滑坡内隧道变形模式与荷载计算方法

赵 金，吴红刚，刘德仁，牌立芳,4，李玉瑞

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中铁西北科学研究院有限公司， 甘肃 兰州 730000；3.中国中铁滑坡工程实验室，甘肃 兰州 730000；4.西部环境岩土与场地修复技术工程实验室，甘肃 兰州 730000)

0 引言

随着我国经济发展和国土的开发利用，建设规模越来越大，范围越来越广，尤其在山区和丘陵地区开发中，铁路的修建不可避免通过隧道穿越山体，然而这些山体在降雨、地震等因素下极易产生滑坡，在交通运营使用时，在滑坡推力的作用下易导致铁路发生变形、破坏，影响行车安全。因此，越来越多的专家、研究工作者重视对于滑坡与隧道的相互作用模式和隧道的开挖对滑坡的影响的研究。马惠民，[1]张鲁新等[2]，毛坚强等[3]研究了坡体蠕滑的成因及隧道的变形机理。王俊伟等[4]研究了渭河隧道施工对上覆滑坡体扰动影响及滑坡对隧道围岩的作用机理，提出相应的治理措施。王玉龙等[5]研究了孙家崖偏压-滑坡隧道围岩变形和受力特征。许淑珍等[6]研究了在滑坡体黄土隧道中使用纵环向注浆联合的支护技术。吴红刚等[7]，朱苦竹等[8]，王建修等[9]，范建海等[10]研究了隧道与滑坡的相对位置关系以及不同位置情况下滑坡体对隧道的作用形式和破坏情况，提出隧道-滑坡正交体系、平行体系和斜交体系。陈小云等[11]研究了正交体系下隧道与滑带相交的力学模型。

上述学者大多只是对工程实例中的某个特定例子进行研究分析，得出的受力模式适应性差，难以大范围推广应用，而且只是得出滑坡推力与围岩压力对隧道的荷载作用模式，无法为滑坡地段的隧道设计提供借鉴。

现主要研究单滑面情况下，隧道穿越滑体的受力图示及荷载计算方法。通过工程实例中隧道的变形特征建立相应的工程地质模型，将作用于隧道的滑坡推力与围岩压力进行叠加，得出隧道在滑坡推力作用下的受力图示和荷载计算公式。

1 典型实例分析

当隧道位于滑体内时，主要承受滑坡推力和围岩压力。该类型的典型工程实例有成昆线林场隧道-滑坡、襄渝线狗磨湾隧道-滑坡。

1.1 成昆线林场隧道-滑坡

成昆线林场隧道位于青杠-沙坝之间，于1967年建成通车。建成初期铁路通过-古滑坡(图1)。1967年至1991年间坡体保持稳定，无滑动趋势，隧道安全运营。其地质断面如图2所示。

图1 林场隧道-滑坡平面图Fig.1 The plane map of the tunnel-landslide in the forest farm

图2 林场隧道-滑坡地质断面图Fig.2 The tunnel-landslide geological section of the forest farm

1991年7～9月，该地区发生大规模的降雨，部分时段雨量达到1 100 mm多。由于长时间的持续降雨导致滑坡区大量雨水汇聚，前部坡体在雨水的长期浸泡作用下饱和软化，致使主滑体失去东南支撑脚，而整体滑动。同时，滑带上部为破碎昔格达组岩体，下部为坚硬的玄武岩，强降雨使滑带岩土体饱和产生静水压力，导致主滑体加速蠕滑。滑坡中部的林场隧道承受滑坡推力作用发生变形破坏，隧道内壁边墙受力产生20余条横向裂纹。由于隧道受不对称推力作用，使隧道发生整体移动，连接缝不规则错动，隧道沿轴向纵向弯曲严重，进出口整体向河侧位移约200 mm，边墙错台部分下沉。2个月后，滑坡变形趋于稳定，隧道破坏停止(图3)。

图3 林场隧道变形图示Fig.3 The deformation diagram of the forest farm tunnel

1.2 湘渝线狗磨湾隧道-滑坡

狗磨湾隧道位于湘渝线狗磨湾地区，坡体土层上部为堆积土,滑带以下为节理发育,风化严重的石英云母片岩,地质断面图如图4所示。建设期间发生持续降雨，导致雨水渗入滑带,岩土进一步软化，同时导致汉江水位上升不断的冲蚀坡脚，使坡体逐渐失去支撑力,破坏了原来的平衡而使滑坡滑动。坡体下滑力的作用使隧道路线向汉江方向移动了0.079～0.299 m，连接缝产生错动，边墙产生一些横向环形裂缝。1983年雨季,滑坡蠕滑加剧，导致隧道变形进一步扩大,隧道靠山侧拱部混凝土掉块。1987年雨季,中铁西北科学研究院对隧道监测发现里程K260+342～K260+382段变形进一步增大,隧道边墙不断向河侧移动倾斜，13号避人洞的边墙、拱部裂缝扩展变形量从监测开始已经达到8.42 mm/80 d，并且不断扩大。

图4 狗磨湾隧道-滑坡地质断面图Fig. 4 The tunnel-landslide geological section of Goumowan

图5 狗磨湾隧道变形图特征Fig.5 The deformation diagram of Goumowan tunnel

2 滑坡内遂道受力特征

2.1 滑体内隧道地质模型

从隧道的变形特征图(图5)知位于滑坡体内的隧道变形具有一定规律，拱部、边墙裂缝发展规律一致。本着“忽略次要影响因素，抓主要影响因素”的原则，将位于滑坡体内的隧道-滑坡工程实例简化为相应工程地质模型。由于隧道和滑坡坡体的接触面是立体的，所以从隧道横向截面和纵向分别进行分析(表1)。

由地质模型分析知，当隧道位于滑体内的时候，就像埋入滑体内的空心薄壁地梁，两端有支撑，中间受滑坡推力作用，下侧面受滑坡剩余抗滑力。如果下侧滑坡体已经滑动对隧道无支撑，则下侧面受力可忽略不计。滑坡滑动方向与隧道轴线方向有正交、斜交和平行关系，为了简化计算和推导方法的说明，采用隧道轴线与滑坡滑动方向正交的模式进行推导，将隧道上方正常的围岩压力和隧道后部紧邻滑块的剩余下滑力视为直接作用于隧道上的分布荷载，再结合隧道围岩的弹塑性理论对其进行一定的修正。

2.2 滑坡推力空间分布

由于坡体是立体结构，断面上所受的滑坡推力也是立体分布的， 为了准确的计算滑坡推力的大小分布，从三维空间将滑坡推力沿着其纵向和横向分布来考虑。

由图6知坡体纵向滑坡推力由牵引段不断的向主滑段增大，再向抗滑段减小。横向为中间的滑坡推力最大，依次向两边递减。因此将滑坡中间断面作为最危险截面，同时可以通过横向断面的滑坡推力求出其它断面上的滑坡推力。沿y方向，滑坡推力为y的函数式p(y)，设控制断面上某一滑块的滑坡推力为p0，则距离控制断面y处滑块的滑坡推力为：

p(y)=p0λ(y)

(1)

式中：λ(y)——分布函数[12]。

滑坡推力分布有三角形分布、矩形分布、梯形分布三种形式[13-14]，为了验证推导过程，采用较复杂的梯形分布(图7a)来计算。梯形分布时滑坡推力的荷载值为：

表1 隧道-滑坡工程地质模型

图6 滑坡推力空间分布图Fig.6 The distribution of landslide thrust on three dimensional space

(2)

式中：h1——与隧道接触条块的高度；

pi——传递系数法计算条块作用于隧道的滑坡推力合力；

z——从地面到滑面的条块竖向位置的高度；

kh2——滑坡合力作用点距滑面的距离。

为了与围岩压力进行叠加，将其沿水平方向和竖直方向分解，见图7(b)。

图7 作用于隧道上的滑坡推力分解图Fig.7 The decomposition diagram of landslide thrust on tunnel

3 滑坡中隧道荷载计算方法

3.1 隧道横向荷载的分布和计算方法

(1)拱部结构

将作用于拱脚到B点的滑坡推力水平方向分解为：

(3)

竖直方向分解为：

(4)

则作用于拱部的合力(0≤z≤hBC)

水平方向：

(5)

竖直方向 ：

式中:qh右——靠山侧边墙隧道围岩压力，可参照文献15选取；

qpv——隧道拱部围岩压力，可参照文献15选取；

β——滑面倾角；

h′，h——分别为内、外侧由拱顶水平至地面的高度(m)；

B——坑道跨度(m)；

γ——围岩重度(kN/m3)；

θ——顶板土柱两侧摩擦角(°)；

λ，λ′——内外、侧的侧压力系数；

Z——地面到隧道边墙位置的垂直高度；

hi——分别为内、外侧任一点i至地面的距离(m)。

当滑坡推力作用于拱部时，除了受直接接触拱部的推力外，还受到未接触推力的影响，同时隧道开挖会导致围岩应力松弛，产生塑性区，因此以上求出的拱部竖向荷载需要修正(图8、图9)。

图8 拱部合力计算图示Fig.8 Calculation diagram of resultant force acting on tunnel arch

图9 右边墙合力计算图示Fig.9 The force calculation diagram acting on the right wall of tunnel

(2)右边墙(靠山侧)结构

将作用于右边墙底部到拱脚的滑坡推力在水平方向和竖直方向进行分解。

可得水平方向滑坡推力：(hBC≤z≤hCD)

(7)

竖直方向的推力：

(8)

则作用于右边墙的合力：

水平方向：

(9)

竖直方向：

(10)

(3)左边墙结构

隧道在滑坡推力作用下，产生向左的变形，导致左边墙挤压岩土体。左侧岩土体对边墙产生岩土抗力，如果隧道前部滑体随着坡体蠕动而发生滑动时，则滑体对隧道的岩土抗力可忽略不计。反之，为了设计的安全考虑，则左边墙的滑体抗力取隧道前部滑体剩余抗滑力。前部滑体剩余抗滑力合力可通过滑坡设计的传递系数法求得，沿隧道左半部分的荷载分布表达式与右边墙一致，为：

(11)

(4)总结

由图10知隧道横向荷载靠山侧明显比靠河侧大，导致靠山侧边墙和拱部破坏比河侧严重，与地质模型中隧道的变形特征完全相同。

图10 隧道位于滑体内时受力示意图Fig.10 Schematic diagram of force acting on a tunnel in a sliding body

3.2 隧道轴向荷载的分布和计算方法

隧道轴向受围岩压力和滑坡推力的作用，滑坡推力呈中间大两边小分布，其大小用p(y)表示(图11)；围岩压力只与深度有关，而隧道垂直滑动面，所以沿隧道轴向围岩压力不变，则偏压隧道的荷载分布为：

图11 隧道轴向受力示意图Fig.11 The schematic diagram of the axial force acting on the tunnel in the sliding body

(12)

则隧道靠山侧边墙所受的合力：

(13)

式中：λ(y)——滑坡推力沿隧道轴向的分布函数；

h——为靠山侧侧由拱顶水平至地面的高度(m)；

H——隧道的高度(m)；

γ——围岩重度(kN/m3)。

4 结论

(1)位于滑坡体内的隧道在滑坡推力作用下轴向发生弯曲变形，靠山侧边墙首先发生破坏，不断延伸至拱部，导致隧道整体破坏。

(2)滑坡体内的隧道的工程地质模型为梁式结构在其纵向上承受滑坡推力作用，下侧面受滑坡剩余抗滑力作用。

(3)位于滑坡体内的隧道轴向受滑坡推力和围岩压力作用，大小呈抛物线形式，中间截面为控制截面，隧道设计时以此截面进行设计。横向其靠山侧边墙和拱部受力比另一侧大，呈梯形分布。隧道设计时以靠山侧荷载进行衬砌设计，可保证设计结构的安全。

为了将滑坡推力纳入铁路隧道设计规范中，对隧道-滑坡平行体系、正交体系、斜交体系还需要进行大量的研究，其中具有通用性的斜交体系的研究最为重要。