滑坡隧道新型綜合加固結(jié)構(gòu)理論研究

尹　靜，鄧榮貴，傅曉英，孫春平

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院巖土工程系，成都　610031； 2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

成都　610065； 3.中建地下空間有限公司， 成都　610081)

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滑坡隧道新型綜合加固結(jié)構(gòu)理論研究

尹靜1，2，鄧榮貴1，2，傅曉英2，孫春平3

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院巖土工程系，成都610031； 2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

成都610065； 3.中建地下空間有限公司， 成都610081)

摘要：當(dāng)滑坡體厚度較大，隧道在滑面附近時(shí)，為了解決治理費(fèi)用較高，施工難度大，工期較長的問題，提出一種滑坡隧道新型綜合加固結(jié)構(gòu)。治理理念是用錨索、抗滑樁和隧道襯砌加固結(jié)構(gòu)，只對隧道及其與隧道穩(wěn)定直接相關(guān)的洞周滑坡巖土體進(jìn)行加固，針對該綜合加固結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)建立物理力學(xué)模型，并對其內(nèi)力進(jìn)行理論分析，推導(dǎo)出加固結(jié)構(gòu)體系中各單元結(jié)構(gòu)軸力、剪力和彎矩的理論計(jì)算式；算例分析結(jié)果表明，錨索的作用使隧道邊墻不利受力狀態(tài)有所改善，據(jù)此可以通過調(diào)節(jié)錨索或隧道襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)，使隧道加固襯砌、抗滑樁和錨固體各單元結(jié)構(gòu)的受力達(dá)到均衡的合理狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：滑坡隧道；抗滑樁；錨索；綜合加固結(jié)構(gòu)

山區(qū)復(fù)雜的地形和地質(zhì)條件，公路或鐵路線路往往不可避免地穿過滑坡或變形體等不良地質(zhì)地段，或既有鐵路或公路等隧道所在的斜坡體因環(huán)境條件變化或時(shí)效變形而形成滑坡，這樣就構(gòu)成所謂的“滑坡隧道”。滑坡隧道存在著程度不同的病害，如隧道整體隨滑坡滑移，襯砌嚴(yán)重變形、開裂、剝落、掉塊乃至隧道發(fā)生坍塌等，影響甚至中斷線路正常運(yùn)行。如成昆線東榮河長652.36 m的1號隧道，位于蠕變形滑坡體內(nèi)，開通運(yùn)營后不久隧道就出現(xiàn)變形現(xiàn)象，至1991年7月～9月隧道變形加劇，左右邊墻上出現(xiàn)最大寬度近30 mm，長度不等的30余條鋸齒狀裂縫構(gòu)成的裂縫帶，延伸長度達(dá)150 m，帶內(nèi)隧道襯砌結(jié)構(gòu)局部破裂塌落，隧道整體位移達(dá)1.5 m。雖經(jīng)多次整治加固和局部改線仍未徹底根治病害，列車長期限速通過，造成了較大的社會影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

滑坡隧道的研究首先是從隧道病害的處治開始的，20世紀(jì)70年代以前還沒有滑坡隧道的概念，隨著寶成鐵路、成昆鐵路和襄渝建成運(yùn)營，隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形、開裂等病害現(xiàn)象逐漸增多，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多病害現(xiàn)象與斜坡體變形和滑動即滑坡有關(guān)。文獻(xiàn)[2-3]就坡體病害地段隧道變形特征進(jìn)行了論述；文獻(xiàn)[4-6]就滑坡區(qū)線路設(shè)計(jì)原則、隧道出口滑坡治理和巖體特性與隧道結(jié)構(gòu)作用的有關(guān)理論做了闡述，提出了滑坡隧道的治理初步原則；文獻(xiàn)[7-12]就具體的滑坡隧道病害治理技術(shù)進(jìn)行了探討，提出滑坡治理和隧道加固獨(dú)立實(shí)施的原則，根據(jù)相關(guān)問題的初步調(diào)查而提出的上述治理經(jīng)驗(yàn)，成功地根治了厚度較薄滑坡區(qū)的隧道病害，但沒有就其形成原因，滑坡、圍巖與隧道結(jié)構(gòu)間的相互作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，效果不甚理想，有的經(jīng)過多次治理仍未徹底根治。鑒于此，文獻(xiàn)[13-17]才從滑坡形成原因，滑移中的滑坡體及隧道圍巖與隧道結(jié)構(gòu)相互作用力機(jī)理等方面進(jìn)行研究，形成了滑坡治理與隧道結(jié)構(gòu)加固分別實(shí)施的初步設(shè)計(jì)計(jì)算理論。

但是，對于滑坡隧道研究和處治技術(shù)尚存在以下主要問題。(1)目前對滑坡隧道的處理常常采用將滑坡治理和隧道加固分別進(jìn)行的措施，即先對滑坡治理后，再對隧道的病害進(jìn)行處理。采用這種傳統(tǒng)的治理方式，多數(shù)處治工程取得了成功，積累了一些資料和經(jīng)驗(yàn)，但處治的滑坡隧道仍然存在或多或少襯砌開裂、剝落或滲漏水等病害問題。(2)滑坡隧道處治設(shè)計(jì)還停留在經(jīng)驗(yàn)階段，沒有合理或可靠的理論支撐，對于滑坡變形對隧道結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理研究不系統(tǒng)，致使進(jìn)行過多次處治的滑坡隧道仍未根本解決病害問題。(3)當(dāng)滑坡體厚度較大，隧道在滑面附近時(shí)，從工程經(jīng)濟(jì)性上考慮采用現(xiàn)有的“分治”方法，不僅費(fèi)用較高，施工難度大，并且工期較長。因此，針對位于深厚滑坡體滑面上部附近的隧道加固問題，提出了只對與隧道穩(wěn)定有關(guān)的周圍及其下部滑坡巖土體進(jìn)行抗滑錨固處治，充分利用滑坡下段滑面平緩的阻滑力作用，借鑒河流中停泊的船舶，任其河水川流不息，船體錨固于河床上巋然不動的理念，在隧道底部進(jìn)行適當(dāng)支撐，使隧道二襯結(jié)構(gòu)、支撐樁與錨固結(jié)構(gòu)形成一種新型的船錨式滑坡隧道綜合處治加固結(jié)構(gòu)體系。并就其內(nèi)力計(jì)算理論公式進(jìn)行推導(dǎo)，建立其設(shè)計(jì)計(jì)算理論，通過具體的工程實(shí)例得出隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力分布規(guī)律，為滑坡隧道處治技術(shù)提供理論依據(jù)。

1滑坡隧道分類及滑體內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)變形特征

1.1滑坡隧道的分類

對處于滑坡體中的隧道進(jìn)行合理的受力分析是治理滑坡隧道的基礎(chǔ)。隧道與滑坡的相互位置關(guān)系不同，表現(xiàn)的變形破壞特征就不同，其受力也不同。因此有必要對滑坡與隧道的相互位置關(guān)系進(jìn)行分類，針對各種類型的變形受力特征進(jìn)行分析。具體進(jìn)行分類如下：(1)根據(jù)滑坡滑動方向與隧道軸線方向的夾角分為：滑坡滑動方向與隧道軸線平行、垂直正交、斜交；(2)根據(jù)隧道與滑面的不同位置分為：位于滑面上部、與滑面相交、位于滑面下部；(3)根據(jù)隧道所處的滑體中滑面的數(shù)目分為：位于單一滑面的滑坡體中的隧道和位于多級滑面的滑坡體中的隧道。

1.2滑體內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)變形特征

滑坡引起隧道變形開裂的特征主要表現(xiàn)在兩方面，一是隧道本身在滑坡體蠕動擠壓作用下出現(xiàn)的變形開裂；二是隧道隨滑坡體滑動和滑坡推力作用出現(xiàn)的整體外移，縱向彎曲，傾覆等[3]。

隧道位于滑體內(nèi)時(shí)，隧道在縱向承受滑坡推力F、土體抗力P及滑坡未形成時(shí)的地壓q，受力情況如圖1所示。此時(shí)隧道受力類似簡支梁，兩端受較大的剪力，中部將承受較大的彎矩。在這種受力條件下，隧道兩端易于出現(xiàn)環(huán)向裂縫，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)橫向錯(cuò)斷，中部在滑坡推力作用及滑坡滑移影響下發(fā)生縱向彎曲，山側(cè)邊墻出現(xiàn)橫向張裂縫[3]。

圖1　位于滑體內(nèi)時(shí)隧道的受力分析

認(rèn)清滑坡隧道的受力破壞特征可以為滑坡隧道的加固提供指導(dǎo)意義，下面建立滑坡隧道處治綜合加固結(jié)構(gòu)體系力學(xué)模型。

2新型加固結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及理論分析

2.1新型加固結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

該新型加固結(jié)構(gòu)體系包括錨固結(jié)構(gòu)、隧道二襯結(jié)構(gòu)及抗滑支頂樁3部分。其加固原理是通過錨索把隧道錨固于穩(wěn)定的基巖內(nèi)，同時(shí)加固隧道襯砌結(jié)構(gòu)，將隧道襯砌作為錨索的反力裝置；隧道底部設(shè)置抗滑樁，同時(shí)具有抗滑及支撐作用，隧道山側(cè)滑坡推力主要由襯砌轉(zhuǎn)移給錨索承擔(dān)，抗滑樁主要承擔(dān)隧道底部至滑面段的滑坡推力及由上部隧道傳下來的巖土壓力，錨索和抗滑樁共同作用以保持隧道水平及豎直方向的整體穩(wěn)定。

在該種加固結(jié)構(gòu)體系里隧道不僅作為交通設(shè)施，也作為抗滑結(jié)構(gòu)的一部分。該新型加固結(jié)構(gòu)目的在于保持只對與隧道穩(wěn)定直接相關(guān)的洞周滑坡體的穩(wěn)定，并改變隧道的不利受力狀態(tài)，使隧道襯砌受力合理。另外，超靜定結(jié)構(gòu)比靜定結(jié)構(gòu)具有更大承載力，更好的穩(wěn)定性，更小的變形，超靜定級次越高其效果越好。綜合加固結(jié)構(gòu)將滑床作為樁(墩)和錨索穩(wěn)定的支撐點(diǎn)，是一種高級次超靜定結(jié)構(gòu)。取加固結(jié)構(gòu)某一截面，其力學(xué)模型如圖2所示。為便于分析，特做如下簡化。

(1)滑坡推力自地面按三角形分布，隧道靠滑動側(cè)邊墻承受滑坡推力為邊墻豎向相應(yīng)高度段的推力，呈梯形分布。隧道只承受上部土壓力、靠滑動側(cè)的滑坡推力，不考慮隧道外側(cè)滑體的抗力作用及隧道頂部和底部與滑體的摩擦力。

(2)沿隧道縱向每排錨索承受相鄰兩排錨索之間的滑坡推力。錨索簡化為彈簧，假設(shè)沿隧道縱向兩排錨索的水平間距為S，那么單位長度隧道彈簧作用的等效剛度系數(shù)K=Kh/S(Kh為錨索的水平剛度系數(shù))。

圖2　新型加固結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

(3)抗滑樁與隧道邊墻固結(jié)。由于隧道寬度相比滑面長度小得多，可認(rèn)為兩排樁處滑面為一水平面，即兩排抗滑樁在滑體內(nèi)的長度相等。同時(shí)假設(shè)兩排樁的豎向位移相等，即VA=VB=V0，由于本文分析的加固結(jié)構(gòu)靠近滑面附近，在滑面上的樁身較短，忽略其對加固結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，因而在計(jì)算中豎向位移V0不予考慮。 后排樁主要作用是保持隧道豎向穩(wěn)定，水平向主要承擔(dān)兩排樁之間的滑坡推力。

2.2隧道襯砌內(nèi)力計(jì)算理論分析

將整個(gè)加固結(jié)構(gòu)(包括隧道襯砌、錨固結(jié)構(gòu)、抗滑支頂樁)看作一整體，在滑坡推力、圍巖壓力及地壓的共同作用情況下，加固結(jié)構(gòu)的位移如圖3所示。其中xA，φA，xAo，φAo分別為左邊樁樁頂A點(diǎn)及錨固段頂端(滑面處)A0點(diǎn)的水平位移和轉(zhuǎn)角；xB，φB，xBo，φBo分別為右邊樁樁頂B點(diǎn)及錨固段頂端(滑面處)B0點(diǎn)的水平位移和轉(zhuǎn)角。

圖3　新型加固結(jié)構(gòu)位移示意

該加固結(jié)構(gòu)為n次超靜定，采用力法計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，去掉右端B處約束支座以其內(nèi)力(彎矩X1、剪力X2、軸力X3)為未知力和去掉彈簧支座以其反力X4…Xi…Xn為未知力，基本體系如圖4所示。

圖4　基本體系示意

根據(jù)多余約束處的位移協(xié)調(diào)條件，可具體解算多余未知力。加固結(jié)構(gòu)體系隧道縱向取單位長度計(jì)算，可列出下面柔度方程

(1)

抗滑樁滑面以上所受荷載為梯形分布，采用懸臂樁法計(jì)算樁的位移xA，φA，xB，φB；滑面以下所受荷載為矩形分布，下面推導(dǎo)假定樁底為固定端，采用K法計(jì)算滑面處樁的位移xAo，φAo，xBo，φBo。

首先分析右邊抗滑支頂樁，其滑面上部樁身的受力分析模型如圖5所示。

圖5　右邊樁滑面上部樁身的受力分析模型

設(shè)樁的寬度為b，由B0處的平衡可得出

(2)

由K法計(jì)算滑面處樁的位移xBo，φBo為

(3)

則可計(jì)算得出抗滑樁樁頂?shù)乃轿灰坪娃D(zhuǎn)角xB、φB為

(4)

將式(2)式(3)代入式(4)，可得由多余未知力X1，X2表示的抗滑樁樁頂位移xB和轉(zhuǎn)角φB。

下面分析左邊抗滑支頂樁，左邊抗滑支頂樁滑面上部樁身的受力分析模型見圖6。

圖6　左邊樁滑面上部樁身的受力分析模型

設(shè)抗滑支頂樁的樁間距為L，隧道高度為H，圖4中由A處的力學(xué)平衡可得出

(5)

由A0處的平衡可得出

(6)

由K法計(jì)算滑面處樁的位移xAo，φAo為

(7)

則可計(jì)算得出抗滑樁樁頂?shù)乃轿灰坪娃D(zhuǎn)角xA、φA為

(8)

將式(5)、式(6)、式(7)代入式(8)，可得由多余未知力X1，X2，Xj表示的抗滑樁樁頂位移xA和轉(zhuǎn)角φA，繼而可求得由于A支座移動所引起的沿Xi方向的位移ΔiΔ。

最后將用多余未知力表示的xB，φB，ΔiΔ代入式(1)，n個(gè)方程求解n個(gè)未知數(shù)，便可解算出多余未知力X1…Xi…Xn。由多余未知力可求出加固結(jié)構(gòu)的支座反力，隨后便可得到結(jié)構(gòu)任一截面的內(nèi)力。

以上分析了樁底為固定端的新型加固結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法，對于樁底為自由端或鉸支端的情況，只需改變式(3)、式(7)中相應(yīng)系數(shù)，采用相同的原理即可求得解答。

3算例分析

3.1工程概況及計(jì)算模型與參數(shù)(圖7)

某滑坡滑體厚度為5～35 m，滑動面以上為硬塑性砂黏土，內(nèi)摩擦角φ=35°，黏聚力c=3 kN/m2；滑動面以下為灰質(zhì)頁巖，地基系數(shù)K=3×105kN/m3。在隧道線路通過處滑面深度為21 m，隧道底面離滑面的距離只有4 m，采用本文的新型加固結(jié)構(gòu)加固隧道。假設(shè)滑坡垂直方向分力按三角形分布。

圖7　滑坡地質(zhì)剖面(單位：m)

3.2加固結(jié)構(gòu)

沿隧道縱向錨索的設(shè)置間距為S=3 m，沿隧道邊墻高度方向間距為1 m。第一排錨索設(shè)置在距邊墻底部2 m高度處。單位米隧道錨索作用的等效剛度系數(shù)為100 MPa。

抗滑支頂樁樁長h=h1+h2=7m，其中受荷段4m，錨固段3m，樁的截面尺寸為2m×3m，樁間距L=6m，樁的抗彎剛度EI=117×106 kN·m2，樁錨固段的變形系數(shù)β=0.209 4；設(shè)左邊樁受到的滑坡推力強(qiáng)度為P2=441 kN/m2，ΔP2=105 kN/m2，右邊樁受到的滑坡推力強(qiáng)度為P3=60 kN/m2，ΔP3=15 kN/m2。樁底邊界條件按固定端考慮。

3.3隧道襯砌內(nèi)力分布特征

采用本文的計(jì)算方法，通過編程計(jì)算，經(jīng)加固后的隧道襯砌內(nèi)力見圖8～圖10。

圖8　彎矩分布(單位：kN·m)

左邊墻由內(nèi)側(cè)受拉逐漸變?yōu)橥鈧?cè)受拉，最大彎矩位于距墻底2 m處，為377.5 kN·m；左側(cè)拱頂主要是內(nèi)側(cè)受拉，彎矩逐漸增大，到中點(diǎn)處彎矩逐漸變小，變?yōu)橥鈧?cè)受拉，彎矩逐漸增加至667.5 kN·m。右邊墻外側(cè)受拉，彎矩沿邊墻高度逐漸減小為59.3 kN·m。

圖9　剪力分布(單位：kN)

在沒有錨索作用下最大剪應(yīng)力位于靠近第一排錨索處為430 kN，加上錨索后變?yōu)?9.8 kN，改變了隧道邊墻不利的受剪狀態(tài)。拱部剪力由負(fù)變?yōu)檎?，與隧道邊墻連接處剪力值較大；由于沒有考慮隧道邊墻的水平抗力作用，右邊墻的剪力為一恒值145.3 kN。

圖10　軸力分布(單位：kN)

隧道兩邊墻的軸力均為恒值，左邊墻為400.5 kN，右邊墻為699.5 kN；拱部軸力為壓應(yīng)力，左拱軸力由311.7 kN減至145 kN，右拱軸力由145 kN增至714.4 kN。

4結(jié)論

(1)本文的新型加固結(jié)構(gòu)改變了以往將隧道加固和滑坡治理分開進(jìn)行的理念，只對以隧道為中心的周圍巖體進(jìn)行加固，利用錨索和抗滑支頂裝約束隧道水平和豎向的位移。

(2)推導(dǎo)了新型加固結(jié)構(gòu)中隧道襯砌的內(nèi)力計(jì)算公式，經(jīng)過具體的算例分析可知，由于錨索和抗滑支頂樁的加固作用，改變隧道襯砌的不利受力狀態(tài)，靠滑坡

側(cè)邊墻由內(nèi)側(cè)受拉變?yōu)橥鈧?cè)受拉，據(jù)此在設(shè)計(jì)中可以調(diào)節(jié)錨索或隧道襯砌的參數(shù)，使襯砌所受的彎矩達(dá)到最??；靠滑坡側(cè)邊墻所受剪力也大為減小，分布也變得更加合理。所得出的襯砌內(nèi)力分布規(guī)律，可為今后此類加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

(3)由于滑坡與隧道結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性，本文的新型加固結(jié)構(gòu)模型是基于一些簡化假設(shè)基礎(chǔ)上建立的，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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Theoretical Study on New Type Comprehensive Reinforcement Structure of Landslide Tunnel

YIN Jing1，2， DENG Rong-gui1，2， FU Xiao-ying2， SUN Chun-ping3

(1.Dept. of Geotechnical Eng.， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031, China;2.State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng.， Sichuan University， Chengdu 610065, China;3.China Construction Underground Space Co.， Ltd.， Chengdu 610081, China)

Abstract：In order to solve the problems of high cost， challenging difficulties and long period to treat the tunnel with thick sliding body near the sliding face， a new type comprehensive reinforcement structure is put forward. The key concept is to reinforce only the tunnel and the sliding bodies related directly to the stability of the tunnel with anchor cable， anti-slide pile and tunnel lining reinforcement structures. According to the characteristics of the integrated reinforcement system， a physical mechanics model is established， the internal forces are analyzed， and the axial force， shear force and bending moment theoretical calculation formulas of each unit structure of the reinforcement strengthening structure are deducted. The calculation analysis results show that as a result of the action of anchor cable， the adverse stress of tunnel wall is improved， and the stresses of each unit structure of tunnel lining， anti-slide pile and anchor structure are balanced rationally by adjusting the parameters of the anchor cable or tunnel lining structure.

Key words：Landslide tunnel; Anti-slide pile; Anchor; Comprehensive reinforcement structure

中圖分類號：U457+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.021

文章編號：1004-2954(2015)04-0084-05

作者簡介：尹靜(1982—)，女，博士研究生，E-mail：yinjingswjtu@qq.com。

基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20120184110023)，四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(1208)

收稿日期：2014-06-20； 修回日期：2014-07-10