上擋下托式抗滑樁組合對隧道—滑坡體系的加固機理研究

羅海翔

摘要：工程預(yù)加固技術(shù)主要指通過支擋結(jié)構(gòu)來治理滑坡和加固隧道。采用數(shù)值模擬研究在“上擋下托式”抗滑樁預(yù)加固作用下，不同樁-隧間距對隧道-滑坡體系的影響，并分析了上擋下托式抗滑樁對隧道-滑坡體系變形控制的作用機理。研究表明：在滑坡段開挖隧道，采用上擋下托式抗滑樁為支擋結(jié)構(gòu)對隧道-滑坡體系進行預(yù)加固，對控制隧道變形有著顯著的效果，抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)可以改善隧道結(jié)構(gòu)的受力，同時合理的樁-隧間距有益于隧道結(jié)構(gòu)的安全。

Abstract： The project pre-reinforcement technology mainly refers to the retaining structure used to control the landslide and strengthen the tunnel. The numerical simulation is used to research on effect analysis of different pile-tunnel spacing on tunnel-landslide system under the action of anti-slide pile reinforcement with the upper retaining and lower support type， and the mechanism of this anti-slide pile on the tunnel-landslide system deformation control. Research shows that in the tunnel excavation of the landslide section， that the anti-slide pile reinforcement with the upper retaining and lower support type is taken as the the supporting structure to make a pre-reinforcement for the tunnel-landslide system， has a significant effect on the control of tunnel deformation， can improve the tunnel structure stress， and the reasonable distance between pile and tunnel is good on the security of the tunnel structure.

關(guān)鍵詞：隧道-滑坡體系；預(yù)加固；抗滑樁；數(shù)值模擬

Key words： tunnel-landslide system；pre-reinforcement；anti-slide pile；numerical simulation

中圖分類號：U457 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）10-0108-04

0 引言

工程預(yù)加固技術(shù)主要指通過支擋結(jié)構(gòu)來治理滑坡和加固隧道[1，2]。例如為了避免滑坡的滑移對隧道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，可采用抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索對坡體進行預(yù)加固，或通過隧道砌體、支撐樁和錨索構(gòu)成協(xié)同受力結(jié)構(gòu)體系確保隧道結(jié)構(gòu)的安全，這種采用支擋結(jié)構(gòu)對滑坡段隧道進行預(yù)加固的技術(shù)就稱之為工程預(yù)加固技術(shù)。

針對目前使用較多的“上擋下托式”、“上擋式”、三類典型加固方式[5-6]，通過數(shù)值模擬，在上擋下托式抗滑樁預(yù)加固作用下，研究在隧道開挖階段不同樁隧間距對隧道-滑坡體系[2-4]的影響，并分析了上擋下托式抗滑樁對隧道-滑坡體系變形控制的作用機理。

1 計算模型建立

以某隧道-滑坡典型斷面為原型[3，7]，采用FLA3D軟件建立數(shù)值模擬，隧道在深層滑動帶上，A部分為滑體，B部分為滑帶選用的是接觸面單元，C部分為基巖，如圖1所示。

由于在隧道-滑坡正交體系下，鐵科院杜升濤通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，采用上擋式抗滑樁加固隧道-滑坡體系時，隧道的應(yīng)力和變形會隨著樁隧間距的減小而減小[4]。為了更好地反映上擋下托式抗滑樁的加固效果，本節(jié)將后排抗滑樁樁隧間距固定為5m，主要通過改變前排抗滑樁與隧道的間距來研究樁隧間距對隧道的變形、受力影響。

2 參數(shù)設(shè)定和監(jiān)測點布置

模型中滑體、滑帶、滑床基巖和隧道襯砌及抗滑樁材料參數(shù)如表1所示。

主要通過只改變前排抗滑樁與隧道的樁隧間距，并以前排樁距隧道間距為15m、20m、25m、30m、35m、40m進行數(shù)值模擬，通過抽取坡體表面、滑帶以及襯砌上的特殊點的最終變化，分析不同樁隧間距對隧道滑坡體系的影響，坡體地表、滑帶及隧道監(jiān)測點示意圖見圖2。

3 上擋下托式抗滑樁加固下隧道的變形受力特征

圖3為后排抗滑樁樁隧間距固定為5m，前排抗滑樁距隧道為15m時的數(shù)值模型。在隧道開挖階段，隧道的變形矢量圖及塑性區(qū)變形云圖如圖4、圖5。

從圖4中可以看出，隧道的最大變形發(fā)生在隧道與滑坡相交處，其最大位移位為1.482e-2，表明在該結(jié)構(gòu)加固作用下，隧道在開挖階段變形得到了較好的控制。

從圖5中可以看出，開挖工況下，在隧道與滑坡相交處，隧道變形以剪切為主。結(jié)合圖4可以得到，在隧道-滑坡正交體系下，當(dāng)隧道與滑帶相交時，隧道的拱頂變形以拉、剪為主，仰拱以擠壓變形為主，隧道的邊墻以局部剪切變形為主，且山側(cè)變形比河側(cè)要大。

4 樁-隧間距對體系的加固機理分析

4.1 樁-隧間距在隧道開挖階段對地表變形影響

在隧道開挖襯砌支護結(jié)束后，當(dāng)前排樁與隧道的距離在0～40m范圍內(nèi)時，樁-隧間距的變化對坡腳地表的沉降變形影響較?。▓D6、圖7）。但對隧道周圍上部土體地表的沉降變形影響較大，大體上呈先增加后減小的趨勢，且當(dāng)前排樁與隧道距離為25m時，樁-隧間距對隧道周圍上部土體的變形影響最大；樁-隧間距對坡體地表滑移變形影響趨勢和其沉降變形變化趨勢相同，但由于在隧道上方5m處設(shè)置了一排抗滑樁，隧道周圍上部土體地表的變化量相對較小。

4.2 樁-隧間距在隧道開挖階段對滑帶的變形影響

從圖8、圖9中可以看出，在隧道開挖襯砌支護結(jié)束后，當(dāng)前排樁與隧道的距離在0～40m范圍內(nèi)時，樁-隧間距的變化對滑帶不同位置的影響不同。從整體來說，樁-隧的不斷增大對隧道以下滑體的加固作用減弱，使得滑帶土體的沉降量與滑移量不斷增大。

4.3 樁-隧間距在隧道開挖階段對襯砌的變形影響分析

樁-隧間距對仰拱的變形影響：從圖10、圖11中可以看出，在隧道開挖襯砌支護結(jié)束后，當(dāng)前排樁與隧道的距離在0～25m范圍內(nèi)時，由于樁-隧間距不斷增大，仰拱的沉降變形不斷增加；當(dāng)樁與隧道的距離在25～40m范圍內(nèi)時，當(dāng)樁-隧間距不斷增大時，仰拱的變形不斷減少。但樁-隧間距的改變對仰拱的滑移變形影響呈相反趨勢。因此，合理地考慮樁-隧間距度隧道滑坡的影響是必要的。

樁-隧間距對拱頂?shù)淖冃斡绊懀簭膱D12、圖13中可以看出，在隧道開挖襯砌支護結(jié)束后，當(dāng)樁與隧道的距離在0～25m范圍內(nèi)時，由于樁-隧間距不斷增大，拱頂豎向位移不斷增加；當(dāng)樁與隧道的距離在25～40m范圍內(nèi)時，當(dāng)樁-隧間距不斷增大時，仰拱的豎向位移呈減小趨勢。樁-隧間距的改變對隧道拱頂水平位移的影響和對拱頂豎向位移的影響趨勢基本相同。

樁-隧間距對直墻山側(cè)的變形影響：從圖14、圖15中可以看出，在隧道開挖襯砌支護結(jié)束后，當(dāng)樁與隧道的距離在0～25m范圍內(nèi)時，樁-隧間距不斷增大，直墻山側(cè)的豎向位移不斷增加；當(dāng)樁與隧道的距離在25～40m范圍內(nèi)時，樁-隧間距不斷增大，直墻山側(cè)豎向位移變形呈減小趨勢。樁-隧間距對隧道直墻水平位移的影響和對其豎向變形影響趨勢基本相同。

5 結(jié)論

采用數(shù)值模擬研究在“上擋下托式”抗滑樁預(yù)加固作用下，不同樁-隧間距對隧道-滑坡體系的影響，并分析了上擋下托式抗滑樁對隧道-滑坡體系變形控制的作用機理，我們可以得到以下有益認(rèn)識。

①在滑坡段開挖隧道，采用上擋下托式抗滑樁為支擋結(jié)構(gòu)對隧道-滑坡體系進行預(yù)加固，對控制隧道變形有著顯著的效果。從側(cè)面反映出上擋下托式抗滑樁兼有分散上部滑體滑坡推力和阻止下部滑體滑動的作用。

②從前排樁與隧道的樁-隧間距變化對隧道-滑坡體系的變形影響，可以看出合理的樁-隧間距有益于隧道結(jié)構(gòu)的安全。

③從本次數(shù)值模擬分析中可以看出，在隧道-滑坡體系下，抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)可以改善隧道結(jié)構(gòu)的受力。

參考文獻：

[1]吳紅剛，楊濤，馬惠民，等.隧道-滑坡體系的預(yù)加固機制及模型試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33（S2）：3531-3538.

[2]吳紅剛.隧道-滑坡體系的變形機理及控制技術(shù)研究[D].中國鐵道科學(xué)研究院，2012.

[3]杜升濤.抗滑樁在隧道-滑坡正交體系下的加固技術(shù)研究[D].中國鐵道科學(xué)研究院，2014.

[4]吳紅剛，吳道勇，馬惠民，等.隧道-滑坡體系類型和隧道變形模式研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012（S2）：3632-3642.

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[6]王恭先，王應(yīng)先，馬惠民.滑坡防治100例[M].人民交通出版社，2008.

[7]潘裕德.趙家塘滑坡的研究與整治[C]//中國典型滑坡，1986.