抗滑桩对洞门整体稳定性的影响研究

马 青

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

0 引言

隧道洞门作为一种支挡结构，受到墙背土压力作用，需检算绕墙趾倾覆及沿基底滑动的稳定性。根据TB 10003－2005《铁路隧道设计规范》规定，滑移稳定安全系数Kc≥1.3，倾覆稳定安全系数K0≥1.5［1］。目前的常规设计中，当洞门正面基本尺寸拟定后，在端墙的控制部位一般取宽度为1 m的检算条带视作挡土墙，对挡土墙进行稳定性检算［2］。谢建华等［3］详细阐述了翼墙式洞门强度和稳定性的计算过程。许才仗等［4］结合隧道柱式洞门的特点，详细阐述了柱式洞门强度和稳定性的验算过程。这些研究均是以条带理论为基础，按部就班地对洞门稳定性进行检算。周佳媚［5］运用三维接触单元，研究了隧道洞门和土体的相互作用，得出了典型隧道洞门土压力分布规律。李琦［6］利用有限元软件ABAQUS建立了三维大断面隧道及其洞门的有限元模型，考虑了隧道洞门、隧道衬砌、墙后土体三者之间的相互影响，得出在各级围岩下大断面隧道洞门土压力的大小及分布形式，并总结出大断面隧道洞门土压力分布的特点。这些研究或以条带理论对某个工点案列进行验算，或对洞门后土压力分布规律进行研究，没有着眼于洞门及接触构筑物(抗滑桩)的整体力系。高新强等［7］、程刚［8］、李强等［9］利用ANSYS软件建立三维有限元模型，对削竹式、倒削竹式洞门的受力以及整体稳定性进行了分析;但是，对滑移倾覆安全系数并没有进行计算，而且这些新型洞门的受力状态也与传统的端墙洞门不同。本文利用ANSYS软件对某单线隧道洞门在主动土压力作用下进行静力分析，提出一种有别于条带理论的整体稳定性分析方法［10］，得出评价洞门稳定性的滑移、倾覆安全系数。

1 问题的提出

某时速160 km单线铁路隧道的洞门设计如下:洞门端墙采用C30混凝土，厚1.5 m，紧贴一根路基加固桩，墙背回填土石，土石重度为19 kN/m3，计算摩擦角 φ=35°，基底摩擦系数f=0.4(见图1)。

为抵抗左侧高边坡的下滑力，洞口设置一根截面尺寸为2 m×2 m(长×宽)的抗滑桩。常规的检算方法是选取桩与隧道衬砌间的1 m条带进行检算，计算公式采用文献［2］中的洞门土压力计算公式(见图2)。

倾覆稳定安全系数

式中:∑My为全部的垂直力对墙趾的稳定力矩;∑M0为全部的水平力对墙趾的倾覆力矩。

滑移稳定安全系数

式中:∑N为作用于基底的垂直力之和;∑E为墙后主动土压力之和。

稳定检算结果不能满足规范要求。通常情况下，应采取在洞门后面增加衡重台，改用钢筋混凝土衬砌增加洞门自重，同时，减小土压力，在端墙底增加墙趾，增大稳定力矩等措施;但是，这带来了很大的圬工量，也增加了施工的难度。如果能考虑桩对洞门的约束作用，进行整体稳定性分析，则可能在不增加衡重台和墙趾这些附加措施的情况下，检算隧道洞门的稳定性是否满足规范要求。

图1 某隧道洞门设计图(单位:cm)Fig.1 Design drawing of a tunnel portal(cm)

2 洞门整体稳定性分析

主动土压力荷载同样采用文献［2］中的洞门土压力计算公式进行计算，沿洞门高度逐渐变化，墙顶为0，在墙脚达到最大，为 31.15 kN/m2。

2.1 洞门建模

利用大型有限元分析软件ANSYS12.0建立隧道洞门三维模型，端墙采用SHELL63弹性壳单元模拟，模型单元共计332个，节点370个(见图3)。

图2 常规检算条带选取及土压力图形(单位:cm)Fig.2 Conventional calculation band and earth pressure(cm)

图3 洞门计算模型Fig.3 Numerical calculation model of tunnel portal

边界条件:接触桩部分以及衬砌的节点约束Z方向(平行于主动土压力方向)位移;端墙基底约束Y方向(重力方向)以及Z方向位移;桩和衬砌对洞门端墙的作用考虑为约束其作用范围内端墙节点的Z方向位移。

本次计算采用的材料力学参数如表1所示。

表1 计算参数表Table 1 Calculation parameters

加载到墙背的主动土压力荷载同样采用文献［2］中的洞门土压力计算公式进行计算，沿洞门高度逐渐变化，墙顶为0，在墙脚达到最大，为31.15 kN/m2。荷载以节点荷载的形式根据洞门高度变化加载到模型上。

2.2 计算结果

整体稳定性即将洞门结构按整体考虑，每个点的倾覆滑移均受整个力系的作用。

滑移分析:提取墙底节点Y方向和Z方向的力，桩与洞口衬砌之间的墙底安全系数计算值如表2所示。

表2 墙底节点力及滑移稳定安全系数Table 2 Node force of wall bottom and safety factor of sliding

抗倾覆分析

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式中:h为端墙高度;h桩为抗滑桩在端墙范围内高度;h衬砌为抗滑桩在衬砌范围内高度;b为端墙宽度;γ端墙为端墙重度;F桩为桩节点反力;F衬砌为衬砌节点反力。

式中q土压力为端墙单位面积内受到主动土压力。

由上述计算结果可知，当把洞门端墙、桩、衬砌放入一个整体力系时，洞门端墙滑移稳定安全系数、倾覆稳定安全系数均满足规范要求。

3 合理桩洞间距的选择

基于上述分析方法，对单线隧道洞门端墙桩洞净距(即桩与洞口衬砌之间的净距)进行研究，根据单线隧道衬砌净空的特点，作如下假定:1)桩在端墙范围的高度与洞门衬砌齐平，为9.5 m;2)端墙高度取12 m。分别取A桩(桩径2 m)和B桩(桩径1 m)对滑移稳定安全系数进行分析(见图4和图5)，文中桩径为桩与洞门端墙的接触宽度。

图4 A桩滑移稳定安全系数随桩洞净距变化曲线图Fig.4 Sliding safety coefficent of Type A pile Vs.clear spacing between pile and tunnel portal

图5 B桩滑移稳定安全系数随桩洞净距变化曲线图Fig.5 Sliding safety coefficient of Type B pile Vs.clear spacing between pile and tunnel portal

由图4和图5可以看出，随着桩洞净距增大，滑移稳定安全系数减小。在2 m净距范围内，2种尺寸的桩对端墙约束作用非常明显，安全系数较大;A桩净距扩大到6～7 m时，安全系数不满足规范要求;B桩净距扩大到3～4 m时，安全系数不满足规范要求。

4 结论与讨论

通过对隧道洞门进行整体稳定性分析，有以下设计体会，其计算思路和方法可供类似工程设计时参考。

2)已经发表过的研究论文，或以条带理论对某个工点案例进行验算，或对洞门后土压力分布规律进行研究，没有着眼于洞门及接触构筑物(抗滑桩)的整体力系对隧道端墙洞门稳定性的影响，当洞门结构外有桩体对洞门变形进行约束时，传统的条带检算理论过于保守。

3)通过对洞门进行整体稳定性分析，在满足相同安全系数的基础上，可以降低圬工和施工难度，提高设计的技术经济合理性。

4)由于没有考虑桩与衬砌之间土压力拱的作用，本文计算的主动土压力值比实际受力偏大;土压力计算也只是考虑了墙背后填土为平坡的情况，忽略了仰坡坡率的影响;对于桩洞净距的选择，其假定条件可能还不成熟。这些问题还需进一步研究。

［1］ TB 10003－2005铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.(TB 10003－2005 Code for design on tunnel of railway［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2005.(in Chinese))

［2］ 铁道部第三勘测设计院.铁路工程设计技术手册:隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1999.(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation.Railway engineering design handbook:Tunnel［M］.Beijing:China Railway Publishing House，1999.(in Chinese))

［3］ 谢建华，杨玉凤.翼墙式隧道洞门强度及稳定性验算研究［J］.公路交通科技:应用技术版，2011(2):120－123.(XIE Jianhua，YANG Yufeng. Study on checking on strength and stability of wing-wall type portal of tunnel［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development:Application Technology Edition，2011(2):120 －123.(in Chinese))

［4］ 许才仗，蒙国往，潘红桂.柱式洞门强度及稳定性验算［J］.山西建筑，2013，39(3):155 －157.(XU Caizhang，MENG Guowang，PAN Honggui.Research on the strength and stability calculation of column-style tunnel portal［J］.Shanxi Architecture，2013，39(3):155 － 157.(in Chinese))

［5］ 周佳媚.隧道洞门结构土压力的研究［D］.成都:西南交通大学，2005.(ZHOU Jiamei.Study of earth pressure acted on tunnel portal structure［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2005.(in Chinese))

［6］ 李琦.大断面铁路隧道洞门结构土压力的计算分析及研究［D］.成都:西南交通大学，2014.(LI Qi.Computational analysis and study of earth pressure acted on large section railway tunnel portal［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2014.(in Chinese))

［7］ 高新强，仇文革，张会斌.一种特殊型式公路隧道洞门的设计［J］.公路，2002(7):132 －135.(GAO Xinqiang，QIU Wenge，ZHANG Huibin.Design for a special style highway tunnel opening［J］.Highway，2002(7):132 － 135.(in Chinese))

［8］ 程刚.新型铁路隧道门受力特征研究［D］.成都:西南交通大学，2004.(CHENG Gang.Study on the mechanics characteristic of railway tunnel newiy-fashioned portal［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2004. (in Chinese))

［9］ 李强，王明年，林国进.铜锣山隧道新型洞门结构计算［J］.公路，2005(2):160 － 165.(LI Qiang，WANG Mingnian，LIN Guojin.Structure calculation of late-model portal of Tongluo Mountain Tunnel［J］.Highway，2005(2):160 －165.(in Chinese))

［10］ 胡荣华，刘国楠，黄孝刚，等.衡重式桩板挡墙整体滑移稳定安全系数计算方法［J］.中国铁道科学，2013，34(2):52 － 57.(HU Ronghua，LIU Guonan，HUANG Xiaogang，et al.Calculation method for overall sliding stability coefficient of sheet pile wall with relieving platform［J］.China Railway Science，2013，34(2):52 －57.(in Chinese ))