滑坡治理工程的下托式抗滑樁-隧道組合體系

牌立芳，趙 金，吳紅剛，李玉瑞

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070;3.中國中鐵滑坡工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；4.西部環(huán)境巖土及場地修復(fù)技術(shù)工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著高速鐵路運(yùn)行的要求，在修建高速鐵路時要完全回避滑坡地段是不可能的，在經(jīng)過綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后路線不宜變更時，線路多以隧道形式通過滑坡地段[1]。

近年來國內(nèi)外對滑坡的發(fā)生、發(fā)展及其變形防治方面取得了豐碩的成果。WHITTALL J R[2-3]等以概率框架為基礎(chǔ)，描述了滑坡發(fā)生的可能性以及由此產(chǎn)生滑坡的可能性；FUJISAWA K[4]在Otomura(奈良縣，日本)附近的國道168的擋土墻上出現(xiàn)了諸如裂縫和沉降等邊坡不穩(wěn)定跡象闡述了滑坡激活的影響以及為評估滑坡災(zāi)害和預(yù)測失效時間；趙杰[5-6]通過對福建省永武高速公路永安段箭豐尾超大型滑坡治理措施及施工后效果評價的研究，分析了箭豐尾超大型滑坡發(fā)生的機(jī)理，得出了坡體遇持續(xù)的強(qiáng)降雨的變形特點，并制定了綜合治理方案；李星[7]依托馬家坡滑坡提出了一種適用于“V”字形溝谷地帶中小型滑坡治理的新型抗滑體系一抗滑樁-拱形系板-擋止墻組合結(jié)構(gòu)，即抗滑樁、擋土墻通過拱形系板連接而成的聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對該結(jié)構(gòu)體系受力機(jī)理、受力特點、內(nèi)為計算方法進(jìn)行了研究；朱燦群[8]以重慶市黃蓮樹滑坡工程為依托，采用理論分析和數(shù)值模擬等方法對不同工況下滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了較為深入的研究。

然而此類研究主要集中在滑坡變形機(jī)理的復(fù)雜性和防治技術(shù)研究[9-11]，但是對于隧道穿過滑坡地段修建時，其防治加固顯然不是單純的隧道或滑坡，而應(yīng)該將二者結(jié)合起來綜合考慮。但將隧道-滑坡病害結(jié)合起來綜合分析治理的研究工作卻做的不夠。羅海翔等[12-13]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(jī)理；吳紅剛[14-15]以武罐高速公路陽坡里隧道為原型，建立地質(zhì)力學(xué)模型研究工程預(yù)加固及其作用機(jī)制，試驗研究隧道-滑坡體系在有預(yù)加固工程和沒有預(yù)加固工程條件下正向、反向開挖時的滑坡位移、穩(wěn)定性變化規(guī)律。本文以襄渝線某隧道工程為依托(圖1)，一方面利用FLAC3D軟件建模計算分析下托式抗滑樁支檔結(jié)構(gòu)的加固效果；另一方面通過有無支擋結(jié)構(gòu)下隧道開挖工況監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步研究下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)對隧道-滑坡變形及穩(wěn)定性的影響。綜合數(shù)值分析及數(shù)據(jù)監(jiān)測，說明下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)主要對隧道以下滑體的變形起著一定的控制作用，具有重要的工程實踐意義。

圖1 滑坡區(qū)隧道-抗滑樁平面位置圖Fig.1 Plan of the tunnel-anti-slidiy piles

1 計算模型建立

1.1 材料參數(shù)

根據(jù)《襄渝線旗桿溝隧道病害(趙家塘滑坡)工程地質(zhì)勘察報告》以及《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范TB10003-2016》可知天然狀態(tài)下的滑體、滑帶、滑床基巖、隧道襯砌和抗滑樁材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)取值

抗滑樁在樁隧間距為15 m時這里定義為抗滑樁A。

1.2 有無支檔結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型

網(wǎng)格劃分模型見圖2、圖3所示，隧道在深層滑動帶上，綠色部分為滑體，紅色部分滑帶選用的是接觸面單元，藍(lán)色部分是基巖。

圖2 無支擋結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing model of the model without retaining structures

圖3 抗滑樁加固模型網(wǎng)格劃分(距隧道15 m)Fig.3 Meshing diagram of the model with the reinforcement of the anti-slide piles (15 m away from the tunnel)

2 數(shù)值結(jié)果分析

在隧道開挖后，通過襯砌支護(hù)下隧道的應(yīng)力和變形云圖、以及坡體沉降來分析有無支擋結(jié)構(gòu)對滑坡隧道的影響，通過抽取坡體表面、滑帶以及襯砌上的特殊點的最終變化來驗證下托式抗滑樁結(jié)構(gòu)對隧道-滑坡的加固效果。

2.1 無支擋結(jié)構(gòu)下隧道的應(yīng)力及變形云圖

在無支擋結(jié)構(gòu)下(圖4)，隧道開挖后襯砌仰拱結(jié)構(gòu)不但受剪力作用而且還承受拉力的作用，在這種剪、拉外力綜合作用下，襯砌仰拱容易產(chǎn)生開裂。并且在隧道與滑面相交處，隧道直墻先受剪后受拉，易發(fā)生挫動和開裂。

圖4 無支擋結(jié)構(gòu)條件下隧道的位移及應(yīng)力應(yīng)變云圖Fig.4 Displacement and stress-strain diagram of the tunnel without unsupported structures

2.2 有支擋結(jié)構(gòu)下隧道的應(yīng)力及變形云圖

在下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)下(圖5)，隧道開挖后襯砌仰拱以及隧道與滑面相交處直墻都只承受剪力作用，受力狀態(tài)較為單一。相比無支擋結(jié)構(gòu)下的隧道，隧道的變形和內(nèi)力均有大幅減小。無支擋結(jié)構(gòu)下，隧道最大變形為2.349×10-2m；在下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)下，隧道最大變形為1.704×10-2m。

圖5 抗滑樁加固條件下隧道的位移及應(yīng)力應(yīng)變圖Fig.5 Displacement and stress-strain diagram of the tunnel with the reinforcement of the anti-slide piles

通過對比分析可以看出，在下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)加固作用下，隧道開挖后襯砌變形明顯減小，且改善了隧道襯砌的受力狀態(tài)，尤其對襯砌仰拱處的受力模式改變顯著，減小仰拱的變形破壞。

3 有無支擋結(jié)構(gòu)下隧道開挖后坡體的變形

為更好的分析下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)的加固效果，在開挖工況下，我們通過抽取坡體表面、滑帶以及襯砌上的特殊點的最終變化對比分析無支擋結(jié)構(gòu)下同種工況下隧道受力及滑坡的變形來驗證下托式抗滑樁結(jié)構(gòu)對隧道-滑坡的加固效果，圖6為坡體地表、滑帶及隧道監(jiān)測點布置簡圖。

圖6 坡體地表、滑帶及隧道監(jiān)測點布置簡圖Fig.6 Schematic distribution map of the monitoring points of the slope surface、slide belt and tunnel

3.1 坡體地表變形

在無支擋結(jié)構(gòu)下，隧道開挖后坡體頂部滑體的變形最小，隧道周圍坡體的變形較大，且局部存在一定的擠壓變形，如9號點出現(xiàn)地表隆起，11號出現(xiàn)沉降變形。通過表2數(shù)據(jù)分析可以得出，在無支擋結(jié)構(gòu)下，隧道開挖后，滑體主要發(fā)生滑移和沉降變形，但變形隨其位置的不同呈現(xiàn)不均勻變化。

在下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)下，開挖隧道后坡體頂部滑體的變形最?。磺覍λ淼郎喜客馏w的擠壓受力變形有著一定程度的改善。相比在無支擋結(jié)構(gòu)下隧道開挖結(jié)束后，其沉降變形要小，尤其是對隧道上部土體的變形影響明顯。通過對比發(fā)現(xiàn)，下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)對隧道以下滑體的滑移和沉降有著一定的限制作用，并對隧道與滑面相交處的土體受力狀態(tài)有一定的改善。

3.2 滑帶變形

無支擋結(jié)構(gòu)下隧道開挖結(jié)束后，在隧道與滑面相交處山側(cè)滑帶土的變形較大，且在一定范圍內(nèi)離隧道越遠(yuǎn)，滑帶土的變形就越小。在無支擋結(jié)構(gòu)下隧道與滑面相交處滑帶土體易產(chǎn)生擠壓變形，如2號點發(fā)生擠壓膨脹變形、1號點發(fā)生沉降變形。

在下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)下，隧道開挖后山側(cè)滑帶土的變形較大，且在一定范圍內(nèi)離隧道越遠(yuǎn)，滑帶土的變形就越??；在隧道與滑面相交處滑帶土體的變形變化明顯。通過對比發(fā)現(xiàn)，下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)對隧道以下滑帶的滑移和沉降有著一定的限制作用，并對隧道與滑面相交處的土體受力狀態(tài)有一定的改善。

3.3 有無支擋結(jié)構(gòu)下隧道的應(yīng)力及變形

在無支擋結(jié)構(gòu)下，隧道開挖結(jié)束后仰拱的沉降呈中間較大兩邊相對較小的不均勻分布規(guī)律，表明其底部巖土抗力呈曲線分布。在隧道與滑面相交處直墻山側(cè)的水平位移最大為9.78×10-3m，說明該點的滑坡推力最大，隧道容易在該點發(fā)生剪切破壞；且該點的沉降也很大為6.10×10-3m，說明從拱頂上部傳遞的力相對較大，間接說明拱頂上部的圍巖壓力分布不均勻；從表中亦可以得出，直墻河側(cè)的壓力分布也不均勻。隧道拱頂靠近山側(cè)沉降變形最大為8.40×10-3m，靠近河側(cè)相對較小為-1.70×10-3m,表明其圍巖壓力分布不均勻，山側(cè)較大、河側(cè)較小。

通過表2、表3、表4中數(shù)據(jù)對比分析可以看出，抗滑樁結(jié)構(gòu)對隧道襯砌的變形有較好的控制效果，表明在下托式抗滑樁支檔結(jié)構(gòu)加固作用下，隧道襯砌的受力狀態(tài)有一定程度的改善，尤其對隧道與滑面處變形控制有著較好的效果，在一定程度上可避免隧道發(fā)生剪切變形破壞。

表2 坡體表面監(jiān)測點的變形值

表3 滑帶處監(jiān)測點的變形值

表4 襯砌監(jiān)測點變形值

3.4 樁-隧間距對隧道開挖后坡體的變形影響分析

為研究樁-隧間距對隧道-滑坡體系的影響，以隧道滑坡正交體系為例，通過抽取坡體表面、滑帶以及襯砌上的特殊點的變化，分析樁-隧間距對隧道-滑坡的影響。

3.4.1樁-隧間距對滑坡地表的影響分析

在隧道開挖襯砌支護(hù)結(jié)束后(圖7)，當(dāng)樁與隧道的距離在0～40 m范圍內(nèi)時，樁-隧間距的變化對坡頂與坡腳位置的土體沉降和滑移在小范圍內(nèi)有影響，沉降量和滑移值變化較?。坏珮?隧間距的變化對隧道周圍上部土體的沉降和滑移影響較大，即隨著樁-隧間距的增大，滑體地表沉降值不斷增大。這表明下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)主要限制隧道以下滑體的滑移與沉降。

圖7 樁-隧間距對滑坡地表變形影響Fig.7 The influence of the distance between pile and tunnel on the deformation of the landslide surface

3.4.2樁-隧間距對滑帶的影響分析

在隧道開挖襯砌支護(hù)結(jié)束后(圖8)，當(dāng)樁與隧道的距離在0～40 m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-隧間距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。

圖8 樁-隧間距對滑帶變形影響Fig.8 The influence of the distance between pile and tunnel on the deformation of the sliding belt

3.5 樁-隧間距對隧道開挖后襯砌的變形影響分析

3.5.1樁-隧間距對仰拱的變形影響

在隧道開挖襯砌支護(hù)結(jié)束后(圖9)，從樁-隧間距對仰拱的影響曲線可以得出：當(dāng)樁與隧道的距離在0～25 m范圍內(nèi)時，由于樁-隧間距不斷增大，仰拱的變形不斷增加；當(dāng)樁與隧道的距離在25～40 m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。

圖9 樁-隧間距對隧道仰拱的變形影響Fig.9 The influence of the distance between pile and tunnel on the deformation of the tunnel invert

3.5.2樁-隧間距對拱頂?shù)淖冃斡绊?/p>

在隧道開挖襯砌支護(hù)結(jié)束后(圖10)，從樁-隧間距對拱頂影響曲線可以得出：當(dāng)樁與隧道的距離在0～25 m范圍內(nèi)時，樁-隧間距不斷增大則拱頂豎向位移不斷增加，但拱頂?shù)乃轿灰撇粩鄿p?。划?dāng)樁與隧道的距離在25～40 m范圍內(nèi)時，樁-隧間距不斷增大則仰拱的豎向位移呈減小趨勢，但水平位移呈增加趨勢。

圖10 樁-隧間距對隧道拱頂?shù)淖冃斡绊慒ig.10 The influence of the distance between pile and tunnel on the deformation of the tunnel dome

3.5.3樁-隧間距對直墻的變形影響

在隧道開挖襯砌支護(hù)結(jié)束后(圖11、圖12)，從樁-隧間距對隧道直墻山側(cè)、河側(cè)的影響曲線可以得出：當(dāng)樁與隧道的距離在0～25 m范圍內(nèi)時，樁-隧間距不斷增大，直墻山側(cè)的豎向位移和水平位移不斷增加；當(dāng)樁與隧道的距離在25～40 m范圍內(nèi)時，樁-隧間距不斷增大，直墻山側(cè)的變形呈減小趨勢。直墻河側(cè)的變形相對于山側(cè)較小，但樁-隧間距對其變形影響趨勢基本相同。

圖11 樁-隧間距對隧道直墻山側(cè)的變形影響Fig.11 The influence of the distance between pile and tunnel on the deformation of the side of the tunnel straight wall

圖12 樁-隧間距對隧道直墻河側(cè)的變形影響Fig.12 The influence of the distance between pile and tunnel on the deformation of the tunnel side wall

4 結(jié)論

本文一方面通過利用FLAC3D軟件建模計算分析下托式抗滑樁支檔結(jié)構(gòu)的加固效果；另一方面通過有無支擋結(jié)構(gòu)下隧道開挖工況監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得出如下結(jié)論。

(1)下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)加固作用下，隧道開挖后襯砌變形明顯減小，且改善了隧道襯砌的受力狀態(tài)，尤其對襯砌仰拱處的受力模式改變顯著，減小仰拱的變形破壞。

(2)下托式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)對隧道以下滑體的滑移和沉降有一定的限制作用，并對隧道與滑面相交處的土體受力狀態(tài)有一定的改善。

(3)下托式抗滑樁加固作用下，隧道襯砌的受力狀態(tài)有一定改善，尤其對隧道與滑面處變形控制有較好的效果，在一定程度上可避免隧道發(fā)生剪切變形破壞。

(4)樁-隧間距對隧道襯砌、滑體地表沉降以及滑帶的變形都有著不同程度的影響，但與其位置有很大關(guān)系。