高 巖， 韋 洪， 李 博， 李傳國， 吳紅剛

(1. 中鐵九局集團有限公司大連分公司， 遼寧 大連 116031； 2. 貴州大學資源與環(huán)境工程學院， 貴州 貴陽 550025； 3. 中鐵西北科學研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著我國“一帶一路”倡議的提出，越來越多的交通和國防隧道工程在中西部山區(qū)建造。這些地區(qū)地形、地質復雜，暴雨、地震等自然災害頻發(fā)，對隧道工程的安全修建和順利運營構成了巨大的威脅。其中，滑坡對隧道的影響問題越來越突出，逐漸引起了巖土工作者的注意[1-5]。

在線路選線中，一直采用地質選線的方法避繞不良地質災害，但隨著線路平順性、舒適性的要求越來越高以及受工程造價控制等因素影響，隧道工程的修建不可避免地會穿越滑坡地段，形成隧道-滑坡體系[6]。目前，已有學者持續(xù)開展了隧道-滑坡體系的研究工作，并取得了一定的研究成果。在理論研究方面： 吳紅剛等[7-9]從隧道受力模式角度將隧道-滑坡體系劃分為平行體系、正交體系和斜交體系3類，分析了不同體系的受力變形機制和預加固機制，為隧道-滑坡體系研究提供了完整的理論基礎； 朱苦竹[10]對邊坡與隧道相互作用關系進行了研究，同時探索了黏彈塑性問題的數(shù)學二次規(guī)劃法求解問題； 馬惠民[11]通過對坡體病害地段隧道變形破壞資料歸納分析，采用現(xiàn)場測試、室內模型試驗及數(shù)值仿真對坡體病害和隧道變形相互作用機制進行了研究； Zhang等[12]基于滑線理論，推導了隧道開挖引起的擾動范圍和隧道拱頂與滑動帶之間的最小安全距離。此外，王海龍[4]、毛堅強等[13]、焦慶磊[14]、晏啟祥等[15]在理論研究基礎上，采用現(xiàn)場監(jiān)測、有限差分、三維數(shù)值仿真等手段，開展了隧道-滑坡體系相互作用機制方面的研究。

物理模型試驗是一種探究隧道-滑坡相互作用機制的重要手段，不少專家學者在隧道-滑坡穩(wěn)定性模型試驗的研究方面已經(jīng)做出了一系列卓越成果。例如： Bao等[16]通過一系列震動臺模型試驗，研究了時頻域內斜坡對近斷層地面運動的動態(tài)響應; Wang等[17]、Pai等[18]、Zhou等[19]、Baziar等[20]、Wang等[21]通過一系列振動臺模型試驗，研究了隧道內力分布規(guī)律與變形特性； 孫天佐等[22]研究了上下雙層隧道穿越的地震動力響應。另外，尹靜等[23]、陶志平等[24]、張治國等[25]、吳紅剛等[26]通過物理模型試驗，研究了隧道襯砌受力情況、變形特征、滑坡-防治結構相互影響機制等。

綜上，對隧道-滑坡體系的研究主要集中于基礎理論、滑坡區(qū)隧道變形特征及隧道病害的處治措施方面，而降雨條件下隧道-滑坡體系的災害演進機制方面尚不夠完善和系統(tǒng)。本文以重慶奉溪高速公路楊家灣隧道為依托，開展現(xiàn)場調查、室內模型試驗，對降雨條件下隧道-滑坡體系災害演進機制進行研究。

1 工程地質分析

重慶奉溪高速公路楊家灣隧道進口段滑坡群位于重慶市奉節(jié)縣境內，滑坡處線路以路塹接隧道形式從其前部與滑動方向呈約55°斜交通過。受近期渝東北地區(qū)強降雨影響，該隧道右線坡體發(fā)生滑坡，其滑體堆積于高速公路路面上，導致該高速公路斷道?；聟^(qū)全貌和工程地質斷面如圖1所示。

天然工況下，該隧道區(qū)域坡體基本穩(wěn)定，由于受隧道開挖以及暴雨循環(huán)浸潤等影響，坡體局部出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)域坡體長期處于蠕動擠壓狀態(tài)，其剩余下滑力沿滑帶向下傳遞，并以壓應力形式作用于隧道襯砌，導致襯砌由于自身承載能力不足而發(fā)生變形破壞。經(jīng)踏勘驗證，該隧道-滑坡體系的變形破壞是受多方面因素綜合作用的結果。

1)不良地質條件。①滑坡區(qū)地處龍池坪背斜核部附近，構造較為復雜，巖石破碎。坡體東西向沖溝發(fā)育，地層整體南翼巖層傾角為16°～25°，較北翼傾角(25°～76°)緩，導致滑坡區(qū)內靠南翼堆積層厚度及分布范圍差異較大。②滑坡區(qū)地層為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)粉砂質泥巖、泥質灰?guī)r，屬軟巖地層，在地下水作用下其性質易發(fā)生劣化，巖體強度進一步降低。

2)自然因素。滑坡區(qū)降雨量較大，大量大氣降水及地表水下滲進入滑坡堆積體中，對坡體地下水進行補給，使得滑體飽水。一方面增加滑體容重，另一方面降雨滲入斜坡轉化為地下水會對巖土體產(chǎn)生軟化作用，加之降雨在坡體內產(chǎn)生靜水壓力和底滑面揚壓力，急劇降低了邊坡穩(wěn)定性。

3)施工擾動。區(qū)內老滑坡的地貌形態(tài)明顯，高速公路建設期間該隧道進口段仰坡及路基開挖，削弱了邊坡穩(wěn)定性，將引發(fā)老滑坡局部復活。

2 模型試驗設計

2.1 試驗目的

本試驗旨在通過室內模型試驗，研究降雨條件下隧道-滑坡體系的災害演進機制，分析坡體及隧道不同斷面應變及土壓力響應特征，揭示隧道-滑坡體系的變形機制。

2.2 試驗材料選擇及相似比確定

為達到上述試驗目的，本試驗以幾何相似比和容重相似比為基礎相似比，運用量綱分析法和三大相似原理確定試驗相似關系[27]，推得各物理力學參數(shù)原型值與模型值的相似比如下：

1)幾何相似比為CL=100；

2)容重相似比為Cr=1；

3)應變、內摩擦角、泊松比相似比為Cε=Cφ=Cμ=1；

4)黏聚力、彈性模量、應力相似比為Cc=CE=Cσ=100。

根據(jù)現(xiàn)場勘察、測繪及地質鉆孔資料顯示，滑坡區(qū)地層主要由第四系全新統(tǒng)滑坡堆積(Q4del)粉質黏土和三疊系中統(tǒng)巴東組第三段(T2b)粉砂質泥巖組成。根據(jù)前人相似材料研究成果[28-29]，輔以原位勘查數(shù)據(jù)資料確定試驗所用材料構成及特性，如表1所示。其中，滑體、滑帶、基巖的黏聚力和內摩擦角通過應變控制式直剪儀測得，分別在50、100、150、200 kPa 正應力下進行直剪試驗。采用黏聚力c和內摩擦角φ相似來控制試驗材料的合適配比并開展滑坡模擬的有效性已在以前的研究中得到了證實[30]。

表1 相似材料參數(shù)

2.3 傳感器布設

本試驗旨在研究降雨條件下坡體蠕動對隧道模型的影響機制，監(jiān)測坡體應力及隧道變形數(shù)據(jù)顯得尤為重要。試驗中所用到的傳感器包括29個箔式微型土壓力盒和36組應變片。各類傳感器的具體布設位置如圖2所示。

(a) 坡體傳感器布設斷面圖

2.4 試驗模型填筑

本試驗所采用的模型箱尺寸是2 m(長)×1 m(寬)×1.5 m(高)。為便于觀察試驗現(xiàn)象，模型箱采用厚為10 mm的鋼化玻璃圍制而成，并采用角鋼進行加固。模型制備時將模型材料逐層放入，按照每層100 mm厚逐層夯實。應變片和土壓力盒提前布設在隧道模型的3個斷面上，隨著模型填筑，隧道結構及坡體土壓力盒相應安裝在目標位置。填筑完成的滑坡模型如圖3所示。

圖3 填筑完成的滑坡模型(單位： m)

2.5 降雨量工況設計

表2 降雨工況設計

圖4 累計降雨量時程曲線

3 試驗結果分析

3.1 滑坡災變演化過程

本次模型試驗通過設置不同的降雨工況研究坡體-隧道的災變演化機制，不同降雨條件下斜坡演化過程呈現(xiàn)出明顯的差異。降雨條件下斜坡災變演化過程如圖5所示。

由圖5可知：

1)降雨持續(xù)30 min，降雨量累計值為10 mm時，坡體后緣出現(xiàn)微張拉裂縫A，坡體左側出現(xiàn)裂縫B和裂縫C，總體與坡體走向趨于垂直，以受拉為主。坡體右側出現(xiàn)與坡面大致平行的裂縫D，表明此階段坡體中后段土體受坡面徑流影響，產(chǎn)生向坡腳方向的輕微滑移變形，在滑坡區(qū)右側邊界形成側翼剪張裂縫，該裂縫不斷向前擴展、延伸，同時在雨滴濺蝕影響下，坡體中上部出現(xiàn)凹槽，如圖5 (a)所示。

(a) 工況Ⅰ(30 min) (b) 工況Ⅰ(130 min) (c) 工況Ⅱ(190 min)

2)降雨持續(xù)130 min，降雨量累計值為43 mm時，坡體顏色逐漸加深，坡體含水量不斷增加。在雨水的沖刷作用下，坡體后緣張拉裂縫A逐漸加深，且寬度達到1～3 cm。裂縫B、裂縫C也逐漸向坡體中部發(fā)展，凹槽面積不斷擴大，表現(xiàn)出向坡頂及坡腳延伸趨勢；同時，裂縫D在坡面徑流和坡體滲流耦合作用下，逐漸從坡頂貫通至坡腳，如圖5 (b)所示。

3)降雨持續(xù)190 min，降雨量累計值為57 mm時，坡面已有裂縫繼續(xù)擴展，同時出現(xiàn)裂縫E和裂縫F，其中裂縫F發(fā)育在坡體中部，長度約60 cm。坡體裂縫大多集中于模型兩側，表明坡體的變形破壞以模型箱兩側土體受張拉變形為主，如圖5 (c)所示。

4)降雨持續(xù)250 min，降雨量累計值為76 mm時，凹槽逐漸發(fā)展為沖溝，大量水流開始匯聚，水質較為渾濁，坡面徑流現(xiàn)象明顯增強，而整個坡面在較長降雨時間作用下已變得極其粗糙，坡體表面結構破壞嚴重，泥砂顆粒在雨水沖刷作用下四處分散，造成坡體表面凹凸不平，沖溝和坡面漫流現(xiàn)象不斷加劇，如圖5 (d)所示。

5)降雨持續(xù)290 min，降雨量累計值為92 mm時，沖溝范圍逐漸向坡腳延伸，其頂端與裂縫A大致貫通，同時隧道出現(xiàn)涌水涌泥現(xiàn)象，如圖5 (e)所示。

6)降雨持續(xù)360 min，降雨量累計值為120 mm時，整個坡面出現(xiàn)多條與坡面大致平行的沖溝。坡腳在降雨入滲和坡體內部水反復滲流作用下，不斷被沖蝕，呈牽引式溜塌破壞，如圖5 (f)所示。

綜上可知，在降雨入滲影響下，坡體災變演化過程為坡頂張拉—坡中蠕動滑移—坡腳牽引破壞。

為進一步探討降雨條件下坡體內部受力響應情況，將坡腳、坡中及坡后各測點的峰值土壓力隨距坡表深度響應情況進行繪制，如圖6所示?？梢钥闯觯?1)在降雨作用下，坡腳、坡中及坡后在坡表及基巖的土壓力變化較小，為0～2.5 kPa； 2)在滑帶位置，坡腳土壓力達到了7.1 kPa，遠遠大于坡中的0.7 kPa和坡后的1.8 kPa； 3)坡腳深度為-300 mm位置正位于隧道山側滑帶附近，表明受降雨影響，土體容重增加，地下水軟化作用使得土體力學性能降低，抗滑能力減弱，導致坡體產(chǎn)生蠕動變形，其多余下滑力沿滑帶方向向下傳遞至坡腳，并以較大壓應力作用于隧道山側，最終在山側產(chǎn)生了較高的應力集中現(xiàn)象。

-150 mm為坡表位置； -300 mm為滑帶位置； -450 mm以下為基巖位置。

3.2 隧道受力響應分析

3.2.1 隧道周圍壓力

本試驗通過在隧道3個斷面附近布設土壓力傳感器(見圖2)，以監(jiān)測隧道周圍土壓力響應情況。提取各測點隨降雨變化的峰值土壓力進行繪制，如圖7所示?？梢钥闯觯?1)在滑坡推力作用下，隧道山側拱腰T3測點、拱腳T2測點位置一直保持著較高的土壓力，T3測點隨著斷面距模型箱左側距離的增加，其土壓力維持在5 kPa左右； 2)T4測點在2斷面達到峰值土壓力為5.4 kPa，在模型箱兩側位置土壓力均較小。因此，在降雨作用下，坡體產(chǎn)生蠕動變形，隧道襯砌較大土壓力出現(xiàn)在拱頂、山側的拱腰和拱腳，特別是拱頂極易產(chǎn)生較大的應力集中，導致隧道襯砌變形破壞，由此可推斷上述部位容易成為降雨工況設計的薄弱環(huán)節(jié)。

圖7 隧道周圍土壓力

此外，由圖7中T1、T2、T5、T6的變化趨勢可看出，這4個測點在1斷面的土壓力均較大，隨著斷面離隧道左邊界距離的增加(1斷面—3斷面)，其土壓力值呈衰減趨勢。這是由于這4個測點一方面埋設位置受滑坡影響較小，坡體蠕動不會使得土壓力出現(xiàn)驟增現(xiàn)象；另一方面，由圖3可知，離隧道左邊界距離越小，其隧道埋深越大，在1斷面受到的土壓力也相對較大。

3.2.2 隧道斷面襯砌結構內力

采用在隧道內、外側對稱布設環(huán)向電阻應變片方式測量隧道內外側的應變值，以此獲得內外側的應變后，計算出隧道的截面內力。設隧道的內外側應變值分別為ε1和ε2，根據(jù)材料本構關系，單位長度隧道的截面內力計算公式[32]為：

(1)

(2)

式(1)—(2)中：N為軸力；M為彎矩;b為單位長度，取1 m；h為隧道模型厚度，取1 cm；E為彈性模量，按表1取0.77 GPa。

根據(jù)式(1)和式(2)繪制隧道內力圖(取降雨期間軸力和彎矩的平均值)，襯砌模型內力計算結果如圖8所示。

(a) 模型在降雨期間的平均軸力(單位： N)

由圖8(a)可知： 1)3個斷面的軸力均為負值，以受壓力為主； 2)1斷面的最大壓力出現(xiàn)在河側拱腰，數(shù)值為1 389.33 N； 3)2斷面和3斷面的最大壓力出現(xiàn)在山側拱腰及拱頂，其數(shù)值分別為1 540.35 N和1 456.39 N。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況及隧道模型埋設位置可知： 1)2斷面和3斷面靠近坡體表面，相比1斷面(坡體深部)更易受坡體蠕動變形影響； 2)在降雨作用下，滑面土體軟化，蠕變加劇，滑坡推力沿滑帶方向向下傳遞，且數(shù)值不斷增加，使得隧道模型受偏壓作用，在山側拱腰位置形成較大的應力集中，最終導致隧道模型變形破壞，其破壞情況與現(xiàn)場高度吻合； 3)河側土體將受到的滑坡推力反作用于河側襯砌拱腳，使得河側襯砌拱腳也會產(chǎn)生一個較大的壓力(其成災模式見圖9)。

由圖8(b)可知： 1)隨著距模型箱左側距離的增加(1斷面—3斷面)，襯砌模型出現(xiàn)最大彎矩的位置由河側向山側轉移； 2)在2斷面山側拱腰M3位置其彎矩值達到最大，為1.56 N·m； 3)在3斷面山側拱腳M2、拱腰位置M3彎矩值分別為1.70 N·m 和1.13 N·m，對應的隧道另一側測點(M6、M5)彎矩值分別為0.31、0.22 N·m，左右兩側彎矩值相差5.1～5.5倍，兩側受力不均，形成典型偏壓隧道； 4)3斷面M3、M5測點彎矩值為正且向外彎起，M4測點彎矩值為負向模型內部凹進，左右拱腰的彎矩數(shù)值有差異，引起拱頂產(chǎn)生垂直張拉裂縫，最終在模型拱頂發(fā)生了張性斷裂(其成災模式見圖9)。

圖9 隧道-滑坡體系成災模式

4 結論與討論

以重慶奉溪高速公路楊家灣隧道為依托開展室內模型試驗，測試得到降雨條件下滑坡的災變演化過程、坡體內部的土壓力響應特征、隧道周圍土壓力及變形特征。通過將隧道變形數(shù)據(jù)轉換為內力，分析了隧道不同斷面的環(huán)向內力分布，探討了降雨入滲條件下隧道-滑坡體系的變形機制，分析總結如下。

1)通過試驗現(xiàn)象分析得到在降雨入滲作用下，坡體災變演化過程為坡頂張拉—坡中蠕動滑移—坡腳局部牽引破壞。

2)通過分析坡體土壓力響應特征，可知受降雨及地下水軟化作用，土體容重增加、力學性能降低、抗滑能力減弱，導致坡體產(chǎn)生蠕動變形，其多余下滑力沿滑帶方向向下傳遞，在坡腳形成較大的壓應力并作用于隧道山側。

3)通過監(jiān)測隧道周圍土壓力數(shù)據(jù)，得知較大土壓力易出現(xiàn)的位置為拱頂、山側拱腰和拱腳，特別是拱頂極易產(chǎn)生較大的應力集中，導致隧道拱頂產(chǎn)生豎向張拉裂縫，由此可推斷上述部位容易成為降雨工況設計的薄弱環(huán)節(jié)。

4)通過對隧道不同斷面環(huán)向內力分析可知，整個隧道所受軸力均為負值，以受壓應力為主。隧道受坡體偏壓作用影響，將壓應力傳遞至河側土體，因此河側土體會產(chǎn)生一個反壓力作用于隧道河側拱腳位置，致使河側拱腳發(fā)生變形破壞。此外，越靠近隧道進口段位置，最大軸力及彎矩產(chǎn)生位置由河側向山側轉移，山側與河側彎矩值相差5.1～5.5倍，兩側受力不均，形成典型偏壓隧道。

本文初步探討了降雨條件下隧道-滑坡體系的災害演進機制，由于隧道-滑坡體系之間相互作用、相互影響，對降雨條件下隧道-滑坡體系協(xié)同變形演進機制的相關研究將在后續(xù)進一步完善。