陆路交通隧道滑坡平行体系模型建立与试验验证

牌立芳，赖天文，吴红刚

针对滑坡防治国内外近年来取得了一些令人瞩目的研究成果。Iverson[1]通过研究降雨引起滑坡在不同的时间尺度上运行的物理过程，评估了降雨入渗对不同情况下滑坡发生时间、深度和加速度的影响并推导出三者之间的响应函数关系式。Crawford等[2]通过结合不同的技术开发了电气测量剪切强度的方法，发现电阻率可以用作滑坡监测和评估剪切强度的工具，这些参数与滑坡的稳定性有关。日本学者山田刚二[3]在《滑坡和斜坡崩坍及其防治》中指出滑坡分布不仅和岩性有关，而且也和断层线、褶曲轴部位有关。事实上，滑坡常常就是沿这些地质构造线呈线状或带状分布，滑坡的产生要有这样的地质内因。宋克强等[4]通过对古刘黄土滑坡失稳过程研究，经由模型试验建立了有效的蠕变滑坡预警方法。张明等[5]以四川省达县青宁乡滑坡为研究对象，根据环剪试验提出颗粒的破碎、分层和剪缩效应会降低土体抗剪切强度，从而导致滑体破坏。

1 武罐高速公路隧道滑坡体系沿线分布概况

表1 沿线主要隧道滑坡体系分布特征

2 隧道滑坡体系典型工点变形机理分析

2.1 圆台子隧道滑坡

圆台子隧道位于洛塘河左岸，此处地形起伏，河道崎岖。该隧道为分离式隧道，隧道右洞长540 m，左洞长570 m，最大埋深171.2 m。

甘肃武罐高速公路圆台子隧道南端进出口均位于圆台子第四系洪堆崩积碎石土形成的斜坡上。地质调绘、槽探、物探等勘探资料表明：在隧道出口段(南端)岩土分界面处有一层粉质黏土层，厚约6 m，该粉质黏土层为顺坡向分布，延伸较长;在高速公路左线隧道的左侧有一冲沟，沟内有季节性水流，随着时间的推移，水不断向下入渗，导致粉质黏土层黏聚力、内摩擦角降低，影响边坡的稳定。

图1 圆台子隧道拱顶部位三维变形示意

2.2 宝兰客运专线洪亮营隧道滑坡

宝兰客运专线是国家中长期铁路网规划中徐兰客运专线的西段，是国家铁路“四纵四横”客运专线网、“八纵八横”高铁网陆桥通道[11]。

宝兰客运专线洪亮营滑坡从物质组成上划分为黄土滑坡[12]，新构造时期附近以差异性升降运动为主要特征[13]，从其运动特征上划分属于黄土错落性滑坡[14]。黄土错落性滑坡滑动时由于主滑块的牵引，在主滑块的上部形成了楔形的牵引滑块，致使在滑坡两侧趾部引起了次级滑动，从而使滑坡成为多级分块滑动的复合体[15]。洪亮营滑坡的滑动面上陡下缓，在滑坡剪出口一带的滑动面较为平直，滑动面总体上呈折线形，且滑动面由于受滑体的挤压和错动作用呈光亮面，颜色比一般黄土深，呈浅褐黄色，滑床分布有十分明显的擦痕。

由宝兰客运专线洪亮营隧道滑坡的分析可知，洪亮营滑坡在右侧堆积土和左侧隧道明洞及地面(右侧为人工堆积土体形成的平台，左侧为洪亮营隧道明洞)的反作用力下主滑体产生了大量的纵向鼓胀裂缝，致使表面土体产生局部崩解，这一阶段时间很短暂，是和滑坡剧烈滑动阶段连续发生的，滑体产生的崩落体在左右趾部形成次级崩解性的滑块，导致隧道明洞段直接被左侧滑体下滑力剪断破坏(明洞位于滑坡主轴断面左侧50 m处)，滑体下滑后封闭了隧道洞口，如图2所示。

图2 洪亮营隧道示意

3 模型试验验证

3.1 试验目的

3.2 试验材料设备

本次试验在中铁西北科学研究院有限公司定远滑坡实验室进行。模型试验采用细筛黄土作为滑体材料；基岩采用水泥土(黄土与水泥混合比为7∶3)并夯实来模拟；滑带(1 cm)采用塑料薄膜表面铺设砂、黏土、滑石粉与水的混合物进行模拟，砂∶黏土∶滑石粉∶水=50%∶13%∶37%∶16%；隧道用直径为50 mm的PVC管代替。加载方式采用坡体堆载，坡脚开挖。试验在室外模型箱内完成，如图3所示，模型箱尺寸为1 400 mm(长)×600 mm(宽)×1 100 mm(高)，滑坡周界设计为圈椅状(簸箕状)，坡面为40°的单面斜坡。

图3 隧道滑坡体系模型试验布置

3.3 试验测试布置

图4 隧道纵向应变片布置(单位：cm)

3.4 试验过程

整个模型试验均在试验室现场一次完成。首先在隧道上(50 mm PVC管)粘贴应变片，经处理后埋入模型箱，修整坡面，然后在加载平台上放置加载板，为了更好地反映在各个阶段的试验效果，设计试验时采用分段均匀加载，分时分段开挖。

3.5 试验数据分析

图5 不同测点的应变曲线

由图5可知：

1)在加载的第1阶段，随着第1级荷载的增加，各测点曲线有一段明显的上升，但是各测点增加幅度有明显差异。1#测点的变形幅度大于2#测点，3#测点的变形幅度小于2#测点，4#和5#测点的增长幅度小于3#测点，且5#测点也小于4#测点的增幅。由于测点的位置到滑带距离不同，2#测点位于滑带体内，滑带体的强度远小于基岩，上部加载时，由于滑带松散，变形较大，导致滑带和基岩处产生较大的相对位移，1#测点位置管体翘曲，所以处于强度大的基岩1#测点的变形幅度大于2#测点。3#测点位于滑体内，强度略大于滑带，但3#测点相对于2#测点距离滑带较远，上部加载时因滑带与基岩相对刚度差异导致在沿滑带表面产生剪切应力集中，3#测点上方堆载一部分挤压土体，传递到隧道该位置的作用力引起的变形较小，所以3#测点的变形幅度小于2#测点。同理，4#和5#测点距离3#测点较远，且第1级荷载引起的荷载等级效果不明显，尤其是5#测点位于滑坡体表面附近，土体松散，曲线更加不明显，但从整体上看，4#和5#测点的增长幅度小于3#测点，且5#测点也小于4#测点的增幅。

2)在加载的第2阶段，基岩外各测点图线均下降，且2#测点的下降幅度均大于其余测点，1#测点曲线增加。由于加载过程中，一方面因人工堆载不稳定对坡体造成了冲击，另一方面因二次堆载荷载本身增大，再加上基岩坡面处强度未达到理想程度，导致基岩变形，削减了隧道应承受的荷载，基岩外隧道的变形减小，所以基岩外各测点变形曲线在此阶段均有下滑；但基岩内隧道变形增加，所以1#测点变形曲线在此阶段反而增加。

3)在加载的第3阶段，各测点的变形曲线均有明显的提高，尤其是1#，2#，3#测点曲线增幅呈明显阶梯状。因荷载的增加，加剧了滑带位置处隧道的变形，但是在顶部曲线有变动，说明荷载在坡体内部产生了应力重分布，一部分土体被压实，隧道的变形略有变化，最终稳定时变形小于临界值；而因为4#，5#测点距离滑带较远，尤其是5#测点，再加上模型试验本身的原因，所以阶梯状的增幅并不是很明显，但增幅依然存在，变形依然增大。

试验加载完毕后，数据采集仪采集的数据变化趋势趋于稳定，滑体滑动现象不明显，所以接下来采取坡脚开挖的方式。

16：56进行第1次坡脚开挖，开挖距离10 cm，1#，2#，3#测点应变曲线均有一个台阶式跳跃，表明坡脚开挖加剧了坡体的变形，隧道上的作用力增大，形变增加；4#，5#测点因距离滑带较远，尤其是5#，阶梯状的增幅不明显，在模型箱两侧壁和坡面也未观察到裂缝出现。

16：58第2次坡脚开挖，开挖距离10 cm，1#，2#，3#测点应变曲线仍呈台阶式跳跃，4#，5#测点阶梯状的增幅不明显，但是在模型箱侧壁观测到裂缝，如图6所示。

图6 坡体滑移裂隙

17：00坡脚第3次开挖，开挖距离5 cm，应变曲线规律与上述相同，裂缝延伸发育。17：03坡脚第4次开挖，开挖距离5 cm，应变曲线规律与上述相同，且1#，2#，3#测点应变曲线此次台阶跳跃幅度明显大于前边坡脚开挖的幅度，表明坡体变形急剧增大，坡体的异常变形，表征坡体可能处于临界破坏。坡体侧壁的裂缝急剧延伸发育，滑坡中上部两侧出现羽状裂缝，如图7 所示。

图7 坡体侧面裂缝发育

17：05分坡脚第5次开挖，开挖距离5 cm，由于第4次坡脚开挖坡体已达临界状态，开挖未完坡体已经破坏，整个坡面坍塌，加载板倾斜，如图8所示，各测点的应变曲线急剧下滑，模型试验结束。

图8 坡体最终破坏状态

4 隧道滑坡平行体系力学模型分析验证

图9 隧道滑坡平行体系力学简化模型

5 结论

1)在单滑面情况下，隧道与滑移面相交区段，滑坡对隧道的破坏模式主要是沿剪切面滑动破坏。此种破坏模式使得隧道容易在基岩和滑坡交界面产生剪切应力集中，隧道容易发生剪切和拉伸变形。