降雨-滑坡-隧道系统灾害演进机制研究——以重庆奉溪高速公路杨家湾隧道为例

高 岩， 韦 洪， 李 博， 李传国， 吴红刚

(1. 中铁九局集团有限公司大连分公司， 辽宁 大连 116031； 2. 贵州大学资源与环境工程学院， 贵州 贵阳 550025； 3. 中铁西北科学研究院有限公司， 甘肃 兰州 730070)

0 引言

随着我国“一带一路”倡议的提出，越来越多的交通和国防隧道工程在中西部山区建造。这些地区地形、地质复杂，暴雨、地震等自然灾害频发，对隧道工程的安全修建和顺利运营构成了巨大的威胁。其中，滑坡对隧道的影响问题越来越突出，逐渐引起了岩土工作者的注意[1-5]。

在线路选线中，一直采用地质选线的方法避绕不良地质灾害，但随着线路平顺性、舒适性的要求越来越高以及受工程造价控制等因素影响，隧道工程的修建不可避免地会穿越滑坡地段，形成隧道-滑坡体系[6]。目前，已有学者持续开展了隧道-滑坡体系的研究工作，并取得了一定的研究成果。在理论研究方面： 吴红刚等[7-9]从隧道受力模式角度将隧道-滑坡体系划分为平行体系、正交体系和斜交体系3类，分析了不同体系的受力变形机制和预加固机制，为隧道-滑坡体系研究提供了完整的理论基础； 朱苦竹[10]对边坡与隧道相互作用关系进行了研究，同时探索了黏弹塑性问题的数学二次规划法求解问题； 马惠民[11]通过对坡体病害地段隧道变形破坏资料归纳分析，采用现场测试、室内模型试验及数值仿真对坡体病害和隧道变形相互作用机制进行了研究； Zhang等[12]基于滑线理论，推导了隧道开挖引起的扰动范围和隧道拱顶与滑动带之间的最小安全距离。此外，王海龙[4]、毛坚强等[13]、焦庆磊[14]、晏启祥等[15]在理论研究基础上，采用现场监测、有限差分、三维数值仿真等手段，开展了隧道-滑坡体系相互作用机制方面的研究。

物理模型试验是一种探究隧道-滑坡相互作用机制的重要手段，不少专家学者在隧道-滑坡稳定性模型试验的研究方面已经做出了一系列卓越成果。例如： Bao等[16]通过一系列震动台模型试验，研究了时频域内斜坡对近断层地面运动的动态响应; Wang等[17]、Pai等[18]、Zhou等[19]、Baziar等[20]、Wang等[21]通过一系列振动台模型试验，研究了隧道内力分布规律与变形特性； 孙天佐等[22]研究了上下双层隧道穿越的地震动力响应。另外，尹静等[23]、陶志平等[24]、张治国等[25]、吴红刚等[26]通过物理模型试验，研究了隧道衬砌受力情况、变形特征、滑坡-防治结构相互影响机制等。

综上，对隧道-滑坡体系的研究主要集中于基础理论、滑坡区隧道变形特征及隧道病害的处治措施方面，而降雨条件下隧道-滑坡体系的灾害演进机制方面尚不够完善和系统。本文以重庆奉溪高速公路杨家湾隧道为依托，开展现场调查、室内模型试验，对降雨条件下隧道-滑坡体系灾害演进机制进行研究。

1 工程地质分析

重庆奉溪高速公路杨家湾隧道进口段滑坡群位于重庆市奉节县境内，滑坡处线路以路堑接隧道形式从其前部与滑动方向呈约55°斜交通过。受近期渝东北地区强降雨影响，该隧道右线坡体发生滑坡，其滑体堆积于高速公路路面上，导致该高速公路断道。滑坡区全貌和工程地质断面如图1所示。

天然工况下，该隧道区域坡体基本稳定，由于受隧道开挖以及暴雨循环浸润等影响，坡体局部出现垮塌现象。经现场实际监测数据显示，该区域坡体长期处于蠕动挤压状态，其剩余下滑力沿滑带向下传递，并以压应力形式作用于隧道衬砌，导致衬砌由于自身承载能力不足而发生变形破坏。经踏勘验证，该隧道-滑坡体系的变形破坏是受多方面因素综合作用的结果。

1)不良地质条件。①滑坡区地处龙池坪背斜核部附近，构造较为复杂，岩石破碎。坡体东西向冲沟发育，地层整体南翼岩层倾角为16°～25°，较北翼倾角(25°～76°)缓，导致滑坡区内靠南翼堆积层厚度及分布范围差异较大。②滑坡区地层为三叠系中统巴东组(T2b)粉砂质泥岩、泥质灰岩，属软岩地层，在地下水作用下其性质易发生劣化，岩体强度进一步降低。

2)自然因素。滑坡区降雨量较大，大量大气降水及地表水下渗进入滑坡堆积体中，对坡体地下水进行补给，使得滑体饱水。一方面增加滑体容重，另一方面降雨渗入斜坡转化为地下水会对岩土体产生软化作用，加之降雨在坡体内产生静水压力和底滑面扬压力，急剧降低了边坡稳定性。

3)施工扰动。区内老滑坡的地貌形态明显，高速公路建设期间该隧道进口段仰坡及路基开挖，削弱了边坡稳定性，将引发老滑坡局部复活。

2 模型试验设计

2.1 试验目的

本试验旨在通过室内模型试验，研究降雨条件下隧道-滑坡体系的灾害演进机制，分析坡体及隧道不同断面应变及土压力响应特征，揭示隧道-滑坡体系的变形机制。

2.2 试验材料选择及相似比确定

为达到上述试验目的，本试验以几何相似比和容重相似比为基础相似比，运用量纲分析法和三大相似原理确定试验相似关系[27]，推得各物理力学参数原型值与模型值的相似比如下：

1)几何相似比为CL=100；

2)容重相似比为Cr=1；

3)应变、内摩擦角、泊松比相似比为Cε=Cφ=Cμ=1；

4)黏聚力、弹性模量、应力相似比为Cc=CE=Cσ=100。

根据现场勘察、测绘及地质钻孔资料显示，滑坡区地层主要由第四系全新统滑坡堆积(Q4del)粉质黏土和三叠系中统巴东组第三段(T2b)粉砂质泥岩组成。根据前人相似材料研究成果[28-29]，辅以原位勘查数据资料确定试验所用材料构成及特性，如表1所示。其中，滑体、滑带、基岩的黏聚力和内摩擦角通过应变控制式直剪仪测得，分别在50、100、150、200 kPa 正应力下进行直剪试验。采用黏聚力c和内摩擦角φ相似来控制试验材料的合适配比并开展滑坡模拟的有效性已在以前的研究中得到了证实[30]。

表1 相似材料参数

2.3 传感器布设

本试验旨在研究降雨条件下坡体蠕动对隧道模型的影响机制，监测坡体应力及隧道变形数据显得尤为重要。试验中所用到的传感器包括29个箔式微型土压力盒和36组应变片。各类传感器的具体布设位置如图2所示。

(a) 坡体传感器布设断面图

2.4 试验模型填筑

本试验所采用的模型箱尺寸是2 m(长)×1 m(宽)×1.5 m(高)。为便于观察试验现象，模型箱采用厚为10 mm的钢化玻璃围制而成，并采用角钢进行加固。模型制备时将模型材料逐层放入，按照每层100 mm厚逐层夯实。应变片和土压力盒提前布设在隧道模型的3个断面上，随着模型填筑，隧道结构及坡体土压力盒相应安装在目标位置。填筑完成的滑坡模型如图3所示。

图3 填筑完成的滑坡模型(单位： m)

2.5 降雨量工况设计

表2 降雨工况设计

图4 累计降雨量时程曲线

3 试验结果分析

3.1 滑坡灾变演化过程

本次模型试验通过设置不同的降雨工况研究坡体-隧道的灾变演化机制，不同降雨条件下斜坡演化过程呈现出明显的差异。降雨条件下斜坡灾变演化过程如图5所示。

由图5可知：

1)降雨持续30 min，降雨量累计值为10 mm时，坡体后缘出现微张拉裂缝A，坡体左侧出现裂缝B和裂缝C，总体与坡体走向趋于垂直，以受拉为主。坡体右侧出现与坡面大致平行的裂缝D，表明此阶段坡体中后段土体受坡面径流影响，产生向坡脚方向的轻微滑移变形，在滑坡区右侧边界形成侧翼剪张裂缝，该裂缝不断向前扩展、延伸，同时在雨滴溅蚀影响下，坡体中上部出现凹槽，如图5 (a)所示。

(a) 工况Ⅰ(30 min) (b) 工况Ⅰ(130 min) (c) 工况Ⅱ(190 min)

2)降雨持续130 min，降雨量累计值为43 mm时，坡体颜色逐渐加深，坡体含水量不断增加。在雨水的冲刷作用下，坡体后缘张拉裂缝A逐渐加深，且宽度达到1～3 cm。裂缝B、裂缝C也逐渐向坡体中部发展，凹槽面积不断扩大，表现出向坡顶及坡脚延伸趋势；同时，裂缝D在坡面径流和坡体渗流耦合作用下，逐渐从坡顶贯通至坡脚，如图5 (b)所示。

3)降雨持续190 min，降雨量累计值为57 mm时，坡面已有裂缝继续扩展，同时出现裂缝E和裂缝F，其中裂缝F发育在坡体中部，长度约60 cm。坡体裂缝大多集中于模型两侧，表明坡体的变形破坏以模型箱两侧土体受张拉变形为主，如图5 (c)所示。

4)降雨持续250 min，降雨量累计值为76 mm时，凹槽逐渐发展为冲沟，大量水流开始汇聚，水质较为浑浊，坡面径流现象明显增强，而整个坡面在较长降雨时间作用下已变得极其粗糙，坡体表面结构破坏严重，泥砂颗粒在雨水冲刷作用下四处分散，造成坡体表面凹凸不平，冲沟和坡面漫流现象不断加剧，如图5 (d)所示。

5)降雨持续290 min，降雨量累计值为92 mm时，冲沟范围逐渐向坡脚延伸，其顶端与裂缝A大致贯通，同时隧道出现涌水涌泥现象，如图5 (e)所示。

6)降雨持续360 min，降雨量累计值为120 mm时，整个坡面出现多条与坡面大致平行的冲沟。坡脚在降雨入渗和坡体内部水反复渗流作用下，不断被冲蚀，呈牵引式溜塌破坏，如图5 (f)所示。

综上可知，在降雨入渗影响下，坡体灾变演化过程为坡顶张拉—坡中蠕动滑移—坡脚牵引破坏。

为进一步探讨降雨条件下坡体内部受力响应情况，将坡脚、坡中及坡后各测点的峰值土压力随距坡表深度响应情况进行绘制，如图6所示。可以看出： 1)在降雨作用下，坡脚、坡中及坡后在坡表及基岩的土压力变化较小，为0～2.5 kPa； 2)在滑带位置，坡脚土压力达到了7.1 kPa，远远大于坡中的0.7 kPa和坡后的1.8 kPa； 3)坡脚深度为-300 mm位置正位于隧道山侧滑带附近，表明受降雨影响，土体容重增加，地下水软化作用使得土体力学性能降低，抗滑能力减弱，导致坡体产生蠕动变形，其多余下滑力沿滑带方向向下传递至坡脚，并以较大压应力作用于隧道山侧，最终在山侧产生了较高的应力集中现象。

-150 mm为坡表位置； -300 mm为滑带位置； -450 mm以下为基岩位置。

3.2 隧道受力响应分析

3.2.1 隧道周围压力

本试验通过在隧道3个断面附近布设土压力传感器(见图2)，以监测隧道周围土压力响应情况。提取各测点随降雨变化的峰值土压力进行绘制，如图7所示。可以看出： 1)在滑坡推力作用下，隧道山侧拱腰T3测点、拱脚T2测点位置一直保持着较高的土压力，T3测点随着断面距模型箱左侧距离的增加，其土压力维持在5 kPa左右； 2)T4测点在2断面达到峰值土压力为5.4 kPa，在模型箱两侧位置土压力均较小。因此，在降雨作用下，坡体产生蠕动变形，隧道衬砌较大土压力出现在拱顶、山侧的拱腰和拱脚，特别是拱顶极易产生较大的应力集中，导致隧道衬砌变形破坏，由此可推断上述部位容易成为降雨工况设计的薄弱环节。

图7 隧道周围土压力

此外，由图7中T1、T2、T5、T6的变化趋势可看出，这4个测点在1断面的土压力均较大，随着断面离隧道左边界距离的增加(1断面—3断面)，其土压力值呈衰减趋势。这是由于这4个测点一方面埋设位置受滑坡影响较小，坡体蠕动不会使得土压力出现骤增现象；另一方面，由图3可知，离隧道左边界距离越小，其隧道埋深越大，在1断面受到的土压力也相对较大。

3.2.2 隧道断面衬砌结构内力

采用在隧道内、外侧对称布设环向电阻应变片方式测量隧道内外侧的应变值，以此获得内外侧的应变后，计算出隧道的截面内力。设隧道的内外侧应变值分别为ε1和ε2，根据材料本构关系，单位长度隧道的截面内力计算公式[32]为：

(1)

(2)

式(1)—(2)中：N为轴力；M为弯矩;b为单位长度，取1 m；h为隧道模型厚度，取1 cm；E为弹性模量，按表1取0.77 GPa。

根据式(1)和式(2)绘制隧道内力图(取降雨期间轴力和弯矩的平均值)，衬砌模型内力计算结果如图8所示。

(a) 模型在降雨期间的平均轴力(单位： N)

由图8(a)可知： 1)3个断面的轴力均为负值，以受压力为主； 2)1断面的最大压力出现在河侧拱腰，数值为1 389.33 N； 3)2断面和3断面的最大压力出现在山侧拱腰及拱顶，其数值分别为1 540.35 N和1 456.39 N。

根据现场实际情况及隧道模型埋设位置可知： 1)2断面和3断面靠近坡体表面，相比1断面(坡体深部)更易受坡体蠕动变形影响； 2)在降雨作用下，滑面土体软化，蠕变加剧，滑坡推力沿滑带方向向下传递，且数值不断增加，使得隧道模型受偏压作用，在山侧拱腰位置形成较大的应力集中，最终导致隧道模型变形破坏，其破坏情况与现场高度吻合； 3)河侧土体将受到的滑坡推力反作用于河侧衬砌拱脚，使得河侧衬砌拱脚也会产生一个较大的压力(其成灾模式见图9)。

由图8(b)可知： 1)随着距模型箱左侧距离的增加(1断面—3断面)，衬砌模型出现最大弯矩的位置由河侧向山侧转移； 2)在2断面山侧拱腰M3位置其弯矩值达到最大，为1.56 N·m； 3)在3断面山侧拱脚M2、拱腰位置M3弯矩值分别为1.70 N·m 和1.13 N·m，对应的隧道另一侧测点(M6、M5)弯矩值分别为0.31、0.22 N·m，左右两侧弯矩值相差5.1～5.5倍，两侧受力不均，形成典型偏压隧道； 4)3断面M3、M5测点弯矩值为正且向外弯起，M4测点弯矩值为负向模型内部凹进，左右拱腰的弯矩数值有差异，引起拱顶产生垂直张拉裂缝，最终在模型拱顶发生了张性断裂(其成灾模式见图9)。

图9 隧道-滑坡体系成灾模式

4 结论与讨论

以重庆奉溪高速公路杨家湾隧道为依托开展室内模型试验，测试得到降雨条件下滑坡的灾变演化过程、坡体内部的土压力响应特征、隧道周围土压力及变形特征。通过将隧道变形数据转换为内力，分析了隧道不同断面的环向内力分布，探讨了降雨入渗条件下隧道-滑坡体系的变形机制，分析总结如下。

1)通过试验现象分析得到在降雨入渗作用下，坡体灾变演化过程为坡顶张拉—坡中蠕动滑移—坡脚局部牵引破坏。

2)通过分析坡体土压力响应特征，可知受降雨及地下水软化作用，土体容重增加、力学性能降低、抗滑能力减弱，导致坡体产生蠕动变形，其多余下滑力沿滑带方向向下传递，在坡脚形成较大的压应力并作用于隧道山侧。

3)通过监测隧道周围土压力数据，得知较大土压力易出现的位置为拱顶、山侧拱腰和拱脚，特别是拱顶极易产生较大的应力集中，导致隧道拱顶产生竖向张拉裂缝，由此可推断上述部位容易成为降雨工况设计的薄弱环节。

4)通过对隧道不同断面环向内力分析可知，整个隧道所受轴力均为负值，以受压应力为主。隧道受坡体偏压作用影响，将压应力传递至河侧土体，因此河侧土体会产生一个反压力作用于隧道河侧拱脚位置，致使河侧拱脚发生变形破坏。此外，越靠近隧道进口段位置，最大轴力及弯矩产生位置由河侧向山侧转移，山侧与河侧弯矩值相差5.1～5.5倍，两侧受力不均，形成典型偏压隧道。

本文初步探讨了降雨条件下隧道-滑坡体系的灾害演进机制，由于隧道-滑坡体系之间相互作用、相互影响，对降雨条件下隧道-滑坡体系协同变形演进机制的相关研究将在后续进一步完善。