工程扰动对隧道—滑坡正交体系影响的试验研究

陈晋波

摘要： 研究目的：本文通过地质力学模型试验，研究后排埋入式抗滑桩布置间距的差异对隧道-滑坡正交体系的影响，重点讨论在加载和坡脚开挖工况下，后排埋入式抗滑桩布置间距的差异对坡脚预应力锚索抗滑桩的桩顶水平位移和隧道应变的影响，以及后排埋入式抗滑桩桩顶水平位移的变化趋势。研究结论：①后排埋入式抗滑桩布置间距差异，对主滑段左半幅埋入式抗滑桩的受力状态影响较大。②后排埋入式抗滑桩布置间距差异，对坡脚对应部分的预应力抗滑桩受力状态有较大影响。③后排埋入式抗滑桩布置间距差异对隧道沿纵向应变分布规律有较大影响；加载和坡脚开挖对滑坡稳定均有一定的影响。

Abstract： Research purposes： This paper mainly studies， with the Tunnel-Landslide Orthogonal system， the influence of the different distance of back row buried anti-slide piles through large geological mechanics simulation model test， and mainly analyzes that the different distances of back row buried anti-slide piles affect the displacement of the anchor anti-slide piles in the slope toe， the strain of Tunnel， and change of the displacement of back row buried anti-slide pile in two stages of the application of load and slope toe cutting. Research conclusions： In two stages of the application of load and slope toe cutting：①the different distance of back row buried anti-slide piles produce a larger influence on the left of the main section of the back row buried anti-slide piles； ②the different distance of back row buried anti-slide piles affect the force of the corresponding anchor anti-slide piles in the slope toe； ③the different distance of back row buried anti-slide piles have a great influence on the tunnel along the longitudinal strain， and the application of load and slope toe cutting affect the security and stability of landslide to some degree.

关键词： 工程扰动；隧道；滑坡；模型试验；应变

Key words： engineering disturbance；tunnel；landslide；model test；strain

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）24-0133-04

0 引言

我国是一个多山的国家，滑坡灾害也相应很多，有时因客观因素限制，隧道将不可避免地靠近甚至穿越滑坡。抗滑桩是加固滑坡的一种重要的支挡结构[1-3]。一般情况下，在滑体适当位置设置一排抗滑桩即可加固滑体。但当滑体规模较大、滑坡推力巨大，设置一排抗滑桩需较大截面，成本偏高或者难以有效支挡，这时两排或多排抗滑桩常常成为首选方案，但其合理布置型式显得非常关键。因此，以上挡下托式抗滑桩作为支挡结构，研究双排抗滑桩布置型式的不同对隧道滑坡体系的影响是十分必要的，而且可为抗滑桩优化设计提供参考。

目前，国内外对穿越滑坡的隧道的受力和变形以及采用上挡下托式抗滑桩结构加固滑坡方面等均有一定的研究，吴红刚[4]对隧道-滑坡体系的类型和隧道变形的模式进行了研究。陶志平[5]等研究了穿越滑坡地段的隧道变形地质力学模型。赵志刚[6]等对穿越滑坡的隧道综合防治技术进行了研究。本文主要通过在加载和坡脚开挖两种工况下，研究抗滑桩布置型式的差异，对隧道滑坡正交体系的影响。为了便于叙述，将布置于主滑段的左、右半幅埋入式抗滑桩统称为后排抗滑桩，坡脚段预应力锚索抗滑桩称为前排抗滑桩。

1 试验设计

1.1 试验目的

本次模型试验采用上挡下托式抗滑桩作为支挡结构，以细沙作为滑体材料，人工设置滑动面，模拟在加载和坡脚开挖工况下，结构布置差异对 “隧道-滑坡”正交体系的影响研究。重点研究在不同工况下：①不同位置抗滑桩的桩顶位移变化趋势；②后排埋入式抗滑桩对前排预应力锚索抗滑桩的影响；③在上挡下托式结构支护下，后排抗滑桩布置差异对隧道的应变影响。

1.2 试验模型设计

此次模型试验依托宝兰客专建设工程，在试验工地人工搭建大型模型箱，模型箱尺寸为：长960cm，宽470cm，高480cm。试验中抗滑桩长均为1m，具体布置为：①滑坡主滑段桩为埋入式抗滑桩，其中悬臂段长50cm，锚固段（埋入基岩）长50cm。②坡脚段桩设為预应力锚索抗滑桩，锚索长1m与水平轴成22度夹角，其中锚固段锚索长为50cm，自由段长50cm。滑坡坡面为水平倾角21°的单面斜坡，隧道埋设于滑体抗滑段。试验模型设计面剖图，如图1所示：

试验中，上挡下托式抗滑桩布置如图2所示：第一排桩为桩-隧道中心间距80cm的预应力锚索抗滑桩，布置于坡脚，共布置27根桩。第二排桩为桩-隧中心间距80cm的埋入式抗滑桩，布置在滑体主滑段左侧，共布置14根。第三排桩为桩-隧中心间距160cm的埋入式抗滑桩，布置在滑体主滑段右侧，共布置13根。

1.3 试验材料的选择

依据宝鸡至兰州客运专线秦安县境内典型“隧道-滑坡”正交体系，结合本次试验模型台的尺寸，综合选取原型与模型的几何相似比为1：50，其余主要原型和模型材料性质及参数选取如表1所示。

1.4 模型试验元件布置

本次模型试验，采用应变片、百分表以及采集设备数据采集仪试验全过程进行监测。隧道埋设于抗滑段与主滑段交界处，两端接长并用石膏固结。隧道应变片的布置方式为：沿隧道两侧纵向等间距各布置30个电阻式应变片，共计60个（如图3所示）。具体布置如图3所示。

试验中共使用8块百分表（如图2所示），监测断面1-1、断面2-2桩顶水平位移。其中1、2、3、4号为埋入式抗滑桩，1′、2′、3′、4′测为预应力锚索抗滑桩，其中监测1、2、3、4桩桩顶位移时接长50cm，并用不透水胶带粘贴牢固。

2 试验过程

试验通过加载和坡脚开挖两个工况，研究支挡结构布置差异（位置、间距），对隧道滑坡正交体系的影响。

2.1 加载阶段

试验采用人工加载的方式，直接作用在预留的加载平台上，一共加载5个等级 。每一级加载20袋沙，每沙袋重25kg，间隔半小时加载一次。图4为第5次加载结束后，现场采集照片。

2.2 坡脚开挖阶段

坡脚开挖采用人工开挖方式，每隔1小时开挖一次，每次开挖长度为20cm，一共开挖7次。图5为开挖结束后的照片。

3 试验结果

滑体沿潜在滑动面滑动时，由于抗滑桩埋设位置的不同以及所用抗滑桩种类的不同，各排抗滑桩在各个阶段的受力状态是有差别的。本文重点通过研究在加载和坡脚开挖工况下，后排埋入式抗滑桩布置差异对不同位置抗滑桩桩顶位移以及隧道的应变影响。

3.1 加載阶段

3.1.1 桩顶水平位移S-t曲线图

加载工况下，加载前、后分别记录一次百分表数据；加载结束后 ，每半小时记录一次数据。待数值稳定后，间隔1小时记录一次数据，直至试验完成。

从图6中可以看出，在第一次加载结束后，1号桩和2号桩水平位移首先增大，且由于2号桩离加载平台较近，2号桩桩顶水平位移增加幅度较大。在第二次加载结束后，虽然重量不断增加，但因滑体底部砂砾蠕动，滑面附近埋入式抗滑桩发生局部剪切，抗滑桩向后倾倒，桩顶位移值减小。随后由于荷载的不断施加，砂砾沿潜在滑动面贯通，滑体整体下滑，埋入式抗滑桩桩顶位移较快增加。在加载完成1小时后，1号埋入式抗滑桩位移成倍增加，表明抗滑桩布置型式的差异，对抗滑桩的受力有很大影响。

从图7中可以看出，随着荷载的不断施加，坡脚段预应力锚索抗滑桩桩顶位移不断增加，且由于后排埋入式抗滑桩的布置差异，1′号预应力抗滑桩位移增长幅度较快。从图6、7可以看出，后排埋入式抗滑桩的布置差异对前排对应的预应力锚索抗滑桩桩顶位移影响较大。

3.1.2 加载阶段隧道应变曲线图

从图8、9中可以看出，在加载工况下，由于后两排抗滑桩布置的差异，隧道的纵向应变分布不再呈中间大，两端小的变化趋势，而是隧道局部应变突变明显。

总体来看，随着荷载的不断施加，隧道山侧、河侧应变不断增加，且山侧应变比河侧要大。在加载过程中，隧道的山侧应变沿纵向变分布相似，河侧应变沿纵向分布相似。

3.2 坡脚开挖阶段

坡脚开挖阶段，开挖前、后分别记录一次百分表数据；坡脚开挖结束后，每半小时记录一次数据。待数值稳定后，间隔1小时记录一次数据，直至试验完成。

3.2.1 桩顶水平位移S-t曲线图

从图10中可以看出，随着坡脚开挖的不断进行，后排埋入式抗滑桩桩头位移不断增加，且由于后排埋入式抗滑桩布置型式的差异，1号埋入式抗滑桩位移增长较快（图10）。坡脚开挖对滑坡稳定有一定的影响。

从图11中可以看出，在第一次坡脚开挖结束后，预应力锚索抗滑桩位移首先增大。随着开挖的持续进行，预应力锚索抗滑桩位移在小幅度波动后，不断增大。由于预应力锚索的作用，抗滑桩桩顶位移较小。后排埋入式抗滑桩布置差异对前排预应力锚索抗滑桩影响较大，表现为左侧预应力锚索抗滑桩位移增长迅速，受力状态不同。

3.2.2 坡脚开挖阶段隧道应变曲线图

从图12、13中可以看出，在坡脚开挖阶段，隧道山侧、河侧应变随着开挖的不断进行，隧道应变不断增大，且山侧、河侧应变沿纵向分布趋势相近。总体来看，隧道局部突变明显，山侧应变比河侧要大。

4 结论

通过分析在加载和坡脚开挖工况下，后排埋入式抗滑桩布置间距的差异，对不同位置的抗滑桩和隧道的影响，可以得出以下结论：

①后排埋入式抗滑桩布置间距差异，对主滑段左半幅埋入式抗滑桩的受力状态影响较大；对坡脚对应部分的预应力抗滑桩受力状态有较大影响；对隧道沿纵向应变分布规律有较大影响。

②加载和坡脚开挖对滑坡稳定均有一定的影响。随着荷载的不断施加，应变不断增加，且山侧应变比河侧要大；随着开挖的不断进行，应变不断增大，山侧应变比河侧要大。

③针对坡体病害地段的隧道工程建设与运营维护，建议预加固工程设计中应选择合理的桩排间距；施工中尽可能减小工程扰动影响，尽量采用预加固工程从根源上解决问题，切忌盲目卸载。

参考文献：

[1]铁道部第一勘测设计院.路基[M].北京：中国铁道出版社，1995.

[2]贺建清，张家生，梅松华.弹性抗滑桩设计中几个问题的探讨[J].岩石力学与工程学报，1999，18（5）：497-502.

[3]Griffiths D V，Lane P A.Slope stability analysis by finite elements[J]. Geotechnique，1999，49（3）：387-403.

[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，2012，31（增2）：3632-3642.

[5]陶志平，周德培.滑坡地段隧道变形的地质力学模型及工程防治措施[J].铁道工程学报，2006，23（1）：61-66.

[6]赵志刚，张志军，李德武，等.穿越滑坡段高速公路隧道综合防治技术研究[J].铁道工程学报，2013，30（3）：71-76.