临近隧道边坡预应力锚索加固效应研究

何乃贵，尹定鹏

（1.中铁隧道集团一处有限公司，重庆 400000；2.重庆交通大学，重庆 400074）

预应力锚索加固技术是边坡加固的一种常见技术。目前，对预应力锚索的研究主要集中在锚索预应力损失、锚固参数的研究及工艺研究三个方面。在预应力损失方面，由于锚索长期工作会出现松弛现象,需通过再次张拉提高锚索拉力以保证锚固效果[1]；在锚固参数研究方面，锚固段长度、锚索倾角及预应力等锚固参数对锚固效果影响较大，锚固参数在不同工况下具有最优解，按最优解设计经济效益高[2]；在工艺研究方面，锚索常与抗滑桩、挡墙结合作为支挡结构，分析桩、土之间存在土拱效应，锚索设计参数与桩间土体稳定性及抗滑桩承载力之间具有定量关系。随着机械工艺的发展，先进锚索施工器械如高强钻杆、柔性锚索及微型钻机等对推动锚固技术特别是高精度水平锚索技术的发展有着非常积极的作用。

1 工程概况

重庆市轨道四号线一填方边坡，其填方高度不大，但实地地形陡峭、现状挡墙无规律、设计边坡距离右侧既有隧道近，边坡加固时应考虑对隧道的影响。该边坡地层有第四系人工素填土、残坡积粉质黏土、侏罗系中统上沙溪庙组砂泥岩等，边坡区段未见断层通过，层间裂隙不发育，无滑坡、危岩崩塌、泥石流、软弱夹层等不良地质现象和地质灾害分布。

2 预应力锚索加固施工

根据项目工程地质、水文地质和现场空间状况分析，采取先修支挡结构再填方的方法施工，具体施工工序：（1）施工锚索钻孔，注意清孔并埋设锚索，通过注浆管注浆、补浆。（2）施工抗滑桩和挡墙。桩施工过程中，应在桩设计锚拉位置点预留桩锚孔以备后续锚索封锚。（3）待上述施工完毕后进行填方作业，填方时禁止大型振动机械运作，减少对原有边坡扰动，填方后应压实土体。（4）将锚索在锚拉位置点处张拉，达到设计张拉力后封锚。施工示意图如图1所示。

上述施工方法加固效果需进行数值模拟计算，以保证边坡稳定及施工安全。

3 边坡预应力锚索加固效果研究

3.1 计算模型

图1 预应力锚索加固施工示意图

（1）几何模型建立。该模型采用midas GTS NX软件进行数值模拟计算，midas GTS NX可提供完全的三维动态模拟功能。程序提供应力分析、动力分析、渗流分析、边坡稳定分析、预应力锚索分析、衬砌分析和设计功能，并提供摩尔库伦、修正摩尔库伦、邓肯—张、修正剑桥等14种本构模型，能准确模拟边坡预应力锚索加固。根据右侧填方边坡的几何条件、地质条件及设计加固材料参数，先利用AUTO CAD软件建立边坡二维几何模型，导入midas GTS NX后进行平面网格划分，再扩展形成三维网格组，根据岩土体力学参数和加固材料参数建立材料属性，并对各网格组赋予材料属性，最后添加荷载及约束进行计算。模型如图2所示。

图2 三维边坡加固模型

（2）模型参数。该模型中岩土体主要由人工填土、砂岩和泥岩构成，原地层主要分上、中、下层，其中上部岩层为7～16m砂岩，中层为5m厚泥岩，考虑到地下结构应力分布在结构尺寸3～5倍范围内变化较大，建模时取下层砂厚度为54m，模型中填方共建立2处，隧道左侧填方高度为10～14m，隧道上方填方高度为5m，填方土体均为人工素填土。模型中隧道及人防洞支护体系为C30喷射混凝土加锚杆组合，根据实际工程情况，模型中共建立9根抗滑桩，沿纵向间距6m排列，各抗滑桩均为C30现浇钢筋混凝土桩，桩长为28m，其中嵌入土体长度为18m，各桩断面为2m×1.5m矩形；预应力锚索锚固段长度为8m，模型中锚索设置为断面面积为0.025m2的实心圆形。该模型长194m、宽50m、高78m，单元总数为155142个，节点总数为158202个。

（3）支护工况。根据实际支护情况对模型设置现状边坡初始应力及变形分析，土体回填后边坡变形及应力分析，加入挡墙、抗滑桩及预应力锚索并进行填方后边坡变形三个支护工况。

3.2 模型计算结果分析

根据现场施工状况，对预应力锚索加固效果评估最直接的指标是边坡竖向沉降，可通过计算结果进行对比。

（1）边坡沉降变形分析。各工况边坡竖直方向位移如图3所示。图3（a）反映出初始状态下边坡竖直沉降主要发生在隧道下层砂岩，且整体变形量基本相同，约20mm；隧道左侧砂岩变形较小，约14mm。这是因为中层泥岩受上部砂岩重力作用产生压缩变形，所以上部砂岩出现整体沉降。右侧上部砂岩自重大，故沉降量大；左侧上部砂岩自重小，沉降量较小；下层砂岩弹性模量大，受上部荷载的作用压缩变形小，沉降小。图3（b）表示填入素填土且不加任何支护措施的边坡沉降，由于主要研究素填土沉降，故将初始位移清零后再进行填土变形计算，可以看出，素填土变形从左至右依次增大，变形图反映出不加支挡结构填土将导致边坡变形大，剪切应力增大，边坡将沿最大剪切应变形成的圆弧滑动面滑动，在实际工程中应设置支护结构加固边坡。图3（c）表示位移清零后加入挡墙、抗滑桩和预应力锚索后边坡沉降变形图。从图中可以看出加入挡墙后，填方最大沉降出现在填土中上部，填方不至于变形过大产生坍塌；预应力锚索结合挡墙及抗滑桩能有效改善填方土体稳定性，是边坡支护结构中的主要形式之一。

图3 边坡竖向位移图

各工况边坡水平方向位移如图4所示。图4（a）反映出初始状态下边坡水平位移主要发生在隧道右侧上层砂岩，这反映出该边坡的形成过程中整个地层水平方向的位移，该处土体已经固结完成，未填方时边坡稳定。从图4（b）可以看出，左端素填土变形比右端填土大，原因是左端填方高度比右端高，未加支护时填土易沿临空面滑动变形。图4（c）表示加入挡墙、抗滑桩和预应力锚索后边坡水平位移图，图中显示加入挡墙后，填方水平位移明显减小，填方不至于变形过大产生坍塌。通过对比3种工况发现，对有素填土的边坡沉降较大，应进行沉降计算，边坡沉降应满足规范要求；预应力锚索及桩板挡墙能有效控制边坡变形，是一种良好的边坡加固结构。

图4 边坡水平方向位移图

（2）边坡应力分析。各工况边坡最大主应力如图5所示。通过对比3种工况最大主应力分析发现，边坡初始状态下的最大主应力与填方后的最大主应力分布基本相同，但与用预应力锚索加固后的最大主应力分布有明显差异。图5（c）反映出抗滑桩和挡墙对岩土体的加固主要是给墙后岩土体提供预压力，从而抑制岩土体的水平及竖直位移，达到维持边坡稳定的效果。

各工况边坡最大剪应力如图6所示。3种工况的边坡最大剪应力图反映出边坡初始状态下的最大剪应力与填方后的最大剪应力分布基本相同，但与用预应力锚索加固后的最大剪应力分布有明显差异。图6（c）反映出抗滑桩和挡墙对岩土体加固时会由于岩土体作用力受到剪切应力，因此在边坡加固设计时，应进行抗滑桩的抗剪强度验算和预应力锚索的预应力计算，保证施工安全及边坡加固方案可行。

图5 边坡边坡第一主应力图

4 结束语

通过对3种工况的水平位移和竖向位移数据对比分析，可得出以下结论：（1）素填土的沉降较大，在填方边坡加固时应考虑到填方对边坡稳定性的影响，预先进行稳定性分析，尽量先施工挡墙及抗滑桩，再填土，保证施工安全。（2）抗滑桩及挡墙结构会受到较大的土压力及剪切应力，在支护设计时应保证其抗压、抗折和抗剪强度满足设计要求。（3）预应力锚索可通过锚索张拉对加固岩土体施加预应力，从而抑制岩土体变形，采取抗滑桩、挡墙和预应力锚索组合的方式进行边坡支护可达到良好的加固效果。

图6 边坡最大剪应力图