趙 金，吳紅剛，劉德仁，牌立芳,4，李玉瑞

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國中鐵滑坡工程實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；4.西部環(huán)境巖土與場地修復(fù)技術(shù)工程實驗室，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

我國是地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國家，其中滑坡災(zāi)害占65%左右，伴隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，在西部地區(qū)公路建設(shè)的投入力度不斷增大。在該地區(qū)進行公路建設(shè)時不可避免的會遇到大量的隧道工程，由于線路客觀原因，隧道遇到滑坡區(qū)無法繞避必須穿越時，即形成隧道-滑坡體系[1-3]。根據(jù)滑坡主滑方向與隧道軸線的交角，將隧道-滑坡體系分為平行體系(0°～20°)、正交體系(70°～90°)和斜交體系(20°～70°)[4]。根據(jù)施工經(jīng)驗，山區(qū)隧道地質(zhì)條件一般比較復(fù)雜，尤其是隧道洞口段地質(zhì)條件差，容易產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)，往往會導(dǎo)致平行體系洞口段隧道極大的變形破壞，阻礙交通的運行。因此對隧道-洞口滑坡體系變形模式及防治技術(shù)的研究對保證公路交通的安全運行具有重要的意義。

國內(nèi)外許多專家和學(xué)者對隧道-滑坡體系進行了大量的理論和實踐研究。SZAVITS-NOSSAN等[5]分析了在土耳其地中海地區(qū)的Anamur Kaledran巖質(zhì)滑坡，闡述了巖質(zhì)滑坡與隧道開挖的相關(guān)性。張麗萍等[6]對隧道-滑坡體系相關(guān)實例進行了分析和研究。KOIZUMI Y等[7]提出在日本許多滑坡是因隧道開挖而引起的，進行了一系列數(shù)值模擬，確定隧道在斜坡中的安全范圍。毛堅強等[8]研究了滑坡-隧道體系相互間的力學(xué)作用機理。王俊偉等[9]研究了渭河隧道施工對上覆滑坡體擾動影響及滑坡對隧道圍巖的作用機理，提出相應(yīng)的治理措施。王玉龍等[10]研究了孫家崖偏壓-滑坡隧道圍巖變形和受力特征。陳小云等[11]進行了較為深入的正交體系下隧道與滑帶相交力學(xué)模型與加固研究。許淑珍等[12]研究了在滑坡體黃土隧道中使用縱環(huán)向注漿聯(lián)合的支護技術(shù)。

綜上所述，眾多學(xué)者對隧道-滑坡相互作用機理和治理技術(shù)方面做了大量研究，但對于隧道-洞口滑坡體系變形模式及防治技術(shù)的研究相對較少。因此，本文通過對云南功山-東川高速公路沿線典型的隧道-洞口滑坡工程實例進行總結(jié)，得出相應(yīng)的工程地質(zhì)模型，并對在滑坡推力作用下的隧道變形模式進行分析，其結(jié)果能夠為滑坡區(qū)隧道的設(shè)計提供參考。

1 功東高速沿線典型工程實例分析

昆明市尋甸縣功山至東川高速公路位于云南省昆明市東北區(qū)域，是云南、四川兩省一條重要的省際運輸通道。線路南起尋甸縣功山鎮(zhèn)嵩待高速分離立交橋，經(jīng)東川區(qū)阿旺鎮(zhèn)、姑海鄉(xiāng)，北至東川區(qū)以北四方工業(yè)園，路線如圖1所示。功東高速公路于2016年1月開工建設(shè)以來，隨著多處隧道的開挖建設(shè)，出現(xiàn)大量的隧道洞口高邊坡、滑坡病害，對洞口段隧道的安全造成了嚴(yán)重的威脅，形成隧道-洞口滑坡體系。根據(jù)隧道與滑面的位置，將其分為與滑面相交和下穿滑體兩種類型。其中典型的工程實例如表1所示。

圖1 功東高速路線圖Fig.1 The road map of Gongdong Expressway in Yunnan Province

在山體開挖隧道過程中，會使坡腳形成一定的臨空面，同時隧道的開挖對山體的擾動較大，隧道四周形成圍巖松動區(qū)，坡體內(nèi)應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致隧道洞口上方老滑坡的復(fù)活和新滑坡的形成。滑坡體產(chǎn)生的滑坡推力首先作用于隧道拱部，導(dǎo)致隧道的變形破壞首先從這里開始。本著忽略“次要影響因素，抓主要影響因素”的原則，將隧道-洞口滑坡工程實例簡化為相應(yīng)工程地質(zhì)模型(表1)。

2 作用于隧道滑坡推力的空間分布

由于滑坡體是三維立體結(jié)構(gòu)，每個截面上所受的滑坡推力也是立體分布的， 為了準(zhǔn)確的說明滑坡推力對洞口隧道的作用模式，從三維空間將滑坡推力沿著其縱向和橫向分布來考慮。

由圖2知坡體縱向滑坡推力由牽引段不斷的向主滑段增大，再向抗滑段減小。這是由于牽引段抗滑力最小，逐漸向抗滑段增大，導(dǎo)致剩余滑坡推力不斷累加，直到下滑力等于抗滑力時，剩余滑坡達到最大。橫向為中間的滑坡推力最大，依次向兩邊遞減。因此將滑坡中間斷面作為最危險截面，同時可以通過橫向斷面的滑坡推力求出其它斷面上的滑坡推力。沿y方向，滑坡推力為y的函數(shù)式P(y)，設(shè)控制斷面上某一滑塊的滑坡推力為P0，則距離控制斷面y處滑塊的滑坡推力為：

圖2 滑坡推力空間分布圖Fig.2 The spatial distribution diagram of landslide thrust

(1)

式中：p0——剩余滑坡推力的合力，可通過傳遞系數(shù)法求得[14]。其分布有三角形分布、矩形分布、梯形分布三種形式[15]，本文采用較復(fù)雜的梯形分布來說明；

λ(y)——分布函數(shù)[13]。

隧道與滑面相交時，主要承受滑坡推力和圍巖壓力的作用?；轮骰萎a(chǎn)生的剩余滑坡推力直接作用于與滑面相交的隧道結(jié)構(gòu)上，且對相鄰的土體產(chǎn)生影響，如圖3(a)所示；隧道下穿滑體時，主滑段產(chǎn)生的剩余滑坡推力作用于相鄰抗滑段的土體上，對位于主滑段與抗滑段過度區(qū)域的隧道擾動影響最大，如圖3(b)所示。

圖3 隧道-洞口滑坡受滑坡推力分布圖Fig.3 The landslide thrust distribution diagram of tunnel and landslide in the tunnel’s entrance

3 洞口段隧道受力變形模式分析

3.1 與滑面相交隧道的受力變形模式

目前，我國公路橋隧、路隧過渡段主要采用橋梁伸入隧道與隧道連接的樁基礎(chǔ)支撐形式(圖4(a))和路面、橋面與隧道搭接的擴大基礎(chǔ)支撐形式(圖4(b))。過渡段樁基礎(chǔ)支撐可提供洞口足夠的剛性支撐，阻止隧道口產(chǎn)生向下位移，允許水平方向的運動；洞口的擴大基礎(chǔ)一般埋深較淺，且位于滑體內(nèi)，不能對洞口提供有效的剛性支撐，導(dǎo)致其受力變形與前者差別較大。

圖4 隧道洞口支撐方式Fig.4 The support mode of tunnel entrance

當(dāng)隧道與滑面相交時，作用于隧道上的外荷載主要為圍巖壓力P和剩于滑坡推力Pi，同時隧道為了保持平衡，對隧道底部土體產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致其受到巖土抗力Pk的作用，此時隧道變形破壞主要位于洞口段，位于基巖中的隧道及滑體以外部分坡體都有足夠的剛度，對基巖中的隧道具有支撐作用，可將隧道簡化為梁式結(jié)構(gòu)。

對于洞口有剛性支撐的隧道-滑坡結(jié)構(gòu)，可將此梁式結(jié)構(gòu)簡化為簡支梁，梁的一端絞支，另一端為固定端。位于滑體內(nèi)的隧道作為梁式結(jié)構(gòu)在軸向承受沿滑面的剩余滑坡推力Pi水平分力的作用，使隧道上部的土體由于水平運動趨勢產(chǎn)生的摩擦力直接作用于隧道拱部，且大小從滑帶處向洞口減小。極易導(dǎo)致張拉裂縫的產(chǎn)生；橫向隧道受圍巖壓力P、滑坡推力Pi沿隧道垂向的分量和土體抗力的作用，將導(dǎo)致隧道豎直方向的彎曲變形和軸向的拉伸變形，在隧道頂部產(chǎn)生彎張變形，形成環(huán)形剪切裂縫。特別是滑面附近，隧道受到的彎矩、剪力和軸力都達到最大，隧道彎曲變形、剪切變形和軸向拉伸變形最大，最終導(dǎo)致隧道在滑面處發(fā)生錯動，形成剪切錯臺(圖5)。

圖5 洞口剛性支撐作用下隧道與滑面相交受力變形模式Fig.5 The force and deformation mode of intersection of tunnel and sliding surface under rigid support at portal

無剛性支撐作用下的隧道-滑坡結(jié)構(gòu)可簡化為懸臂梁，受力方式與剛性支撐一致(圖6)。由于洞口無支撐，在滑坡推力、圍巖壓力和巖土抗力的作用下產(chǎn)生較大的位移，尤其是位于滑帶附近的隧道結(jié)構(gòu)變形量急劇增大，剪力和彎矩明顯大于有支撐的情況，導(dǎo)致隧道的破壞更為嚴(yán)重。

圖6 洞口無支撐作用下隧道與滑面相交受力變形模式Fig.6 The force and deformation mode of intersection of tunnel and sliding surface without support at portal

3.2 下穿滑體隧道的受力變形模式

隧道下穿滑體時，作用于隧道上的外荷載主要為圍巖壓力P、巖土抗力Pk和剩余滑坡推力產(chǎn)生的附加荷載P1。其中附加荷載的影響范圍主要與隧道圍巖的巖土性質(zhì)、風(fēng)化程度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況和水文地質(zhì)條件有關(guān)。在附加荷載的影響下，隧道拱部承受多余的壓力而受到偏壓作用，拱頂形成受拉區(qū)域，出現(xiàn)拉張裂縫，若拱頂巖土體的節(jié)理裂隙發(fā)育，還會出現(xiàn)拱頂?shù)魤K甚至壓饋破壞(圖7)。

圖7 下穿滑體隧道受力與變形示意圖Fig.7 The schematic diagram of the force and deformation of the tunnel traversing the lower slide mass

4 結(jié)論與建議

隧道-洞口滑坡體系的作用機理較為復(fù)雜，實際工程中滑坡推力導(dǎo)致隧道病害的情況時常發(fā)生。但是目前在鐵路隧道設(shè)計中并未將滑坡推力考慮為設(shè)計荷載且沒有相關(guān)的計算理論，本文從具體的工程實例出發(fā)，結(jié)合地質(zhì)模型對洞口段隧道-滑坡的受力變形模式進行分析，重點討論了洞口支撐方式的不同對隧道變形模式的影響。得到以下研究結(jié)論和建議：

(1)根據(jù)功東高速具體的隧道-洞口滑坡實例的分析，將隧道-洞口滑坡分為與滑面相交和下穿滑體兩種模式，與滑面相交的隧道直接受到剩余滑坡推力的作用，而下穿滑體的隧道主要承受附加荷載的影響。

(2)位于滑體內(nèi)隧道承受圍巖壓力、滑坡推力和巖土抗力的作用， 可將洞口有剛性支撐的隧道-滑坡結(jié)構(gòu)簡化為簡支梁；無剛性支撐作用下的隧道-滑坡結(jié)構(gòu)簡化為懸臂梁。

(3)下穿滑體隧道在附加荷載的影響下，拱部承受多余的壓力而受到偏壓作用，拱頂形成受拉區(qū)域，出現(xiàn)拉張裂縫，拱頂?shù)魤K甚至壓饋破壞。

隧道-洞口滑坡體系的受力變形情況比較復(fù)雜，本文僅對隧道-洞口滑坡的受力變形模式進行了分析討論，對滑坡推力作用下隧道承受的外荷載以及隧道襯砌內(nèi)力的計算方法有待進一步研究。