隧道-洞口滑坡體系受力特征及變形模式

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.中國中鐵滑坡工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；3.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，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(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

我國是地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國家，其中滑坡災(zāi)害占65%左右，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在西部地區(qū)公路建設(shè)的投入力度不斷增大。在該地區(qū)進(jìn)行公路建設(shè)時(shí)不可避免的會(huì)遇到大量的隧道工程，由于線路客觀原因，隧道遇到滑坡區(qū)無法繞避必須穿越時(shí)，即形成隧道-滑坡體系[1-3]。根據(jù)滑坡主滑方向與隧道軸線的交角，將隧道-滑坡體系分為平行體系(0°～20°)、正交體系(70°～90°)和斜交體系(20°～70°)[4]。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)致平行體系洞口段隧道極大的變形破壞，阻礙交通的運(yùn)行。因此對(duì)隧道-洞口滑坡體系變形模式及防治技術(shù)的研究對(duì)保證公路交通的安全運(yùn)行具有重要的意義。

國內(nèi)外許多專家和學(xué)者對(duì)隧道-滑坡體系進(jìn)行了大量的理論和實(shí)踐研究。SZAVITS-NOSSAN等[5]分析了在土耳其地中海地區(qū)的Anamur Kaledran巖質(zhì)滑坡，闡述了巖質(zhì)滑坡與隧道開挖的相關(guān)性。張麗萍等[6]對(duì)隧道-滑坡體系相關(guān)實(shí)例進(jìn)行了分析和研究。KOIZUMI Y等[7]提出在日本許多滑坡是因隧道開挖而引起的，進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬，確定隧道在斜坡中的安全范圍。毛堅(jiān)強(qiáng)等[8]研究了滑坡-隧道體系相互間的力學(xué)作用機(jī)理。王俊偉等[9]研究了渭河隧道施工對(duì)上覆滑坡體擾動(dòng)影響及滑坡對(duì)隧道圍巖的作用機(jī)理，提出相應(yīng)的治理措施。王玉龍等[10]研究了孫家崖偏壓-滑坡隧道圍巖變形和受力特征。陳小云等[11]進(jìn)行了較為深入的正交體系下隧道與滑帶相交力學(xué)模型與加固研究。許淑珍等[12]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)。

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)于隧道-洞口滑坡體系變形模式及防治技術(shù)的研究相對(duì)較少。因此，本文通過對(duì)云南功山-東川高速公路沿線典型的隧道-洞口滑坡工程實(shí)例進(jìn)行總結(jié)，得出相應(yīng)的工程地質(zhì)模型，并對(duì)在滑坡推力作用下的隧道變形模式進(jìn)行分析，其結(jié)果能夠?yàn)榛聟^(qū)隧道的設(shè)計(jì)提供參考。

1 功東高速沿線典型工程實(shí)例分析

昆明市尋甸縣功山至東川高速公路位于云南省昆明市東北區(qū)域，是云南、四川兩省一條重要的省際運(yùn)輸通道。線路南起尋甸縣功山鎮(zhèn)嵩待高速分離立交橋，經(jīng)東川區(qū)阿旺鎮(zhèn)、姑海鄉(xiāng)，北至東川區(qū)以北四方工業(yè)園，路線如圖1所示。功東高速公路于2016年1月開工建設(shè)以來，隨著多處隧道的開挖建設(shè)，出現(xiàn)大量的隧道洞口高邊坡、滑坡病害，對(duì)洞口段隧道的安全造成了嚴(yán)重的威脅，形成隧道-洞口滑坡體系。根據(jù)隧道與滑面的位置，將其分為與滑面相交和下穿滑體兩種類型。其中典型的工程實(shí)例如表1所示。

圖1 功東高速路線圖Fig.1 The road map of Gongdong Expressway in Yunnan Province

在山體開挖隧道過程中，會(huì)使坡腳形成一定的臨空面，同時(shí)隧道的開挖對(duì)山體的擾動(dòng)較大，隧道四周形成圍巖松動(dòng)區(qū)，坡體內(nèi)應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致隧道洞口上方老滑坡的復(fù)活和新滑坡的形成。滑坡體產(chǎn)生的滑坡推力首先作用于隧道拱部，導(dǎo)致隧道的變形破壞首先從這里開始。本著忽略“次要影響因素，抓主要影響因素”的原則，將隧道-洞口滑坡工程實(shí)例簡化為相應(yīng)工程地質(zhì)模型(表1)。

2 作用于隧道滑坡推力的空間分布

由于滑坡體是三維立體結(jié)構(gòu)，每個(gè)截面上所受的滑坡推力也是立體分布的， 為了準(zhǔn)確的說明滑坡推力對(duì)洞口隧道的作用模式，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2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。這是由于牽引段抗滑力最小，逐漸向抗滑段增大，導(dǎo)致剩余滑坡推力不斷累加，直到下滑力等于抗滑力時(shí)，剩余滑坡達(dá)到最大。橫向?yàn)橹虚g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(xiǎn)截面，同時(shí)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：

圖2 滑坡推力空間分布圖Fig.2 The spatial distribution diagram of landslide thrust

(1)

式中：p0——剩余滑坡推力的合力，可通過傳遞系數(shù)法求得[14]。其分布有三角形分布、矩形分布、梯形分布三種形式[15]，本文采用較復(fù)雜的梯形分布來說明；

λ(y)——分布函數(shù)[13]。

隧道與滑面相交時(shí)，主要承受滑坡推力和圍巖壓力的作用?；轮骰萎a(chǎn)生的剩余滑坡推力直接作用于與滑面相交的隧道結(jié)構(gòu)上，且對(duì)相鄰的土體產(chǎn)生影響，如圖3(a)所示；隧道下穿滑體時(shí)，主滑段產(chǎn)生的剩余滑坡推力作用于相鄰抗滑段的土體上，對(duì)位于主滑段與抗滑段過度區(qū)域的隧道擾動(dòng)影響最大，如圖3(b)所示。

圖3 隧道-洞口滑坡受滑坡推力分布圖Fig.3 The landslide thrust distribution diagram of tunnel and landslide in the tunnel’s entrance

3 洞口段隧道受力變形模式分析

3.1 與滑面相交隧道的受力變形模式

目前，我國公路橋隧、路隧過渡段主要采用橋梁伸入隧道與隧道連接的樁基礎(chǔ)支撐形式(圖4(a))和路面、橋面與隧道搭接的擴(kuò)大基礎(chǔ)支撐形式(圖4(b))。過渡段樁基礎(chǔ)支撐可提供洞口足夠的剛性支撐，阻止隧道口產(chǎn)生向下位移，允許水平方向的運(yùn)動(dòng)；洞口的擴(kuò)大基礎(chǔ)一般埋深較淺，且位于滑體內(nèi)，不能對(duì)洞口提供有效的剛性支撐，導(dǎo)致其受力變形與前者差別較大。

圖4 隧道洞口支撐方式Fig.4 The support mode of tunnel entrance

當(dāng)隧道與滑面相交時(shí)，作用于隧道上的外荷載主要為圍巖壓力P和剩于滑坡推力Pi，同時(shí)隧道為了保持平衡，對(duì)隧道底部土體產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致其受到巖土抗力Pk的作用，此時(shí)隧道變形破壞主要位于洞口段，位于基巖中的隧道及滑體以外部分坡體都有足夠的剛度，對(duì)基巖中的隧道具有支撐作用，可將隧道簡化為梁式結(jié)構(gòu)。

對(duì)于洞口有剛性支撐的隧道-滑坡結(jié)構(gòu)，可將此梁式結(jié)構(gòu)簡化為簡支梁，梁的一端絞支，另一端為固定端。位于滑體內(nèi)的隧道作為梁式結(jié)構(gòu)在軸向承受沿滑面的剩余滑坡推力Pi水平分力的作用，使隧道上部的土體由于水平運(yùn)動(dòng)趨勢產(chǎn)生的摩擦力直接作用于隧道拱部，且大小從滑帶處向洞口減小。極易導(dǎo)致張拉裂縫的產(chǎn)生；橫向隧道受圍巖壓力P、滑坡推力Pi沿隧道垂向的分量和土體抗力的作用，將導(dǎo)致隧道豎直方向的彎曲變形和軸向的拉伸變形，在隧道頂部產(chǎn)生彎張變形，形成環(huán)形剪切裂縫。特別是滑面附近，隧道受到的彎矩、剪力和軸力都達(dá)到最大，隧道彎曲變形、剪切變形和軸向拉伸變形最大，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)(圖5)。

圖5 洞口剛性支撐作用下隧道與滑面相交受力變形模式Fig.5 The force and deformation mode of intersection of tunnel and sliding surface under rigid support at portal

無剛性支撐作用下的隧道-滑坡結(jié)構(gòu)可簡化為懸臂梁，受力方式與剛性支撐一致(圖6)。由于洞口無支撐，在滑坡推力、圍巖壓力和巖土抗力的作用下產(chǎn)生較大的位移，尤其是位于滑帶附近的隧道結(jié)構(gòu)變形量急劇增大，剪力和彎矩明顯大于有支撐的情況，導(dǎo)致隧道的破壞更為嚴(yán)重。

圖6 洞口無支撐作用下隧道與滑面相交受力變形模式Fig.6 The force and deformation mode of intersection of tunnel and sliding surface without support at portal

3.2 下穿滑體隧道的受力變形模式

隧道下穿滑體時(shí)，作用于隧道上的外荷載主要為圍巖壓力P、巖土抗力Pk和剩余滑坡推力產(chǎn)生的附加荷載P1。其中附加荷載的影響范圍主要與隧道圍巖的巖土性質(zhì)、風(fēng)化程度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況和水文地質(zhì)條件有關(guān)。在附加荷載的影響下，隧道拱部承受多余的壓力而受到偏壓作用，拱頂形成受拉區(qū)域，出現(xiàn)拉張裂縫，若拱頂巖土體的節(jié)理裂隙發(fā)育，還會(huì)出現(xiàn)拱頂?shù)魤K甚至壓饋破壞(圖7)。

圖7 下穿滑體隧道受力與變形示意圖Fig.7 The schematic diagram of the force and deformation of the tunnel traversing the lower slide mass

4 結(jié)論與建議

隧道-洞口滑坡體系的作用機(jī)理較為復(fù)雜，實(shí)際工程中滑坡推力導(dǎo)致隧道病害的情況時(shí)常發(fā)生。但是目前在鐵路隧道設(shè)計(jì)中并未將滑坡推力考慮為設(shè)計(jì)荷載且沒有相關(guān)的計(jì)算理論，本文從具體的工程實(shí)例出發(fā)，結(jié)合地質(zhì)模型對(duì)洞口段隧道-滑坡的受力變形模式進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論了洞口支撐方式的不同對(duì)隧道變形模式的影響。得到以下研究結(jié)論和建議：

(1)根據(jù)功東高速具體的隧道-洞口滑坡實(shí)例的分析，將隧道-洞口滑坡分為與滑面相交和下穿滑體兩種模式，與滑面相交的隧道直接受到剩余滑坡推力的作用，而下穿滑體的隧道主要承受附加荷載的影響。

(2)位于滑體內(nèi)隧道承受圍巖壓力、滑坡推力和巖土抗力的作用， 可將洞口有剛性支撐的隧道-滑坡結(jié)構(gòu)簡化為簡支梁；無剛性支撐作用下的隧道-滑坡結(jié)構(gòu)簡化為懸臂梁。

(3)下穿滑體隧道在附加荷載的影響下，拱部承受多余的壓力而受到偏壓作用，拱頂形成受拉區(qū)域，出現(xiàn)拉張裂縫，拱頂?shù)魤K甚至壓饋破壞。

隧道-洞口滑坡體系的受力變形情況比較復(fù)雜，本文僅對(duì)隧道-洞口滑坡的受力變形模式進(jìn)行了分析討論，對(duì)滑坡推力作用下隧道承受的外荷載以及隧道襯砌內(nèi)力的計(jì)算方法有待進(jìn)一步研究。