滑坡治理工程的下托式抗滑桩-隧道组合体系

牌立芳，赵 金，吴红刚，李玉瑞

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730070;3.中国中铁滑坡工程实验室，甘肃 兰州 730070；4.西部环境岩土及场地修复技术工程实验室，甘肃 兰州 730070)

0 引言

随着高速铁路运行的要求，在修建高速铁路时要完全回避滑坡地段是不可能的，在经过综合的技术经济比较后路线不宜变更时，线路多以隧道形式通过滑坡地段[1]。

近年来国内外对滑坡的发生、发展及其变形防治方面取得了丰硕的成果。WHITTALL J R[2-3]等以概率框架为基础，描述了滑坡发生的可能性以及由此产生滑坡的可能性；FUJISAWA K[4]在Otomura(奈良县，日本)附近的国道168的挡土墙上出现了诸如裂缝和沉降等边坡不稳定迹象阐述了滑坡激活的影响以及为评估滑坡灾害和预测失效时间；赵杰[5-6]通过对福建省永武高速公路永安段箭丰尾超大型滑坡治理措施及施工后效果评价的研究，分析了箭丰尾超大型滑坡发生的机理，得出了坡体遇持续的强降雨的变形特点，并制定了综合治理方案；李星[7]依托马家坡滑坡提出了一种适用于“V”字形沟谷地带中小型滑坡治理的新型抗滑体系一抗滑桩-拱形系板-挡止墙组合结构，即抗滑桩、挡土墙通过拱形系板连接而成的联合支挡结构，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，对该结构体系受力机理、受力特点、内为计算方法进行了研究；朱灿群[8]以重庆市黄莲树滑坡工程为依托，采用理论分析和数值模拟等方法对不同工况下滑坡的稳定性进行了较为深入的研究。

然而此类研究主要集中在滑坡变形机理的复杂性和防治技术研究[9-11]，但是对于隧道穿过滑坡地段修建时，其防治加固显然不是单纯的隧道或滑坡，而应该将二者结合起来综合考虑。但将隧道-滑坡病害结合起来综合分析治理的研究工作却做的不够。罗海翔等[12-13]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；吴红刚[14-15]以武罐高速公路阳坡里隧道为原型，建立地质力学模型研究工程预加固及其作用机制，试验研究隧道-滑坡体系在有预加固工程和没有预加固工程条件下正向、反向开挖时的滑坡位移、稳定性变化规律。本文以襄渝线某隧道工程为依托(图1)，一方面利用FLAC3D软件建模计算分析下托式抗滑桩支档结构的加固效果；另一方面通过有无支挡结构下隧道开挖工况监测数据分析，进一步研究下托式抗滑桩支挡结构对隧道-滑坡变形及稳定性的影响。综合数值分析及数据监测，说明下托式抗滑桩支挡结构主要对隧道以下滑体的变形起着一定的控制作用，具有重要的工程实践意义。

图1 滑坡区隧道-抗滑桩平面位置图Fig.1 Plan of the tunnel-anti-slidiy piles

1 计算模型建立

1.1 材料参数

根据《襄渝线旗杆沟隧道病害(赵家塘滑坡)工程地质勘察报告》以及《铁路隧道设计规范TB10003-2016》可知天然状态下的滑体、滑带、滑床基岩、隧道衬砌和抗滑桩材料参数见表1。

表1 材料参数取值

抗滑桩在桩隧间距为15 m时这里定义为抗滑桩A。

1.2 有无支档结构的数值模型

网格划分模型见图2、图3所示，隧道在深层滑动带上，绿色部分为滑体，红色部分滑带选用的是接触面单元，蓝色部分是基岩。

图2 无支挡结构模型网格划分Fig.2 Meshing model of the model without retaining structures

图3 抗滑桩加固模型网格划分(距隧道15 m)Fig.3 Meshing diagram of the model with the reinforcement of the anti-slide piles (15 m away from the tunnel)

2 数值结果分析

在隧道开挖后，通过衬砌支护下隧道的应力和变形云图、以及坡体沉降来分析有无支挡结构对滑坡隧道的影响，通过抽取坡体表面、滑带以及衬砌上的特殊点的最终变化来验证下托式抗滑桩结构对隧道-滑坡的加固效果。

2.1 无支挡结构下隧道的应力及变形云图

在无支挡结构下(图4)，隧道开挖后衬砌仰拱结构不但受剪力作用而且还承受拉力的作用，在这种剪、拉外力综合作用下，衬砌仰拱容易产生开裂。并且在隧道与滑面相交处，隧道直墙先受剪后受拉，易发生挫动和开裂。

图4 无支挡结构条件下隧道的位移及应力应变云图Fig.4 Displacement and stress-strain diagram of the tunnel without unsupported structures

2.2 有支挡结构下隧道的应力及变形云图

在下托式抗滑桩支挡结构下(图5)，隧道开挖后衬砌仰拱以及隧道与滑面相交处直墙都只承受剪力作用，受力状态较为单一。相比无支挡结构下的隧道，隧道的变形和内力均有大幅减小。无支挡结构下，隧道最大变形为2.349×10-2m；在下托式抗滑桩支挡结构下，隧道最大变形为1.704×10-2m。

图5 抗滑桩加固条件下隧道的位移及应力应变图Fig.5 Displacement and stress-strain diagram of the tunnel with the reinforcement of the anti-slide piles

通过对比分析可以看出，在下托式抗滑桩支挡结构加固作用下，隧道开挖后衬砌变形明显减小，且改善了隧道衬砌的受力状态，尤其对衬砌仰拱处的受力模式改变显著，减小仰拱的变形破坏。

3 有无支挡结构下隧道开挖后坡体的变形

为更好的分析下托式抗滑桩支挡结构的加固效果，在开挖工况下，我们通过抽取坡体表面、滑带以及衬砌上的特殊点的最终变化对比分析无支挡结构下同种工况下隧道受力及滑坡的变形来验证下托式抗滑桩结构对隧道-滑坡的加固效果，图6为坡体地表、滑带及隧道监测点布置简图。

图6 坡体地表、滑带及隧道监测点布置简图Fig.6 Schematic distribution map of the monitoring points of the slope surface、slide belt and tunnel

3.1 坡体地表变形

在无支挡结构下，隧道开挖后坡体顶部滑体的变形最小，隧道周围坡体的变形较大，且局部存在一定的挤压变形，如9号点出现地表隆起，11号出现沉降变形。通过表2数据分析可以得出，在无支挡结构下，隧道开挖后，滑体主要发生滑移和沉降变形，但变形随其位置的不同呈现不均匀变化。

在下托式抗滑桩支挡结构下，开挖隧道后坡体顶部滑体的变形最小；且对隧道上部土体的挤压受力变形有着一定程度的改善。相比在无支挡结构下隧道开挖结束后，其沉降变形要小，尤其是对隧道上部土体的变形影响明显。通过对比发现，下托式抗滑桩支挡结构对隧道以下滑体的滑移和沉降有着一定的限制作用，并对隧道与滑面相交处的土体受力状态有一定的改善。

3.2 滑带变形

无支挡结构下隧道开挖结束后，在隧道与滑面相交处山侧滑带土的变形较大，且在一定范围内离隧道越远，滑带土的变形就越小。在无支挡结构下隧道与滑面相交处滑带土体易产生挤压变形，如2号点发生挤压膨胀变形、1号点发生沉降变形。

在下托式抗滑桩支挡结构下，隧道开挖后山侧滑带土的变形较大，且在一定范围内离隧道越远，滑带土的变形就越小；在隧道与滑面相交处滑带土体的变形变化明显。通过对比发现，下托式抗滑桩支挡结构对隧道以下滑带的滑移和沉降有着一定的限制作用，并对隧道与滑面相交处的土体受力状态有一定的改善。

3.3 有无支挡结构下隧道的应力及变形

在无支挡结构下，隧道开挖结束后仰拱的沉降呈中间较大两边相对较小的不均匀分布规律，表明其底部岩土抗力呈曲线分布。在隧道与滑面相交处直墙山侧的水平位移最大为9.78×10-3m，说明该点的滑坡推力最大，隧道容易在该点发生剪切破坏；且该点的沉降也很大为6.10×10-3m，说明从拱顶上部传递的力相对较大，间接说明拱顶上部的围岩压力分布不均匀；从表中亦可以得出，直墙河侧的压力分布也不均匀。隧道拱顶靠近山侧沉降变形最大为8.40×10-3m，靠近河侧相对较小为-1.70×10-3m,表明其围岩压力分布不均匀，山侧较大、河侧较小。

通过表2、表3、表4中数据对比分析可以看出，抗滑桩结构对隧道衬砌的变形有较好的控制效果，表明在下托式抗滑桩支档结构加固作用下，隧道衬砌的受力状态有一定程度的改善，尤其对隧道与滑面处变形控制有着较好的效果，在一定程度上可避免隧道发生剪切变形破坏。

表2 坡体表面监测点的变形值

表3 滑带处监测点的变形值

表4 衬砌监测点变形值

3.4 桩-隧间距对隧道开挖后坡体的变形影响分析

为研究桩-隧间距对隧道-滑坡体系的影响，以隧道滑坡正交体系为例，通过抽取坡体表面、滑带以及衬砌上的特殊点的变化，分析桩-隧间距对隧道-滑坡的影响。

3.4.1桩-隧间距对滑坡地表的影响分析

在隧道开挖衬砌支护结束后(图7)，当桩与隧道的距离在0～40 m范围内时，桩-隧间距的变化对坡顶与坡脚位置的土体沉降和滑移在小范围内有影响，沉降量和滑移值变化较小；但桩-隧间距的变化对隧道周围上部土体的沉降和滑移影响较大，即随着桩-隧间距的增大，滑体地表沉降值不断增大。这表明下托式抗滑桩支挡结构主要限制隧道以下滑体的滑移与沉降。

图7 桩-隧间距对滑坡地表变形影响Fig.7 The influence of the distance between pile and tunnel on the deformation of the landslide surface

3.4.2桩-隧间距对滑带的影响分析

在隧道开挖衬砌支护结束后(图8)，当桩与隧道的距离在0～40 m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-隧间距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。

图8 桩-隧间距对滑带变形影响Fig.8 The influence of the distance between pile and tunnel on the deformation of the sliding belt

3.5 桩-隧间距对隧道开挖后衬砌的变形影响分析

3.5.1桩-隧间距对仰拱的变形影响

在隧道开挖衬砌支护结束后(图9)，从桩-隧间距对仰拱的影响曲线可以得出：当桩与隧道的距离在0～25 m范围内时，由于桩-隧间距不断增大，仰拱的变形不断增加；当桩与隧道的距离在25～40 m范围内时，当桩-隧间距不断增大时，仰拱的变形不断减少。

图9 桩-隧间距对隧道仰拱的变形影响Fig.9 The influence of the distance between pile and tunnel on the deformation of the tunnel invert

3.5.2桩-隧间距对拱顶的变形影响

在隧道开挖衬砌支护结束后(图10)，从桩-隧间距对拱顶影响曲线可以得出：当桩与隧道的距离在0～25 m范围内时，桩-隧间距不断增大则拱顶竖向位移不断增加，但拱顶的水平位移不断减小；当桩与隧道的距离在25～40 m范围内时，桩-隧间距不断增大则仰拱的竖向位移呈减小趋势，但水平位移呈增加趋势。

图10 桩-隧间距对隧道拱顶的变形影响Fig.10 The influence of the distance between pile and tunnel on the deformation of the tunnel dome

3.5.3桩-隧间距对直墙的变形影响

在隧道开挖衬砌支护结束后(图11、图12)，从桩-隧间距对隧道直墙山侧、河侧的影响曲线可以得出：当桩与隧道的距离在0～25 m范围内时，桩-隧间距不断增大，直墙山侧的竖向位移和水平位移不断增加；当桩与隧道的距离在25～40 m范围内时，桩-隧间距不断增大，直墙山侧的变形呈减小趋势。直墙河侧的变形相对于山侧较小，但桩-隧间距对其变形影响趋势基本相同。

图11 桩-隧间距对隧道直墙山侧的变形影响Fig.11 The influence of the distance between pile and tunnel on the deformation of the side of the tunnel straight wall

图12 桩-隧间距对隧道直墙河侧的变形影响Fig.12 The influence of the distance between pile and tunnel on the deformation of the tunnel side wall

4 结论

本文一方面通过利用FLAC3D软件建模计算分析下托式抗滑桩支档结构的加固效果；另一方面通过有无支挡结构下隧道开挖工况监测数据分析，得出如下结论。

(1)下托式抗滑桩支挡结构加固作用下，隧道开挖后衬砌变形明显减小，且改善了隧道衬砌的受力状态，尤其对衬砌仰拱处的受力模式改变显著，减小仰拱的变形破坏。

(2)下托式抗滑桩支挡结构对隧道以下滑体的滑移和沉降有一定的限制作用，并对隧道与滑面相交处的土体受力状态有一定的改善。

(3)下托式抗滑桩加固作用下，隧道衬砌的受力状态有一定改善，尤其对隧道与滑面处变形控制有较好的效果，在一定程度上可避免隧道发生剪切变形破坏。

(4)桩-隧间距对隧道衬砌、滑体地表沉降以及滑带的变形都有着不同程度的影响，但与其位置有很大关系。