Model tests and bearing characteristics of tunnels under semi-inlaid mudstone and semi-loess
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摘要: 隧道进出口通常会出现在傍山边坡，亦不可避免地存在半嵌软岩半覆土体的隧道围岩地质条件，针对傍山隧道极易遭受滑坡灾害的威胁问题，开展半嵌泥岩半覆黄土傍山隧道衬砌的承载特性研究具有重要的理论与工程意义。基于可实现边坡侧向非均匀加载的模型试验装置，开展了近邻滑坡的、半嵌泥岩半覆黄土隧道模型试验，评价了半嵌泥岩半覆黄土傍山隧道衬砌的承载特性。研究表明，模型试验有效揭示了傍山隧道衬砌弯矩分布的偏压特性，潜在滑动面贯穿使得傍山隧道衬砌受力愈加恶化，使得隧道衬砌弯矩峰值增大了43.23%，同时隧道衬砌位置产生了更大的偏移。Abstract: The entrance and exit of a tunnel usually appear in the side slope of a mountain, so the tunnel has a kind of the inevitable existence embedded in soft rock and overlying soil. In view of this, the tunnel may be vulnerable to the threat of landslide disasters. It is of great theoretical and engineering significance to study the bearing characteristics of tunnel linings under semi-mudstone and semi-loess. Based on the model test device which has realized the non-uniform lateral loading on the slope, the model tests are carried out under semi-mudstone and semi-loess, and the corresponding bearing characteristics of tunnel linings are evaluated under the neighboring landslide. The results show that the partial pressure characteristics of bending moment of the tunnel linings are effectively revealed. The movement of potential sliding surface reduces the mechanical characteristics of the tunnel linings, which increases the peak bending moment of the tunnel linings by 43.23% and causes a certain displacement at the position of the tunnel linings.
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Keywords:
- loess /
- mudstone /
- tunnel /
- model test /
- moment of lining
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0. 引言
随着国家基础设施建设的推进，丘陵地区兴建了大量隧道，其中不乏出现穿越复合地层、滑坡变形区的情况[1]，而穿越复合地层、滑坡变形区情况下的傍山隧道发生破坏时可能会导致隧道中断运行，严重威胁着隧道运营安全。因此，开展穿越复合地层、滑坡变形区的隧道受力变形与承载特性的研究具有重要的理论与工程意义。
因模型试验比现场试验成本低、效率高，众多学者结合模型试验和数值模拟探讨了各种复杂条件作用下隧道围岩的稳定性及衬砌的变形受力特性。
在隧道模型试验方面，梁发云等[2]通过缩尺模型试验评价了不同堆载位置对软、硬地层中隧道横向变形的影响机理。崔光耀等[3]采用振动台模型试验评价了软硬围岩交界段隧道衬砌的抗震性能。周光新等[4]基于滇中引水香炉山隧洞工程的物理模型试验分析了断层错动模拟过程中隧洞上覆围岩的响应特征和破坏机制。徐海岩等[5]通过模型试验评价了土砂互层地层中隧道塌方及其演变规律。
在数值分析方面，袁冉等[6]利用数值模拟研究了复合成层地层中浅埋隧道开挖引起的地表沉降问题，并对比了多个模型组合的差异性。陈春玲等[7]基于FLAC3D数值计算评价了不同参数下顶部溶洞对隧道围岩稳定性的影响。李瀚源等[8]通过数值模拟和模型试验评价了隐伏断层错动下盾构隧道结构受力特点及地层破坏模式。颉永斌等[9]通过数值模拟和室内模型研究了断层破碎带内隧道纵向受荷特征和变形特征。王鸿儒等[10]通过模型试验与数值模拟评价了断层错动对隧道及围岩的损伤机理及破坏特性。刘学增等[11]通过模型试验分析了侧向荷载作用下隧道衬砌的损伤演化机制，并利用数值计算反演了衬砌结构刚度衰减规律。
这些研究成果大大推动了隧道围岩稳定性及衬砌受力特性的深入研究，同时，成永刚等[12]曾针对福建省赣龙铁路古田隧道、南昆线平中隧道等实际工程问题，指出了滑坡区隧道的主要病害特征，阐述了滑坡与隧道病害的相互关系。但是，穿越黄土–泥岩交界地层、滑坡变形区的复杂条件下的隧道承载特性相关模型试验研究尚不多见。
因此，拟通过边坡侧向非均匀加载模式开展半嵌泥岩半覆黄土条件下的傍山隧道模型试验研究，分析隧道穿越黄土泥岩交界地层、滑坡变形区条件下隧道衬砌的受力变形特征，评价近邻滑坡潜在滑动面贯通对衬砌受力的影响。
1. 半嵌泥岩半覆黄土隧道模型试验
1.1 侧向非均匀加载系统
采用的模型试验系统如图 1（a）所示，模型箱尺寸：长×宽×高为2.4 m×0.64 m×1.5 m。正面选用钢化玻璃，其余各面采用不锈钢。侧向非均匀加载实现方式：液压油缸固定在左侧框架，侧压板上部与油缸活塞铰接，下端与模型箱底部铰接，当液压油缸推动侧压板顶部向右运动时，侧压板底部在铰接处发生转动，可以实现侧向非均匀加载方式（图 1（b）），在各工况中侧压板顶部水平位移最大设置10 cm，侧压板采用从0至10 cm位移逐渐加载，以便模拟边坡滑动过程中坡体变形的特性。
1.2 模型边坡及隧道
依据原型隧道的缩尺比例（1∶20），通过加工有机玻璃材料制作出隧道衬砌模型，隧道模型长为640 mm，衬砌内径为300 mm，厚度为10 mm。构筑半嵌泥岩半覆黄土条件下隧道模型试验采用的岩土材料为西北地区的黄土和泥岩，通过控制密度和含水率逐层填筑，完成模型制作，泥岩与黄土参数如表 1所示。
表 1 黄土及重塑泥岩物理力学参数Table 1. Physical and mechanical parameters of loess and remolded mudstone基本参数 黄土 重塑泥岩 密度/(g·cm-3) 1.38 1.60 含水率/% 10.5 14.0 干密度/(g·cm-3) 1.25 1.40 Gs 2.72 2.78 黏聚力/kPa 30.0 45.0 内摩擦角/(°) 18.1 21.0 1.3 试验方案
针对位于复合地层、穿越潜在滑动面的傍山隧道，设计了半嵌泥岩半覆黄土傍山隧道模型试验工况一（图 2（a））及其相应的存在潜在滑动面贯穿的傍山隧道模型试验工况二（图 2（b））。
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图 2 半嵌泥岩半覆黄土隧道模型试验工况Figure 2. Model test conditions of tunnel under semi-inlaid mudstone and semi-loess为合理采集隧道衬砌模型的应变值，在隧道衬砌模型内外两侧16处分别均匀布置应变片（图 3（a）），图 3（b）为应变片布置完成的隧道衬砌模型。为分析侧向非均匀加载模式下傍山隧道的受力变形特征，在边坡中布置了微型土压力计（图 3（c），（e）），并在坡顶与坡面布置了位移传感器（图 3（d），（f））。
2. 试验现象及试验数据分析
2.1 试验现象与位移监测
针对半嵌泥岩半覆黄土傍山隧道模型试验（工况一）及其相应的存在潜在滑动面贯穿的模型试验（工况二），观测两个模型试验二级加载后的试验现象（图 4）及坡面位移监测曲线（图 5）。
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图 4 左侧压板顶水平加载10 cm水平位移时模型变化Figure 4. Change process of slope model with horizontal displacement of 10 cm loaded at top of left-hand platen工况一与工况二中模型坡面布置的三处位移传感器位移响应监测曲线如图 5所示。工况一中坡面自上至下水平位移逐渐减少，坡肩水平位移峰值为67 mm，坡中水平位移峰值为33 mm，坡脚水平位移峰值为21 mm；工况二中坡面沿滑动面自上至下水平位移基本相同，位移变化趋势大致相同，坡肩水平位移峰值60 mm，坡中水平位移峰值为53 mm，坡脚水平位移峰值为51 mm。工况二的坡中水平位移峰值比工况一的坡中水平位移峰值增大了60.1%，工况二的坡脚水平位移峰值比工况一的坡脚水平位移峰值增大了143%。值得注意的是，由于工况二潜在滑动面贯穿变形使得潜在滑动面上部坡体整体外移，从而导致工况二中的坡中位移、坡脚位移远大于工况一中的坡中位移、坡脚位移，因此，工况二中预设潜在滑动面贯穿滑动使得边坡上部发生整体剪出型失稳破坏。
通过两个模型试验现象及边坡位移监测，可知工况一和工况二中两个边坡均处于大变形的失稳破坏状态，但破坏特征有所不同：①坡面变形剪出口出现的位置不同，在工况一中剪出口位于黄土和泥岩的分界面，而在工况二中剪出口位于贯穿滑动面末端，且剪出口变形更加明显；②边坡坡脚变形不同，工况二模型中由于潜在滑动面发生贯穿性滑移，导致在工况二边坡坡脚位移比工况一边坡坡脚位移增大了143%；③衬砌位置变化不同，工况二中隧道衬砌模型除了发生变形外还整体偏移了2 cm，而在工况一中隧道衬砌只发生了变形，衬砌整体位置基本不变。
2.2 土压力监测分析
傍山隧道模型试验工况一中模型边坡坡面附近自下而上布置有#1，#6，#10土压力计，土压力响应监测曲线如图 6（a）所示。工况二中模型边坡坡面自下而上布置有#1，#5，#12土压力计，土压力响应监测曲线如图 6（b）所示。比较图 6（a）和图 6（b）可知，模型试验两个工况中坡肩和坡脚处土压力变化趋势一致，坡脚处土压力增长幅度比坡肩处增长幅度大；工况二中坡脚处土压力比工况一中坡脚处土压力降低了50%，这是因为在工况二中潜在滑动面发生贯穿性滑移而导致释放了部分土压力。
2.3 衬砌应力与弯矩分析
模型试验加载完成时应变片采集的应变峰值列于表 2，由应变值得出隧道衬砌模型各位置的应力值，并进一步换算得到隧道衬砌模型相应位置的弯矩。相应的计算公式如下：
表 2 隧道衬砌位置应变峰值Table 2. Peak strains at each monitoring positions of tunnel linings采集点 右侧拱肩A3 右侧拱脚A7 左侧拱脚A11 左侧拱肩
A15工况一 0.004081 0.003886 0.004205 0.004127 工况二 0.004229 0.00566 0.004714 0.004761 σ=E×ε， (1) Δε=ε2−ε1， (2) I=bt3/12， (3) M=EIΔε/t=E(ε2−ε1)bt2/12。 (4) 式中σ为应力；E为有机玻璃弹性模量，取值为3.0×109 Pa；ε为隧道衬砌模型表面应变；Δε为弯曲应变；I为截面惯性矩；b为衬砌纵向单位长度（m）；t为衬砌厚度（m）；M为弯矩；ε1为隧道衬砌模型内侧应变；ε2为隧道衬砌模型外侧应变。
当各工况中侧向加载板上部施加水平位移达到10 cm时，黄土与泥岩交界处隧道衬砌模型拱肩及拱脚附近测点的应力峰值、弯矩如图 7、图 8所示。在黄土与泥岩交界处隧道衬砌右拱脚工况二的应力峰值比工况一的应力峰值增大了45.65%，工况二的弯矩峰值比工况一的弯矩峰值增大了43.23%。其原因是在工况二中滑动面发生的贯穿性滑移增加了半嵌于泥岩中隧道的剪切效应。
半嵌泥岩半覆黄土傍山隧道衬砌受力特征：隧道右侧拱肩及左侧拱脚区域，衬砌内侧受压应力，外侧受拉应力；隧道左拱肩及右拱脚区域，衬砌内侧受拉应力，外侧受压应力。因此，半嵌泥岩半覆黄土傍山隧道右拱肩及左拱脚的衬砌外侧、左拱肩及右拱脚的衬砌内侧是隧道衬砌的薄弱区域，应合理加固。
3. 隧道衬砌数值模拟与验证
3.1 计算模型材料参数
针对隧道模型试验，通过ABAQUS建立了相应的数值模型（图 9）。泥岩和黄土采用摩尔–库伦强度准则，隧道衬砌采用弹性模型，参数如表 3所示。针对模型试验中施加的侧向非均匀位移，在数值计算中通过模型左侧施加上大下小的三角位移，上部最大位移10 cm，从而模拟模型试验中侧向非均匀位移的加载。
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图 9 数值模拟中非均匀荷载的加载方式Figure 9. Loading modes of non-uniform loads in numerical simulation表 3 数值模型材料参数Table 3. Material parameters in numerical model均质材料 密度
/(g·cm-3)黏聚力/kPa 摩擦角/(°) 弹性模量/MPa 泊松比 黄土 1.38 30 18.1 15 0.38 重塑泥岩 1.60 45 21.0 20 0.30 隧道模型 1.20 — — 3000 0.37 3.2 隧道衬砌模型应力及弯矩计算结果
由图 10可得，数值模拟计算中隧道衬砌右拱肩处、右拱脚处、左拱脚处及左拱肩处的应力最大。
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图 10 隧道衬砌模型的计算应力云图Figure 10. Nephogram of simulated stress of tunnel lining model in numerical simulation数值模拟给出模型试验中隧道衬砌模型安装应变片位置处的弯矩值，见图 11。由图 11可得，黄土与泥岩交界处隧道衬砌右拱脚处的弯矩值最大。
3.3 模型试验及数值计算弯矩对比与评价
将模型试验和数值计算两种方法所得的半嵌泥岩半覆黄土傍山隧道衬砌弯矩峰值进行了对比，见图 12。
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图 12 数值模拟与模型试验的弯矩峰值对比Figure 12. Comparison of peak bending moments between numerical simulations and model tests由图 12可知，针对半嵌泥岩半覆黄土傍山隧道模型试验，傍山隧道模型试验工况一中数值计算的衬砌弯矩分布整体上与模型试验的弯矩结果基本吻合。但是，值得注意的是，导致模型试验结果与数值模拟结果差异的原因是数值模拟计算过程中无法模拟衬砌周边土中不同的局部裂隙。
4. 结论
进行了半嵌泥岩半覆黄土隧道模型试验及相应的存在潜在滑动面贯穿的模型试验和数值模拟研究，得到以下结论：
（1）在边坡侧向非均匀加载时，工况一和工况二中两个边坡均处于大变形失稳破坏状态，两个傍山隧道模型试验中坡面变形剪出口出现位置不同。在半嵌泥岩半覆黄土隧道模型试验工况一中剪出口位于黄土与泥岩的分界面，而在潜在滑动面贯穿的模型试验工况二中剪出口位于滑动面末端。
（2）增加潜在滑动面贯穿的隧道模型比半嵌泥岩半覆黄土隧道模型更加危险，隧道衬砌受力更加恶化，隧道衬砌弯矩增大了43.23%，其隧道衬砌模型位置整体偏移了2 cm。
（3）半嵌泥岩半覆黄土傍山隧道衬砌右拱肩及左拱脚的衬砌外侧、左拱肩及右拱脚的衬砌内侧是隧道衬砌的薄弱区域，应进行合理设计或采取一定措施加固。
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图 2 半嵌泥岩半覆黄土隧道模型试验工况
Figure 2. Model test conditions of tunnel under semi-inlaid mudstone and semi-loess
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图 4 左侧压板顶水平加载10 cm水平位移时模型变化
Figure 4. Change process of slope model with horizontal displacement of 10 cm loaded at top of left-hand platen
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图 9 数值模拟中非均匀荷载的加载方式
Figure 9. Loading modes of non-uniform loads in numerical simulation
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图 10 隧道衬砌模型的计算应力云图
Figure 10. Nephogram of simulated stress of tunnel lining model in numerical simulation
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图 12 数值模拟与模型试验的弯矩峰值对比
Figure 12. Comparison of peak bending moments between numerical simulations and model tests
表 1 黄土及重塑泥岩物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of loess and remolded mudstone
基本参数 黄土 重塑泥岩 密度/(g·cm-3) 1.38 1.60 含水率/% 10.5 14.0 干密度/(g·cm-3) 1.25 1.40 Gs 2.72 2.78 黏聚力/kPa 30.0 45.0 内摩擦角/(°) 18.1 21.0 
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表 2 隧道衬砌位置应变峰值
Table 2 Peak strains at each monitoring positions of tunnel linings
采集点 右侧拱肩A3 右侧拱脚A7 左侧拱脚A11 左侧拱肩
A15工况一 0.004081 0.003886 0.004205 0.004127 工况二 0.004229 0.00566 0.004714 0.004761
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表 3 数值模型材料参数
Table 3 Material parameters in numerical model
均质材料 密度
/(g·cm-3)黏聚力/kPa 摩擦角/(°) 弹性模量/MPa 泊松比 黄土 1.38 30 18.1 15 0.38 重塑泥岩 1.60 45 21.0 20 0.30 隧道模型 1.20 — — 3000 0.37
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