炭质页岩滑坡-隧道体系稳定性分析与处治技术研究

炭质页岩是一种水理性极强的膨胀性岩体,遇水后其工程性质劣化较快。在该种类型岩体地区修建高速公路隧道,隧道与边坡的安全性应当作为一个体系进行论证。以在建某高速公路隧道为例,经取样获取炭质页岩工程性质,再采用有限差分软件FLAC3D进行滑坡-隧道体系稳定性分析,经锚索抗滑桩加挡墙、护坡与排水对滑坡处治及采用超前锚杆预加固衬砌结构后满足工程要求。

滑坡-隧道正交体系变形特性试验研究

【目的】对于滑坡-隧道正交体系,滑坡的变形失稳是引发隧道病害的重要原因。为了研究滑坡-隧道正交体系在滑坡失稳过程中的宏观变形特性,【方法】以阳坡里隧道为研究对象,使用自主研发的牵引式滑坡分级滑动模拟试验装置设计开展了12组室内模型试验,研究了在滑坡-隧道正交体系中滑坡失稳情况下隧道埋深、隧道在滑体内的布置位置以及滑动段位置对“洞周位移指数”的影响。【结果】结果显示:滑坡发生失稳时的坡面宏观变形存在一定规律,通常表现为坡面的后缘裂缝以及次级裂缝,且坡面位移沿次级裂缝存在明显分级情况;在其他变量相同的情况下,隧道在滑坡体内部埋深越大、隧道布置位置越靠近滑坡体前缘、滑动段越靠近滑坡中段时,滑坡滑动对隧道周围0.5~1.0倍隧道直径范围内土体的位移影响越大;滑动段位置对洞周位移指数影响最大,当滑动段分别位于滑坡前段、中段和后段时,洞周位移指数分别为小于0.8、大于1.8和介于1.0~1.5之间。【结论】研究成果可为滑坡隧道的变形演化机理、滑坡诱发隧道病害的预测预报以及防治技术等研究提供参考。

隧道-滑坡体系类型和隧道变形模式研究

在山区修建公路、铁路隧道时,常遇到隧道从滑坡体内及周边穿越的现象,这些隧道会因滑坡滑动而产生变形、开裂等病害。一直以来,由于将隧道开挖与滑坡蠕动分开考虑,未能很好地解释二者的相互作用。隧道与滑坡的空间位置关系控制病害的性质和规模,是决定隧道–滑坡体系相互作用模式的主要因素。它确定隧道在滑坡体中的受力模式,而隧道受力是导致隧道变形的根本原因,因此隧道与滑动面的相对位置关系决定隧道受力机制和变形特征。根据隧道与滑动面的空间位置关系,将隧道–滑坡体系划分为平行、正交和斜交三大体系类型,结合典型工程实例对不同的体系进行更细的划分,分析各类型的受力模式和变形特征,得到隧道–滑坡体系相互作用的规律。研究表明,不同体系其受力与变形有很大差别,总体上隧道–滑坡体系的相互作用随两者距离的增加而减弱。

隧道-滑坡体系的研究进展和展望

在山区修建公路、铁路隧道时,常遇到隧道从滑坡体内及周边穿越的现象,这些滑坡或因隧道开挖而蠕动,而隧道因坡体滑动而产生变形、开裂等病害。研究隧道-滑坡体系的变形机理及防治技术具有重要的指导意义。自20世纪60年代以来,我国铁路和公路部门先后针对这一问题开展了科学研究和工程应用,笔者从研究历程、取得的成果、存在的问题及今后的研究方向与思路几个方面作一简要综述,希望对今后的研究和生产实践中起借鉴和指导作用。

大准铁路南坪隧道-滑坡体系变形特征及处治技术

通过地质勘查、现场监测、理论分析等方法,对大准铁路南坪隧道-滑坡体系变形特征、成因及治理措施进行研究。结果表明:滑坡方向与隧道走向夹角87°;隧道变形主要发生在滑坡侧拱脚及边墙处,表现为边墙纵向裂缝延伸长,多见错台,拱脚错位,避车洞底板隆起;滑坡属于大型破碎岩石及黄土复合深层滑坡,平面形态具有二级滑动特征;滑坡由坡体结构、施工扰动、降雨和地下水综合作用所致。采用"刷方减载+全埋式锚索抗滑桩加固+隧道既有衬砌加固+设置仰斜排水孔及截排水沟"措施对南坪隧道-滑坡体系病害进行整治,效果良好。

上挡下托式抗滑桩组合对隧道-滑坡体系的加固机理研究

工程预加固技术主要指通过支挡结构来治理滑坡和加固隧道。采用数值模拟研究在"上挡下托式"抗滑桩预加固作用下,不同桩-隧间距对隧道-滑坡体系的影响,并分析了上挡下托式抗滑桩对隧道-滑坡体系变形控制的作用机理。研究表明:在滑坡段开挖隧道,采用上挡下托式抗滑桩为支挡结构对隧道-滑坡体系进行预加固,对控制隧道变形有着显著的效果,抗滑桩支挡结构可以改善隧道结构的受力,同时合理的桩-隧间距有益于隧道结构的安全。

基于希尔伯特边际谱理论的含隧道滑坡震动破坏模式研究——以隧道正交下穿主滑方向滑体为例

为探究地震作用下含隧道滑坡体的破坏模式,以正交下穿滑体主滑方向为例进行振动台试验,通过测试得到滑坡体内不同位置的加速度时程曲线,基于希尔伯特边际谱理论,获取不同位置测点的边际谱,并提取各测点边际谱峰值和特征频率,揭示隧道正交下穿滑体滑坡的破坏模式。结果表明:1)在不同强度地震作用下,基岩内地震能量有序传递,并不出现地震损伤,滑坡体内中上部坡体和下部坡体率先出现地震能量不能完整传递,出现地震损伤。2)隧道的存在劣化了上部坡体的力学环境,使得中下部坡体内隧道顶部T16测点在低能量输入下仍出现破坏。3)隧道正交下穿滑体主滑方向的震动破坏模式表现为崩落—拉裂—滑移破坏。

基于推移式滑坡的隧道变形模式演化规律研究

研究目的:随着我国陆路交通的快速发展,山区运营隧道在滑坡作用下的病害问题日益突出,而导致隧道变形破坏的最根本原因是滑坡的作用导致隧道受力模式的改变。同时,坡体不同的变形阶段对隧道结构的受力变形模式影响较大,目前在这方面缺乏深入的研究。研究结论:(1)以隧道-滑坡平行体系为研究对象,基于推移式滑坡岩土体的变形特点揭示了隧道受力渐进破坏过程的本质是滑坡推力和岩土抗力变化的过程,初步探讨了不同演化阶段滑坡的运动特点和隧道的力学特征,以不同演化阶段的隧道受力模式为基础,建立了半无限长梁、半无限长梁-悬臂梁模型;(2)采用弹性地基梁和结构力学理论,对位于滑坡体内和滑坡体外的隧道结构变形进行耦合解析,建立不同阶段隧道受力变形模式的理论计算公式,提出相应控制截面的解析解表达式,能够实现滑坡不同演化阶段隧道受力变形的评价;(3)通过模型试验进行了对比分析验证,结果表明该理论能够对滑坡中隧道的受力变形的发展进行预测以及为滑坡地段隧道的设计、加固治理提供理论参考。

降雨-滑坡-隧道系统灾害演进机制研究——以重庆奉溪高速公路杨家湾隧道为例

为研究降雨条件下隧道-滑坡体系的灾变演化过程以及隧道受力响应特征,以重庆奉溪高速公路杨家湾隧道为例,通过室内模型试验,对降雨条件下隧道-滑坡体系灾害演进机制进行研究。结果表明:1)在降雨入渗作用下,坡体灾变演化过程为坡顶张拉—坡中蠕动滑移—坡脚牵引破坏;2)受地下水软化作用,土体发生蠕动变形,多余下滑力沿滑带方向向下传递,在坡脚形成较大的压应力并作用于隧道山侧;3)隧道拱顶、山侧拱腰和拱脚,特别是拱顶极易产生较大的应力集中,导致隧道拱顶产生竖向张拉裂缝;4)整个隧道模型在降雨作用下以受压力为主,越靠近隧道进口段,隧道受偏压作用越明显,山侧与河侧弯矩值相差5.1~5.5倍,两侧受力不均,形成典型偏压隧道。

不同空间位置滑坡对隧道支护结构的作用效果数值分析

隧道线路的选址和设计应确保滑坡与隧道之间的距离足以避免滑坡对隧道的不利影响。但由于隧道所处环境的改变致使隧址区滑坡复活,进而导致隧道支护结构开裂、仰拱隆起等病害。依托某高速公路滑坡-隧道体系实体工程,采用数值模拟方法,对不同滑坡-隧道空间位置下隧道结构的受力和变形特性进行了对比分析。结果表明,滑坡-隧道体系中,隧道支护结构的变形在3D影响范围内主要受滑坡和隧道空间位置的影响。0D工况由于滑带贯穿整个隧道截面,变形最为不利。拱部变形最不利状态为左1D工况(右侧拱脚与滑带相交),仰拱变形最不利状态为右1D工况(左侧拱肩与滑带相交)。但超过3D范围后,埋深对变形效果开始显现。滑坡位置对隧道支护结构受力的影响规律与变形不同,且对轴力的影响远大于弯矩。在对类似隧道进行监测和处治时,除变形外还应对支护结构关键部位受力进行监测。且应针对滑坡和隧道的不同位置关系,选用针对性加固方案。

隧道正交穿越深厚滑坡体的相互影响分析与应对措施

在我国西南山区修建公路隧道时,常常需穿越滑坡等不良地质灾害体,而其中最复杂的组合便是隧道正交穿越滑坡,这一复杂组合耦合了上覆厚度巨大的滑坡体和隧道开挖揭穿滑坡滑面两个不利条件,将会引发滑坡和隧道的强烈相互作用,从而诱发滑坡体和隧道的强烈开裂、变形。以西南山区某高速公路隧道正交穿越厚度超过60 m的老滑坡为背景,对这类隧道–滑坡体系的相互作用而引发的工程病害的机制进行了深入的分析和研究,并采用数值分析方法对坡体、隧道的应力、变形等进行了详细计算分析,同时与规范推荐的传递系数法的计算结果进行了对比分析。结果表明,数值分析方法对这种复杂体系作用下的坡体与隧道的相互影响所进行的分析更为合理,基于应力变形控制理论所确定的最终处治方案具有明显技术合理性和经济优势。目前该隧道已成功穿越滑坡体并通车,这种复杂条件下的隧道-滑坡体系的成功处治在国内外亦是非常少见的,其设计分析思路和应对措施可供今后类似工程参考和借鉴。

渭河隧道施工对上覆滑坡体扰动影响及施工控制技术研究

以宝兰铁路客运专线渭河隧道下穿北山滑坡体工程为背景,采用数值计算方法分析隧道下穿施工对上覆滑坡体的扰动规律,同时针对有无超前支护措施进行数值模拟分析。数值计算结果表明:隧道施工并未促使滑坡体滑动,仅对滑坡体存在一定影响,超前支护能有效减轻施工对滑坡体的扰动。在得到隧道施工对滑坡体的扰动影响后,制定相应的施工控制技术措施。现场监测数据表明,采用超前支护、三台阶临时仰拱法和径向注浆加固地层的施工控制技术能够保证施工安全。

并行双洞隧道穿越滑坡工程研究进展与挑战

文章统计了国内外双洞隧道穿越滑坡的典型工程案例,详细阐述并分析了目前隧道开挖诱发滑坡失稳的机理、滑坡影响下的隧道响应特征、滑坡的监测及预测技术、隧道-滑坡体系处治技术等方面的研究进展。提出了当前并行双洞隧道穿越滑坡工程面临的5大问题,即双洞隧道穿越滑坡失稳演变过程、滑坡稳定性、隧道结构响应特征、滑坡失稳防控技术及滑坡变形智能监测技术;针对目前并行双洞隧道穿越滑坡面临的挑战,指出精细化数值仿真模拟、组合创新滑坡锚固体系及材料、新型隧道支护体系、基于空-地一体化的滑坡智能监测技术是今后重要的研究方向。

地震作用隧道正交下穿滑坡体衬砌结构的动力响应试验研究

随着我国交通干线穿越复杂艰险山区,越来越多的隧道建造在西部高烈度区,常常面临隧道下穿滑坡问题,潜在地震引发坡体病害地段隧道变形问题成为该地区交通隧道运维面临的重大隐患之一。以正交型隧道下穿滑坡为典型案例,首次开展振动台试验,测试得到不同概率水平地震作用特征图像、加速度、动土压力和动应变等多属性地震数据信息。通过模型变形特征、加速度、动土压力和动应变时域特性分析,揭示衬砌结构区域性空间动力响应特征。基于多属性地震数据综合分析,获得多属性数据之间时频变化关系及频谱定量化表征损伤水平的相关性。结果表明:(1)地震作用下,加速度、动土压力和动应变多属性数据敏感度存在较大差异,动土压力时程效应最敏感,动应变相比加速度时程存在明显的滞后效应。(2)限于隧道下穿滑坡空间位置关系和地震效应影响,衬砌破坏部位存在区域性差异,仰拱开裂成为薄弱区。(3)动土压力呈现2次间歇性跳跃,衬砌变形主要由动土压力的第一个波形控制,在其作用时间内,衬砌塑性变形完成,二次波峰引起隧道衬砌产生残余动土压力。(4)多属性数据信号频域内卓越频率主要集中在1~10 Hz,但各自的主导频率差异显著,低频段-高频段奇异的大小分界线为10 Hz,在15~20 Hz频率段结构物较为安全。(5)地震作用多属性数据响应变量之间均呈正相关关系,加速度与动土压力响应之间具有高度相关度,地震动加速度与动应变响应之间相关关系较弱,呈显著相关。研究成果可为高烈度地震区正交型隧道-滑坡的变形破坏模式预测及工程安全评价提供理论参考。