趙 金,吳紅剛,牌立芳,李玉瑞

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070； 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730030； 3.中國(guó)中鐵滑坡工程實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000； 4.西部環(huán)境巖土及場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000)

“十三五”期間，隨著國(guó)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(yàn)，山區(qū)隧道地質(zhì)條件一般比較復(fù)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(huì)導(dǎo)致坡體內(nèi)隧道變形破壞，阻礙交通的運(yùn)行[1]。因此坡體蠕滑變形對(duì)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(xué)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(duì)中國(guó)山區(qū)大量鐵路干線的隧道變形實(shí)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(yàn)對(duì)隧道滑坡相互作用機(jī)理進(jìn)行了研究。毛堅(jiān)強(qiáng)等[4]應(yīng)用接觸問題的有限元算法對(duì)隧道滑坡間的相互作用機(jī)理及受力變形規(guī)律進(jìn)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(hù)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(dǎo)內(nèi)力和位移的傳遞矩陣計(jì)算式。王雷等[9]應(yīng)用MIDAS GTS有限元計(jì)算軟件對(duì)鐵路隧道斜向穿越滑坡體時(shí)的受力變形特征，以及隧道洞身開挖對(duì)滑坡穩(wěn)定的影響過程進(jìn)行了研究。吳紅剛[10-12]等研究了隧道與滑坡的相對(duì)位置關(guān)系以及不同位置情況下滑坡體對(duì)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(jī)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(dǎo)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(jī)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(yùn)用有限元分析計(jì)算的方法，分析了實(shí)際工程中采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁和普通抗滑樁聯(lián)合作用時(shí)，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(xué)者對(duì)隧道-滑坡相互作用機(jī)理和治理技術(shù)方面做了大量研究，但對(duì)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(yàn)，以連續(xù)加載的方式模擬坡體蠕滑變形對(duì)平行體系中隧道的受力模式的影響及破壞過程。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原型與目的

目前，我國(guó)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(dāng)洞口邊坡失穩(wěn)時(shí)，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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料選擇

本次模型試驗(yàn)各材料的選擇如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

此模型試驗(yàn)在室外的模型箱內(nèi)完成，模型箱尺寸為：長(zhǎng)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(yàn)?zāi)Ｐ驼w如圖2所示。

圖2 隧道-滑坡整體模型

試驗(yàn)中在滑體第二個(gè)截面中部主滑段處埋設(shè)1根φ50 cm的PVC管，管長(zhǎng)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(shí)管子后端固定在澆筑板上。同時(shí)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(yàn)傳感器布置及測(cè)試內(nèi)容

模型試驗(yàn)采用應(yīng)變片以及應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀全程監(jiān)測(cè)逐級(jí)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(gè)斷面。其中縱向沿隧道軸線布置16個(gè)電阻式應(yīng)變片，滑帶前后2.5 cm環(huán)向分別布置8個(gè)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(cè)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(gè)階段的試驗(yàn)效果，設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，采用分段均勻逐級(jí)加載的方式。

圖5 百分表布置斷面(單位：cm)

3 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)擬定為探究性試驗(yàn)，試驗(yàn)外力加載利用標(biāo)準(zhǔn)加載板，每個(gè)0.5 kN，在加載平臺(tái)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(yàn)，加載工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況方案設(shè)計(jì)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)通過坡面位移、隧道應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)處理與分析，重點(diǎn)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(shì)，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(yàn)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(gè)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??；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(shí)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(shí)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(shí)，產(chǎn)生沉降位移。

中期加載：隨著荷載的增加，此時(shí)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(dǎo)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(gè)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(shí)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(qiáng)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(jìn)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(dāng)荷載達(dá)到3.5 kN時(shí)，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(cuò)動(dòng)，坡體整體失穩(wěn)破壞，坡頂產(chǎn)生裂縫，并不斷擴(kuò)大(圖9)；坡腳土體破壞、塌落(圖10)。此時(shí)坡頂和坡腳百分表的水平、豎直位移均急劇增大，同時(shí)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(cè)點(diǎn)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(hào))增大趨勢(shì)較其他滑體內(nèi)測(cè)點(diǎn)明顯。這是由于施加的荷載剛開始僅對(duì)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(kuò)展(隨著坡體的形成，滑坡推力作用到隧道上具有一個(gè)時(shí)間效應(yīng)，先對(duì)滑帶處的隧道造成影響，再不斷地向洞口擴(kuò)展)。同時(shí)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(hào)、13號(hào))處應(yīng)變值增加最快，并且達(dá)到所有測(cè)點(diǎn)中的最大值，洞口與滑帶隧道中部(5號(hào))的應(yīng)變值變?yōu)樨?fù)值。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(dǎo)致滑坡推力對(duì)該處隧道產(chǎn)生應(yīng)力集中。同時(shí)由于洞口支撐，可將隧道簡(jiǎn)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(dāng)荷載達(dá)到3.5 kN時(shí)，滑帶(11號(hào)、13號(hào))處應(yīng)變值達(dá)到最大值，此時(shí)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(dāng)滑體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，隨著荷載的增加，隧道應(yīng)變值均沒有明顯變化，這是因?yàn)榛w已經(jīng)失穩(wěn)，作用于隧道上的滑坡推力達(dá)到最大值不再增大。當(dāng)時(shí)間為2 900 s時(shí)所有應(yīng)變值均急劇改變，隧道破壞。因?yàn)槠麦w已經(jīng)滑動(dòng)，產(chǎn)生明顯位移，隧道受到的彎矩和剪力都達(dá)到最大，最終導(dǎo)致隧道在滑面處發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，形成剪切錯(cuò)臺(tái)。

4.3 隧道環(huán)向應(yīng)力分析

從圖12可以看出，當(dāng)滑體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，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(shí)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(hào)和7號(hào)應(yīng)變值首先發(fā)生突變，之后位于邊墻的2號(hào)和6號(hào)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(hào)、4號(hào)和5號(hào)。說明坡體處于失穩(wěn)破壞時(shí)，較大的滑坡推力和位移作用于隧道上，導(dǎo)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(kuò)展，最后裂縫貫通到隧道底部，導(dǎo)致隧道整體破壞。

圖13 隧道破壞斷面

圖14 隧道2號(hào)斷面應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線

圖15 隧道3號(hào)斷面應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線

5 結(jié)論

通過室外模型試驗(yàn)，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(gè)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(shí)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(gè)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(jiǎn)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(cuò)斷；截面上，隧道拱部所受到的應(yīng)力比隧道底部大，同時(shí)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(kuò)展，最后裂縫貫通到隧道底部，導(dǎo)致隧道整體破壞。