新型钢管-锚杆组合体在隧道滑坡加固中的应用

顾徐锐

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

0 引言

改革开放以来，随着我国国民经济的飞速发展和城市化进程的不断加快，市政基础设施建设取得了显著成就，工程建设规模与数量不断增长，城市快速路网逐级完善，也为隧道建设带来了机遇和挑战。鉴于隧道的工程特性，场地工程地质与水文地质条件较为复杂，常常伴有诸多不良地质现象，加之人类活动等因素的影响，隧道施工过程中易出现各类次生灾害，尤以洞口滑坡最为常见。

诱发滑坡的因素可分为内在因素和外在因素，内因主要源自岩土体自身性质与结构构造等，外因主要源自水的作用、地震、人工活动等。针对滑坡的成因，目前常用的治理措施大致可分为削坡减载和加固支挡两大类，即通过工程技术措施减少坡体自身下滑力的同时提高其抗滑力，达到改善边坡不平衡状态的目的，辅以截排地表水与疏导地下水措施，防止岩土体浸水软化，经过多年的工程实践与应用，取得了很大成就[1-2]。近年来，我国工程建设中高轻预应力锚索桩板墙、高轻锚定板挡土墙、高陡预应力锚索框架等高轻型支挡结构发展迅速[3-5]，纤维束导渗排水孔、预应力锚梁、层状网式钢筋石笼挡墙、预应力抗滑桩[6]、劈裂注浆渗透加固[7]、新型锚管构架[8]、非开挖式抗滑桩(微型桩群)[9]等新型加固技术应运而生。我国幅员辽阔，地质条件复杂多变，滑坡形成往往是多方因素综合作用的结果，既有成熟的防治工艺应用时存在一定的局限：直接削坡减载对生态环境破坏较大且易引起次生滑动，传统的抗滑挡土墙圬工体量较大，抗滑桩施工周期长，造价较高，预应力锚杆与锚索施工专业性强，过程精度要求较高。鉴于此，因地制宜地开展新技术与新工艺的研究尤为必要。

以蓬安高屋基隧道洞口滑坡治理工程为依托，综合考虑隧道施工工期、人工挖孔桩施工的风险管控、大面积反压平台实施的可行性、滑体变形对机械施工扰动的响应、锚索施工作业的精度等多方影响因素放弃了抗滑桩、锚索等既有成熟的治理措施。鉴于雨季临近，为快速有效加固滑体，防止降雨冲刷浸润加剧坡体变形，借鉴管棚的构造思路，将钢管与全黏结锚杆相结合形成复合加固体系，分区分块加固洞口滑坡体，取得了良好的治理效果和经济效益，可为类似的工程提供技术性参考。

1 工程概况

蓬安绕城北路建设工程作为S101的改线工程，是连接蓬安县城和新城的快速通道，全长约16.2 km，设计速度80 km/h，沿线分布高屋基、熬家沟、黄家湾三座山岭隧道。高屋基隧道左线长约430.0 m，右线长约485.0 m，属短隧道，洞轴线总体呈直线型，轴向NW 290°～294°。

1.1 工程地质条件

根据前期勘察资料，隧址区范围内无明显的活动断裂构造等不良地质现象，隧道穿越地段岩层稳定。场地覆盖层以第四系全新统坡洪积粉质黏土为主，厚度为0.6～2.5 m，下伏上侏罗统蓬莱镇组强—中等风化粉砂质泥岩，岩层产状为SW 218°∠4°，基岩倾向与洞身轴向近于垂直。

隧道左线穿越地层：表层粉质黏土厚约1.1～2.5 m，强风化带厚约4.7 m，中等风化带未揭穿，洞身穿越2个裂隙发育区，最大洞顶埋深约76 m。(见图1)

图1 隧道左线穿越地层概况

隧道右线穿越地层：表层粉质黏土厚约0.6～2.0 m，强风化带厚约3.6 m，中等风化带未揭穿，洞身穿越3个裂隙发育区，最大洞顶埋深约88 m。(见图2)

图2 隧道右线穿越地层概况

1.2 滑坡概况

隧道明洞施工过程中出现了山体滑坡，滑坡前缘错动剪出明显，后缘已形成圈椅状错台与陡坎，滑坡体平面呈簸箕状，由2个独立的滑区组成(见图3、图4)。

图3 隧道洞口山体滑坡地质平面图

图4 隧道洞口山体滑坡现场照片

I号滑区主轴纵向长约110 m，横向宽约40 m，主滑方向约NW 332°，滑坡体积约为4.0×104m3，滑坡体厚约2.0～13.4 m，属小型中层牵引式滑坡。滑体以软塑与可塑状粉质黏土为主，两侧以冲沟为界，前缘为隧道明洞施工仰坡，坡率为1∶0.5，高约12.2～17.5 m。

II号滑区主轴纵向长约65 m，横向宽约50 m，主滑方向约NW 355°，滑坡体积约为1.4×104m3，滑坡体厚约2.5～9.8 m，属小型浅层牵引式滑坡。滑体以软塑与可塑状粉质黏土为主，两侧以冲沟为界，前缘为隧道明洞施工仰坡，坡率为1∶0.5，高约11.3～15.6 m。

1.3 滑坡成因分析

地质地形：山脊两侧为古冲沟，冲沟堆积体多为第四纪洪积层与坡积层，土体的物理力学性质较差，在漫长的地质历史过程中已达自我平衡，隧道进口处场地地形较为平坦，该不良地质易被忽视，早期未充分揭露该软弱地层。(见图5)

人为因素：隧道成洞面与仰坡开挖过程中形成堑坡临空面，古冲沟原有平衡被打破，坡体稳定性逐渐降低，坡脚蠕变加速，前缘剪出形成牵引式滑坡。

自然因素：施工期间雨水较为充沛，雨水沿坡面裂缝下渗后富集于上层土体和基岩节理、裂隙发育带，进一步加剧滑坡的变形。

图5 滑坡成因分析图

2 滑坡治理方案

鉴于雨季临近，为快速有效加固滑体，方案深化过程中比选分析了既有多种成熟加固措施。

2.1 基于现有措施弊端的方案比选

(1)超长全黏结锚杆(一般超过8 m)常见弊端：

①变形与受力特性[10]：全黏结锚杆受力变形特性与土钉相似，通过加筋体加筋作用改变土体受力状态，为被动受力构件，当土体与锚固体间及锚头处产生变形后，锚固体才能发挥作用。因此，在土体与锚头产生过大位移(超出容许变形范围)下才发挥锚固力的超长段设计便与原本加固理念相悖。

②力学性能：锚固体与周边岩土体的黏结强度超过锚杆自身的抗拉强度，超长部分的锚固段属于无效设置。

③经济合理性：锚杆越长，施工难度越大，每延米造价越高。超长锚杆在松散堆积体或滑体内钻进成孔过程中易塌孔，管靴与套管连接处、前后两节套管间连接处易断裂(20 m以上的深孔难以处理产生废孔)，采用套管跟进工艺时单孔钻进周期长。

(2)预应力锚索常见弊端分析：

①变形与受力特性：为有效传递荷载、减少流变、利于张拉锁定，提前施加预应力控制变形，预应力锚索均需设置自由段。鉴于自由段不具备加筋作用，该区域土体在浸水后稳定性较差，易发生浅层滑塌；同时传递到坡面格梁或抗滑桩上的支点力较大。

②力学性能：施工阶段与使用阶段，受多方因素影响，预应力损失情况较常见，需根据实时监测进行补张拉。

③经济合理性：与超长锚杆钻进质量管控相同，锚索越长，施工难度越大，每延米造价越高。

(3)抗滑桩常见弊端分析：

①质量与风险管控：人工挖孔桩无需大型机械、对滑体扰动较小，但施工中的有毒气体、地下水等突发性灾害，护壁与锁口的施工质量，现场的组织管理等问题突出；机械成孔对滑体扰动较大，易发生次生灾害。

②经济合理性：常采用间隔成桩，混凝土浇筑与养护时间较长，对紧急抢险等有工期限制的工程有一定的局限性。

2.2 钢管与全黏结锚杆复合加固体系

本工程两个滑区相对独立，滑带深度相对较浅，借鉴隧道管棚的构造思路，将钢管与全黏结锚杆相组合加固滑体：①施工时充分利用大直径钢管的护壁能力，有效控制滑体内钻进成孔过程中的塌孔问题，节省套管，降低超长锚杆施工难度；②使用阶段钢管作为受力构件，解决单一钢筋抗拉强度不足，无法与锚固体抗拔强度相协调的问题；③辅以管内劈裂渗透注浆，加强组合体的整体刚度，改善滑体与滑带土体性质，进一步增大滑带区域的抗剪强度。

钢管采用外径127 mm(壁厚6 mm)和外径76 mm(壁厚6.5 mm)两种规格热轧无缝钢管，标准节段长6 m，分段拼装达到设计长度；沿钢管周边打设注浆孔，孔径10～16 mm，孔间距15～20 cm，呈梅花形布置，端部保留1.5 m止浆段；管内加筋锚杆采用1～2根直径32 mm(HRB400)钢筋，钢筋之间点焊成束，钢筋周边每2 m设置一圈直径8 mm(HPB300)定位钢筋；管内采用劈裂渗透注浆，为确保浆液扩散效果，水泥选用超细水泥(比表面积800 m2/kg)，注浆时根据孔深动态调节注浆压力(0.2～1.2 MPa)，组合体断面见图6。

图6 组合体设计断面(以127钢管为例)

针对滑体不同区域分块加固处理：成洞面采用127钢管(长14～20 m，间距1.5 m，内置1～2根φ32钢筋骨架)；仰坡采用76钢花管(长24～25 m，间距1.5 m，内置1根φ32钢筋骨架)；后缘滑坡体按1∶3修坡，每级坡高3 m，平台宽3 m，采用76钢花管(长14～22 m，间距2.0 m)，平台竖向打设76钢花管(长5 m，间距2.0 m)；两侧边坡采用76钢花管(长9～17 m，间距1.5 m，内置1根φ32钢筋骨架)。滑体分区打设8～30 mPVC排水管(直径100 mm)，坡面采用框架梁+网垫植草防护。(见图7、图8)

图7 滑体加固断面布置图

图8滑体加固平面布置图

3 数值模拟计算

本文采用基于强度折减的有限元法进行边坡稳定数值模拟。在稳定计算的过程中，不断折减岩土体的抗剪强度指标，将边坡到达极限状态时土体强度的折减系数定义为安全系数[11-12]。计算公式为：

∑Msf=c/cm

(1)

∑Msf=tanφ/tanφm

(2)

式中：c、φ为土体实际抗剪强度参数；cm、φm为极限状态下土体的抗剪强度参数；∑Msf为边坡安全系数。

3.1 计算模型

选取I号滑区最不利断面，结合工程地质条件以及计算目的，简化数值计算模型。模型地层由上至下主要为：①第四系全新统坡洪积层(Q4dl+pl)，分布于整个滑坡滑体，主要为粉质黏土，分为可塑状和软塑状两个亚层；②上侏罗统蓬莱镇组(J3pl)，分布于整个滑坡滑床，主要为粉砂质泥岩，分为强风化带和中等风化带。计算模型取长约235 m，高约76 m，以消除边界条件的影响；采用15节点平面应变单元进行离散。(见图9)

3.2 材料参数

滑床、滑体岩土层均视为弹塑性材料，服从莫尔-库伦屈服准则；框架梁视为线弹性材料，以板单元模拟，抗弯刚度EI等效转化为平面应变问题；注浆体、钢管、全黏结锚杆视为弹性材料，用嵌入式排梁来考虑。相关材料参数相见表1。

图9数值计算模型(单位：m)

表1 数值模型参数

3.3 滑坡加固效果分析

分析加固前滑坡的位移场可知，该堆积体滑坡存在多级滑带，深层滑带位于坡洪积层与下伏强风化基岩分界面，浅层滑带位于冲沟堆积体内。坡脚分布放射状鼓胀裂缝，剪出明显，成洞面位移最大约1430 mm；各级平台与坡面可见横向拉裂缝，缝宽约80～130 mm；坡顶陡坎高差约270～330 mm。(见图10)

图10 加固前洞口变形(单位：cm)

分析加固后边坡的位移场与应力场可知，加筋体的作用改变了原滑带的分布状态，滑带整体下移明显，上缘拉裂区后移，各级滑带大致与土岩界面平行，滑体由多级牵引式滑动剪出变为沿土、岩分界面整体滑动剪出。加固后边坡浅层滑动(对应滑带1)安全系数约1.53，提高约178%，边坡滑动(对应滑带4)安全系数约1.31，提高约47%，坡脚位移约1.83 mm，平台位移最大约3.44 mm，坡顶位移约1.28 mm。(见图11—图15)

图11 加固后洞口变形(单位：mm)

图12 加固后边坡增量剪应变

图13 加固后边坡增量位移(单位：mm)

图14 加固前后边坡安全系数

图15 现场施工照片

4 结论

(1)充分利用大直径钢管的护壁能力，有效控制滑体内钻进成孔过程中的塌孔问题，降低超长锚杆的施工难度。节省套管，降低工程造价。

(2)钢管作为受力构件共同参与工作，解决单一锚杆筋体抗拉强度不足，无法与锚固体抗拔强度相协调的问题。通过管内劈裂渗透注浆，加强组合体的整体刚度，改善滑体与滑带土体性质，进一步增大滑带区域的抗剪强度，有效约束滑坡变形。

(3)基于有限元强度折减法分析，加筋体的作用改善了原滑体的多级牵引式滑动的不利状态，滑带整体下移明显，上缘拉裂区后移，各级滑带大致与土岩界面平行，加固后滑坡由多级牵引式滑动剪出变为沿土、岩分界面整体滑动剪出。

经计算，加固后边坡浅层滑动(对应滑带1)安全系数约1.53，提高约178%，边坡滑动(对应滑带4)安全系数约1.31，提高约47%，坡脚位移约1.83 mm，平台位移最大约3.44 mm，坡顶位移约1.28 mm，加固效果明显。