正交体系下隧道与滑带相交力学模型与加固研究

第17卷第9期2017年3月1671—1815(2017)09-0073-06科学技术与工程S cien ce T e c h n o lo g y a nd E n g in e e rin gV o l. 17 No. 9 M a r. 2017©2017S ci. T e ch. E n g rg.图1成昆铁路毛头马1#隧道滑坡断面图F ig. 1L a n d s lid e p ro file o f M a o to u m a 1# tu n n e lin C h e n g k u n ra ilw a y研究。

可见，关于正交体系具体受力模式的理论分 析和针对性的加固设计方法研究仍然相对薄弱。

现主要研究单滑面情况下，隧道与滑坡在正交 体系下的受力变形模式。

主要通过具体工程实例中 隧道的变形特征的深入剖析，得出隧道的受力模式， 并结合数值模拟分析建立合理的力学模型，采用一 体化设计理念对该类病害进行加固和效果分析。

1正交体系典型工程实例!1成昆线毛头马1#隧道成昆线毛头马1#隧道位于成昆线乌斯河-尼日 区间，地处大渡河高山深切峡谷，两岸悬崖峭壁耸 立，地势险要。

其地质断面如图1所示。

在高速铁路、公路建设中，为了保证线路的顺直性，选线难以对所有滑坡都进行避绕，导致隧道穿越 大型滑坡地区的情况经常发生。

因而，隧道结构的 安全直接关系到列车的正常运行。

如何对隧道-滑 坡体系进行合理的受力分析，则是隧道设计、开挖和 加固的核心问题。

目前，国内外对穿越滑坡的隧道受力和变形等 均有一定的研究，文献）1 ]对隧道-滑坡体系的类型 和隧道变形的模式进行了研究。

文献[2]研究了穿 越滑坡地段的隧道变形地质力学模型。

文献)3]对 穿越滑坡的隧道综合防治技术进行了研究。

文献[4]等对滑坡-隧道相互作用受力变形规律进行了2016年9月22日收到 铁道部科技研究开发计划重点课题(2010G 018-C -3-1)、甘肃省交通建设科研项目(200813)和中国中铁股份公司科技开发计划（20160203)资助第一作者简介'陈小云（1988—)，男，硕士研究生。

研究方向：岩土和边坡工程。

E -m a il: 826142479@q q.co m 。

!通信作者简介:吴红刚（1983—)，男，陕西宝鸡人，博士，高级工程师，硕士研究生导师。

研究方向：岩土和边坡工程。

E -m a il:271462550@qq. com 。

引用格式:陈小云，吴红刚，艾挥.正交体系下隧道与滑带相交力学模 型与加固研究[J ].科学技术与工程，2017, 17(9): 73—78Chen X iao yu n ，W u Honggang ， A i H ui. Research on the intersection of mechanical model and reinforcement for the tunnel-landslide ortliogonal sys­tem) J ]. Science Technology and Engineering ，2017, 17(9) ： 73 —78交通运输正交体系下隧道与滑带相交力学模型与加固研究陈小云1吴红刚2! 艾挥3(中国铁道科学研究院研究生部1，北京100081 %中铁西北科学研究院有限公司2，兰州730000%兰州交通大学3，兰州730070)摘要在山区修建高速铁路或公路时，为了保证线路的顺直性，选线难以对所有滑坡都进行避绕，导致隧道穿越大型滑坡的情况经常发生。

在修建以及线路运营过程中，时常发生隧道拱顶开裂、隧道支护鼓胀、隧道变形严重侵限等问题。

结合三 个典型隧道-滑坡正交体系的具体实例，通过其施工监测变形，剖析了正交体系下隧道-滑坡在单滑面的变形特征，并分析了其 受力模式。

结合数值模拟和受力模式，提出了一体化加固方式，并以实例分析了其加固效果。

研究结论'①在单滑面情况下，总结了滑带与隧道相互作用下的变形特征：当滑带作用于隧道边墙，其破坏类型为剪切破坏；当滑带作用于拱顶时，隧道破坏 类型为挤压剪切破坏，隧道以拱部变形为主;②简化了滑带作用于隧道边墙的受力计算模型，利用数值计算验证了计算模型 简化的合理性;③对滑带作用于隧道边墙的相互作用模式，提出了合理的加固方式，并通过计算表明隧道的变形得到了较好 的控制。

关键词隧道 滑坡 力学模型 加固中图法分类号U 452.27;文献标志码A①②③④③⑥羞i >lm5 555 55/r8 4 o 6 28 度-S ...........,高74科学技术与工程17卷从表1中可以看出，毛头马1#隧道竣工后，位于基岩中的拱部出现多处纵裂缝，且裂纹大多产生于隧道左拱部，表明左侧拱部受力较大，同时也说明拱部受力不均勻。

1989年，从其左、右边墙出现众多横裂缝，左侧水沟挤裂大百余米，表明在隧道边墙与滑带相交处发生了局部剪切，导致左侧水沟受到挤压破坏变形，符合该隧道恰位于坡体中-褶曲的倒转翼，处于坡体应力集中部位。

1992年隧道的边墙侵人限界等变形特征，也说明在正交体系下，滑坡作用于隧道边墙时，其破坏主要形式为剪切破坏，且基本在山侧发生剪切破坏。

表1毛头马1#隧道变形特征T a b le 1 T h e d e f o r m a t io n c h a r a c t e r is tic s o f th e (C)拱顶开裂、渗水 （d)拱顶开裂、渗水图2隧道内拱顶开裂、渗水现场图片M a o t o u m a1#tu n n e l 时间隧道变形特征1966 年(竣工后）位于基岩中的拱部出现多处纵裂缝，左边墙在同一地段出现纵裂缝，裂纹大多产生于隧道左拱部和左边墙。

1966 年~1988 年未产生新的隧道变形迹象，老裂缝未发展1989 年左右边墙出现众多纵横裂纹，拱部掉块，左侧水沟挤裂达百余米。

1992 年整修后的左侧水沟又重新开裂破坏，边墙侵入限界，拱部多处挤疏掉块1%襄渝铁路旗杆沟隧道襄渝线旗杆沟隧道1971年开工建设至1972年 完工，该隧道位于石庙沟至月河区间，长523 m。

该 路段位于汉江北岸，地形地貌复杂多变、地层岩性 差、地质构造复杂，褶皱和断裂破碎带极为发育，沿 线滑坡等地质灾害频发。

在隧道监测过程中发现:①盖板涵涵身损裂;②襄侧出现裂缝和错台，路肩水沟受挤压断裂;③ 隧道仰坡顶出现裂缝;④隧道拱顶开裂、渗水严重 以及所贴观测水泥贴片全部拉裂等现象。

如图2 所示。

从表2中可以看出，旗杆沟隧道的变形主要表 现在拱顶、部位，从其修建后不久出现拱顶掉块、边 墙拉裂等现象，侧面反映出隧道拱顶、边墙受力分布 不均勻。

1974年，从其出口段60 m范围内右边墙 侵限26 cm，隧道中线右移14 cm可以得出，隧道右 侧边墙与滑面相交处发生了剪切变形，在滑坡推力 作用下靠近隧道山侧（即隧道右侧）整体发生偏移。

从2002年和2006年隧道衬砌的变形图中，也突显 出在正交体系下，隧道边墙与滑面相互作用时，隧道 破坏类型主要以剪切破坏为主，其变形特征表现形 式为衬砌开裂，靠近山侧拱部及边墙发生偏移。

Table2 The cracking and w ater seepage of tunnel vault表#襄渝铁路旗杆沟隧道T a b le2T h e Q ig a n g o u tu n n e l o f X ia n g y u r a ilw a y时间变形特征修建后不久出口段60〜70 m范围就出现拱顶掉块、边墙拉裂变形、移位等现象1973 年1974 年出口段铺底多处出现明显裂纹出口段60 m范围内右边墙侵限26 c m，隧道中线右移14 cm2002年初隧道衬砌掉块、拉裂变形现象重新出现，并伴随渗漏水病害隧道内变形最为严重，拱部及边墙纵向或横向开2006年7月裂、拱部掉块、渗漏水严重、水沟断裂，隧道出口右侧翼墙出现数条竖向及倾斜裂缝1%西（安）〜汉（中）高速公路良心隧道西汉高速公路良心特长隧道（长3 580 m)位于 陕西省洋县北东侧秦岭低中山向汉中盆地东北侧边 缘丘陵地带过渡段的低山区，山坡前陡后缓，山顶与 沟底相对高差约200 m，右拱腰与山坡垂直距离9.02〜26. 30 m、垂直埋深13.47〜33. 74 m，隧道位 于山坡卸荷带之内。

其右洞隧道与滑面位置及实测 变形结果如图3、图4所示。

从图4中可以看出，隧道的初期支护已发生了 严重的超、侵限变形。

从图3、图4可以看出，滑带图3良心隧道西安端地质断面图Fig.3The geological profile of Liangxintunnel in Xi_nside陈小云，等'正交体系下隧道与滑带相交力学模型与加固研究75 $期o f r ig h t tu n n e l作用于隧道拱顶，使得拱顶左起拱线偏上20°〜右 拱腰中线偏左15°范围，向右向下变形严重侵限，右 起拱线分别出现环向挤压掉块；在右起拱线上下1.%〜3.1 m范围，为了抵抗隧道向右旋转，导致隧 道初期支护向内严重鼓胀，发生最为严重的挤压剪 切变形侵限，表明滑带作用于拱顶时，以拱部变形为 主，其破坏类型为挤压剪切破坏，且山侧变形较河侧 严重。

2隧道变形破坏特征和受力模式分析2.1变形破坏特征分析通过以上三个典型正交工程实例，可以得出在 正交体系下，当滑带作用于隧道边墙，其破坏类型为 剪切破坏，隧道变形如图5所示，变形表现形式为拱 顶压裂掉块，山侧边墙倾斜侵入限界，拱部及边墙出 现纵横裂缝且隧道宏观以整体向河侧倾斜为主。

图5滑带作用于边墙时变形示意图F ig. 5 T h e d e fo rm a tio n s c h e m a tic o f s lid in gzone a c tin g on th e s id e w a ll当滑带作用于拱顶时，隧道破坏类型为挤压剪 切破坏，主要以拱部变形为主（如图4所示#，山侧 较河侧严重，以压溃、掉块、拱部出现纵裂和错台为 特征。

因此，在隧道与滑面交界处，埋入坡体内的空心薄壁箱体，因其抗剪截面积较小很容易发生剪切破坏。

2%受力模式研究以毛头马1#隧道为例，当隧道边墙与滑面相交 时，根据其变形特征，可简化出隧道的受力模式，即隧道主要承受滑坡推力,、岩土压力.和岩土抗力P其受力模型如图（所示。

图（滑带作用于边墙时隧道受力模型示意图F ig. 6 T h e tu n n e l b e a rin g m o d e l d e fo rm a tio n s c h e m a tico f s lid in g zone a c tin g on th e s id e w a ll根据上述分析，隧道与滑坡相交时的力学计算 模型可简化为图7。