不同滑帶角度滑坡作用下隧道襯砌結構受力特征

邵 江 ，朱寶龍 ，李 濤

（1. 四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041；2. 西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010）

隨著基礎設施建設的推進，公路與鐵路工程建設中為了保證線路的順直，越來越多的隧道襯砌結構工程穿行大型滑坡區域，形成滑坡-隧道相互作用、相互影響的工程特征[1]，隧道襯砌結構勢必會承受滑坡推力作用，當滑坡作用力足夠大時，隧道襯砌結構會產生相應變形或破壞.

目前，國內外對這種滑坡-隧道相互作用的特征及機理投入了較多關注，主要表現在三方面，一是對滑坡-隧道相互作用模型體系進行了總結與歸納，如吳紅剛等[2]從滑面與隧道相處位置出發，建立了以平行體系、正交體系和斜交體系為核心的較為完備的受力變形模式；張魯新等[3]分析了滑坡與隧道變形特征并提出五種地質結構模型；陳小云等[4]對于正交體系下隧道與滑帶相交力學模型進行了研究.二是采用多種手段研究了滑坡作用下隧道襯砌結構受力機理以及滑坡-隧道相互作用機理，如陶志平[5]采用室內模型試驗方法，分析了滑坡地段隧道的變形機理，研究了隧道圍巖和隧道襯砌壓力的變化規律；毛堅強等[6]運用接觸面來模擬滑面，應用有限元算法分析了滑坡-隧道間的相互作用機理以及隧道的受力變形規律；陳剛[7]分別討論了隧道開挖和降雨作用對滑坡體變形的影響；王旭[8]結合具體的工程實例，考慮隧道與滑面相對位置關系變化，計算了邊坡的安全系數和隧道襯砌結構變形. 同時，國外一部分學者[9-14]確定了隧道在滑坡應力作用下的變形機理，并采用現代傳感、監測新技術對滑坡-隧道模型進行研究. 另一部分學者[15-19]通過二維和三維數值模擬方法探討隧道開挖誘發深部滑坡問題及隧道-滑坡相互作用機理. 特別地，Chiu 等[20]通過隧道襯砌變形情況來反應滑坡作用下隧道所受作用力. 第三方面是滑坡-隧道治理措施上開展了卓有成效的研究，如杜升濤[21]通過選用抗滑樁支擋和排水工程綜合治理的方案治理襄渝線趙家塘隧道滑坡；陶志平等[22]采用抗滑樁來治理滑坡地段隧道的變形問題；鄭穎人等[23]以重慶某高速公路隧道出口段的滑坡治理工程為背景，采用有限元強度折減法研究了滑動面位置與抗滑樁位置和樁間距的關系. 總體來說，目前治理方式一般應用滑坡治理措施和隧道加固措施的原則，主要采用預應力錨索和抗滑樁等來治理滑坡，圍巖注漿和增強隧道襯砌等方式來加固隧道，如贛龍鐵路馬蹄徑隧道[24]和相田二號隧道[25]等. 雖然以上研究得了一定的成果，但所有研究主要依托于某一具體滑坡-隧道相互作用案例開展相關滑坡穩定性、隧道變形機理或治理措施相關的研究，還沒有出現專門探討滑坡滑帶角度變化對隧道襯砌結構受力變化及對襯砌結構影響的相關研究.

因此，本文采用室內模型試驗、數值模擬的方法，探討針對不同滑帶角度條件滑坡作用對隧道襯砌結構受力的影響，得到滑坡作用下偏壓隧道襯砌受力[26]變化規律，這對于彌補滑坡-隧道相互作用研究的不足，更加清楚的掌握滑坡作用下隧道襯砌結構受力的變化有一定的現實意義.

1 滑坡隧道室內模型試驗設計

1.1 滑坡隧道工程實例

通過分析國內多個典型滑坡-隧道特征[1,4, 26-28]可以得出，滑坡滑動帶的傾角基本在0°～50°，破壞點基本位于拱腳處. 因此，以下研究主要以大（同）準（格爾）鐵路K20 南坪隧道為研究原型，考慮不同滑帶角度作用下隧道襯砌結構受力變化特征及變化規律. 大（同）準（格爾）鐵路K20 南坪隧道洞頂回填區為寬緩平臺，平臺高程為1 205～1 207 m，寬43～77 m. 其地形、巖性結構剖面如圖1. 其滑帶與隧道夾角約為10°.

圖1 南坪隧道地質剖面Fig. 1 Geological profile of Nanping Tunnel

南坪隧道受滑坡影響變形較為嚴重，裂縫多位于拱壁墻邊，以縱向為主最長達28 m. 在16～18 避車間變形最大實測最大累計變形達24 mm （2016 年1 月14 日—2016 年5 月1 日），工務段實測最大累計變形達77 mm （2015 年3 月14 日— 4 月13 日）. 避車洞墻邊位移過大，導致水溝擠壓變形：K20 + 082～K20 + 058 段水溝被擠壓扭曲，隧道表面混凝土面層產生脫落現象，位移量達28 cm；K20 + 41～K20 + 58段水溝受擠壓，蓋板鼓起，位移量達6 cm，在與滑帶相交處產生了較大的局部剪切變形.

1.2 模型試驗相似比

以南坪滑坡隧道為原型，幾何比設為1∶100，將重要的滑坡體參數容重γ、黏聚力c、內摩擦角φ根據相似材料進行配比，隧道襯砌彈性模量E以及泊松比μ按照一定的比例進行配置. 按照相似比理論，各變量對應的相似比為CL=100，Cγ=1，Cμ=Cc=Cφ=1，Cσ=CE= 100，其中L為幾何尺寸，σ為應力.

1.3 模型試驗設計與制作

根據幾何相似比，試驗模型長2.5 m，寬0.5 m，高0.9 m，如圖2. 滑帶厚度為3.0 cm，滑動區為滑動面的角度分別設為0°、10°、20°、30°、40°、50°. 滑帶材料采用黏性土加少量石膏，滑體由礫石粉粒分層壓實組成，使其參數滿足相似比要求. 滑床采用中等風化碎石同少量黏土石灰混合、夯實，以減少實驗時不必要的沉降變形. 試驗材料參數如表1.

圖2 滑坡-隧道模型示意Fig. 2 Landslide-tunnel model

表1 模型試驗材料力學參數Tab. 1 Mechanical parameters of model materials

在滑體內部放置一長0.5 m、厚1.0 cm 的石膏材料隧道. 模型隧道按照模型尺寸訂做模具，模具材料為2.0 cm 厚的PVC 塑料板，并用螺桿穿起拼裝為整體，隧道襯砌內模由兩塊弧形鋼板拼成. 模具組裝前，先在模具內鋪設間距12.0 mm 鋼絲網，用螺桿拼接，采用石膏∶水＝2∶1 比例進行隧道整體澆筑，形成模型試驗用隧道結構.

模型試驗按滑帶角度0°、10°、20°、30°、40°、50° 分別制作相應模型進行試驗，即一種滑帶角度模型試驗完成后，重新制作模型，進行下一種滑帶角度模型試驗.

1.4 測點布置

滑坡體表面設置位移計監測加載過程中位移變形情況（如圖2）. 為了能夠詳細掌握不同滑帶角度作用下隧道襯砌結構應力變化，內外分別布置20 個應變片測點（N1～N20、W1～W20），如圖3（a）所示.在隧道橫截面布置10 個粘貼應變花的測點（J1～J10）監測隧道襯砌受剪情況（圖3（b））. 微型壓力盒（1～7）布置在隧道襯砌的外側，用以監測隧道襯砌受到的滑坡推力或壓力變化（圖3（c））. 同時，為得到隧道襯砌結構上豎向壓應力值，采用應變片的方法采集數據，應變片黏貼位置與圖3（c）一致（圖中未畫出）.

圖3 隧道測點布置Fig. 3 Layout of the tunnel measuring points

1.5 加載方案

根據滑坡隧道演化規律，采用多級加載. 詳細的裝載方案見表2. 荷載施加在滑坡隧道模型的后緣.在第一階段，施加的荷載為500 N，保持20 min. 第二階段施加1 000 N 的荷載，并保持40 min. 從第三階段到第六階段，在20 min 的時間間隔內平穩地增加了荷載，然后保持40 min，這一過程一直持續到滑坡模型破壞失效.

表2 模型試驗加載方案Tab. 2 Loading scheme in model test

1.6 試驗結束標準

經過多次預試驗及參考已有模型試驗成果，模型試驗結束標準選為坡體從隧道頂部滑出，同時加載測力計數值下降，此時判定為模型破壞、失效. 除坡體位移監測外，其他監測元件數據采用測力計為最大值時的監測值作為最終計算數據.

2 模型試驗結果與分析

2.1 模型試驗破壞特征

依次開展了滑帶角度為0°、10°、20°、30°、40°、50° 的滑坡隧道模型試驗. 試驗結束后，坡體產生兩條裂縫，滑坡產生較大位移，隧道頂部的坡體（坡腳處）基本滑移出模型槽. 隧道頂部坡體表層位移監測點的位移如圖4. 隨著加載時間的推移，位移逐漸增長，滑帶角度為0° 時，模型破壞時位移達到160 mm，滑帶角度為50° 時，模型破壞時位移約10 mm. 可以看出：滑帶角度越小，坡體變形越大，滑帶角度越大，坡體變形越小. 另外，在模型加載初始階段，滑帶小角度變形增長最快，有突然增大過程，但滑帶角度達到30° 以后，坡體位移初始階段增長較慢. 同時，在滑坡推力作用下，隧道襯砌結構產生一定程度的變形，并且隧道襯砌結構相對于原位置產生了一定的位移，0° 時隧道所產生的位移最大約為10 mm，30° 時產生約4 mm 的變形，50° 時幾乎未產生位移. 可以得到，隨著滑帶角度的增大，在相同滑坡推力作用下，隧道的變形逐漸減小.

圖4 不同滑帶角度條件下坡體位移Fig. 4 Displacements of slope with various angles of sliding zone

2.2 隧道襯砌結構受力特征

1） 彎矩與剪應力特征

根據圖3 中隧道襯砌結構上的應變片等測試元件，按照一定的關系式可以計算不同滑帶角度下作用于隧道襯砌結構上的應力與彎矩值，如表3.

從表3 中可以看出：對于隧道襯砌結構上所受彎矩，滑帶角度0° 時彎矩最大值為463 kN?m（圖3（c）點3），對應的隧道另一側測點（圖3（c）點6）彎矩值為201 kN?m，左右兩側彎矩相差2.3 倍，兩側受力不均，形成典型偏壓隧道. 滑帶角度30° 時，彎矩最大值為178 kN?m（圖3（c）點3），對應的隧道另一側測點（圖3（c）點6）彎矩值為65 kN?m，左右兩側彎矩相差2.7 倍. 當滑帶角度50° 時，彎矩最大值為87 kN?m（圖3（c）點3），對應的隧道另一側測點（圖3（c）點6）彎矩值為27 kN?m，左右兩側彎矩相差3.2 倍. 可見，彎矩在靠山側的拱腳處達到最大值，最大值隨著滑帶角度的增大而減小，并且隨滑帶角度越大，在相同滑坡推力作用下隧道襯砌結構上所受彎矩越小.

表3 不同滑帶角度下隧道彎矩與剪應力值Tab. 3 Bending and shear stress values of tunnel under different angles of sliding zone

對于隧道襯砌結構上所受剪力，基本與彎矩規律類似. 滑帶角度 0° 時剪力最大值為20.3 kN（圖3（c）點3），對應的隧道另一側測點（圖3（c）點6）剪力值為18.5 kN. 滑帶角度30° 時，剪力最大值為16.8 kN（圖3（c）點3），對應的隧道另一側測點（圖3（c）點6）剪力值為5.7 kN. 當滑帶角度50° 時，剪力最大值為7.3 kN（圖3（c）點3），對應的隧道另一側測點（圖3（c）點6）剪力值為2.9 kN. 可見，剪力在靠山側的拱腳處達到最大值，最大值隨著滑帶角度的增大而減小，并且隨滑帶角度越大，在相同滑坡推力作用下隧道襯砌結構上所受剪力越小，被剪切破壞的可能性減小.

2） 土壓力特征

由壓力盒的監測數據計算得到滑坡推力作用在隧道襯砌結構上的土壓力，如表4. 可以看出：作用在隧道襯砌結構上的土壓力在靠山側大于另一側1～2 倍，拱腳處大于拱肩、拱頂處的土壓力，沿著隧道襯砌結構截面分布出現出左右不均的偏壓現象.由于滑帶的作用，靠山側拱腳處土壓力值最大，在滑帶角度為0° 時，土壓力為16.4 kPa，30° 時，土壓力為9.6 kPa，50° 時，土壓力為7.4 kPa，僅為滑帶角度為0° 時的0.45 倍，可見隨著滑帶角度逐漸增大，作用在拱腳處的土壓力逐漸減小.

表4 不同滑帶角度下隧道土壓力值Tab. 4 Distribution of earth pressure on tunnel under different angles of sliding zone

3） 偏壓應力比

將同樣埋深情況下隧道襯砌結構左右側洞壁上對應點的豎向應力比值定義為偏壓應力比[26]. 為了全面掌握不同滑帶角度作用下的偏壓應力比，布置了如圖3（c）所示的7 個隧道襯砌結構豎向壓應力分析點.

如圖3（c），對于其中頂部和底部應力比，底部采用點4、5 的平均值. 分別對應拱頂（點1），左右拱肩（點2、7），拱腳（點3、6）以及拱底（點4、5）. 按照拱肩（點2、7）偏壓應力比Δ1，以及拱腳（點3、6）偏壓應力比Δ2進行計算分析.

式中：σ2、σ7和σ3、σ6分別為隧道襯砌結構監測點測得左右拱肩（點2、7）和拱腳（點3、6）應力值.

由監測元件數據換算，并根據式（1）、（2）得到表5 的數值，可以得出：在拱肩位置，當滑帶角度為0° 時偏壓應力比為1.17，滑帶角度為30° 時，偏壓應力比為1.07，50° 時，偏壓應力比1.01. 可見，隨著滑帶角度的增大，偏壓應力比逐漸減小，即隨著滑帶角度的增大，在拱肩位置處隧道襯砌拱結構左右應力差越來越小，越來越趨于平衡拱. 在拱腳位置，當滑帶角度0° 時偏壓應力比為1.08，滑帶角度為30°時，偏壓應力比為1.29，50° 時，偏壓應力比1.87. 可見，隨著滑帶角度的增大，偏壓應力比逐漸增大，即隨著滑帶角度的增大，在拱腳位置處隧道襯砌拱結構左右所受應力差越來越大，趨向于偏壓隧道.

表5 模型試驗下不同滑帶角度隧道襯砌偏壓應力比Tab. 5 Bias stress ratio at different sliding angles in model test

3 隧道襯砌結構受力數值模擬

3.1 模型建立

根據大準鐵路南坪隧道原型結構，采用有限單元法進行不同滑帶角度作用下隧道襯砌結構受力分析，數值模擬中所用模型參數如表1. 模擬中設置了樁與土、隧道結構與土之間的接觸單元[29-31]，材料參數中樁接觸單位極限剪切力0.99 N/m，法向剛度系數0.99 kN；隧道接觸單元主應力剛度模量2.45 MPa，剪切剛度模量0.245 MPa，摩擦角36°.

分別采用 0°、10°、20°、30°、40°、50°，6 種滑帶角度條件進行模擬分析，分析模型如圖5（限于篇幅，其他未列出）.

圖5 滑帶30° 與隧道結構數值模擬模型Fig. 5 Numerical simulation model at sliding angle 30°

3.2 模擬結果分析

如圖6 所示為 30° 滑帶角度滑坡推力作用下隧道襯砌結構位移變形（其他滑帶角度作用下隧道位移云圖規律類似，僅位移值不同），當滑帶角度為 0° 時最大變形量為121 mm，滑帶角度為30° 時最大變形為59.8 mm，滑帶角度為 50° 時最大變形為0.2 mm，最大變形位置均發生在靠山側的拱腳處. 可見，隨著滑帶角度的增大，隧道襯砌結構變形逐漸減小，這與模型試驗得出的位移規律基本一致，僅在變形量數值上略有差別.

圖6 30° 滑帶角度作用下隧道位移Fig. 6 Displacements of tunnel at sliding angle 30°

圖7 為數值模擬所得隧道襯砌結構所受彎矩（其他滑帶角度作用下隧道彎矩云圖規律類似，僅彎矩值不同）. 與模型試驗所得規律基本一致，最大彎矩值分布在靠山側的拱腳處，當滑帶角度為 0° 時最大彎矩量為487.90 kN?m，滑帶角度為30° 時最大彎矩為187.00 kN?m，滑帶角度為50° 時最大彎矩為89.03 kN?m. 同樣地，隨著滑帶角度的增大，隧道襯砌結構所受彎矩逐漸減小. 在滑坡推力作用下，隧道襯砌結構拱左右受力不均，存在偏壓現象.

圖7 30° 滑帶角度作用下隧道彎矩Fig. 7 Bending moments of tunnel at sliding angle 30°

3.3 數值模擬與模型試驗對比分析

數值模擬中設置如圖3 的監測點，得到隧道襯砌結構上7 個監測點的應力值，并根據式（1）、（2）計算出偏壓應力比，如表6，與模型試驗中的監測數值進行比較，數值上接近，反映出的規律一致，在拱肩位置處，隨著滑帶角度的增長，拱左右兩側所受豎向應力差逐漸減少，趨于平衡拱，在拱腳位置處，由于滑坡推力的作用，隨著滑帶角度的增大，拱左右兩側的豎向應力值越來越大，更趨于偏壓隧道.

表6 數值模擬下不同滑帶角度隧道襯砌偏壓應力比Tab. 6 Bias stress ratios in numerical simulation

4 結 論

以大準鐵路K20 南坪隧道為例，采用室內模型試驗、數值模擬手段，開展了不同滑帶角度的滑坡作用下隧道襯砌結構受力特征相關研究，得到如下結論：

1） 穿越滑坡區的隧道由于滑坡推力的作用，隧道襯砌結構容易產生變形或破壞.

2） 滑坡滑帶角度的不同，對隧道襯砌結構的力學作用也不同. 對于隧道襯砌結構上所受彎矩與剪應力，在靠山側的拱腳處達到最大值，最大值隨著滑帶角度的增大而減小，并且隨滑帶角度越大，在相同滑坡推力作用下隧道襯砌結構上所受彎矩與剪應力越小. 作用在隧道襯砌結構上的土壓力在靠山側大于另一側1～2 倍，拱腳處大于拱肩、拱頂處的土壓力，沿著隧道襯砌結構截面分布出現出左右不均的偏壓現象，隨著滑帶角度逐漸增大，作用在拱腳處的土壓力逐漸減小.

3） 計算得到隧道襯砌結構上不同位置處的豎向壓應力，并計算出其左右兩側的偏壓應力比，得出在拱肩位置，隨著滑帶角度的增大，隧道襯砌拱結構左右應力差越來越小，越來越趨于平衡拱. 在拱腳位置，隨著滑帶角度的增大，偏壓應力比逐漸增大，隧道襯砌拱結構左右兩側所受應力差越來越大，趨向于偏壓隧道.

在實際工程中，對于穿行大型滑坡區域的隧道，在設計過程中可在隧道襯砌結構拱腳處加強設置，同時采用抗滑樁等滑坡支擋措施抵御滑坡推力的作用.