臨近隧道邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固效應(yīng)研究

何乃貴，尹定鵬

（1.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 400000；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)是邊坡加固的一種常見技術(shù)。目前，對預(yù)應(yīng)力錨索的研究主要集中在錨索預(yù)應(yīng)力損失、錨固參數(shù)的研究及工藝研究三個方面。在預(yù)應(yīng)力損失方面，由于錨索長期工作會出現(xiàn)松弛現(xiàn)象,需通過再次張拉提高錨索拉力以保證錨固效果[1]；在錨固參數(shù)研究方面，錨固段長度、錨索傾角及預(yù)應(yīng)力等錨固參數(shù)對錨固效果影響較大，錨固參數(shù)在不同工況下具有最優(yōu)解，按最優(yōu)解設(shè)計經(jīng)濟效益高[2]；在工藝研究方面，錨索常與抗滑樁、擋墻結(jié)合作為支擋結(jié)構(gòu)，分析樁、土之間存在土拱效應(yīng)，錨索設(shè)計參數(shù)與樁間土體穩(wěn)定性及抗滑樁承載力之間具有定量關(guān)系。隨著機械工藝的發(fā)展，先進(jìn)錨索施工器械如高強鉆桿、柔性錨索及微型鉆機等對推動錨固技術(shù)特別是高精度水平錨索技術(shù)的發(fā)展有著非常積極的作用。

1 工程概況

重慶市軌道四號線一填方邊坡，其填方高度不大，但實地地形陡峭、現(xiàn)狀擋墻無規(guī)律、設(shè)計邊坡距離右側(cè)既有隧道近，邊坡加固時應(yīng)考慮對隧道的影響。該邊坡地層有第四系人工素填土、殘坡積粉質(zhì)黏土、侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂泥巖等，邊坡區(qū)段未見斷層通過，層間裂隙不發(fā)育，無滑坡、危巖崩塌、泥石流、軟弱夾層等不良地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)災(zāi)害分布。

2 預(yù)應(yīng)力錨索加固施工

根據(jù)項目工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和現(xiàn)場空間狀況分析，采取先修支擋結(jié)構(gòu)再填方的方法施工，具體施工工序：（1）施工錨索鉆孔，注意清孔并埋設(shè)錨索，通過注漿管注漿、補漿。（2）施工抗滑樁和擋墻。樁施工過程中，應(yīng)在樁設(shè)計錨拉位置點預(yù)留樁錨孔以備后續(xù)錨索封錨。（3）待上述施工完畢后進(jìn)行填方作業(yè)，填方時禁止大型振動機械運作，減少對原有邊坡擾動，填方后應(yīng)壓實土體。（4）將錨索在錨拉位置點處張拉，達(dá)到設(shè)計張拉力后封錨。施工示意圖如圖1所示。

上述施工方法加固效果需進(jìn)行數(shù)值模擬計算，以保證邊坡穩(wěn)定及施工安全。

3 邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固效果研究

3.1 計算模型

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索加固施工示意圖

（1）幾何模型建立。該模型采用midas GTS NX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算，midas GTS NX可提供完全的三維動態(tài)模擬功能。程序提供應(yīng)力分析、動力分析、滲流分析、邊坡穩(wěn)定分析、預(yù)應(yīng)力錨索分析、襯砌分析和設(shè)計功能，并提供摩爾庫倫、修正摩爾庫倫、鄧肯—張、修正劍橋等14種本構(gòu)模型，能準(zhǔn)確模擬邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固。根據(jù)右側(cè)填方邊坡的幾何條件、地質(zhì)條件及設(shè)計加固材料參數(shù)，先利用AUTO CAD軟件建立邊坡二維幾何模型，導(dǎo)入midas GTS NX后進(jìn)行平面網(wǎng)格劃分，再擴展形成三維網(wǎng)格組，根據(jù)巖土體力學(xué)參數(shù)和加固材料參數(shù)建立材料屬性，并對各網(wǎng)格組賦予材料屬性，最后添加荷載及約束進(jìn)行計算。模型如圖2所示。

圖2 三維邊坡加固模型

（2）模型參數(shù)。該模型中巖土體主要由人工填土、砂巖和泥巖構(gòu)成，原地層主要分上、中、下層，其中上部巖層為7～16m砂巖，中層為5m厚泥巖，考慮到地下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布在結(jié)構(gòu)尺寸3～5倍范圍內(nèi)變化較大，建模時取下層砂厚度為54m，模型中填方共建立2處，隧道左側(cè)填方高度為10～14m，隧道上方填方高度為5m，填方土體均為人工素填土。模型中隧道及人防洞支護(hù)體系為C30噴射混凝土加錨桿組合，根據(jù)實際工程情況，模型中共建立9根抗滑樁，沿縱向間距6m排列，各抗滑樁均為C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁，樁長為28m，其中嵌入土體長度為18m，各樁斷面為2m×1.5m矩形；預(yù)應(yīng)力錨索錨固段長度為8m，模型中錨索設(shè)置為斷面面積為0.025m2的實心圓形。該模型長194m、寬50m、高78m，單元總數(shù)為155142個，節(jié)點總數(shù)為158202個。

（3）支護(hù)工況。根據(jù)實際支護(hù)情況對模型設(shè)置現(xiàn)狀邊坡初始應(yīng)力及變形分析，土體回填后邊坡變形及應(yīng)力分析，加入擋墻、抗滑樁及預(yù)應(yīng)力錨索并進(jìn)行填方后邊坡變形三個支護(hù)工況。

3.2 模型計算結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場施工狀況，對預(yù)應(yīng)力錨索加固效果評估最直接的指標(biāo)是邊坡豎向沉降，可通過計算結(jié)果進(jìn)行對比。

（1）邊坡沉降變形分析。各工況邊坡豎直方向位移如圖3所示。圖3（a）反映出初始狀態(tài)下邊坡豎直沉降主要發(fā)生在隧道下層砂巖，且整體變形量基本相同，約20mm；隧道左側(cè)砂巖變形較小，約14mm。這是因為中層泥巖受上部砂巖重力作用產(chǎn)生壓縮變形，所以上部砂巖出現(xiàn)整體沉降。右側(cè)上部砂巖自重大，故沉降量大；左側(cè)上部砂巖自重小，沉降量較??；下層砂巖彈性模量大，受上部荷載的作用壓縮變形小，沉降小。圖3（b）表示填入素填土且不加任何支護(hù)措施的邊坡沉降，由于主要研究素填土沉降，故將初始位移清零后再進(jìn)行填土變形計算，可以看出，素填土變形從左至右依次增大，變形圖反映出不加支擋結(jié)構(gòu)填土將導(dǎo)致邊坡變形大，剪切應(yīng)力增大，邊坡將沿最大剪切應(yīng)變形成的圓弧滑動面滑動，在實際工程中應(yīng)設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)加固邊坡。圖3（c）表示位移清零后加入擋墻、抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索后邊坡沉降變形圖。從圖中可以看出加入擋墻后，填方最大沉降出現(xiàn)在填土中上部，填方不至于變形過大產(chǎn)生坍塌；預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合擋墻及抗滑樁能有效改善填方土體穩(wěn)定性，是邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)中的主要形式之一。

圖3 邊坡豎向位移圖

各工況邊坡水平方向位移如圖4所示。圖4（a）反映出初始狀態(tài)下邊坡水平位移主要發(fā)生在隧道右側(cè)上層砂巖，這反映出該邊坡的形成過程中整個地層水平方向的位移，該處土體已經(jīng)固結(jié)完成，未填方時邊坡穩(wěn)定。從圖4（b）可以看出，左端素填土變形比右端填土大，原因是左端填方高度比右端高，未加支護(hù)時填土易沿臨空面滑動變形。圖4（c）表示加入擋墻、抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索后邊坡水平位移圖，圖中顯示加入擋墻后，填方水平位移明顯減小，填方不至于變形過大產(chǎn)生坍塌。通過對比3種工況發(fā)現(xiàn)，對有素填土的邊坡沉降較大，應(yīng)進(jìn)行沉降計算，邊坡沉降應(yīng)滿足規(guī)范要求；預(yù)應(yīng)力錨索及樁板擋墻能有效控制邊坡變形，是一種良好的邊坡加固結(jié)構(gòu)。

圖4 邊坡水平方向位移圖

（2）邊坡應(yīng)力分析。各工況邊坡最大主應(yīng)力如圖5所示。通過對比3種工況最大主應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，邊坡初始狀態(tài)下的最大主應(yīng)力與填方后的最大主應(yīng)力分布基本相同，但與用預(yù)應(yīng)力錨索加固后的最大主應(yīng)力分布有明顯差異。圖5（c）反映出抗滑樁和擋墻對巖土體的加固主要是給墻后巖土體提供預(yù)壓力，從而抑制巖土體的水平及豎直位移，達(dá)到維持邊坡穩(wěn)定的效果。

各工況邊坡最大剪應(yīng)力如圖6所示。3種工況的邊坡最大剪應(yīng)力圖反映出邊坡初始狀態(tài)下的最大剪應(yīng)力與填方后的最大剪應(yīng)力分布基本相同，但與用預(yù)應(yīng)力錨索加固后的最大剪應(yīng)力分布有明顯差異。圖6（c）反映出抗滑樁和擋墻對巖土體加固時會由于巖土體作用力受到剪切應(yīng)力，因此在邊坡加固設(shè)計時，應(yīng)進(jìn)行抗滑樁的抗剪強度驗算和預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力計算，保證施工安全及邊坡加固方案可行。

圖5 邊坡邊坡第一主應(yīng)力圖

4 結(jié)束語

通過對3種工況的水平位移和豎向位移數(shù)據(jù)對比分析，可得出以下結(jié)論：（1）素填土的沉降較大，在填方邊坡加固時應(yīng)考慮到填方對邊坡穩(wěn)定性的影響，預(yù)先進(jìn)行穩(wěn)定性分析，盡量先施工擋墻及抗滑樁，再填土，保證施工安全。（2）抗滑樁及擋墻結(jié)構(gòu)會受到較大的土壓力及剪切應(yīng)力，在支護(hù)設(shè)計時應(yīng)保證其抗壓、抗折和抗剪強度滿足設(shè)計要求。（3）預(yù)應(yīng)力錨索可通過錨索張拉對加固巖土體施加預(yù)應(yīng)力，從而抑制巖土體變形，采取抗滑樁、擋墻和預(yù)應(yīng)力錨索組合的方式進(jìn)行邊坡支護(hù)可達(dá)到良好的加固效果。

圖6 邊坡最大剪應(yīng)力圖