隧道—滑坡平行體系軸向變形演化試驗研究

呂敬富 吳紅剛 牌立芳

摘要：研究必要性：隨著我國國民經濟的快速發展，許多工程尤其是隧道工程建設過程中不可避免的會遇到滑坡問題。當滑坡主滑方向與隧道軸向交角在0°～20°，則稱為隧道-滑坡平行體系，一旦產生工程滑坡，對隧道結構破壞帶來不堪設想的后果。目前對隧道穿越滑坡方面的理論計算還不足，本文通過隧道-滑坡平行體系模型試驗，結合隧道軸向相關計算理論，研究了坡體位移及隧道軸向變形及應力分布特征。研究結果：①無支檔結構下，單滑面隧道—滑坡平行體系上部加載坡體變形，滑體經歷了蠕滑變形階段、擠壓階段、劇滑階段及滑后穩定階段等四個階段的變化。②沿軸向同時刻各位置的應力不同，軸向應力呈非線性分布，滑帶附近軸向應力大，從滑帶向滑面處軸向延伸，呈遞減的趨勢，且在洞口段存在拉壓變形的過渡段。

Abstract： Necessity of research： With the rapid development of China's national economy， many projects， especially tunnel construction， will inevitably encounter landslide problems. When the main slide direction of the landslide is in the range of 0° to 20° with the axial direction of the tunnel， it is called a parallel system of tunnels and landslides. Once a landslide occurs， the tunnel structure will have unimaginable consequences. At present， the theoretical calculations of tunnels crossing landslides are still insufficient. In this paper， through parallel model test of tunnels and landslides， and combined with the theory of tunnel axial correlation calculation， the displacement of the slopes and the axial deformation and stress distribution characteristics of the tunnels are studied. The results are as follows： ① Under the unsupported structure， the upper part of the parallel system of single slip tunnel-landslide loads the slope deformation， and the sliding body undergoes a creep deformation stage， an extrusion stage， a sliding stage， and a post-slip consolidation stage. Four stages of change. ② The stress at each position is different along the axial direction at the same time. The axial stress shows a nonlinear distribution. The axial stress around the sliding belt is large， and it extends axially from the sliding belt to the sliding surface， showing a decreasing trend， and is in the opening section. There is a tension-deformation transition section.

關鍵詞：隧道-滑坡；平行體系；受力變形

Key words： tunnel-landslide；parallel system；force deformation

中圖分類號：[U25] 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）31-0163-05

0 引言

我國幅員遼闊且地質條件極其復雜，實際工程經常會遇到不同本構模型的隧道，根據不同的圍巖地質狀況會涉及到不同強度準則、流動準則和土體剪脹等諸多因素，而這些因素對實際工程的影響是無法回避和忽略的[1]。

近年來，眾多學者關于隧道圍巖環向平面外應力研究做了許多工作。鄒金鋒[2]基于摩爾—庫倫屈服準則及應力—應變軟化模型并考慮軸向應力和滲透力的共同作用，將塑性區分為有限個同心圓環，以彈塑性交界面處的應力、應變為初始值，并采用微小徑向應力增量逐步求出各個圓環上的應力應變及塑性區半徑；趙呈冉[3]根據香欽多隧道地應力測試結果，結合隧址區巖石物理力學特征，結果表明：該工程區構造應力仍占主導地位，地應力以NEE 向水平擠壓為主；牛雙建[4]等從已破壞返修段巷道現場采集的破裂巖樣為研究對象，根據其現場多處于近似零圍壓或低圍壓的應力環境，借助MTS 伺服試驗機對其單軸壓縮下再破壞時的強度及變形特征進行了系統研究；許淵[5]等基于廣義Hoek-Brown強度準則和非關聯流動法則，推導出考慮軸向應力和滲透場共同作用時彈-脆-塑性圍巖的應力和位移非線性解，采用數值算例分析了軸向應力和滲透力共同作用時隧道圍巖塑性區應力場和位移場的分布規律；李清淼[6]通過對巖樣在殘余強度階段的加卸載圍壓試驗，研究巖石峰后的力學特性，提出了峰后彈性滑移力學機理，并據此建立了數值分析模型，對隧道圍巖變形進行數值分析。

上述成果通過結合現場測試、數值計算和相應的本構模型，對隧道圍巖環向平面外的應力作用及分布規律等方面進行了研究，而直接對隧道-滑坡平行體系下，滑坡變形誘發隧道結構的軸向變形空間計算研究較少。耿萍[7]以成都地鐵3號線盾構隧道為實例，對其縱向等效抗彎剛度和管環張開量隨軸力和彎矩的發展規律進行了分析；廖少明[8]基于彈性地基梁理論，對隧道在縱向不均勻沉降作用下縱向和橫向斷面的內力及其相互聯系進行了剖析，并首次提出了隧道縱向剪切傳遞效應的概念及其初等解析方法。本文通過隧道-滑坡平行體系模型試驗，結合隧道軸向相關計算理論，研究了坡體位移及隧道軸向變形及應力分布特征。

1 圓形隧道空間計算

隧道空間計算的問題比較復雜，這里僅討論空間軸對稱變形問題的計算方法。在分析隧道結構時，將隧道視為無限彈性體內的圓柱形孔洞，而將襯砌結構視為圓柱形薄殼[9]。

基于上述隧道空間軸向計算理論，為進一步探究隧道-滑坡平行體系下隧道軸向變形及應力分布特征，特此設計了以下模型試驗。

2 模型試驗

2.1 試驗材料設備及模型制作

本次模型試驗采用細篩黃土作為滑體材料；基巖采用水泥土（水：水泥：黃土的混合比為1：3：9）并夯實模擬；滑帶（1cm）采用塑料薄膜表面鋪設細篩黃土、滑石粉與水的混合物進行模擬（水：滑石粉：黃土=2：5：12），試驗應變片參數如表2所示。

隧道用直徑為50mm的硬質聚氯乙烯管材代替，彈性模量約為3.62GPa，隧道斷面如圖3所示；加載使用50kg標準加載板如圖4所示。

整個試驗在模型箱內完成，模型箱尺寸為：1400×600×1100mm，坡面為45°的單滑面圓弧斜坡，模型制作簡圖如圖5所示，模型制作完成如圖6所示。

2.2 試驗監測裝置布置及測試內容

本次模型試驗主要通過東華測試DH3816靜態應變數據采集儀全程監測加載過程隧道沿滑體軸向變形應形應變片數據變化，人工監測記錄百分表數值變動，在隧道上設置一個縱向斷面，如圖7所示。

隧道坡上方向視為拱頂側，坡下方向視為拱底側，在隧道拱頂、拱底側均布置水平向和豎向百分表，如圖8所示，主要測試滑體滑坡的位移。

2.3 試驗工況設計

土體本身具有流變特性，此次模型試驗為更好的反映各階段的試驗效果，設計試驗時，提前將模型做好放置一天，滑坡體本身在自重作用下有一個蠕滑變形過程，采用后部分時分段均勻加載的方式迫使坡體對隧道造成影響，研究隧道的軸向變形。

2.4 試驗數據分析

2.4.1 坡體位移分析

本次試驗通過對百分表數據處理分析，如圖9-圖10所示，重點探討無支檔結構下，單滑面隧道—滑坡平行體系上部加載坡體變形。

待百分表初始穩定后，增加前兩級荷載，百分表豎向和水平位移曲線均變動，但是變動幅度不大，這是由于坡體主滑段外部荷載作用下滑力較小，滑體處于蠕滑變形階段。并且在坡面和基巖上部捕捉到裂縫出現，主要由于上部坡體模型位置處人工壓實度不足，上部加載引起了不均勻的變形，導致開裂，如圖11所示。

增加第三級荷載，百分表水平向和豎向位移曲線有較大變化，滑體處于擠壓滑動階段，說明荷載的增加引起上部滑體坡面的位移，百分表的數值變動較大；增加第四級荷載，百分表豎向和水平位移均急變，滑體處于劇滑階段，有明顯增減變化，水平向位移明顯轉折上升，豎向位移明顯轉折下降，且2#百分表下降幅度比1#百分表更明顯，表明外荷載的增加，加劇了坡體的形變，迫使坡體滑動，且坡腳處因抗滑力不足，坡體滑出模型箱，如圖12所示。

隨著下一級荷載的增加，坡體的變形幅度減緩，滑體處于滑后穩定階段，坡體已經形變后穩定，此時坡體變形和裂縫均明顯發展，如圖13所示。

2.4.2 隧道軸向應變分析

試驗結束后，隧道縱斷面軸向應變數據分析如圖14所示。

為進一步研究隧道軸向的形變特征，因采集數據繁多，故而從某時刻開始（記為初始“0”）選取了同時刻下各應變片的部分數據進行曲線擬合，如表2所示，為試驗監測數據。

擬合曲線如圖15-圖16所示，重點探討無支檔結構下，單滑面隧道—滑坡平行體系上部加載隧道軸向的應力、應變分布特征。

根據應力-應變關系式：σ=Ε·ε

式中：Ε—彈性模量；ε—應變。

應變片的受力曲線特性為拉為正、壓為負，隧道部分應變區段如圖17所示。

從圖17可以看出，各點的應變是隨著加載的進程不斷增大，但增長率不同，這與理論計算結果雖有差異，但是其軸向力的分布特征與理論據算還是相符的。

初步分析這是由于滑體在填筑過程壓實沒有達到理想狀態，導致滑體略有差異，其密實度、抗壓強度等力學參數不同，因此上部加載后，其上覆土體擠壓坡體隧道變形，下覆巖體產生不協調抵抗力，造成不同步的彎曲沉降，本人覺得反而更能反映了實際的現實情況，因為實際的工程不可能像理論計算那么理想化，試驗也是如此，不可避免的會忽略一些因素的影響，但是實際的分布規律確實與計算不謀而合。

后期加載出現了不同程度的跳躍式增加，表明荷載的增加，因基巖與坡體相對剛度差異大，導致在沿滑帶表面產生剪切應力集中，下部滑體抗力不足，打破了原有的力學平衡狀態，滑體下部的土體變形，底部抗力不足，在沿滑帶附近形成了臨空界面，滑帶處隧道翹曲變形嚴重，處于應變急速發展的階段。

從應力曲線可以看出，沿軸向同時刻各位置的應力不同，軸向應力呈非線性分布，由于測試手段等方面的限制，未能給出定量的分析，但從定性方面看，滑帶附近軸向應力最大，最大值為700kPa。

從滑帶向滑面處軸向延伸，軸向應力呈遞減的趨勢，且在洞口段存在拉壓變形的過渡段，但在理想狀態下可能不存在這種變形過渡，關于洞口處拱頂受壓可能因為管口斷面削成45°角，拱底為受力長邊，拱頂為受力短邊，因管材本身呈連續性的變形，故而拱底的抵抗致使在拱頂這點處形成了一個“虛設支點”，從而出現拱頂該段受壓。

且從曲線本身可以看出，滑帶位置處曲線出現了轉折點，由于滑帶存在一定的厚度，且滑帶材料強度參數相對滑體和基巖低，故而此處滑坡力作用下的軸向應變和軸向應力相比兩側也較小。

3 結論

通過此次隧道-滑坡平行體系軸向變形演化試驗，研究坡體位移及隧道軸向變形及應力分布特征，得出以下結論。

①無支檔結構下，單滑面隧道—滑坡平行體系上部加載坡體變形，滑體經歷了蠕滑變形階段、擠壓階段、劇滑階段及滑后穩定階段等四個階段的變化。

②沿軸向同時刻各位置的應力不同，軸向應力呈非線性分布，滑帶附近軸向應力大，從滑帶向滑面處軸向延伸，呈遞減的趨勢，且在洞口段存在拉壓變形的過渡段。

參考文獻：

[1]張勇.考慮軸向力時圓形隧道圍巖穩定性線性與非線性分析[D].中南大學，2014.

[2]鄒金鋒，李帥帥，張勇，袁臻.考慮軸向力和滲透力時軟化圍巖隧道解析[J].力學學報，2014，46（05）：747-755.

[3]趙呈冉.香欽多隧道地應力分析及軟巖變形應對措施[J].鐵道建筑，2016（06）：70-72.

[4]牛雙建，靖洪文，楊大方，郭佳奇.單軸壓縮下破裂巖樣強度及變形特征[J].采礦與安全工程學報，2015，32（01）：112-118，125.

[5]許淵，李亮，鄒金鋒，袁臻.考慮軸向力和滲透力時圓形隧道廣義Hoek-Brown解[J].巖土力學，2015，36（10）：2837-2846，2854.

[6]李清淼.加卸載圍壓條件下巖石峰后力學特性試驗研究[D].重慶大學，2015.

[7]耿萍，陳枰良，張景，何川，晏啟祥.軸力和彎矩共同作用下盾構隧道縱向非線性等效抗彎剛度研究[J].巖石力學與工程學報，2017，36（10）：2522-2534.

[8]廖少明，侯學淵，彭芳樂.隧道縱向剪切傳遞效應及其一維解析[J].巖石力學與工程學報，2005（07）：1110-1116.

[9]夏永旭，王永東.隧道結構力學計算[M].北京：人民交通出版社，2012.

[10]吳紅剛.隧道—滑坡體系的變形機理及控制技術研究[D].中國鐵道科學研究院，2012.