不同空間位置滑坡對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用效果數(shù)值分析

孫志杰

(山西省交通科技研發(fā)有限公司 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030032)

隧道在選線時(shí)如發(fā)現(xiàn)隧址區(qū)存在老滑坡或不穩(wěn)定斜坡，會(huì)根據(jù)實(shí)際情況采取改線繞避、深埋隧道從滑床下通過(guò)或先整治滑坡后再修建隧道等技術(shù)手段加以解決，但由于隧道所處巖土體水文地質(zhì)環(huán)境在不斷發(fā)生變化，洞周圍巖在長(zhǎng)期地應(yīng)力、地下水作用下使得自身強(qiáng)度降低，沿節(jié)理裂隙等軟弱面形成蠕動(dòng)性滑坡；或者是人類工程活動(dòng)引起坡體內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生重大調(diào)整，導(dǎo)致坡體失穩(wěn)從而釀成滑坡?；聦?dǎo)致隧道襯砌開(kāi)裂、仰拱隆起，嚴(yán)重影響了行車安全。因此對(duì)滑坡地段隧道受力變形問(wèn)題進(jìn)行深入研究，是一項(xiàng)十分必要而又緊迫的工作。

目前學(xué)者在滑坡-隧道體系的誘發(fā)因素和變形機(jī)理等方面開(kāi)展了不少研究工作。李文軍等[1]針對(duì)隧道開(kāi)挖導(dǎo)致古滑坡復(fù)活的案例，對(duì)滑坡-隧道間的關(guān)系進(jìn)行了分析，探討了隧道開(kāi)挖-滑坡復(fù)活-邊坡內(nèi)應(yīng)力重新分布之間的關(guān)系。馬惠民[2]通過(guò)對(duì)多條主要鐵路干線滑坡-隧道體系病害實(shí)例歸納總結(jié)，提出了滑坡病害與隧道變形的5種地質(zhì)模型。朱苦竹[3]將數(shù)學(xué)二次規(guī)劃法的有限元分析計(jì)算應(yīng)用于滑坡隧道相互作用，構(gòu)建了相關(guān)的數(shù)理模型，推導(dǎo)了相關(guān)計(jì)算公式。吳紅剛[4]綜合運(yùn)用各種研究手段，分析洞口段滑坡與隧道間的相互作用關(guān)系，對(duì)隧道-滑坡體系進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)，提出了針對(duì)性的災(zāi)害防治措施。Keiichi et al[5]采用離散元軟件對(duì)不同圍巖參數(shù)和隧道位置對(duì)隧道拱頂沉降、滑體水平豎向位移和隧道洞周圍巖滑體應(yīng)變的影響進(jìn)行了分析。尹靜等[6]、張治國(guó)等[7]建立了隧道-滑坡相互作用的力學(xué)模型，采用傳遞矩陣法推導(dǎo)了隧道內(nèi)力和位移的傳遞矩陣計(jì)算式。雷耀軍[8]采用數(shù)值模擬方法對(duì)偏壓隧道洞口邊坡的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出必須對(duì)洞口邊坡進(jìn)行預(yù)加固的的結(jié)論。趙金等[9]對(duì)滑坡內(nèi)隧道變形模式與荷載計(jì)算方法進(jìn)行了研究，得出了隧道在滑坡推力作用下的受力圖示和荷載計(jì)算公式。周文皎[10]基于滑坡和隧道變形破壞特征,從時(shí)間和空間上揭示了滑坡-隧道相互作用機(jī)理。

從上述研究可看出，滑坡-隧道空間位置關(guān)系對(duì)二者相互作用影響至關(guān)重要，當(dāng)前對(duì)空間位置研究多采用工程案例歸納分析[2,10]，且多為在某一特定空間位置關(guān)系下的研究[4,6-7]，對(duì)滑坡-隧道體系不同空間位置關(guān)系下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形定量系統(tǒng)研究的成果不多。因此，本文通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)滑坡影響下隧道結(jié)構(gòu)的受力和變形特性進(jìn)行了分析，可為隧道在滑坡-隧道體系中的選址設(shè)計(jì)施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

依托工程某高速公路隧道運(yùn)營(yíng)至今已10余年之久。5年前隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量裂縫，包括縱向裂縫、橫向裂縫、環(huán)向裂縫。裂縫大多較細(xì)小，剪切錯(cuò)動(dòng)不明顯。同時(shí)隧道上部坡體東側(cè)地表出現(xiàn)明顯的張裂縫。經(jīng)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探，初步認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)裂縫為坡體蠕滑所致?；?隧道相互位置關(guān)系及坡體、隧道結(jié)構(gòu)部分病害如圖1所示。

圖1 滑坡-隧道相互位置及部分病害

在路塹左側(cè)邊坡的一級(jí)平臺(tái)到三級(jí)邊坡的中部，已經(jīng)形成不連續(xù)的近水平裂縫(裂縫寬度1～4 cm)和鼓脹現(xiàn)象、錯(cuò)臺(tái)及排水溝渠渠壁傾斜。隧道內(nèi)裂縫以水平裂縫、斜向剪切裂縫為主，裂縫大多較細(xì)小，寬度1～3 mm為主。

2 數(shù)值模型

2.1 模型參數(shù)選取

模型中各類巖土體參數(shù)根據(jù)隧址區(qū)及滑坡所取巖土體試驗(yàn)獲得，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)從設(shè)計(jì)圖紙中獲得。采用平面應(yīng)變單元模擬巖體,梁?jiǎn)卧M初期支護(hù)中的噴射混凝土和鋼架組合體系?；聻閳A弧形單滑帶滑坡，模型物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

模型水平長(zhǎng)305 m、上坡高155 m、下坡高105 m。模型網(wǎng)格如圖2所示。模型邊界條件為：地表為自由面，下邊界垂直方向約束，左右邊界水平方向約束。

圖2 隧道滑帶模型網(wǎng)格圖(基準(zhǔn)工況)

2.2 模擬工況

本文共模擬了12個(gè)工況的滑坡-隧道空間位置關(guān)系，其中基準(zhǔn)工況為隧道中心位于滑帶上。將隧道分別向上、下、左、右4個(gè)方向平移1.0D、3.0D、5.0D，為比對(duì)工況，如圖3所示。

圖3 模型計(jì)算工況示意圖

隧道受構(gòu)造應(yīng)力影響較小，故地應(yīng)力場(chǎng)只考慮自重應(yīng)力。計(jì)算流程分3個(gè)施工步。首先，施加重力作用，并進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，位移清零；其次，鈍化隧道開(kāi)挖部分圍巖，激活隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)；最后，激活滑帶單元，實(shí)現(xiàn)滑坡滑動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡-隧道的模擬。

3 滑坡-隧道體系變形分析

為驗(yàn)證模型的可靠性，將文獻(xiàn)[11]數(shù)值位移矢量圖與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖4為隧道位于滑帶處的位移矢量圖。

圖4 隧道位于滑帶處滑坡-隧道體系位移矢量圖

從圖4可看出，當(dāng)隧道位于滑坡處時(shí)，隧道拱部發(fā)生較大沿滑坡方向滑移，仰拱為斜向上的隆起；本文模型與文獻(xiàn)模型模擬結(jié)果吻合較好。

為定量分析不同工況下隧道洞周圍巖變形，將各工況下洞周圍巖豎向和水平向變形展布于水平軸上。其中拱部和邊墻部分從左側(cè)到右側(cè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1～19；仰拱部分從左側(cè)到右側(cè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1～11。隧道洞周各節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖5所示。其中10#節(jié)點(diǎn)和6#節(jié)點(diǎn)為拱部和仰拱中點(diǎn)。

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)編號(hào)示意圖

不同工況隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移沿各節(jié)點(diǎn)展布如圖6所示。圖6中正值為下沉，負(fù)值為向上隆起。

圖6 各工況洞周圍巖節(jié)點(diǎn)豎向位移

從圖6(a)可看出，0D工況和右1D工況由于隧道和滑帶相交，故圍巖變形存在顯著的不對(duì)稱性。0D工況由于右側(cè)邊墻部分位于滑帶以下基巖部位，滑帶及以上土體向下的滑動(dòng)產(chǎn)生對(duì)該處向右上方的反向擠壓作用，導(dǎo)致該部分沉降值大幅減小。兩側(cè)邊墻位移值相差25 mm。最大沉降位于拱頂，約36 mm。右1D工況由于拱部左側(cè)位于滑動(dòng)區(qū)域，導(dǎo)致該部分沉降值增加，拱部最大沉降點(diǎn)發(fā)生在拱頂左側(cè)與滑動(dòng)交叉位置，約29 mm。

從整體看，最大沉降多發(fā)生在拱頂部位。拱部區(qū)域沉降從拱頂至拱腳單調(diào)逐漸減小。邊墻區(qū)域沉降均表現(xiàn)出波動(dòng)現(xiàn)象。除向下工況外，其他工況豎向位移極值隨隧道與滑坡距離的增加而減小。向下工況隨著距離滑坡位置的增大，受埋深影響效應(yīng)大于滑坡影響效應(yīng)，故呈現(xiàn)與其他工況不同的趨勢(shì)。

豎向位移曲線大致可分為2大區(qū)域，上部區(qū)域小于17 mm區(qū)域，包括右1D、右3D、右5D、下1D、下3D、下5D。下部區(qū)域大于17 mm小于36 mm，包括左1D、3D、左5D、上1D、上3D。從圖6(b)可看出，基本工況和左1D工況由于仰拱和滑帶交叉，故沉降曲線差異較大。其他工況仰拱沉降規(guī)律呈現(xiàn)2種規(guī)律：滑帶下部為中間大兩頭小，下5D工況最大，約27 mm；滑帶上部為中間小兩頭大，上3D工況最大，約為-9 mm。

4 滑坡-隧道體系受力分析

4.1 隧道襯砌軸力分析

為定量分析不同工況下襯砌內(nèi)力分布差異，將襯砌單元編號(hào)，規(guī)則同節(jié)點(diǎn)編號(hào)。隧道襯砌各單元編號(hào)如圖7所示。圖8為不同工況襯砌軸力分布圖。

圖7 隧道襯砌各單元編號(hào)示意圖

圖8 各工況襯砌軸力分布圖

從圖8(a)可看出，拱部和邊墻部位軸力沿10號(hào)單元大致呈對(duì)稱分布，且對(duì)稱性隨隧道距滑坡距離的增大而增強(qiáng)。拱頂軸力最小，邊墻軸力最大。軸力曲線呈“W型”，軸力受埋深影響程度大于受滑帶影響程度，埋深越深，曲線越陡，軸力越大。體現(xiàn)在左1D、左3D、左5D、右1D、右3D、右5D工況軸力大小集中于-2 000～-4 000 kN范圍內(nèi)。下5D工況軸力最大，邊墻約為-6 200 kN，拱頂約為-3 600 kN，兩者差值-2 600 kN；上3D工況軸力最小，邊墻約為-1 600 kN，拱頂約為-1 000 kN，兩者差值-600 kN。

從圖8(b)可看出,仰拱軸力分布對(duì)稱性較拱部差，右側(cè)軸力大于左側(cè)相同位置處。和拱部邊墻軸力類似，仰拱軸力也隨埋深增加而增大。左1D工況由于仰拱與滑帶相交，故仰拱受力較同等埋深其他工況大，達(dá)到了下5D工況受力水平。

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩分析

圖9為隧道-滑帶不同位置關(guān)系襯砌彎矩云圖。

圖9 隧道-滑帶不同位置關(guān)系襯砌彎矩云圖(單位：kN·m)

從圖9可看出，整個(gè)拱部范圍內(nèi)襯砌彎矩水平較低，邊墻中下部位及仰拱兩端彎矩變化較大。圖9(b)由于隧道位于滑帶，故右側(cè)拱腳和左側(cè)墻腳及仰拱部位彎矩較圖9(a)和圖9(c)大。這與圖1中邊墻部位出現(xiàn)的縱向裂縫的特征相吻合。

圖10為各工況襯砌彎矩分布圖。

圖10 各工況襯砌彎矩分布圖

由于單元兩節(jié)點(diǎn)彎矩不同，本次提取單元節(jié)點(diǎn)1處彎矩值進(jìn)行分析，故圖10中彎矩分布曲線與圖9中彎矩云圖有所不同。圖10(a)中，除右1D工況和0D工況，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)拱部左側(cè) (1D工況)、拱腰右側(cè)(0D工況)與滑帶交叉；圖10(b)中，由于左1D工況，仰拱右側(cè)與滑帶交叉，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彎矩呈現(xiàn)與其他工況不同的分布。拱部彎矩水平較低，墻腳處彎矩變化幅度大，且彎矩值較高。仰拱兩端彎矩值較中間部位高。

5 結(jié)論

依托某高速公路滑坡-隧道體系實(shí)體工程，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)滑坡影響下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力特性進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

(1)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)位移由隧道與滑帶位置關(guān)系決定，隧道位于滑帶上部工況(左1D、3D、左5D、上1D、上3D)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降量大于隧道位于滑帶下部工況(右1D、右3D、右5D、下1D、下3D、下5D)，且沉降量隨著距滑帶距離的增大而減小。

(2)滑帶和隧道的空間位置對(duì)軸力的影響遠(yuǎn)大于彎矩的影響,滑帶導(dǎo)致交叉部位襯砌軸力增大,埋深對(duì)軸力的影響大于滑帶的影響。

(3)當(dāng)出現(xiàn)滑坡無(wú)法繞避而采用隧道從滑床底部穿過(guò)的選址理念時(shí)，還應(yīng)該考慮由于埋深增加導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力增加的問(wèn)題。當(dāng)滑帶與隧道相交時(shí)，應(yīng)對(duì)滑帶穿越部位的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。