滑坡隧道新型综合加固结构理论研究

尹　静，邓荣贵，傅晓英，孙春平

(1.西南交通大学土木工程学院岩土工程系，成都　610031； 2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，

成都　610065； 3.中建地下空间有限公司， 成都　610081)



滑坡隧道新型综合加固结构理论研究

尹静1，2，邓荣贵1，2，傅晓英2，孙春平3

(1.西南交通大学土木工程学院岩土工程系，成都610031； 2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，

成都610065； 3.中建地下空间有限公司， 成都610081)

摘要：当滑坡体厚度较大，隧道在滑面附近时，为了解决治理费用较高，施工难度大，工期较长的问题，提出一种滑坡隧道新型综合加固结构。治理理念是用锚索、抗滑桩和隧道衬砌加固结构，只对隧道及其与隧道稳定直接相关的洞周滑坡岩土体进行加固，针对该综合加固结构体系的特点建立物理力学模型，并对其内力进行理论分析，推导出加固结构体系中各单元结构轴力、剪力和弯矩的理论计算式；算例分析结果表明，锚索的作用使隧道边墙不利受力状态有所改善，据此可以通过调节锚索或隧道衬砌结构参数，使隧道加固衬砌、抗滑桩和锚固体各单元结构的受力达到均衡的合理状态。

关键词：滑坡隧道；抗滑桩；锚索；综合加固结构

山区复杂的地形和地质条件，公路或铁路线路往往不可避免地穿过滑坡或变形体等不良地质地段，或既有铁路或公路等隧道所在的斜坡体因环境条件变化或时效变形而形成滑坡，这样就构成所谓的“滑坡隧道”。滑坡隧道存在着程度不同的病害，如隧道整体随滑坡滑移，衬砌严重变形、开裂、剥落、掉块乃至隧道发生坍塌等，影响甚至中断线路正常运行。如成昆线东荣河长652.36 m的1号隧道，位于蠕变形滑坡体内，开通运营后不久隧道就出现变形现象，至1991年7月～9月隧道变形加剧，左右边墙上出现最大宽度近30 mm，长度不等的30余条锯齿状裂缝构成的裂缝带，延伸长度达150 m，带内隧道衬砌结构局部破裂塌落，隧道整体位移达1.5 m。虽经多次整治加固和局部改线仍未彻底根治病害，列车长期限速通过，造成了较大的社会影响和巨大的经济损失[1]。

滑坡隧道的研究首先是从隧道病害的处治开始的，20世纪70年代以前还没有滑坡隧道的概念，随着宝成铁路、成昆铁路和襄渝建成运营，隧道衬砌结构变形、开裂等病害现象逐渐增多，通过调查发现，许多病害现象与斜坡体变形和滑动即滑坡有关。文献[2-3]就坡体病害地段隧道变形特征进行了论述；文献[4-6]就滑坡区线路设计原则、隧道出口滑坡治理和岩体特性与隧道结构作用的有关理论做了阐述，提出了滑坡隧道的治理初步原则；文献[7-12]就具体的滑坡隧道病害治理技术进行了探讨，提出滑坡治理和隧道加固独立实施的原则，根据相关问题的初步调查而提出的上述治理经验，成功地根治了厚度较薄滑坡区的隧道病害，但没有就其形成原因，滑坡、围岩与隧道结构间的相互作用机理进行深入研究，效果不甚理想，有的经过多次治理仍未彻底根治。鉴于此，文献[13-17]才从滑坡形成原因，滑移中的滑坡体及隧道围岩与隧道结构相互作用力机理等方面进行研究，形成了滑坡治理与隧道结构加固分别实施的初步设计计算理论。

但是，对于滑坡隧道研究和处治技术尚存在以下主要问题。(1)目前对滑坡隧道的处理常常采用将滑坡治理和隧道加固分别进行的措施，即先对滑坡治理后，再对隧道的病害进行处理。采用这种传统的治理方式，多数处治工程取得了成功，积累了一些资料和经验，但处治的滑坡隧道仍然存在或多或少衬砌开裂、剥落或渗漏水等病害问题。(2)滑坡隧道处治设计还停留在经验阶段，没有合理或可靠的理论支撑，对于滑坡变形对隧道结构的作用机理研究不系统，致使进行过多次处治的滑坡隧道仍未根本解决病害问题。(3)当滑坡体厚度较大，隧道在滑面附近时，从工程经济性上考虑采用现有的“分治”方法，不仅费用较高，施工难度大，并且工期较长。因此，针对位于深厚滑坡体滑面上部附近的隧道加固问题，提出了只对与隧道稳定有关的周围及其下部滑坡岩土体进行抗滑锚固处治，充分利用滑坡下段滑面平缓的阻滑力作用，借鉴河流中停泊的船舶，任其河水川流不息，船体锚固于河床上岿然不动的理念，在隧道底部进行适当支撑，使隧道二衬结构、支撑桩与锚固结构形成一种新型的船锚式滑坡隧道综合处治加固结构体系。并就其内力计算理论公式进行推导，建立其设计计算理论，通过具体的工程实例得出隧道衬砌结构的受力分布规律，为滑坡隧道处治技术提供理论依据。

1滑坡隧道分类及滑体内隧道结构变形特征

1.1滑坡隧道的分类

对处于滑坡体中的隧道进行合理的受力分析是治理滑坡隧道的基础。隧道与滑坡的相互位置关系不同，表现的变形破坏特征就不同，其受力也不同。因此有必要对滑坡与隧道的相互位置关系进行分类，针对各种类型的变形受力特征进行分析。具体进行分类如下：(1)根据滑坡滑动方向与隧道轴线方向的夹角分为：滑坡滑动方向与隧道轴线平行、垂直正交、斜交；(2)根据隧道与滑面的不同位置分为：位于滑面上部、与滑面相交、位于滑面下部；(3)根据隧道所处的滑体中滑面的数目分为：位于单一滑面的滑坡体中的隧道和位于多级滑面的滑坡体中的隧道。

1.2滑体内隧道结构变形特征

滑坡引起隧道变形开裂的特征主要表现在两方面，一是隧道本身在滑坡体蠕动挤压作用下出现的变形开裂；二是隧道随滑坡体滑动和滑坡推力作用出现的整体外移，纵向弯曲，倾覆等[3]。

隧道位于滑体内时，隧道在纵向承受滑坡推力F、土体抗力P及滑坡未形成时的地压q，受力情况如图1所示。此时隧道受力类似简支梁，两端受较大的剪力，中部将承受较大的弯矩。在这种受力条件下，隧道两端易于出现环向裂缝，严重时出现横向错断，中部在滑坡推力作用及滑坡滑移影响下发生纵向弯曲，山侧边墙出现横向张裂缝[3]。

图1　位于滑体内时隧道的受力分析

认清滑坡隧道的受力破坏特征可以为滑坡隧道的加固提供指导意义，下面建立滑坡隧道处治综合加固结构体系力学模型。

2新型加固结构力学模型及理论分析

2.1新型加固结构力学模型

该新型加固结构体系包括锚固结构、隧道二衬结构及抗滑支顶桩3部分。其加固原理是通过锚索把隧道锚固于稳定的基岩内，同时加固隧道衬砌结构，将隧道衬砌作为锚索的反力装置；隧道底部设置抗滑桩，同时具有抗滑及支撑作用，隧道山侧滑坡推力主要由衬砌转移给锚索承担，抗滑桩主要承担隧道底部至滑面段的滑坡推力及由上部隧道传下来的岩土压力，锚索和抗滑桩共同作用以保持隧道水平及竖直方向的整体稳定。

在该种加固结构体系里隧道不仅作为交通设施，也作为抗滑结构的一部分。该新型加固结构目的在于保持只对与隧道稳定直接相关的洞周滑坡体的稳定，并改变隧道的不利受力状态，使隧道衬砌受力合理。另外，超静定结构比静定结构具有更大承载力，更好的稳定性，更小的变形，超静定级次越高其效果越好。综合加固结构将滑床作为桩(墩)和锚索稳定的支撑点，是一种高级次超静定结构。取加固结构某一截面，其力学模型如图2所示。为便于分析，特做如下简化。

(1)滑坡推力自地面按三角形分布，隧道靠滑动侧边墙承受滑坡推力为边墙竖向相应高度段的推力，呈梯形分布。隧道只承受上部土压力、靠滑动侧的滑坡推力，不考虑隧道外侧滑体的抗力作用及隧道顶部和底部与滑体的摩擦力。

(2)沿隧道纵向每排锚索承受相邻两排锚索之间的滑坡推力。锚索简化为弹簧，假设沿隧道纵向两排锚索的水平间距为S，那么单位长度隧道弹簧作用的等效刚度系数K=Kh/S(Kh为锚索的水平刚度系数)。

图2　新型加固结构力学模型

(3)抗滑桩与隧道边墙固结。由于隧道宽度相比滑面长度小得多，可认为两排桩处滑面为一水平面，即两排抗滑桩在滑体内的长度相等。同时假设两排桩的竖向位移相等，即VA=VB=V0，由于本文分析的加固结构靠近滑面附近，在滑面上的桩身较短，忽略其对加固结构内力的影响，因而在计算中竖向位移V0不予考虑。 后排桩主要作用是保持隧道竖向稳定，水平向主要承担两排桩之间的滑坡推力。

2.2隧道衬砌内力计算理论分析

将整个加固结构(包括隧道衬砌、锚固结构、抗滑支顶桩)看作一整体，在滑坡推力、围岩压力及地压的共同作用情况下，加固结构的位移如图3所示。其中xA，φA，xAo，φAo分别为左边桩桩顶A点及锚固段顶端(滑面处)A0点的水平位移和转角；xB，φB，xBo，φBo分别为右边桩桩顶B点及锚固段顶端(滑面处)B0点的水平位移和转角。

图3　新型加固结构位移示意

该加固结构为n次超静定，采用力法计算结构的内力，去掉右端B处约束支座以其内力(弯矩X1、剪力X2、轴力X3)为未知力和去掉弹簧支座以其反力X4…Xi…Xn为未知力，基本体系如图4所示。

图4　基本体系示意

根据多余约束处的位移协调条件，可具体解算多余未知力。加固结构体系隧道纵向取单位长度计算，可列出下面柔度方程

(1)

抗滑桩滑面以上所受荷载为梯形分布，采用悬臂桩法计算桩的位移xA，φA，xB，φB；滑面以下所受荷载为矩形分布，下面推导假定桩底为固定端，采用K法计算滑面处桩的位移xAo，φAo，xBo，φBo。

首先分析右边抗滑支顶桩，其滑面上部桩身的受力分析模型如图5所示。

图5　右边桩滑面上部桩身的受力分析模型

设桩的宽度为b，由B0处的平衡可得出

(2)

由K法计算滑面处桩的位移xBo，φBo为

(3)

则可计算得出抗滑桩桩顶的水平位移和转角xB、φB为

(4)

将式(2)式(3)代入式(4)，可得由多余未知力X1，X2表示的抗滑桩桩顶位移xB和转角φB。

下面分析左边抗滑支顶桩，左边抗滑支顶桩滑面上部桩身的受力分析模型见图6。

图6　左边桩滑面上部桩身的受力分析模型

设抗滑支顶桩的桩间距为L，隧道高度为H，图4中由A处的力学平衡可得出

(5)

由A0处的平衡可得出

(6)

由K法计算滑面处桩的位移xAo，φAo为

(7)

则可计算得出抗滑桩桩顶的水平位移和转角xA、φA为

(8)

将式(5)、式(6)、式(7)代入式(8)，可得由多余未知力X1，X2，Xj表示的抗滑桩桩顶位移xA和转角φA，继而可求得由于A支座移动所引起的沿Xi方向的位移ΔiΔ。

最后将用多余未知力表示的xB，φB，ΔiΔ代入式(1)，n个方程求解n个未知数，便可解算出多余未知力X1…Xi…Xn。由多余未知力可求出加固结构的支座反力，随后便可得到结构任一截面的内力。

以上分析了桩底为固定端的新型加固结构内力计算方法，对于桩底为自由端或铰支端的情况，只需改变式(3)、式(7)中相应系数，采用相同的原理即可求得解答。

3算例分析

3.1工程概况及计算模型与参数(图7)

某滑坡滑体厚度为5～35 m，滑动面以上为硬塑性砂黏土，内摩擦角φ=35°，黏聚力c=3 kN/m2；滑动面以下为灰质页岩，地基系数K=3×105kN/m3。在隧道线路通过处滑面深度为21 m，隧道底面离滑面的距离只有4 m，采用本文的新型加固结构加固隧道。假设滑坡垂直方向分力按三角形分布。

图7　滑坡地质剖面(单位：m)

3.2加固结构

沿隧道纵向锚索的设置间距为S=3 m，沿隧道边墙高度方向间距为1 m。第一排锚索设置在距边墙底部2 m高度处。单位米隧道锚索作用的等效刚度系数为100 MPa。

抗滑支顶桩桩长h=h1+h2=7m，其中受荷段4m，锚固段3m，桩的截面尺寸为2m×3m，桩间距L=6m，桩的抗弯刚度EI=117×106 kN·m2，桩锚固段的变形系数β=0.209 4；设左边桩受到的滑坡推力强度为P2=441 kN/m2，ΔP2=105 kN/m2，右边桩受到的滑坡推力强度为P3=60 kN/m2，ΔP3=15 kN/m2。桩底边界条件按固定端考虑。

3.3隧道衬砌内力分布特征

采用本文的计算方法，通过编程计算，经加固后的隧道衬砌内力见图8～图10。

图8　弯矩分布(单位：kN·m)

左边墙由内侧受拉逐渐变为外侧受拉，最大弯矩位于距墙底2 m处，为377.5 kN·m；左侧拱顶主要是内侧受拉，弯矩逐渐增大，到中点处弯矩逐渐变小，变为外侧受拉，弯矩逐渐增加至667.5 kN·m。右边墙外侧受拉，弯矩沿边墙高度逐渐减小为59.3 kN·m。

图9　剪力分布(单位：kN)

在没有锚索作用下最大剪应力位于靠近第一排锚索处为430 kN，加上锚索后变为69.8 kN，改变了隧道边墙不利的受剪状态。拱部剪力由负变为正，与隧道边墙连接处剪力值较大；由于没有考虑隧道边墙的水平抗力作用，右边墙的剪力为一恒值145.3 kN。

图10　轴力分布(单位：kN)

隧道两边墙的轴力均为恒值，左边墙为400.5 kN，右边墙为699.5 kN；拱部轴力为压应力，左拱轴力由311.7 kN减至145 kN，右拱轴力由145 kN增至714.4 kN。

4结论

(1)本文的新型加固结构改变了以往将隧道加固和滑坡治理分开进行的理念，只对以隧道为中心的周围岩体进行加固，利用锚索和抗滑支顶装约束隧道水平和竖向的位移。

(2)推导了新型加固结构中隧道衬砌的内力计算公式，经过具体的算例分析可知，由于锚索和抗滑支顶桩的加固作用，改变隧道衬砌的不利受力状态，靠滑坡

侧边墙由内侧受拉变为外侧受拉，据此在设计中可以调节锚索或隧道衬砌的参数，使衬砌所受的弯矩达到最小；靠滑坡侧边墙所受剪力也大为减小，分布也变得更加合理。所得出的衬砌内力分布规律，可为今后此类加固结构设计提供参考。

(3)由于滑坡与隧道结构相互作用的复杂性，本文的新型加固结构模型是基于一些简化假设基础上建立的，还有待进一步改进。

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Theoretical Study on New Type Comprehensive Reinforcement Structure of Landslide Tunnel

YIN Jing1，2， DENG Rong-gui1，2， FU Xiao-ying2， SUN Chun-ping3

(1.Dept. of Geotechnical Eng.， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031, China;2.State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng.， Sichuan University， Chengdu 610065, China;3.China Construction Underground Space Co.， Ltd.， Chengdu 610081, China)

Abstract：In order to solve the problems of high cost， challenging difficulties and long period to treat the tunnel with thick sliding body near the sliding face， a new type comprehensive reinforcement structure is put forward. The key concept is to reinforce only the tunnel and the sliding bodies related directly to the stability of the tunnel with anchor cable， anti-slide pile and tunnel lining reinforcement structures. According to the characteristics of the integrated reinforcement system， a physical mechanics model is established， the internal forces are analyzed， and the axial force， shear force and bending moment theoretical calculation formulas of each unit structure of the reinforcement strengthening structure are deducted. The calculation analysis results show that as a result of the action of anchor cable， the adverse stress of tunnel wall is improved， and the stresses of each unit structure of tunnel lining， anti-slide pile and anchor structure are balanced rationally by adjusting the parameters of the anchor cable or tunnel lining structure.

Key words：Landslide tunnel; Anti-slide pile; Anchor; Comprehensive reinforcement structure

中图分类号：U457+.2

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.021

文章编号：1004-2954(2015)04-0084-05

作者简介：尹静(1982—)，女，博士研究生，E-mail：yinjingswjtu@qq.com。

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20120184110023)，四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室开放基金(1208)

收稿日期：2014-06-20； 修回日期：2014-07-10