抗滑桩在浅埋偏压公路隧道中的应用研究

汪祥国

(中铁十一局集团第二工程有限公司 湖北十堰 442000)

1 引言

为克服地形高程和改善线路线形，在山岭地区修建高速公路或者铁路中，隧道工程往往成为桥隧比选的最佳方案[1－3]。然而，由于山岭地区的地形和地质条件十分复杂，特别是我国西南地区，受板块挤压和构造运动的影响，山形起伏陡峭、起伏剧烈，高原坡地和深切峡谷地形不可避免地使隧道进出洞时产生浅埋偏压工况[4]。由于隧道两侧边墙的埋深大小不一，两侧土压力不平衡不利于隧道的整体受力和变形，进而影响隧道的服役能力和使用寿命[5]。

浅埋偏压隧道的受力和变形机理十分复杂[6－7]，目前，国内大多数学者例如唐纯勇[8]、戴文革[9]、谢小鱼[10]、徐伟[11]等人，其研究方向都集中于坡体的倾角、隧道的埋深以及围岩的等级对隧道围岩及隧洞支护体系的应力及变形影响[12]。然而，对浅埋偏压隧道的处置方面研究却较少报道[13]。

依托萍乡至莲花高速公路A4标段白竺3号隧道工程为背景，采用有限元模拟方法建立二维浅埋偏压抗滑桩加固数值模型，分析设置不同抗滑桩长度对浅埋偏压隧道结构受力变形特性和围岩的稳定性，研究不同距离的抗滑桩对浅埋偏压隧道加固效果。研究成果可为山区浅埋偏压隧道工程的加固方案设计提供参考和借鉴。

2 隧道工程概况

白竺3号隧道起点位于萍乡湘东区白竺乡大园里村附近，终点位于萍乡市湘东区白竺乡江坝榨下村附近，为分离式隧道。隧道起讫桩号:左线为ZK26＋205～ZK27＋280，全长1 075 m；右线为YK26＋200～YK27＋295，全长1 095 m；左右线隧道进口位于缓和曲线上，隧道为单向坡，纵坡为2.469%。

隧址区属构造剥蚀低山地貌，属罗霄山脉之北端余脉，山脉总体呈NE向，自然坡度15°～50°，植被茂密，山势陡峻、沟谷深切，地形起伏大。隧道出口与山体斜角相交，存在偏压现象，隧道断面为马蹄形隧道，宽×高为12 m×10 m，隧道埋深较小，拱肩到坡面距离约为6 m。出口洞身穿越地层为碎石黏土和全风化泥质板岩，围岩级别为Ⅴ级。

3 抗滑桩加固数值模型建立

由于白竺3号隧道出口段为浅埋偏压隧道，受力和变形对隧道结构安全和长期运营产生不利影响，因此采取抗滑桩作为加固措施进行边坡处置。为认识抗滑桩对浅埋偏压隧道的加固效果，以及为抗滑桩加固设计提供参数，采用有限元模拟手段建立二维数值模型进行分析，如图1所示。

图1 抗滑桩加固浅埋偏压隧道模型

地表边坡角度为30°，隧道轮廓尺寸宽×高为12 m×10 m，由于隧道洞口部位埋深较小，模型计算时，拱肩到坡面距离取为6 m；为避免边界效应对计算结果产生误差，隧道外轮廓到左右边界和底部边界距离均取60 m。左、右边界在水平方向上设置其位移为零，而竖向位移不限定；模型底部边界设定不发生任意方向位移和转角；地表倾斜坡面边界为自由边界。

隧道围岩强度准则服从摩尔库伦强度准则，根据地质勘察成果，其围岩等级为V级，其余参数的选取如表1所示。

隧道衬砌结构采用弹性本构模型，以梁单元进行模拟，其模型参数的选取如表2所示。

表2 隧道衬砌结构数值模拟参数指标

模拟时，考虑围岩的自重为初始应力，同时，由于设计时在隧道轮廓周围3 m范围内设置了锚杆系统对围岩进行加固，对这部分岩体的天然强度参数提高20%，以权重锚杆的加固作用。根据施工确定的工法，隧道采用分台阶留核心土的开挖方式，在上台阶开挖时，围岩应力释放为30%，核心土开挖时释放35%，下台阶开挖时释放35%。

抗滑桩设置在浅埋段，其几何尺寸及力学指标如表3所示。

表3 抗滑桩模拟参数指标

4 模拟结果分析

4.1 不同抗滑桩对衬砌结构内力的影响

为研究抗滑长度对浅埋偏压隧道的加固效果，设置不同的抗滑桩长度(地表起算)分别为18.0 m、20.0 m、22.0 m、25.0 m、26.0 m。在隧道拱顶、拱肩、拱腰、拱脚和拱底位置处共布置8个监测点，如图2所示。

图2 隧道衬砌监测点布置

图3为衬砌结构的轴力随抗滑桩桩长变化的分布图。从图3中可以看出，轴力的极大值(压力)出现在浅埋侧拱肩测点2位置和深埋侧拱腰测点5位置(两者连线与斜坡呈一定的斜角)；极小值(拉力)出现在浅埋侧拱脚测点6位置和拱底测点8位置(两者连线与斜坡呈一定的斜角)；衬砌结构的轴力分布呈现对角测点相近的规律，表明抗滑桩的增加并不能改善衬砌结构的偏压现象；随着桩长的增加，衬砌结构同一测点位置处的轴力变化可以忽略不计。

图3 衬砌结构轴力分布

图4为不同桩长条件下衬砌结构的应力分布图。从图4中可以看出，衬砌结构的分布规律与轴力的分布规律相似，极大值(压应力)出现在浅埋侧拱肩测点2位置、深埋侧拱腰测点5位置；极小值(压应力)出现在浅埋侧拱脚测点6位置和拱底测点8位置；衬砌结构的应力分布呈现对角测点相近的规律；随着桩长的增加，衬砌结构同一测点位置处的应力变化可以忽略不计。

表4为不同抗滑桩桩长条件下的衬砌内力计算结果统计。从表4中可以看出，增设抗滑桩支护前后，衬砌结构的轴力变化不大，最大轴力反而有所增加，且偏压现象依然存在。但此时衬砌的最大压应力存在较为明显的降低，从11.63 MPa降低到9.7 MPa左右，但随着桩长增长，最大压应力则略有减小，这个降低幅度对改善衬砌结构的偏压现象来说意义不大。相应地，衬砌安全系数(极限抗压强度/最大压应力)也随之略有提升。18.0 m抗滑桩加固时，安全系数为2.567，26.0 m桩长时为2.594，相差不大，均大于2.40。

图4 衬砌结构压应力分布

表4 不同抗滑桩长度下的计算结果

4.2 不同抗滑桩对衬砌结构变形的影响

图5为不同抗滑长度条件下隧道衬砌结构的位移变化情况。在没有增设抗滑桩时，隧道的拱顶沉降约为5 mm，最大位移为5.78 mm，位于右拱肩测点3附近。采用不同桩长的抗滑桩支护下，衬砌结构的变形有所降低，拱顶沉降约在4.4 mm左右，最大位移仍在右拱肩处，约5 mm左右。随桩长的增加，变形变化不大。

图5 隧道衬砌结构的位移变化情况

4.3 围岩安全系数

通过强度折减法计算得不同抗滑桩长度条件下围岩的整体安全系数。在无抗滑桩支护时，安全系数为1.18；在桩长分别为18.0 m、20.0 m、22.0 m、24.0 m、26.0 m 时，安全系数分别为 1.29、1.31、1.34、1.34、1.33。在桩长为22 m时，安全系数较高，且继续增加桩长，提升效果不大。故在此偏压角度和围岩等级下，可将22 m作为抗滑桩的最优长度。

4.4 抗滑桩与隧道距离优化

在抗滑桩长度一定时，抗滑桩边缘至隧道轮廓的距离不同会对衬砌受力和围岩稳定产生不同的影响。为分析抗滑桩与隧道不同距离对加固效果的影响，分别设置抗滑桩中心线与隧道外轮廓距离为2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m，抗滑桩桩长统一为22.0 m，以此找到最优的抗滑桩位置。模拟结果如表5所示。

表5 不同距离计算结果

从表5中可以看出，在距离2.0～6.0 m时，衬砌最大压应力分别为 9.99 MPa、9.69 MPa、9.39 MPa、9.61 MPa、9.87 MPa，衬砌结构最大主压应力随着抗滑桩远离隧道先减小后增大，在4.0 m左右时，压应力最小，而衬砌安全系数达到2.66，为最大值。采用强度折减法对抗滑桩中心线与隧道外轮廓不同距离条件下的围岩安全系数进行求解，其计算结果变化不大，在距离3.0 m时，围岩安全系数最大，为1.35。综上所述，抗滑桩边缘与隧道距离3.0～4.0 m时，支护效果最优。

5 结论

依托萍乡至莲花高速公路A4标段白竺3号隧道工程为背景，采用有限元模拟方法建立二维浅埋偏压抗滑桩加固分析模型，分析了抗滑桩桩长对浅埋偏压隧道的加固效果，主要结论如下:

(1)增加抗滑桩支护，不改变隧道的偏压现象，但有助于降低衬砌最大压应力和减低衬砌结构最大变形。随着桩长的增加，最大压应力逐渐减小，但幅度不大，而衬砌结构的变形随桩长的增加变化不大。

(2)增加抗滑桩支护，围岩的安全系数提升，且在一定偏压角度和围岩等级下，抗滑桩支护存在最优长度。

(3)衬砌结构最大主压应力随着抗滑桩远离隧道的距离先减小后增大。在本文的计算案例中，抗滑桩边缘与隧道距离3.0～4.0 m时，支护效果最优。