工程擾動對隧道—滑坡正交體系影響的試驗研究

陳晉波

摘要： 研究目的：本文通過地質力學模型試驗，研究后排埋入式抗滑樁布置間距的差異對隧道-滑坡正交體系的影響，重點討論在加載和坡腳開挖工況下，后排埋入式抗滑樁布置間距的差異對坡腳預應力錨索抗滑樁的樁頂水平位移和隧道應變的影響，以及后排埋入式抗滑樁樁頂水平位移的變化趨勢。研究結論：①后排埋入式抗滑樁布置間距差異，對主滑段左半幅埋入式抗滑樁的受力狀態影響較大。②后排埋入式抗滑樁布置間距差異，對坡腳對應部分的預應力抗滑樁受力狀態有較大影響。③后排埋入式抗滑樁布置間距差異對隧道沿縱向應變分布規律有較大影響；加載和坡腳開挖對滑坡穩定均有一定的影響。

Abstract： Research purposes： This paper mainly studies， with the Tunnel-Landslide Orthogonal system， the influence of the different distance of back row buried anti-slide piles through large geological mechanics simulation model test， and mainly analyzes that the different distances of back row buried anti-slide piles affect the displacement of the anchor anti-slide piles in the slope toe， the strain of Tunnel， and change of the displacement of back row buried anti-slide pile in two stages of the application of load and slope toe cutting. Research conclusions： In two stages of the application of load and slope toe cutting：①the different distance of back row buried anti-slide piles produce a larger influence on the left of the main section of the back row buried anti-slide piles； ②the different distance of back row buried anti-slide piles affect the force of the corresponding anchor anti-slide piles in the slope toe； ③the different distance of back row buried anti-slide piles have a great influence on the tunnel along the longitudinal strain， and the application of load and slope toe cutting affect the security and stability of landslide to some degree.

關鍵詞： 工程擾動；隧道；滑坡；模型試驗；應變

Key words： engineering disturbance；tunnel；landslide；model test；strain

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）24-0133-04

0 引言

我國是一個多山的國家，滑坡災害也相應很多，有時因客觀因素限制，隧道將不可避免地靠近甚至穿越滑坡。抗滑樁是加固滑坡的一種重要的支擋結構[1-3]。一般情況下，在滑體適當位置設置一排抗滑樁即可加固滑體。但當滑體規模較大、滑坡推力巨大，設置一排抗滑樁需較大截面，成本偏高或者難以有效支擋，這時兩排或多排抗滑樁常常成為首選方案，但其合理布置型式顯得非常關鍵。因此，以上擋下托式抗滑樁作為支擋結構，研究雙排抗滑樁布置型式的不同對隧道滑坡體系的影響是十分必要的，而且可為抗滑樁優化設計提供參考。

目前，國內外對穿越滑坡的隧道的受力和變形以及采用上擋下托式抗滑樁結構加固滑坡方面等均有一定的研究，吳紅剛[4]對隧道-滑坡體系的類型和隧道變形的模式進行了研究。陶志平[5]等研究了穿越滑坡地段的隧道變形地質力學模型。趙志剛[6]等對穿越滑坡的隧道綜合防治技術進行了研究。本文主要通過在加載和坡腳開挖兩種工況下，研究抗滑樁布置型式的差異，對隧道滑坡正交體系的影響。為了便于敘述，將布置于主滑段的左、右半幅埋入式抗滑樁統稱為后排抗滑樁，坡腳段預應力錨索抗滑樁稱為前排抗滑樁。

1 試驗設計

1.1 試驗目的

本次模型試驗采用上擋下托式抗滑樁作為支擋結構，以細沙作為滑體材料，人工設置滑動面，模擬在加載和坡腳開挖工況下，結構布置差異對 “隧道-滑坡”正交體系的影響研究。重點研究在不同工況下：①不同位置抗滑樁的樁頂位移變化趨勢；②后排埋入式抗滑樁對前排預應力錨索抗滑樁的影響；③在上擋下托式結構支護下，后排抗滑樁布置差異對隧道的應變影響。

1.2 試驗模型設計

此次模型試驗依托寶蘭客專建設工程，在試驗工地人工搭建大型模型箱，模型箱尺寸為：長960cm，寬470cm，高480cm。試驗中抗滑樁長均為1m，具體布置為：①滑坡主滑段樁為埋入式抗滑樁，其中懸臂段長50cm，錨固段（埋入基巖）長50cm。②坡腳段樁設為預應力錨索抗滑樁，錨索長1m與水平軸成22度夾角，其中錨固段錨索長為50cm，自由段長50cm。滑坡坡面為水平傾角21°的單面斜坡，隧道埋設于滑體抗滑段。試驗模型設計面剖圖，如圖1所示：

試驗中，上擋下托式抗滑樁布置如圖2所示：第一排樁為樁-隧道中心間距80cm的預應力錨索抗滑樁，布置于坡腳，共布置27根樁。第二排樁為樁-隧中心間距80cm的埋入式抗滑樁，布置在滑體主滑段左側，共布置14根。第三排樁為樁-隧中心間距160cm的埋入式抗滑樁，布置在滑體主滑段右側，共布置13根。

1.3 試驗材料的選擇

依據寶雞至蘭州客運專線秦安縣境內典型“隧道-滑坡”正交體系，結合本次試驗模型臺的尺寸，綜合選取原型與模型的幾何相似比為1：50，其余主要原型和模型材料性質及參數選取如表1所示。

1.4 模型試驗元件布置

本次模型試驗，采用應變片、百分表以及采集設備數據采集儀試驗全過程進行監測。隧道埋設于抗滑段與主滑段交界處，兩端接長并用石膏固結。隧道應變片的布置方式為：沿隧道兩側縱向等間距各布置30個電阻式應變片，共計60個（如圖3所示）。具體布置如圖3所示。

試驗中共使用8塊百分表（如圖2所示），監測斷面1-1、斷面2-2樁頂水平位移。其中1、2、3、4號為埋入式抗滑樁，1′、2′、3′、4′測為預應力錨索抗滑樁，其中監測1、2、3、4樁樁頂位移時接長50cm，并用不透水膠帶粘貼牢固。

2 試驗過程

試驗通過加載和坡腳開挖兩個工況，研究支擋結構布置差異（位置、間距），對隧道滑坡正交體系的影響。

2.1 加載階段

試驗采用人工加載的方式，直接作用在預留的加載平臺上，一共加載5個等級 。每一級加載20袋沙，每沙袋重25kg，間隔半小時加載一次。圖4為第5次加載結束后，現場采集照片。

2.2 坡腳開挖階段

坡腳開挖采用人工開挖方式，每隔1小時開挖一次，每次開挖長度為20cm，一共開挖7次。圖5為開挖結束后的照片。

3 試驗結果

滑體沿潛在滑動面滑動時，由于抗滑樁埋設位置的不同以及所用抗滑樁種類的不同，各排抗滑樁在各個階段的受力狀態是有差別的。本文重點通過研究在加載和坡腳開挖工況下，后排埋入式抗滑樁布置差異對不同位置抗滑樁樁頂位移以及隧道的應變影響。

3.1 加載階段

3.1.1 樁頂水平位移S-t曲線圖

加載工況下，加載前、后分別記錄一次百分表數據；加載結束后 ，每半小時記錄一次數據。待數值穩定后，間隔1小時記錄一次數據，直至試驗完成。

從圖6中可以看出，在第一次加載結束后，1號樁和2號樁水平位移首先增大，且由于2號樁離加載平臺較近，2號樁樁頂水平位移增加幅度較大。在第二次加載結束后，雖然重量不斷增加，但因滑體底部砂礫蠕動，滑面附近埋入式抗滑樁發生局部剪切，抗滑樁向后傾倒，樁頂位移值減小。隨后由于荷載的不斷施加，砂礫沿潛在滑動面貫通，滑體整體下滑，埋入式抗滑樁樁頂位移較快增加。在加載完成1小時后，1號埋入式抗滑樁位移成倍增加，表明抗滑樁布置型式的差異，對抗滑樁的受力有很大影響。

從圖7中可以看出，隨著荷載的不斷施加，坡腳段預應力錨索抗滑樁樁頂位移不斷增加，且由于后排埋入式抗滑樁的布置差異，1′號預應力抗滑樁位移增長幅度較快。從圖6、7可以看出，后排埋入式抗滑樁的布置差異對前排對應的預應力錨索抗滑樁樁頂位移影響較大。

3.1.2 加載階段隧道應變曲線圖

從圖8、9中可以看出，在加載工況下，由于后兩排抗滑樁布置的差異，隧道的縱向應變分布不再呈中間大，兩端小的變化趨勢，而是隧道局部應變突變明顯。

總體來看，隨著荷載的不斷施加，隧道山側、河側應變不斷增加，且山側應變比河側要大。在加載過程中，隧道的山側應變沿縱向變分布相似，河側應變沿縱向分布相似。

3.2 坡腳開挖階段

坡腳開挖階段，開挖前、后分別記錄一次百分表數據；坡腳開挖結束后，每半小時記錄一次數據。待數值穩定后，間隔1小時記錄一次數據，直至試驗完成。

3.2.1 樁頂水平位移S-t曲線圖

從圖10中可以看出，隨著坡腳開挖的不斷進行，后排埋入式抗滑樁樁頭位移不斷增加，且由于后排埋入式抗滑樁布置型式的差異，1號埋入式抗滑樁位移增長較快（圖10）。坡腳開挖對滑坡穩定有一定的影響。

從圖11中可以看出，在第一次坡腳開挖結束后，預應力錨索抗滑樁位移首先增大。隨著開挖的持續進行，預應力錨索抗滑樁位移在小幅度波動后，不斷增大。由于預應力錨索的作用，抗滑樁樁頂位移較小。后排埋入式抗滑樁布置差異對前排預應力錨索抗滑樁影響較大，表現為左側預應力錨索抗滑樁位移增長迅速，受力狀態不同。

3.2.2 坡腳開挖階段隧道應變曲線圖

從圖12、13中可以看出，在坡腳開挖階段，隧道山側、河側應變隨著開挖的不斷進行，隧道應變不斷增大，且山側、河側應變沿縱向分布趨勢相近。總體來看，隧道局部突變明顯，山側應變比河側要大。

4 結論

通過分析在加載和坡腳開挖工況下，后排埋入式抗滑樁布置間距的差異，對不同位置的抗滑樁和隧道的影響，可以得出以下結論：

①后排埋入式抗滑樁布置間距差異，對主滑段左半幅埋入式抗滑樁的受力狀態影響較大；對坡腳對應部分的預應力抗滑樁受力狀態有較大影響；對隧道沿縱向應變分布規律有較大影響。

②加載和坡腳開挖對滑坡穩定均有一定的影響。隨著荷載的不斷施加，應變不斷增加，且山側應變比河側要大；隨著開挖的不斷進行，應變不斷增大，山側應變比河側要大。

③針對坡體病害地段的隧道工程建設與運營維護，建議預加固工程設計中應選擇合理的樁排間距；施工中盡可能減小工程擾動影響，盡量采用預加固工程從根源上解決問題，切忌盲目卸載。

參考文獻：

[1]鐵道部第一勘測設計院.路基[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

[2]賀建清，張家生，梅松華.彈性抗滑樁設計中幾個問題的探討[J].巖石力學與工程學報，1999，18（5）：497-502.

[3]Griffiths D V，Lane P A.Slope stability analysis by finite elements[J]. Geotechnique，1999，49（3）：387-403.

[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]. 巖石力學與工程學報，2012，31（增2）：3632-3642.

[5]陶志平，周德培.滑坡地段隧道變形的地質力學模型及工程防治措施[J].鐵道工程學報，2006，23（1）：61-66.

[6]趙志剛，張志軍，李德武，等.穿越滑坡段高速公路隧道綜合防治技術研究[J].鐵道工程學報，2013，30（3）：71-76.