超深層黃土滑坡作用下既有隧道結(jié)構(gòu)體系力學特征

孫明磊 ，朱永全 ，李新志 ，何本國

（1.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學行為與系統(tǒng)安全國家重點實驗室，河北 石家莊 050043；3.東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽110819）

滑坡是黃土地區(qū)的主要地質(zhì)災害類型之一，常會阻斷交通、摧毀村莊甚至造成人員傷亡，當隧道經(jīng)過該區(qū)域時，地質(zhì)災害體極易對隧道產(chǎn)生影響，導致隧道變形甚至破壞.

國內(nèi)外學者針對黃土滑坡的成因、發(fā)展規(guī)律和防治措施研究[1-3]較多，對滑坡、隧道二者相互作用方面研究多為隧道施工對坡體穩(wěn)定性的影響[4-7]，針對滑坡誘發(fā)運營期隧道變形甚至破壞的規(guī)律方面研究很少，且側(cè)重于實際工程現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析[8]、地質(zhì)力學模型試驗模擬[9-11]及結(jié)合數(shù)值模擬驗證方法[12-16].劉文紅[1]按滑動面位置將滑坡分為黃土層內(nèi)滑坡、黃土-基巖接觸面滑坡、黃土-基巖滑坡；按滑體厚度分為淺層滑坡、中層滑坡、滑坡體厚度在25～50 m的深層滑坡和超過50 m的超深層滑坡.尹靜等[9]建立隧道與滑坡土體相互作用的彈性圍巖-隧道結(jié)構(gòu)梁模型，得到了橫穿滑坡變形區(qū)隧道在滑坡推力作用下隧道中部內(nèi)力為0、隧道與滑面交界處受力狀態(tài)最差、隧道主要為整體位移的規(guī)律.周德培等[10]給出了隧道變形與坡體病害相互關系的5種地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型以及坡體病害地段隧道變形的4大特征.趙金等[11]分析了隧道穿越滑體時隧道在圍巖壓力和滑坡推力作用下的受力變形，得到了隧道在滑坡推力作用下的受力圖示和荷載計算公式.閆志雄等[12]通過現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬，分析了在古滑坡復活情況下，隧道變形表現(xiàn)形式及裂縫特征，并總結(jié)了根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進行坡體災害預測的方法.秦睿等[13]通過室內(nèi)模型試驗，分析研究了楊家灣隧道-滑坡體系的變形機理，并通過數(shù)值計算結(jié)果驗證了模型試驗的結(jié)果，即隧道中間位置變形最大向兩側(cè)延伸逐漸減小.張治國等[14]將基于傳遞系數(shù)法和極限平衡法計算出的滑坡下滑力施加在既有結(jié)構(gòu)上，建立隧道、滑坡相互作用的彈性地基梁模型，采用傳遞矩陣法求解隧道截面的內(nèi)力和位移，同時建立三維數(shù)值模型對滑坡誘發(fā)的隧道變形進行了模擬.潘衛(wèi)東等[15]在討論滑坡引起隧道變形開裂特征的基礎上，著重分析了單滑面和多滑面滑坡中隧道的變形規(guī)律.劉天翔等[16]以某高速公路隧道正交穿越厚度超過60 m 的老滑坡為背景，采用數(shù)值方法對坡體、隧道的應力、變形等進行了分析，同時與規(guī)范推薦的傳遞系數(shù)法的計算結(jié)果進行了對比.

上述研究結(jié)果表明： 不同的滑坡-隧道體系中隧道結(jié)構(gòu)的受力及變形特征差別很大，沿隧道縱向位置不同結(jié)構(gòu)的受力及變形也不同，其中以隧道-滑坡正交體系對工程影響最為嚴重，且研究對象多為中、淺層滑坡，超深層滑坡問題因其具有研究對象復雜、規(guī)模巨大、災害嚴重、滑帶確定及處置難度極大等特點研究極少.與中、淺層滑坡相比，在超深層滑坡作用下，隧道會產(chǎn)生更大的附加荷載，引起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不利的受力狀況，甚至是長期的變形、開裂.目前，針對超深層滑坡與隧道相互作用及影響尤其是在超深層滑坡作用下隧道結(jié)構(gòu)的受力及變形的空間特征問題尚未見系統(tǒng)性研究成果.

因此，以某典型工程為依托，建立“超深層黃土-泥巖-隧道”三維數(shù)值模型，采用基于位移突變的局部強度逐級折減法模擬滑坡臨界狀態(tài)，研究超深層滑坡誘發(fā)條件下，滑坡與隧道正交條件下隧道的受力及變形空間特征，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)初步分析該工程中滑帶與隧道位置關系，為后期的運營及整治提供技術(shù)支持.

1 超深層黃土滑坡-隧道模型的構(gòu)建

1.1 工程依托

某運營鐵路隧道突發(fā)襯砌結(jié)構(gòu)嚴重變形和破損，根據(jù)洞內(nèi)變形破損情況結(jié)合地表裂縫位置，初步判定該事故是由于滑坡導致.

滑體中心位置斜坡主應力方向地質(zhì)橫剖面見圖1.根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，斜坡地層上部為黃土，下部為泥巖，泥巖中部有一古凹槽（寬約570 m，長356 m）.泥巖呈圈椅狀，巖質(zhì)軟弱，具膨脹性和流變性，應力超過流變強度時會產(chǎn)生蠕動變形，含石膏，水敏性礦物含量達53.7%，遇水浸濕飽和后工程性顯著減弱.古凹槽內(nèi)為中更新統(tǒng)冰水沉積粉土，相對致密，干燥狀態(tài)下土質(zhì)堅硬，礦物成分含石膏和水敏性礦物，遇水后迅速軟化.根據(jù)試驗結(jié)果，粉土滲透系數(shù)較泥巖大2～3個數(shù)量級，泥巖為相對隔水層，有利于地下水向粉土泥巖界面滲透匯集.

圖1 隧道與滑帶相對位置關系（單位：m）Fig.1 Relative position relationship between tunnel and sliding zone (unit：m)

1.2 數(shù)值模型

黃土-泥巖復合斜坡，上部厚層黃土與下伏泥巖工程性質(zhì)差異顯著，泥巖隔水性較好，泥巖頂易匯集地下水，造成上部黃土的力學強度降低形成軟弱帶，故假設該滑體沿黃土（粉土）下伏泥巖頂面滑動，滑坡側(cè)界假設在古凹槽前后端面.

1）建立“黃土（粉土、泥巖）-滑帶-隧道” FLAC3D數(shù)值模型，僅考慮滑坡體與隧道正交情況，分兩種工況.工況1：滑帶位于隧道上方；工況2：滑帶位于隧道下方（見圖1）.模型中部位置（Y= 328 m）、 滑帶上方及隧道橫斷面上監(jiān)測點分別見圖1、2.圖2中：1、Z2和Y2、Z3和Y3、Z4和Y4和 5分別為拱頂、拱腰、拱腳、墻腰、墻腳和仰拱測點編號.未考慮滑帶穿過隧道工況，該種情況下隧道表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)破損開裂.

圖2 測點布置（單位：m）Fig.2 Layout of measuring points (unit： m)

2）工況1計算模型見圖3，滑體縱向長度348 m，滑帶厚 4 m，滑體最大厚度 240 m.滑床、滑體采用實體單元，滑帶以薄層實體單元模擬，符合摩爾-庫倫強度準則，支護、襯砌為彈性體.模型邊界條件：底面施加固定約束，左右、前后邊界均施加法向約束，上表面為自由面, 僅考慮自重應力場.

圖3 工況 1 計算模型Fig.3 Numerical model of case 1

地層及結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)，參考鐵一院《深層黃土地質(zhì)災害綜合勘測與整治技術(shù)階段成果報告》[17]取值，詳見表1.

表1 地層及結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)Tab.1 Physical parameters of strata and structures

3）先求解坡體初始應力場，再進行隧道開挖、支護及襯砌（臺階長度12 m，仰拱距離掌子面大于60 m，二襯一次施作長度12 m），以此時求得的坡體和隧道的應力狀態(tài)作為初始應力狀態(tài).

1.3 滑坡臨界狀態(tài)的確定

結(jié)合有限差分的傳統(tǒng)強度折減法具有原理簡單、能較好地模擬巖土體在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動特性的優(yōu)點，可分析邊坡的漸進性破壞直至失穩(wěn)的過程，該方法是對全部土體單元進行強度折減，但很多滑坡尤其是超深層滑坡往往是由于局部巖土體破壞引起的，例如軟弱滑帶、軟弱夾層等，若對全部土體單元進行強度折減，求得的位移與實際情況不符，且傳統(tǒng)強度折減法也不適用于坡體-隧道體系的穩(wěn)定性分析.

為了更真實地反映邊坡失穩(wěn)過程中坡體-隧道體系位移變化，采用基于位移突變的局部強度逐級折減法來模擬滑坡臨界狀態(tài)，即在計算過程中僅將滑帶進行逐級的強度折減來模擬土體劣化過程，同時建立邊坡特征點的位移與折減系數(shù)的關系曲線，以曲線上的拐點（突變點）作為邊坡處于臨界破壞狀態(tài)的臨界點.此時的折減系數(shù)K值即為坡體的臨界安全系數(shù)，求解相應折減系數(shù)條件下坡體的位移、隧道結(jié)構(gòu)的位移及應力.分析流程見圖4，圖中：C0、Φ0分別為土體黏聚力、內(nèi)摩擦角；η為設定的折減系數(shù)級差.

圖4 基于位移突變的強度逐級折減法分析流程Fig.4 Analysis flow of stepwise strength reduction method based on displacement mutation

2 超深層黃土滑坡-隧道結(jié)構(gòu)位移分布規(guī)律及受力變形特征

2.1 坡體安全系數(shù)

由圖5 可知：當K= 2.96 時，折減系數(shù)-位移曲線出現(xiàn)拐點，坡體的K= 2.95～2.96；工況 2 位移略小于工況1，說明工況2中隧道起到了一定的阻滑作用.為便于兩工況間的比較，選取K= 2.96 時的隧道應力及變形規(guī)律進行分析.

圖5 折減系數(shù)-位移曲線Fig.5 Reduction factor-displacement relation curves

2.2 隧道襯砌變形特征

2.2.1 隧道位移縱向分布規(guī)律

折減系數(shù)K= 2.96時兩工況襯砌各監(jiān)測點的水平、豎向位移、縱向位移沿隧道縱向分布見6、7.

圖6 工況 1 襯砌位移沿縱向分布Fig.6 Distribution of lining displacements along longitudinal direction in case 1

1）工況 1

隧道受中間地層“牽動”作用明顯.滑體中隧道同一橫斷面各測點水平位移相差較大，其中右拱腰、拱頂及右拱腳較大；水平位移沿隧道縱向呈“雙駝峰狀”分布，最大值出現(xiàn)在滑體邊界附近.

滑體中部隧道拱頂豎向位移大，隧底豎向位移小，沿隧道縱向豎向位移呈“U狀”分布，由兩端向中部逐漸增大，滑體中部附近豎向位移達到極值，滑體外變形迅速減小.

縱向位移相對較小，滑體中部位移極小，由中部向兩端逐漸增大，在滑體邊界處達到最大值，方向由滑體中部指向兩端.同一橫斷面各測點位移相差不大.

2）工況 2

滑帶在隧道下方時，隧道 “坐船”作用明顯.隧道整體水平位移大；沿隧道縱向呈“馬鞍狀”分布，由滑體邊界向中部逐漸增大，最大值位于中部.隧道同一橫斷面各測點水平位移相差不大，表現(xiàn)為整體位移；與工況1相比，位移值大得多.

隧道整體豎向位移小；沿隧道縱向呈“倒U狀”分布，由滑體邊界向中部逐漸增大，最大值位于中部.滑體中隧道有整體的相對上浮，隧道仰拱及靠河側(cè)測點位移表現(xiàn)相對隆起，這與古凹槽、滑帶呈圈椅狀分布有關；與工況1相比，位移值相對較小.襯砌豎向位移云圖見圖8.

圖8 工況 2 隧道襯砌豎向位移Fig.8 Vertical displacement of tunnel lining in case 2 (unit： m)

縱向位移較豎向位移明顯，且比工況1大，滑體中部位移極小，由中部向兩端逐漸增大，縱向位移方向由滑體中部向兩端；靠河側(cè)縱向位移最大，仰拱和拱頂次之，靠山側(cè)最小.

圖7 工況 2 襯砌位移沿縱向分布Fig.7 Distribution of lining displacements along longitudinal direction in case 2

2.2.2 隧道位移沿橫斷面分布規(guī)律

當折減系數(shù)K= 2.96時兩工況典型斷面隧道襯砌監(jiān)測點的位移見表2, 位移云圖見圖9、10 （變形倍數(shù)為50）.

圖9 工況 1 隧道襯砌總位移Fig.9 Total displacement of tunnel lining in case 1

表2 K = 2.96時隧道襯砌位移Tab.2 Displacement of tunnel lining at K = 2.96 mm

1）工況1：隧道典型橫截面水平方向呈現(xiàn)擠壓位移，變形主趨勢方向與滑體滑動方向一致；沿隧道縱向滑面邊界（斷面B）水平位移稍大于滑體中部（斷面C）；豎向位移則滑面邊界（斷面B）小于滑體中部（斷面C）；斷面B豎向位移均小于水平位移，斷面C拱頂及靠山側(cè)豎向位移大于水平位移，仰拱及靠河側(cè)則相反；豎向位移與水平位移比值差異較大.

2）工況2：隧道典型橫截面水平方向呈現(xiàn)整體位移，變形主趨勢方向與滑動方向一致，位移值大；沿隧道縱向滑體中部（斷面C）水平位移大于滑面邊界（斷面B）處；豎向位移與水平位移比值差異較小.

圖10 工況 2 隧道襯砌總位移Fig.10 Total displacement of tunnel lining in case 2

2.3 襯砌應力

折減系數(shù)K= 2.96時兩工況典型斷面隧道襯砌各主應力見表3及圖11、12.

圖11 工況 1 斷面 C 應力云圖Fig.11 Stress contour of section C in case 1

表3 K = 2.96時典型斷面隧道襯砌主應力匯總Tab.3 Summary of principal stresses of tunnel lining with typical section when K = 2.96

1）工況 1：滑體中部（斷面C）為最不利斷面，應力增幅最大，且拱部呈現(xiàn)出明顯的偏壓特征.最大主應力位于拱頂偏左襯砌內(nèi)表面，最大剪應力位于右拱腰偏下及左墻腳位置襯砌內(nèi)表面，最小主應力位于右拱腰偏下及左墻腳位置襯砌內(nèi)表面.

2）工況 2：滑體邊界（斷面B）為最不利斷面，應力增幅最大，且呈現(xiàn)出隧道全斷面的偏壓特征.最大主應力位于拱頂左側(cè)襯砌內(nèi)表面；最大剪應力位于拱頂右側(cè)襯砌內(nèi)表面；最小主應力位于右拱腰襯砌外表面，其次為左墻腳襯砌內(nèi)表面.仰拱位置最小主應力和最大剪應力也相對較大.

3）最大厚度204 m的超深層滑體滑動或產(chǎn)生滑動趨勢時，襯砌結(jié)構(gòu)的附加變形和應力值都很大，在滑動前已破壞，工況2斷面B受力狀態(tài)最不利.

3 滑坡與隧道病害關系分析與驗證

3.1 隧道結(jié)構(gòu)位移特征

根據(jù)隧道病害發(fā)生后墻腳CPⅢ的測量結(jié)果，隧道變形段發(fā)生約10 cm的向河側(cè)水平位移和5 cm的沉降，靠山側(cè)水平位移略大于靠河側(cè).兩計算工況墻腳測點水平及豎向位移與實測結(jié)果對比見圖13.

圖13 計算位移與實測結(jié)果對比Fig.13 Comparison of calculated and measured displacements

工況1坡體滑動前引起的襯砌水平位移遠小于實測值，而工況二則大于實測值，從實測水平位移量值和分布規(guī)律來看，隧道“坐船效應”明顯，與工況2較吻合，且該滑坡應處于蠕動階段，未達到極限平衡狀態(tài)，但已引起了滑體邊界處的結(jié)構(gòu)破損并導致滑體內(nèi)部隧道結(jié)構(gòu)整體的位移.

由豎向位移來看，兩種工況的計算結(jié)果均小于實測結(jié)果，這與假設的滑帶在黃土（粉土）下伏泥巖頂面，且呈圈椅狀有關.因此，初步判斷該滑坡不是黃土（粉土）-基巖接觸面滑坡，而是沿下伏泥巖中呈一定角度的軟弱帶或軟弱構(gòu)造帶滑動的黃土（粉土）-基巖滑坡，滑帶位于基巖內(nèi)部.

3.2 隧道結(jié)構(gòu)破壞部位

該隧道突發(fā)襯砌結(jié)構(gòu)嚴重變形和破損時，結(jié)構(gòu)破壞最嚴重區(qū)段二襯出現(xiàn)混凝土剝離掉塊、鋼筋外露，病害部位主要為拱頂右側(cè)30～50 cm處（靠河側(cè)）.這種破壞狀態(tài)與工況2斷面B拱頂偏右位置出現(xiàn)最大壓應力和剪應力規(guī)律吻合.

圖8工況2豎向位移云圖顯示，滑體內(nèi)隧道靠河側(cè)仰拱與靠山側(cè)相比有明顯的相對隆起，這與事故隧道變形段仰拱出現(xiàn)多處縱向裂縫、縱向裂縫位于中心水溝附近且基本貫通現(xiàn)象一致.

3.3 隧道結(jié)構(gòu)受力特征

由隧道結(jié)構(gòu)破損嚴重段進行拆換處置的襯砌內(nèi)側(cè)混凝土應力監(jiān)測結(jié)果（圖14）可知：內(nèi)側(cè)混凝土應力整體大，以左邊墻和拱部為主，左側(cè)邊墻大于右側(cè)，全斷面呈偏壓，分布規(guī)律與圖12（b）最小主應力云圖一致.最大值出現(xiàn)在左墻腰附近-29.55 MPa，已超過混凝土軸心抗壓極限強度（29.5 MPa），但未達到混凝土彎曲抗壓極限強度（36.9 MPa），且加固工程結(jié)束4 a后大部分應力量測結(jié)果仍在緩慢增長，說明該滑坡仍在蠕動變形階段，未達到滑坡臨界狀態(tài).

圖12 工況 2 斷面 B 應力云圖Fig.12 Stress contour of section B in case 2

圖14 混凝土應力橫斷面分布（單位：MPa）Fig.14 Cross-section distribution diagram of concrete stress (unit：MPa)

4 結(jié) 論

通過對超深層黃土滑坡誘發(fā)條件下，與滑帶不同相對位置關系的隧道位移及應力變化特征分析，得到如下結(jié)論：

1）在超深層滑體滑動或產(chǎn)生滑動趨勢前，上方或下方隧道襯砌結(jié)構(gòu)的附加變形和附加應力值都很大，已經(jīng)導致襯砌結(jié)構(gòu)破壞.

2）滑帶在隧道上方時，受地層“牽動”作用明顯.結(jié)構(gòu)受擠壓變形，拱部承受沿滑動方向的偏壓作用；水平位移沿隧道縱向呈 “雙駝峰狀” 分布，最大值在滑體邊界；豎向位移呈 “U狀” 分布，最大值在滑體中部；縱向位移較小，由滑體中部指向兩端，中間小兩端大，最大值在滑體邊界.隧道破壞形式為滑體中部隧道拱頂偏左襯砌內(nèi)表面拉裂、右拱腰偏下及左墻腳襯砌內(nèi)表面剪切破壞或壓潰.

3）滑帶在隧道下方時，隧道“坐船”效應明顯.滑體中隧道整體水平位移大，沿隧道縱向呈“馬鞍狀” 分布，最大值在滑體中部；豎向位移呈 “倒U狀”分布，最大值位于滑體中部；縱向位移在滑體中部位移極小，向兩端逐漸增大，方向由滑體中部指向兩端.隧道全斷面偏壓特征明顯，隧道發(fā)生破壞的形式為滑體邊界附近隧道拱頂左側(cè)襯砌內(nèi)表面拉裂、拱頂右側(cè)襯砌剪切破壞或壓潰.

4）相對滑帶在隧道上方的情況，隧道位于滑帶上方時的結(jié)構(gòu)變形和受力更大.