抗滑樁在淺埋偏壓公路隧道中的應(yīng)用研究

汪祥國

(中鐵十一局集團第二工程有限公司 湖北十堰 442000)

1 引言

為克服地形高程和改善線路線形，在山嶺地區(qū)修建高速公路或者鐵路中，隧道工程往往成為橋隧比選的最佳方案[1－3]。然而，由于山嶺地區(qū)的地形和地質(zhì)條件十分復(fù)雜，特別是我國西南地區(qū)，受板塊擠壓和構(gòu)造運動的影響，山形起伏陡峭、起伏劇烈，高原坡地和深切峽谷地形不可避免地使隧道進出洞時產(chǎn)生淺埋偏壓工況[4]。由于隧道兩側(cè)邊墻的埋深大小不一，兩側(cè)土壓力不平衡不利于隧道的整體受力和變形，進而影響隧道的服役能力和使用壽命[5]。

淺埋偏壓隧道的受力和變形機理十分復(fù)雜[6－7]，目前，國內(nèi)大多數(shù)學(xué)者例如唐純勇[8]、戴文革[9]、謝小魚[10]、徐偉[11]等人，其研究方向都集中于坡體的傾角、隧道的埋深以及圍巖的等級對隧道圍巖及隧洞支護體系的應(yīng)力及變形影響[12]。然而，對淺埋偏壓隧道的處置方面研究卻較少報道[13]。

依托萍鄉(xiāng)至蓮花高速公路A4標段白竺3號隧道工程為背景，采用有限元模擬方法建立二維淺埋偏壓抗滑樁加固數(shù)值模型，分析設(shè)置不同抗滑樁長度對淺埋偏壓隧道結(jié)構(gòu)受力變形特性和圍巖的穩(wěn)定性，研究不同距離的抗滑樁對淺埋偏壓隧道加固效果。研究成果可為山區(qū)淺埋偏壓隧道工程的加固方案設(shè)計提供參考和借鑒。

2 隧道工程概況

白竺3號隧道起點位于萍鄉(xiāng)湘東區(qū)白竺鄉(xiāng)大園里村附近，終點位于萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)白竺鄉(xiāng)江壩榨下村附近，為分離式隧道。隧道起訖樁號:左線為ZK26＋205～ZK27＋280，全長1 075 m；右線為YK26＋200～YK27＋295，全長1 095 m；左右線隧道進口位于緩和曲線上，隧道為單向坡，縱坡為2.469%。

隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低山地貌，屬羅霄山脈之北端余脈，山脈總體呈NE向，自然坡度15°～50°，植被茂密，山勢陡峻、溝谷深切，地形起伏大。隧道出口與山體斜角相交，存在偏壓現(xiàn)象，隧道斷面為馬蹄形隧道，寬×高為12 m×10 m，隧道埋深較小，拱肩到坡面距離約為6 m。出口洞身穿越地層為碎石黏土和全風(fēng)化泥質(zhì)板巖，圍巖級別為Ⅴ級。

3 抗滑樁加固數(shù)值模型建立

由于白竺3號隧道出口段為淺埋偏壓隧道，受力和變形對隧道結(jié)構(gòu)安全和長期運營產(chǎn)生不利影響，因此采取抗滑樁作為加固措施進行邊坡處置。為認識抗滑樁對淺埋偏壓隧道的加固效果，以及為抗滑樁加固設(shè)計提供參數(shù)，采用有限元模擬手段建立二維數(shù)值模型進行分析，如圖1所示。

圖1 抗滑樁加固淺埋偏壓隧道模型

地表邊坡角度為30°，隧道輪廓尺寸寬×高為12 m×10 m，由于隧道洞口部位埋深較小，模型計算時，拱肩到坡面距離取為6 m；為避免邊界效應(yīng)對計算結(jié)果產(chǎn)生誤差，隧道外輪廓到左右邊界和底部邊界距離均取60 m。左、右邊界在水平方向上設(shè)置其位移為零，而豎向位移不限定；模型底部邊界設(shè)定不發(fā)生任意方向位移和轉(zhuǎn)角；地表傾斜坡面邊界為自由邊界。

隧道圍巖強度準則服從摩爾庫倫強度準則，根據(jù)地質(zhì)勘察成果，其圍巖等級為V級，其余參數(shù)的選取如表1所示。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，以梁單元進行模擬，其模型參數(shù)的選取如表2所示。

表2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬參數(shù)指標

模擬時，考慮圍巖的自重為初始應(yīng)力，同時，由于設(shè)計時在隧道輪廓周圍3 m范圍內(nèi)設(shè)置了錨桿系統(tǒng)對圍巖進行加固，對這部分巖體的天然強度參數(shù)提高20%，以權(quán)重錨桿的加固作用。根據(jù)施工確定的工法，隧道采用分臺階留核心土的開挖方式，在上臺階開挖時，圍巖應(yīng)力釋放為30%，核心土開挖時釋放35%，下臺階開挖時釋放35%。

抗滑樁設(shè)置在淺埋段，其幾何尺寸及力學(xué)指標如表3所示。

表3 抗滑樁模擬參數(shù)指標

4 模擬結(jié)果分析

4.1 不同抗滑樁對襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

為研究抗滑長度對淺埋偏壓隧道的加固效果，設(shè)置不同的抗滑樁長度(地表起算)分別為18.0 m、20.0 m、22.0 m、25.0 m、26.0 m。在隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底位置處共布置8個監(jiān)測點，如圖2所示。

圖2 隧道襯砌監(jiān)測點布置

圖3為襯砌結(jié)構(gòu)的軸力隨抗滑樁樁長變化的分布圖。從圖3中可以看出，軸力的極大值(壓力)出現(xiàn)在淺埋側(cè)拱肩測點2位置和深埋側(cè)拱腰測點5位置(兩者連線與斜坡呈一定的斜角)；極小值(拉力)出現(xiàn)在淺埋側(cè)拱腳測點6位置和拱底測點8位置(兩者連線與斜坡呈一定的斜角)；襯砌結(jié)構(gòu)的軸力分布呈現(xiàn)對角測點相近的規(guī)律，表明抗滑樁的增加并不能改善襯砌結(jié)構(gòu)的偏壓現(xiàn)象；隨著樁長的增加，襯砌結(jié)構(gòu)同一測點位置處的軸力變化可以忽略不計。

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)軸力分布

圖4為不同樁長條件下襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖。從圖4中可以看出，襯砌結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律與軸力的分布規(guī)律相似，極大值(壓應(yīng)力)出現(xiàn)在淺埋側(cè)拱肩測點2位置、深埋側(cè)拱腰測點5位置；極小值(壓應(yīng)力)出現(xiàn)在淺埋側(cè)拱腳測點6位置和拱底測點8位置；襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)對角測點相近的規(guī)律；隨著樁長的增加，襯砌結(jié)構(gòu)同一測點位置處的應(yīng)力變化可以忽略不計。

表4為不同抗滑樁樁長條件下的襯砌內(nèi)力計算結(jié)果統(tǒng)計。從表4中可以看出，增設(shè)抗滑樁支護前后，襯砌結(jié)構(gòu)的軸力變化不大，最大軸力反而有所增加，且偏壓現(xiàn)象依然存在。但此時襯砌的最大壓應(yīng)力存在較為明顯的降低，從11.63 MPa降低到9.7 MPa左右，但隨著樁長增長，最大壓應(yīng)力則略有減小，這個降低幅度對改善襯砌結(jié)構(gòu)的偏壓現(xiàn)象來說意義不大。相應(yīng)地，襯砌安全系數(shù)(極限抗壓強度/最大壓應(yīng)力)也隨之略有提升。18.0 m抗滑樁加固時，安全系數(shù)為2.567，26.0 m樁長時為2.594，相差不大，均大于2.40。

圖4 襯砌結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力分布

表4 不同抗滑樁長度下的計算結(jié)果

4.2 不同抗滑樁對襯砌結(jié)構(gòu)變形的影響

圖5為不同抗滑長度條件下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的位移變化情況。在沒有增設(shè)抗滑樁時，隧道的拱頂沉降約為5 mm，最大位移為5.78 mm，位于右拱肩測點3附近。采用不同樁長的抗滑樁支護下，襯砌結(jié)構(gòu)的變形有所降低，拱頂沉降約在4.4 mm左右，最大位移仍在右拱肩處，約5 mm左右。隨樁長的增加，變形變化不大。

圖5 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的位移變化情況

4.3 圍巖安全系數(shù)

通過強度折減法計算得不同抗滑樁長度條件下圍巖的整體安全系數(shù)。在無抗滑樁支護時，安全系數(shù)為1.18；在樁長分別為18.0 m、20.0 m、22.0 m、24.0 m、26.0 m 時，安全系數(shù)分別為 1.29、1.31、1.34、1.34、1.33。在樁長為22 m時，安全系數(shù)較高，且繼續(xù)增加樁長，提升效果不大。故在此偏壓角度和圍巖等級下，可將22 m作為抗滑樁的最優(yōu)長度。

4.4 抗滑樁與隧道距離優(yōu)化

在抗滑樁長度一定時，抗滑樁邊緣至隧道輪廓的距離不同會對襯砌受力和圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生不同的影響。為分析抗滑樁與隧道不同距離對加固效果的影響，分別設(shè)置抗滑樁中心線與隧道外輪廓距離為2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m，抗滑樁樁長統(tǒng)一為22.0 m，以此找到最優(yōu)的抗滑樁位置。模擬結(jié)果如表5所示。

表5 不同距離計算結(jié)果

從表5中可以看出，在距離2.0～6.0 m時，襯砌最大壓應(yīng)力分別為 9.99 MPa、9.69 MPa、9.39 MPa、9.61 MPa、9.87 MPa，襯砌結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力隨著抗滑樁遠離隧道先減小后增大，在4.0 m左右時，壓應(yīng)力最小，而襯砌安全系數(shù)達到2.66，為最大值。采用強度折減法對抗滑樁中心線與隧道外輪廓不同距離條件下的圍巖安全系數(shù)進行求解，其計算結(jié)果變化不大，在距離3.0 m時，圍巖安全系數(shù)最大，為1.35。綜上所述，抗滑樁邊緣與隧道距離3.0～4.0 m時，支護效果最優(yōu)。

5 結(jié)論

依托萍鄉(xiāng)至蓮花高速公路A4標段白竺3號隧道工程為背景，采用有限元模擬方法建立二維淺埋偏壓抗滑樁加固分析模型，分析了抗滑樁樁長對淺埋偏壓隧道的加固效果，主要結(jié)論如下:

(1)增加抗滑樁支護，不改變隧道的偏壓現(xiàn)象，但有助于降低襯砌最大壓應(yīng)力和減低襯砌結(jié)構(gòu)最大變形。隨著樁長的增加，最大壓應(yīng)力逐漸減小，但幅度不大，而襯砌結(jié)構(gòu)的變形隨樁長的增加變化不大。

(2)增加抗滑樁支護，圍巖的安全系數(shù)提升，且在一定偏壓角度和圍巖等級下，抗滑樁支護存在最優(yōu)長度。

(3)襯砌結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力隨著抗滑樁遠離隧道的距離先減小后增大。在本文的計算案例中，抗滑樁邊緣與隧道距離3.0～4.0 m時，支護效果最優(yōu)。