隧道—滑坡平行体系轴向变形演化试验研究

吕敬富 吴红刚 牌立芳

摘要：研究必要性：随着我国国民经济的快速发展，许多工程尤其是隧道工程建设过程中不可避免的会遇到滑坡问题。当滑坡主滑方向与隧道轴向交角在0°～20°，则称为隧道-滑坡平行体系，一旦产生工程滑坡，对隧道结构破坏带来不堪设想的后果。目前对隧道穿越滑坡方面的理论计算还不足，本文通过隧道-滑坡平行体系模型试验，结合隧道轴向相关计算理论，研究了坡体位移及隧道轴向变形及应力分布特征。研究结果：①无支档结构下，单滑面隧道—滑坡平行体系上部加载坡体变形，滑体经历了蠕滑变形阶段、挤压阶段、剧滑阶段及滑后稳定阶段等四个阶段的变化。②沿轴向同时刻各位置的应力不同，轴向应力呈非线性分布，滑带附近轴向应力大，从滑带向滑面处轴向延伸，呈递减的趋势，且在洞口段存在拉压变形的过渡段。

Abstract： Necessity of research： With the rapid development of China's national economy， many projects， especially tunnel construction， will inevitably encounter landslide problems. When the main slide direction of the landslide is in the range of 0° to 20° with the axial direction of the tunnel， it is called a parallel system of tunnels and landslides. Once a landslide occurs， the tunnel structure will have unimaginable consequences. At present， the theoretical calculations of tunnels crossing landslides are still insufficient. In this paper， through parallel model test of tunnels and landslides， and combined with the theory of tunnel axial correlation calculation， the displacement of the slopes and the axial deformation and stress distribution characteristics of the tunnels are studied. The results are as follows： ① Under the unsupported structure， the upper part of the parallel system of single slip tunnel-landslide loads the slope deformation， and the sliding body undergoes a creep deformation stage， an extrusion stage， a sliding stage， and a post-slip consolidation stage. Four stages of change. ② The stress at each position is different along the axial direction at the same time. The axial stress shows a nonlinear distribution. The axial stress around the sliding belt is large， and it extends axially from the sliding belt to the sliding surface， showing a decreasing trend， and is in the opening section. There is a tension-deformation transition section.

关键词：隧道-滑坡；平行体系；受力变形

Key words： tunnel-landslide；parallel system；force deformation

中圖分类号：[U25] 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）31-0163-05

0 引言

我国幅员辽阔且地质条件极其复杂，实际工程经常会遇到不同本构模型的隧道，根据不同的围岩地质状况会涉及到不同强度准则、流动准则和土体剪胀等诸多因素，而这些因素对实际工程的影响是无法回避和忽略的[1]。

近年来，众多学者关于隧道围岩环向平面外应力研究做了许多工作。邹金锋[2]基于摩尔—库伦屈服准则及应力—应变软化模型并考虑轴向应力和渗透力的共同作用，将塑性区分为有限个同心圆环，以弹塑性交界面处的应力、应变为初始值，并采用微小径向应力增量逐步求出各个圆环上的应力应变及塑性区半径；赵呈冉[3]根据香钦多隧道地应力测试结果，结合隧址区岩石物理力学特征，结果表明：该工程区构造应力仍占主导地位，地应力以NEE 向水平挤压为主；牛双建[4]等从已破坏返修段巷道现场采集的破裂岩样为研究对象，根据其现场多处于近似零围压或低围压的应力环境，借助MTS 伺服试验机对其单轴压缩下再破坏时的强度及变形特征进行了系统研究；许渊[5]等基于广义Hoek-Brown强度准则和非关联流动法则，推导出考虑轴向应力和渗透场共同作用时弹-脆-塑性围岩的应力和位移非线性解，采用数值算例分析了轴向应力和渗透力共同作用时隧道围岩塑性区应力场和位移场的分布规律；李清淼[6]通过对岩样在残余强度阶段的加卸载围压试验，研究岩石峰后的力学特性，提出了峰后弹性滑移力学机理，并据此建立了数值分析模型，对隧道围岩变形进行数值分析。

上述成果通过结合现场测试、数值计算和相应的本构模型，对隧道围岩环向平面外的应力作用及分布规律等方面进行了研究，而直接对隧道-滑坡平行体系下，滑坡变形诱发隧道结构的轴向变形空间计算研究较少。耿萍[7]以成都地铁3号线盾构隧道为实例，对其纵向等效抗弯刚度和管环张开量随轴力和弯矩的发展规律进行了分析；廖少明[8]基于弹性地基梁理论，对隧道在纵向不均匀沉降作用下纵向和横向断面的内力及其相互联系进行了剖析，并首次提出了隧道纵向剪切传递效应的概念及其初等解析方法。本文通过隧道-滑坡平行体系模型试验，结合隧道轴向相关计算理论，研究了坡体位移及隧道轴向变形及应力分布特征。

1 圆形隧道空间计算

隧道空间计算的问题比较复杂，这里仅讨论空间轴对称变形问题的计算方法。在分析隧道结构时，将隧道视为无限弹性体内的圆柱形孔洞，而将衬砌结构视为圆柱形薄壳[9]。

基于上述隧道空间轴向计算理论，为进一步探究隧道-滑坡平行体系下隧道轴向变形及应力分布特征，特此设计了以下模型试验。

2 模型试验

2.1 试验材料设备及模型制作

本次模型试验采用细筛黄土作为滑体材料；基岩采用水泥土（水：水泥：黄土的混合比为1：3：9）并夯实模拟；滑带（1cm）采用塑料薄膜表面铺设细筛黄土、滑石粉与水的混合物进行模拟（水：滑石粉：黄土=2：5：12），试验应变片参数如表2所示。

隧道用直径为50mm的硬质聚氯乙烯管材代替，弹性模量约为3.62GPa，隧道断面如图3所示；加载使用50kg标准加载板如图4所示。

整个试验在模型箱内完成，模型箱尺寸为：1400×600×1100mm，坡面为45°的单滑面圆弧斜坡，模型制作简图如图5所示，模型制作完成如图6所示。

2.2 试验监测装置布置及测试内容

本次模型试验主要通过东华测试DH3816静态应变数据采集仪全程监测加载过程隧道沿滑体轴向变形应形应变片数据变化，人工监测记录百分表数值变动，在隧道上设置一个纵向断面，如图7所示。

隧道坡上方向视为拱顶侧，坡下方向视为拱底侧，在隧道拱顶、拱底侧均布置水平向和竖向百分表，如图8所示，主要测试滑体滑坡的位移。

2.3 试验工况设计

土体本身具有流变特性，此次模型试验为更好的反映各阶段的试验效果，设计试验时，提前将模型做好放置一天，滑坡体本身在自重作用下有一个蠕滑变形过程，采用后部分时分段均匀加载的方式迫使坡体对隧道造成影响，研究隧道的轴向变形。

2.4 试验数据分析

2.4.1 坡体位移分析

本次试验通过对百分表数据处理分析，如图9-图10所示，重点探讨无支档结构下，单滑面隧道—滑坡平行体系上部加载坡体变形。

待百分表初始稳定后，增加前两级荷载，百分表竖向和水平位移曲线均变动，但是变动幅度不大，这是由于坡体主滑段外部荷载作用下滑力较小，滑体处于蠕滑变形阶段。并且在坡面和基岩上部捕捉到裂缝出现，主要由于上部坡体模型位置处人工压实度不足，上部加载引起了不均匀的变形，导致开裂，如图11所示。

增加第三级荷载，百分表水平向和竖向位移曲线有较大变化，滑体处于挤压滑动阶段，说明荷载的增加引起上部滑体坡面的位移，百分表的数值变动较大；增加第四级荷载，百分表竖向和水平位移均急变，滑体处于剧滑阶段，有明显增减变化，水平向位移明显转折上升，竖向位移明显转折下降，且2#百分表下降幅度比1#百分表更明显，表明外荷载的增加，加剧了坡体的形变，迫使坡体滑动，且坡脚处因抗滑力不足，坡体滑出模型箱，如图12所示。

随着下一级荷载的增加，坡体的变形幅度减缓，滑体处于滑后稳定阶段，坡体已经形变后稳定，此时坡体变形和裂缝均明显发展，如图13所示。

2.4.2 隧道轴向应变分析

试验结束后，隧道纵断面轴向应变数据分析如图14所示。

为进一步研究隧道轴向的形变特征，因采集数据繁多，故而从某时刻开始（记为初始“0”）选取了同时刻下各应变片的部分数据进行曲线拟合，如表2所示，为试验监测数据。

拟合曲线如图15-图16所示，重点探讨无支档结构下，单滑面隧道—滑坡平行体系上部加载隧道轴向的应力、应变分布特征。

根据应力-应变關系式：σ=Ε·ε

式中：Ε—弹性模量；ε—应变。

应变片的受力曲线特性为拉为正、压为负，隧道部分应变区段如图17所示。

从图17可以看出，各点的应变是随着加载的进程不断增大，但增长率不同，这与理论计算结果虽有差异，但是其轴向力的分布特征与理论据算还是相符的。

初步分析这是由于滑体在填筑过程压实没有达到理想状态，导致滑体略有差异，其密实度、抗压强度等力学参数不同，因此上部加载后，其上覆土体挤压坡体隧道变形，下覆岩体产生不协调抵抗力，造成不同步的弯曲沉降，本人觉得反而更能反映了实际的现实情况，因为实际的工程不可能像理论计算那么理想化，试验也是如此，不可避免的会忽略一些因素的影响，但是实际的分布规律确实与计算不谋而合。

后期加载出现了不同程度的跳跃式增加，表明荷载的增加，因基岩与坡体相对刚度差异大，导致在沿滑带表面产生剪切应力集中，下部滑体抗力不足，打破了原有的力学平衡状态，滑体下部的土体变形，底部抗力不足，在沿滑带附近形成了临空界面，滑带处隧道翘曲变形严重，处于应变急速发展的阶段。

从应力曲线可以看出，沿轴向同时刻各位置的应力不同，轴向应力呈非线性分布，由于测试手段等方面的限制，未能给出定量的分析，但从定性方面看，滑带附近轴向应力最大，最大值为700kPa。

从滑带向滑面处轴向延伸，轴向应力呈递减的趋势，且在洞口段存在拉压变形的过渡段，但在理想状态下可能不存在这种变形过渡，关于洞口处拱顶受压可能因为管口断面削成45°角，拱底为受力长边，拱顶为受力短边，因管材本身呈连续性的变形，故而拱底的抵抗致使在拱顶这点处形成了一个“虚设支点”，从而出现拱顶该段受压。

且从曲线本身可以看出，滑带位置处曲线出现了转折点，由于滑带存在一定的厚度，且滑带材料强度参数相对滑体和基岩低，故而此处滑坡力作用下的轴向应变和軸向应力相比两侧也较小。

3 结论

通过此次隧道-滑坡平行体系轴向变形演化试验，研究坡体位移及隧道轴向变形及应力分布特征，得出以下结论。

①无支档结构下，单滑面隧道—滑坡平行体系上部加载坡体变形，滑体经历了蠕滑变形阶段、挤压阶段、剧滑阶段及滑后稳定阶段等四个阶段的变化。

②沿轴向同时刻各位置的应力不同，轴向应力呈非线性分布，滑带附近轴向应力大，从滑带向滑面处轴向延伸，呈递减的趋势，且在洞口段存在拉压变形的过渡段。

参考文献：

[1]张勇.考虑轴向力时圆形隧道围岩稳定性线性与非线性分析[D].中南大学，2014.

[2]邹金锋，李帅帅，张勇，袁臻.考虑轴向力和渗透力时软化围岩隧道解析[J].力学学报，2014，46（05）：747-755.

[3]赵呈冉.香钦多隧道地应力分析及软岩变形应对措施[J].铁道建筑，2016（06）：70-72.

[4]牛双建，靖洪文，杨大方，郭佳奇.单轴压缩下破裂岩样强度及变形特征[J].采矿与安全工程学报，2015，32（01）：112-118，125.

[5]许渊，李亮，邹金锋，袁臻.考虑轴向力和渗透力时圆形隧道广义Hoek-Brown解[J].岩土力学，2015，36（10）：2837-2846，2854.

[6]李清淼.加卸载围压条件下岩石峰后力学特性试验研究[D].重庆大学，2015.

[7]耿萍，陈枰良，张景，何川，晏启祥.轴力和弯矩共同作用下盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度研究[J].岩石力学与工程学报，2017，36（10）：2522-2534.

[8]廖少明，侯学渊，彭芳乐.隧道纵向剪切传递效应及其一维解析[J].岩石力学与工程学报，2005（07）：1110-1116.

[9]夏永旭，王永东.隧道结构力学计算[M].北京：人民交通出版社，2012.

[10]吴红刚.隧道—滑坡体系的变形机理及控制技术研究[D].中国铁道科学研究院，2012.