上挡下托式抗滑桩组合对隧道—滑坡体系的加固机理研究

罗海翔

摘要：工程预加固技术主要指通过支挡结构来治理滑坡和加固隧道。采用数值模拟研究在“上挡下托式”抗滑桩预加固作用下，不同桩-隧间距对隧道-滑坡体系的影响，并分析了上挡下托式抗滑桩对隧道-滑坡体系变形控制的作用机理。研究表明：在滑坡段开挖隧道，采用上挡下托式抗滑桩为支挡结构对隧道-滑坡体系进行预加固，对控制隧道变形有着显著的效果，抗滑桩支挡结构可以改善隧道结构的受力，同时合理的桩-隧间距有益于隧道结构的安全。

Abstract： The project pre-reinforcement technology mainly refers to the retaining structure used to control the landslide and strengthen the tunnel. The numerical simulation is used to research on effect analysis of different pile-tunnel spacing on tunnel-landslide system under the action of anti-slide pile reinforcement with the upper retaining and lower support type， and the mechanism of this anti-slide pile on the tunnel-landslide system deformation control. Research shows that in the tunnel excavation of the landslide section， that the anti-slide pile reinforcement with the upper retaining and lower support type is taken as the the supporting structure to make a pre-reinforcement for the tunnel-landslide system， has a significant effect on the control of tunnel deformation， can improve the tunnel structure stress， and the reasonable distance between pile and tunnel is good on the security of the tunnel structure.

關键词：隧道-滑坡体系；预加固；抗滑桩；数值模拟

Key words： tunnel-landslide system；pre-reinforcement；anti-slide pile；numerical simulation

中图分类号：U457 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）10-0108-04

0 引言

工程预加固技术主要指通过支挡结构来治理滑坡和加固隧道[1，2]。例如为了避免滑坡的滑移对隧道的结构产生危害，可采用抗滑桩和预应力锚索对坡体进行预加固，或通过隧道砌体、支撑桩和锚索构成协同受力结构体系确保隧道结构的安全，这种采用支挡结构对滑坡段隧道进行预加固的技术就称之为工程预加固技术。

针对目前使用较多的“上挡下托式”、“上挡式”、三类典型加固方式[5-6]，通过数值模拟，在上挡下托式抗滑桩预加固作用下，研究在隧道开挖阶段不同桩隧间距对隧道-滑坡体系[2-4]的影响，并分析了上挡下托式抗滑桩对隧道-滑坡体系变形控制的作用机理。

1 计算模型建立

以某隧道-滑坡典型断面为原型[3，7]，采用FLA3D软件建立数值模拟，隧道在深层滑动带上，A部分为滑体，B部分为滑带选用的是接触面单元，C部分为基岩，如图1所示。

由于在隧道-滑坡正交体系下，铁科院杜升涛通过数值模拟分析发现，采用上挡式抗滑桩加固隧道-滑坡体系时，隧道的应力和变形会随着桩隧间距的减小而减小[4]。为了更好地反映上挡下托式抗滑桩的加固效果，本节将后排抗滑桩桩隧间距固定为5m，主要通过改变前排抗滑桩与隧道的间距来研究桩隧间距对隧道的变形、受力影响。

2 参数设定和监测点布置

模型中滑体、滑带、滑床基岩和隧道衬砌及抗滑桩材料参数如表1所示。

主要通过只改变前排抗滑桩与隧道的桩隧间距，并以前排桩距隧道间距为15m、20m、25m、30m、35m、40m进行数值模拟，通过抽取坡体表面、滑带以及衬砌上的特殊点的最终变化，分析不同桩隧间距对隧道滑坡体系的影响，坡体地表、滑带及隧道监测点示意图见图2。

3 上挡下托式抗滑桩加固下隧道的变形受力特征

图3为后排抗滑桩桩隧间距固定为5m，前排抗滑桩距隧道为15m时的数值模型。在隧道开挖阶段，隧道的变形矢量图及塑性区变形云图如图4、图5。

从图4中可以看出，隧道的最大变形发生在隧道与滑坡相交处，其最大位移位为1.482e-2，表明在该结构加固作用下，隧道在开挖阶段变形得到了较好的控制。

从图5中可以看出，开挖工况下，在隧道与滑坡相交处，隧道变形以剪切为主。结合图4可以得到，在隧道-滑坡正交体系下，当隧道与滑带相交时，隧道的拱顶变形以拉、剪为主，仰拱以挤压变形为主，隧道的边墙以局部剪切变形为主，且山侧变形比河侧要大。

4 桩-隧间距对体系的加固机理分析

4.1 桩-隧间距在隧道开挖阶段对地表变形影响

在隧道开挖衬砌支护结束后，当前排桩与隧道的距离在0～40m范围内时，桩-隧间距的变化对坡脚地表的沉降变形影响较小（图6、图7）。但对隧道周围上部土体地表的沉降变形影响较大，大体上呈先增加后减小的趋势，且当前排桩与隧道距离为25m时，桩-隧间距对隧道周围上部土体的变形影响最大；桩-隧间距对坡体地表滑移变形影响趋势和其沉降变形变化趋势相同，但由于在隧道上方5m处设置了一排抗滑桩，隧道周围上部土体地表的变化量相对较小。

4.2 桩-隧间距在隧道开挖阶段对滑带的变形影响

从图8、图9中可以看出，在隧道开挖衬砌支护结束后，当前排桩与隧道的距离在0～40m范围内时，桩-隧间距的变化对滑带不同位置的影响不同。从整体来说，桩-隧的不断增大对隧道以下滑体的加固作用减弱，使得滑带土体的沉降量与滑移量不断增大。

4.3 桩-隧间距在隧道开挖阶段对衬砌的变形影响分析

桩-隧间距对仰拱的变形影响：从图10、图11中可以看出，在隧道开挖衬砌支护结束后，当前排桩与隧道的距离在0～25m范围内时，由于桩-隧间距不断增大，仰拱的沉降变形不断增加；当桩与隧道的距离在25～40m范围内时，当桩-隧间距不断增大时，仰拱的变形不断减少。但桩-隧间距的改变对仰拱的滑移变形影响呈相反趋势。因此，合理地考虑桩-隧间距度隧道滑坡的影响是必要的。

桩-隧间距对拱顶的变形影响：从图12、图13中可以看出，在隧道开挖衬砌支护结束后，当桩与隧道的距离在0～25m范围内时，由于桩-隧间距不断增大，拱顶竖向位移不断增加；当桩与隧道的距离在25～40m范围内时，当桩-隧間距不断增大时，仰拱的竖向位移呈减小趋势。桩-隧间距的改变对隧道拱顶水平位移的影响和对拱顶竖向位移的影响趋势基本相同。

桩-隧间距对直墙山侧的变形影响：从图14、图15中可以看出，在隧道开挖衬砌支护结束后，当桩与隧道的距离在0～25m范围内时，桩-隧间距不断增大，直墙山侧的竖向位移不断增加；当桩与隧道的距离在25～40m范围内时，桩-隧间距不断增大，直墙山侧竖向位移变形呈减小趋势。桩-隧间距对隧道直墙水平位移的影响和对其竖向变形影响趋势基本相同。

5 结论

采用数值模拟研究在“上挡下托式”抗滑桩预加固作用下，不同桩-隧间距对隧道-滑坡体系的影响，并分析了上挡下托式抗滑桩对隧道-滑坡体系变形控制的作用机理，我们可以得到以下有益认识。

①在滑坡段开挖隧道，采用上挡下托式抗滑桩为支挡结构对隧道-滑坡体系进行预加固，对控制隧道变形有着显著的效果。从侧面反映出上挡下托式抗滑桩兼有分散上部滑体滑坡推力和阻止下部滑体滑动的作用。

②从前排桩与隧道的桩-隧间距变化对隧道-滑坡体系的变形影响，可以看出合理的桩-隧间距有益于隧道结构的安全。

③从本次数值模拟分析中可以看出，在隧道-滑坡体系下，抗滑桩支挡结构可以改善隧道结构的受力。

参考文献：

[1]吴红刚，杨涛，马惠民，等.隧道-滑坡体系的预加固机制及模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33（S2）：3531-3538.

[2]吴红刚.隧道-滑坡体系的变形机理及控制技术研究[D].中国铁道科学研究院，2012.

[3]杜升涛.抗滑桩在隧道-滑坡正交体系下的加固技术研究[D].中国铁道科学研究院，2014.

[4]吴红刚，吴道勇，马惠民，等.隧道-滑坡体系类型和隧道变形模式研究[J].岩石力学与工程学报，2012（S2）：3632-3642.

[5]马惠民，王恭先，周德培.山区高速公路高边坡病害防治实例[M].人民交通出版社，2006.

[6]王恭先，王应先，马惠民.滑坡防治100例[M].人民交通出版社，2008.

[7]潘裕德.赵家塘滑坡的研究与整治[C]//中国典型滑坡，1986.