洞口支撑作用下隧道-滑坡平行体系受力模式研究

2018-10-20吴红刚牌立芳李玉瑞

铁道标准设计 2018年11期

赵金,吴红刚,牌立芳,李玉瑞

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070； 2.中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730030； 3.中国中铁滑坡工程实验室,兰州 730000； 4.西部环境岩土及场地修复技术工程实验室,兰州 730000)

“十三五”期间，随着国家基建重心向西部转移，在铁路和公路建设中都采用大量的隧道通过山体。根据施工经验，山区隧道地质条件一般比较复杂，尤其是隧道洞口段地质条件差，容易产生边坡失稳，往往会导致坡体内隧道变形破坏，阻碍交通的运行[1]。因此坡体蠕滑变形对平行体系中隧道的受力模式的影响及破坏过程的研究具有重要意义。

近年来，专家、学者关于隧道滑坡受力模式的影响方面，做了大量的研究工作。马惠民等[2-4]通过对中国山区大量铁路干线的隧道变形实例的调查分析，提出了滑坡病害与隧道变形的5种地质模型，并通过模型试验对隧道滑坡相互作用机理进行了研究。毛坚强等[4]应用接触问题的有限元算法对隧道滑坡间的相互作用机理及受力变形规律进行了研究。王玉龙等[5-6]研究了偏压-滑坡隧道围岩变形和受力特征。许淑珍等[7]研究了在滑坡体黄土隧道中使用纵环向注浆联合的支护技术。尹静等[8]建立隧道与滑坡土体相互作用的弹性围岩-隧道结构梁模型，采用传递矩阵法推导内力和位移的传递矩阵计算式。王雷等[9]应用MIDAS GTS有限元计算软件对铁路隧道斜向穿越滑坡体时的受力变形特征，以及隧道洞身开挖对滑坡稳定的影响过程进行了研究。吴红刚[10-12]等研究了隧道与滑坡的相对位置关系以及不同位置情况下滑坡体对隧道的作用形式，提出隧道-滑坡正交体系、平行体系和斜交体系。杜升涛等[13-16]研究了正交体系下隧道滑坡的作用机理，提出了隧道在滑坡推力作用下的受力模式及相应的治理结构。张靓等[17]通过理论公式推导和数值模拟分析，研究了斜交体系下围岩与隧道的相互作用机理，分析了作用于衬砌的滑坡推力分布情况及隧道本身的变形规律。弭坤等[18]运用有限元分析计算的方法，分析了实际工程中采用预应力锚索抗滑桩和普通抗滑桩联合作用时，抗滑桩和挡墙中应力分布和水平位移的变化规律。

综上所述，众多学者对隧道-滑坡相互作用机理和治理技术方面做了大量研究，但对基于桥隧过渡段支撑作用下隧道-滑坡平行体系受力模式及隧道破坏形式的研究较少。本文通过模型试验，以连续加载的方式模拟坡体蠕滑变形对平行体系中隧道的受力模式的影响及破坏过程。

1 试验设计原型与目的

目前，我国铁路桥隧过渡段主要采用桥梁伸入隧道与隧道连接的形式[19](图1)，当洞口边坡失稳时，隧道在桥隧过渡段的支撑作用下受到滑坡推力的影响而产生变形破坏。

因此，本次模型试验在桥隧过渡段支撑方式作用下，研究隧道-滑坡平行体系中隧道的受力模式及破坏形式。

图1 桥隧过渡段支撑方式

2 试验设计

2.1 试验材料选择

本次模型试验各材料的选择如表1所示。

表1 试验材料

2.2 试验模型设计

此模型试验在室外的模型箱内完成，模型箱尺寸为：长1 400 cm，宽600 cm，高1 100 cm。滑坡滑带为圆弧型，坡面为40°的单面斜坡。试验模型整体如图2所示。

图2 隧道-滑坡整体模型

试验中在滑体第二个截面中部主滑段处埋设1根φ50 cm的PVC管，管长110 cm，为了模拟滑带处的应力集中，使隧道处于悬臂状态，其中60 cm埋设在基岩中，同时管子后端固定在浇筑板上。同时在洞口下面设置一矩形木块，伸入基岩中固定，模拟桥隧过渡段支撑方式，如图3所示。

图3 桥隧过渡段支撑作用下模型示意(单位：cm)

2.3 试验传感器布置及测试内容

模型试验采用应变片以及应变数据采集仪全程监测逐级加载作用下隧道受滑坡推力的变形情况，共设置隧道纵向、滑带前后环向3个断面。其中纵向沿隧道轴线布置16个电阻式应变片，滑带前后2.5 cm环向分别布置8个电阻式应变片，如图4所示。

图4 隧道应变片布置

为了监测坡体在加载过程中的稳定性，在隧道坡顶、坡脚分别布置水平向和竖直向百分表，平面布置如图5所示。为了更好地反映在各个阶段的试验效果，设计试验时，采用分段均匀逐级加载的方式。

图5 百分表布置断面(单位：cm)

3 试验过程

本试验拟定为探究性试验，试验外力加载利用标准加载板，每个0.5 kN，在加载平台上依次放置，每次加载后直到百分表读数趋于平稳后再次加载，最终使坡体破坏或隧道破坏结束试验，加载工况如表2所示。

表2 试验工况方案设计

4 试验结果分析

本试验通过坡面位移、隧道应变测试数据处理与分析，重点探讨在无支档结构下，单滑面隧道-滑坡平行体系上部加载在隧道洞口支撑方式、隧道的变形特征以及破坏形式。

4.1滑体位移变形分析

本次主要讨论坡顶和坡脚位移变化趋势，在每一次加载前和加载稳定后分别记录百分表读数，直至试验结束。为了说明坡体的变形情况，将加载过程分为前期加载(0～1.5 kN)、中期加载(1.5～3.0 kN)、后期加载(3.0～4.0 kN)3个阶段。坡顶、坡角位移S-T曲线分别如图6、图7所示。

图6 坡顶位移S-t曲线

图7 坡脚位移S-t曲线

前期加载：在前期加载过程中随着加载板的增加，坡顶百分表水平位移缓慢增大，竖向位移减小；坡脚竖向、水平位移均无明显变化。这是由于滑坡体处于应力重分布阶段，此时抗滑段的抗滑力大于主滑段的滑坡推力，致使下部滑体稳定。同时滑体上部土体较松散，孔隙率大，随着顶部荷载的增加，不断地使坡体上部土体挤密压实，产生沉降位移。

中期加载：随着荷载的增加，此时坡体主滑段主滑力不断接近抗滑力，使坡体处于蠕滑变形阶段，荷载的直接作用首先使上部坡体的位移形变继续增大，且不断向下部坡体传递，坡脚的土体挤压，导致坡脚下部滑体变形明显滞后于坡顶上部滑体，说明坡体内应力的传递有一个过程。所以坡顶和坡脚的百分表水平、竖直位移均增大，但是坡顶水平和竖直位移变化幅度却明显大于坡脚。同时在坡体中部产生裂缝(图8)，这是由于坡体在蠕滑变形过程中抗滑力大于滑体自身的抗剪强度而发生剪切破坏。

图8 滑体裂缝变化

后期加载：在此加载阶段，坡体变形进一步增加，坡顶和坡脚百分表的水平、竖直位移均继续增大，当荷载达到3.5 kN时，随着荷载的继续增加，坡体位移急剧变化，说明3.0～3.5 kN荷载作用下的坡体处于极限平衡状态。随着荷载的增加，滑体与基岩产生错动，坡体整体失稳破坏，坡顶产生裂缝，并不断扩大(图9)；坡脚土体破坏、塌落(图10)。此时坡顶和坡脚百分表的水平、竖直位移均急剧增大，同时坡脚竖直位移在坡体塌落后又急剧减小。

图9 坡顶裂缝变化

图10 坡脚裂缝变化

4.2 隧道纵向应变分析(图11)

图11 隧道轴向应变曲线

为了说明隧道在滑坡推力作用下应变的变化规律，将滑坡发展过程分为坡体稳定变形阶段、坡体蠕滑变形阶段、坡体破坏阶段。

(1)前期加载(坡体稳定变形阶段)

随着荷载的施加，滑体内各测点的应变值开始均变化不大，随后位于洞口处的应变值(1号)增大趋势较其他滑体内测点明显。这是由于施加的荷载刚开始仅对上部坡体产生影响，未传递到隧道上，滑体处于稳定状态。坡顶荷载的不断增大致使主滑段的滑坡推力不断推挤抗滑段的滑体，使作用于隧道的滑坡推力由滑带处不断向隧道洞口扩展(随着坡体的形成，滑坡推力作用到隧道上具有一个时间效应，先对滑带处的隧道造成影响，再不断地向洞口扩展)。同时隧道洞口受到桥隧过渡段的支撑而弯曲，产生较大的变形。

(2)中期加载(坡体蠕滑变形阶段)

此阶段滑带(11号、13号)处应变值增加最快，并且达到所有测点中的最大值，洞口与滑带隧道中部(5号)的应变值变为负值。这是由于荷载的不断增大致使坡体产生蠕滑变形，形成滑带，导致滑坡推力对该处隧道产生应力集中。同时由于洞口支撑，可将隧道简化为梁式结构，梁的一端绞支，另一端为固定端，中间受滑坡推力作用而弯曲变形。

(3)后期加载(坡体破坏阶段)

此阶段隧道变形规律与上一阶段一致，如图11所示。当荷载达到3.5 kN时，滑带(11号、13号)处应变值达到最大值，此时坡体处于极限平衡状态，其中与滑带相交段所受的滑坡推力最大。由图11(b)可知，当滑体达到极限平衡状态时，随着荷载的增加，隧道应变值均没有明显变化，这是因为滑体已经失稳，作用于隧道上的滑坡推力达到最大值不再增大。当时间为2 900 s时所有应变值均急剧改变，隧道破坏。因为坡体已经滑动，产生明显位移，隧道受到的弯矩和剪力都达到最大，最终导致隧道在滑面处发生错动，形成剪切错台。

4.3 隧道环向应力分析

从图12可以看出，当滑体达到极限平衡状态时，断面2和断面3隧道拱部所受到的应力均比隧道底部大。同时隧道拱部受拉，底部受压，在隧道受拉与受压的过渡区域形成中性区。

图12 滑体极限平衡状态下隧道环向应力(单位：cm)

4.4 隧道破坏模式分析

从图13～图15可以看出，位于隧道拱部的1号和7号应变值首先发生突变，之后位于边墙的2号和6号应变值也发生了突变，最后发生突变的是位于隧道底部的3号、4号和5号。说明坡体处于失稳破坏时，较大的滑坡推力和位移作用于隧道上，导致隧道坡坏的位置位于滑带附近。且隧道拱部受到的滑坡推力最大，首先产生剪切裂缝，随后向边墙扩展，最后裂缝贯通到隧道底部，导致隧道整体破坏。