情況，提出隧道-滑坡正交體系、平行體系和斜交體系。陳小云等[11]研究了正交體系下隧道與滑帶相交的力學(xué)模型。

上述學(xué)者大多只是對工程實例中的某個特定例子進(jìn)行研究分析，得出的受力模式適應(yīng)性差，難以大范圍推廣應(yīng)用，而且只是得出滑坡推力與圍巖壓力對隧道的荷載作用模式，無法為滑坡地段的隧道設(shè)計提供借鑒。

現(xiàn)主要研究單滑面情況下，隧道穿越滑體的受力圖示及荷載計算方法。通過工程實例中隧道的變形特征建立相應(yīng)的工程地質(zhì)模型，將作用于隧道的滑坡推力與圍巖壓力進(jìn)行疊加，得出隧道在滑坡推力作用下的受力圖示和荷載計算公式。

1 典型實例分析

當(dāng)隧道位于滑體內(nèi)時，主要承受滑坡推力和圍巖壓力。該類型的典型工程實例有成昆線林場隧道-滑坡、襄渝線狗磨灣隧道-滑坡。

1.1 成昆線林場隧道-滑坡

成昆線林場隧道位于青杠-沙壩之間，于1967年建成通車。建成初期鐵路通過-古滑坡(圖1)。1967年至1991年間坡體保持穩(wěn)定，無滑動趨勢，隧道安全運營。其地質(zhì)斷面如圖2所示。

圖1 林場隧道-滑坡平面圖Fig.1 The plane map of the tunnel-landslide in the forest farm

圖2 林場隧道-滑坡地質(zhì)斷面圖Fig.2 The tunnel-landslide geological section of the forest farm

1991年7～9月，該地區(qū)發(fā)生大規(guī)模的降雨，部分時段雨量達(dá)到1 100 mm多。由于長時間的持續(xù)降雨導(dǎo)致滑坡區(qū)大量雨水匯聚，前部坡體在雨水的長期浸泡作用下飽和軟化，致使主滑體失去東南支撐腳，而整體滑動。同時，滑帶上部為破碎昔格達(dá)組巖體，下部為堅硬的玄武巖，強降雨使滑帶巖土體飽和產(chǎn)生靜水壓力，導(dǎo)致主滑體加速蠕滑?；轮胁康牧謭鏊淼莱惺芑峦屏ψ饔冒l(fā)生變形破壞，隧道內(nèi)壁邊墻受力產(chǎn)生20余條橫向裂紋。由于隧道受不對稱推力作用，使隧道發(fā)生整體移動，連接縫不規(guī)則錯動，隧道沿軸向縱向彎曲嚴(yán)重，進(jìn)出口整體向河側(cè)位移約200 mm，邊墻錯臺部分下沉。2個月后，滑坡變形趨于穩(wěn)定，隧道破壞停止(圖3)。

圖3 林場隧道變形圖示Fig.3 The deformation diagram of the forest farm tunnel

1.2 湘渝線狗磨灣隧道-滑坡

狗磨灣隧道位于湘渝線狗磨灣地區(qū)，坡體土層上部為堆積土,滑帶以下為節(jié)理發(fā)育,風(fēng)化嚴(yán)重的石英云母片巖,地質(zhì)斷面圖如圖4所示。建設(shè)期間發(fā)生持續(xù)降雨，導(dǎo)致雨水滲入滑帶,巖土進(jìn)一步軟化，同時導(dǎo)致漢江水位上升不斷的沖蝕坡腳，使坡體逐漸失去支撐力,破壞了原來的平衡而使滑坡滑動。坡體下滑力的作用使隧道路線向漢江方向移動了0.079～0.299 m，連接縫產(chǎn)生錯動，邊墻產(chǎn)生一些橫向環(huán)形裂縫。1983年雨季,滑坡蠕滑加劇，導(dǎo)致隧道變形進(jìn)一步擴大,隧道靠山側(cè)拱部混凝土掉塊。1987年雨季,中鐵西北科學(xué)研究院對隧道監(jiān)測發(fā)現(xiàn)里程K260+342～K260+382段變形進(jìn)一步增大,隧道邊墻不斷向河側(cè)移動傾斜，13號避人洞的邊墻、拱部裂縫擴展變形量從監(jiān)測開始已經(jīng)達(dá)到8.42 mm/80 d，并且不斷擴大。

圖4 狗磨灣隧道-滑坡地質(zhì)斷面圖Fig. 4 The tunnel-landslide geological section of Goumowan

圖5 狗磨灣隧道變形圖特征Fig.5 The deformation diagram of Goumowan tunnel

2 滑坡內(nèi)遂道受力特征

2.1 滑體內(nèi)隧道地質(zhì)模型

從隧道的變形特征圖(圖5)知位于滑坡體內(nèi)的隧道變形具有一定規(guī)律，拱部、邊墻裂縫發(fā)展規(guī)律一致。本著“忽略次要影響因素，抓主要影響因素”的原則，將位于滑坡體內(nèi)的隧道-滑坡工程實例簡化為相應(yīng)工程地質(zhì)模型。由于隧道和滑坡坡體的接觸面是立體的，所以從隧道橫向截面和縱向分別進(jìn)行分析(表1)。

由地質(zhì)模型分析知，當(dāng)隧道位于滑體內(nèi)的時候，就像埋入滑體內(nèi)的空心薄壁地梁，兩端有支撐，中間受滑坡推力作用，下側(cè)面受滑坡剩余抗滑力。如果下側(cè)滑坡體已經(jīng)滑動對隧道無支撐，則下側(cè)面受力可忽略不計?；禄瑒臃较蚺c隧道軸線方向有正交、斜交和平行關(guān)系，為了簡化計算和推導(dǎo)方法的說明，采用隧道軸線與滑坡滑動方向正交的模式進(jìn)行推導(dǎo)，將隧道上方正常的圍巖壓力和隧道后部緊鄰滑塊的剩余下滑力視為直接作用于隧道上的分布荷載，再結(jié)合隧道圍巖的彈塑性理論對其進(jìn)行一定的修正。

2.2 滑坡推力空間分布

由于坡體是立體結(jié)構(gòu)，斷面上所受的滑坡推力也是立體分布的， 為了準(zhǔn)確的計算滑坡推力的大小分布，從三維空間將滑坡推力沿著其縱向和橫向分布來考慮。

由圖6知坡體縱向滑坡推力由牽引段不斷的向主滑段增大，再向抗滑段減小。橫向為中間的滑坡推力最大，依次向兩邊遞減。因此將滑坡中間斷面作為最危險截面，同時可以通過橫向斷面的滑坡推力求出其它斷面上的滑坡推力。沿y方向，滑坡推力為y的函數(shù)式p(y)，設(shè)控制斷面上某一滑塊的滑坡推力為p0，則距離控制斷面y處滑塊的滑坡推力為：

p(y)=p0λ(y)

(1)

式中：λ(y)——分布函數(shù)[12]。

滑坡推力分布有三角形分布、矩形分布、梯形分布三種形式[13-14]，為了驗證推導(dǎo)過程，采用較復(fù)雜的梯形分布(圖7a)來計算。梯形分布時滑坡推力的荷載值為：

表1 隧道-滑坡工程地質(zhì)模型

圖6 滑坡推力空間分布圖Fig.6 The distribution of landslide thrust on three dimensional space

(2)

式中：h1——與隧道接觸條塊的高度；

pi——傳遞系數(shù)法計算條塊作用于隧道的滑坡推力合力；

z——從地面到滑面的條塊豎向位置的高度；

kh2——滑坡合力作用點距滑面的距離。

為了與圍巖壓力進(jìn)行疊加，將其沿水平方向和豎直方向分解，見圖7(b)。

圖7 作用于隧道上的滑坡推力分解圖Fig.7 The decomposition diagram of landslide thrust on tunnel

3 滑坡中隧道荷載計算方法

3.1 隧道橫向荷載的分布和計算方法

(1)拱部結(jié)構(gòu)

將作用于拱腳到B點的滑坡推力水平方向分解為：

(3)

豎直方向分解為：

(4)

則作用于拱部的合力(0≤z≤hBC)

水平方向：

(5)

豎直方向 ：

式中:qh右——靠山側(cè)邊墻隧道圍巖壓力，可參照文獻(xiàn)15選?。?/p>

qpv——隧道拱部圍巖壓力，可參照文獻(xiàn)15選??；

β——滑面傾角；

h′，h——分別為內(nèi)、外側(cè)由拱頂水平至地面的高度(m)；

B——坑道跨度(m)；

γ——圍巖重度(kN/m3)；

θ——頂板土柱兩側(cè)摩擦角(°)；

λ，λ′——內(nèi)外、側(cè)的側(cè)壓力系數(shù)；

Z——地面到隧道邊墻位置的垂直高度；

hi——分別為內(nèi)、外側(cè)任一點i至地面的距離(m)。

當(dāng)滑坡推力作用于拱部時，除了受直接接觸拱部的推力外，還受到未接觸推力的影響，同時隧道開挖會導(dǎo)致圍巖應(yīng)力松弛，產(chǎn)生塑性區(qū)，因此以上求出的拱部豎向荷載需要修正(圖8、圖9)。

圖8 拱部合力計算圖示Fig.8 Calculation diagram of resultant force acting on tunnel arch

圖9 右邊墻合力計算圖示Fig.9 The force calculation diagram acting on the right wall of tunnel

(2)右邊墻(靠山側(cè))結(jié)構(gòu)

將作用于右邊墻底部到拱腳的滑坡推力在水平方向和豎直方向進(jìn)行分解。

可得水平方向滑坡推力：(hBC≤z≤hCD)

(7)

豎直方向的推力：

(8)

則作用于右邊墻的合力：

水平方向：

(9)

豎直方向：

(10)

(3)左邊墻結(jié)構(gòu)

隧道在滑坡推力作用下，產(chǎn)生向左的變形，導(dǎo)致左邊墻擠壓巖土體。左側(cè)巖土體對邊墻產(chǎn)生巖土抗力，如果隧道前部滑體隨著坡體蠕動而發(fā)生滑動時，則滑體對隧道的巖土抗力可忽略不計。反之，為了設(shè)計的安全考慮，則左邊墻的滑體抗力取隧道前部滑體剩余抗滑力。前部滑體剩余抗滑力合力可通過滑坡設(shè)計的傳遞系數(shù)法求得，沿隧道左半部分的荷載分布表達(dá)式與右邊墻一致，為：

(11)

(4)總結(jié)

由圖10知隧道橫向荷載靠山側(cè)明顯比靠河側(cè)大，導(dǎo)致靠山側(cè)邊墻和拱部破壞比河側(cè)嚴(yán)重，與地質(zhì)模型中隧道的變形特征完全相同。

圖10 隧道位于滑體內(nèi)時受力示意圖Fig.10 Schematic diagram of force acting on a tunnel in a sliding body

3.2 隧道軸向荷載的分布和計算方法

隧道軸向受圍巖壓力和滑坡推力的作用，滑坡推力呈中間大兩邊小分布，其大小用p(y)表示(圖11)；圍巖壓力只與深度有關(guān)，而隧道垂直滑動面，所以沿隧道軸向圍巖壓力不變，則偏壓隧道的荷載分布為：

圖11 隧道軸向受力示意圖Fig.11 The schematic diagram of the axial force acting on the tunnel in the sliding body

(12)

則隧道靠山側(cè)邊墻所受的合力：

(13)

式中：λ(y)——滑坡推力沿隧道軸向的分布函數(shù)；

h——為靠山側(cè)側(cè)由拱頂水平至地面的高度(m)；

H——隧道的高度(m)；

γ——圍巖重度(kN/m3)。

4 結(jié)論

(1)位于滑坡體內(nèi)的隧道在滑坡推力作用下軸向發(fā)生彎曲變形，靠山側(cè)邊墻首先發(fā)生破壞，不斷延伸至拱部，導(dǎo)致隧道整體破壞。

(2)滑坡體內(nèi)的隧道的工程地質(zhì)模型為梁式結(jié)構(gòu)在其縱向上承受滑坡推力作用，下側(cè)面受滑坡剩余抗滑力作用。

(3)位于滑坡體內(nèi)的隧道軸向受滑坡推力和圍巖壓力作用，大小呈拋物線形式，中間截面為控制截面，隧道設(shè)計時以此截面進(jìn)行設(shè)計。橫向其靠山側(cè)邊墻和拱部受力比另一側(cè)大，呈梯形分布。隧道設(shè)計時以靠山側(cè)荷載進(jìn)行襯砌設(shè)計，可保證設(shè)計結(jié)構(gòu)的安全。

為了將滑坡推力納入鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中，對隧道-滑坡平行體系、正交體系、斜交體系還需要進(jìn)行大量的研究，其中具有通用性的斜交體系的研究最為重要。