张志伟，邓荣贵，钟志彬

(西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

弧形排桩—连系梁抗滑结构加固隧道口滑坡应用研究及优化设计

张志伟，邓荣贵，钟志彬

(西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

因隧道洞口所在坡体产生滑坡，导致隧道洞口附近衬砌发生变形破坏。为控制隧道衬砌变形破坏，采取增加型钢，加强隧道衬砌的补救措施。但在滑坡推力作用下，型钢发生不同程度的变形破坏，故此，单独加固隧道衬砌并不能有效控制隧道变形。拟采用抗滑桩加固隧道所在滑坡体，通过增加抗滑力控制隧道变形。因单桩抗滑能力有限，为保证提供足够的抗滑力，需要加大桩身截面尺寸，增加桩长，甚至增加桩数减小桩间距及增加排数，如此，会增加施工难度，提高工程造价；而通过在桩顶设置连系梁，使各桩联合作业形成整体，可提高抗滑能力。该库岸滑坡坡面与水面交界处成弧形分布，依据坡面地形将抗滑桩按弧形布置，桩顶设置弧形连系梁，并在连系梁两端设置高强度抗力桩限制其端部位移。通过具体工程实例计算分析，比较连系梁刚度对抗滑结构内力分布的影响规律及加固效果。

滑坡隧道；弧形排桩；弧形连系梁；内力分布；优化设计

1 概述

我国西部地区山脉纵横，地势险峻，地质构造复杂[1]，为保证线路结构和行车安全，在复杂地形、地质段一般是以隧道通过，而坡体灾害会对隧道造成变形破坏[2]；在严重偏压地段修建隧道洞口，且洞口存在滑坡时，洞口处理措施十分复杂[3]。如坡体环境条件发生变化，如修建水库等，会进一步增加滑坡灾害的发生几率。

为整治滑坡地段隧道变形，陶志平等[4]以东荣河隧道滑坡为原型，进行了无桩及桩隧间距变化的室内模型试验，研究了滑坡体内压力和位移的变化规律，并分析了隧道的受力情况；为研究滑坡与隧道之间的相互作用机理及受力变形规律，毛坚强等[5]应用有限元算法对受力变形特征进行了分析。

基于某隧道衬砌发生变形破坏，增强隧道衬砌对控制变形效果不佳的工程实例，分析采用抗滑桩加固滑坡体，以控制隧道变形破坏的可行性。针对滑坡治理，应从地形、地质特征等角度确定滑坡体的性质，并采取有针对性的加固措施[6]。根据滑坡表面的分布形状，拟采用弧形排桩进行加固，为提高抗滑桩的整体稳定性，使其联合作业，在桩顶设置弧形连系梁；为控制弧形连系梁两端的位移，在端部设置高强度抗力桩，使连系梁的受力性能类似于拱，如此，可发挥混凝土的抗压优势。根据地形条件，优化连系梁矢跨比及布置形式，并计算分析连系梁刚度对其内力的影响规律。

2 工程概况

该隧道全长1 768 m，洞口施工至200 m时，受到滑坡影响，洞身设计变更为S形。隧道设计建筑限界为10.5 m×5.0 m，采用曲边墙断面结构形式，洞口采用端墙式，洞身按新奥法施工原理进行结构设计。隧道进口端洞口开挖后，山体仰坡产生裂缝，长约15 m，宽度1～3 cm，同时洞口附近初期支护发生开裂。2011年水电站蓄水后，隧道自进口180 m和380 m处衬砌顶部出现裂缝，侧壁保护层剥落，钢筋外露，经过调查分析，为水库蓄水诱发坡体滑动变形所致，隧道与滑坡的位置关系如图1所示。

为控制该隧道变形，保证其正常运行，采取增加型钢，补强衬砌的补救措施，具体施工方式如图2所示。

但采用型钢加固后，控制隧道变形效果并不明显，在滑坡推力作用下，部分型钢发生变形破坏，破坏形式如图3所示。

图1 滑坡隧道地貌

图2 型钢加固隧道衬砌

图3 加固型钢变形破坏

根据加固效果，发现增加衬砌强度不能有效控制隧道变形，所以，拟采用抗滑桩加固滑坡体，控制隧道变形。以下就抗滑桩加固该滑坡的可行性进行分析，并对抗滑结构内力进行计算分析。

3 抗滑结构理论分析

抗滑桩通过平衡滑坡推力，使边坡处于稳定状态[7]，进而控制隧道变形破坏。S.Hassiotis等[8]根据圆弧滑动模式，分析了抗滑桩对滑坡的加固效果。Mohamed Ashour和Hamed Ardalan[9]基于桩土相互作用，研究了桩间距对桩身抗滑能力的影响。R.Kourkoulis等[10]根据桩身受荷段长度、及其与锚固段的长度比及桩间距等影响因素，分析了桩身内力及位移。

为优化单桩的受力性能，提高整体性，曾庆义等[11]提出了桩顶圈梁可协调各桩的受力和变形，使之成为一个整体。在理论计算方面，高印立等[12]提出了直线形圈梁-排桩协同作用的简化分析方法，分析计算了圈梁及桩身的内力和位移。张志伟等[13]假定桩顶与连系梁之间的约束冗力为水平集中力，计算分析了计算模型为两铰拱的连系梁内力及抗滑桩的内力与位移，表明弧形连系梁弯矩小，受压为主，且能够有效约束桩身位移。

为与工程实际相符，将桩顶弧形连系梁的计算模型简化为无铰拱，假定桩顶与连系梁之间的约束条件为固结。利用抗滑桩与连系梁之间的变形协调，计算连系梁内力，并分析连系梁刚度对其影响，同时分析控制点处桩身内力及位移。

3.1 抗滑结构构造

抗滑结构的具体构造示意如图4所示，图4中抗滑桩呈弧形布置，桩顶设置弧形连系梁，二者形成拱形桩梁抗滑结构，为与工程实践相符，假定桩顶与连系梁之间的连接条件为固结。抗滑桩的布桩方式为径向布桩，即桩身长边方向与桩顶处连系梁法线平行。

图4 弧形排桩-弧形连系梁抗滑结构构造

为约束连系梁两端位移，提高作为拱脚的两端抗力桩的强度，以提供水平抗力，使连系梁发挥拱的作用。连系梁与桩顶之间的约束冗力分布形式如图5、图6所示。

图5 i桩桩顶处连系梁受力模型

图6 i桩桩顶受力模型

i——桩顶与连系梁之间的冗力位置或编号，其中i包括B端；

k——桩顶与连系梁之间的冗力类型编号，分为5种类型(k=1，2，3，4，5)，具体对应关系如下。

1—沿x′轴正方向的集中力；2—沿y′轴正方向的集中力；3—指向x′轴正方向的矩；4—指向y′轴正方向的矩；5—指向z′轴正方向的矩。

以连系梁与桩顶之间的约束冗力为分析对象，在单一单位冗力作用下，推导连系梁的内力计算公式，计算柔度系数，建立柔度矩阵；同时，在桩顶未知冗力作用下，建立含冗力的桩顶位移表达式；然后根据桩顶与连系梁之间的位移协调条件，建立典型方程并求解冗力；最后根据冗力计算连系梁和抗滑桩的内力及位移。

3.2 连系梁内力分析

将弧形连系梁的计算模型简化为拱轴在水平面内，拱轴作用多余约束的无铰拱，计算模型如图7所示。

图7 连系梁计算模型平面

为便于分析连系梁内力，建立整体坐标系Axyz，原点为弧形连系梁左端A，x轴为弧形连系梁左右端连线，以指向右端为正，整体坐标系中的z轴与局部坐标系中的z′轴相互平行，以竖直向上为正，取如图8所示的以B端的集中力、弯矩及扭矩为多余约束的基本体系。

图8 无铰拱结构基本体系

图9 连系梁任一点p内力

k及i在前文已做说明，此处不再赘述，j及p的具体说明如下。

p——单一冗力作用力下，需要计算内力的任一点，其中p点包括左端部A。

j——在i处冗力k作用时，在p点引起的内力j，分为5种类型(j=1，2，3，4，5)，具体对应关系如下。

1—点p处沿x′轴方向的剪力；2—点p处沿y′轴方向的轴力；3—点p处绕x′轴的弯矩；4—点p处绕y′轴的扭矩；5—点p处绕z′轴的弯矩。

3.3 抗滑桩变形位移分析

图10 抗滑桩计算模型

抗滑桩计算模型为如图10所示的弹性地基梁，图10中x′轴为桩顶沿连系梁法向位移方向，y′轴为桩顶沿连系梁切向位移方向。抗滑桩在滑动面上、下均按弹性地基梁计算，计算模型为“m-K”法。

根据桩底的约束条件，利用弹性桩的计算方法，可得桩顶位移及转角的计算表达式。以桩底为自由端为例，桩顶位移及转角的计算公式如式(2)所示。

3.4 抗滑结构柔度方程

利用连系梁与桩顶连接处的位移协调条件，可建立如式(3)所示的抗滑结构柔度方程

其中，δ为如式(4)所示的柔度系数矩阵；X为弧形连系梁与桩顶之间的冗力；v为与X所对应的位移。

冗力X为如式(5)所示的分块矩阵

冗力矩阵X各子块元素可用式(6)表示

位移矩阵v为如式(7)所示的分块矩阵

位移矩阵v各子块元素可用式(8)表示

4 抗滑结构优化设计

受荷段桩前土体地基系数的比例系数m=4 MN/m4，锚固段地基系数K=300 MN/m3。如抗滑桩布置为一跨，矢高较大，不利于抗滑结构受力，且难于施工。根据地形，按5连拱形式布置，每跨按图4所示弧形布置，具体按y=x(84-x)/126抛物线排列，桩长24 m，其中受荷段h1=16 m，锚固段h2=8 m，桩间距沿跨度方向为6 m，每跨桩顶连系梁跨度l=14×6 m，滑坡推力按三角形分布，在滑面处的强度Δq=800 kPa。桩截面尺寸2 m×3 m，长边与x′轴平行，桩身各面所受滑坡推力为沿弧形系梁法向及切向的分量。桩顶连系梁宽3 m，桩与桩顶连系梁的弹性模量均为E=26 GPa，桩底边界条件按自由端考虑。

4.1 连系梁内力分布特征

图11 连系梁内力图

由图11(a)可知，随连系梁高度增加，剪力数值整体呈增大趋势，但增加并不明显；由图11(b)可知，随连系梁高度增加，轴力整体明显增加；由图11(c)可知，随连系梁高度增加，连系梁绕x′轴弯矩数值整体增加，且在端部附近增加幅度较大；由图11(d)可知，随连系梁高度增加，扭矩数值整体呈增大趋势，且在端部附近增加明显；由图11(e)可知，随连系梁高度增加，弯矩数值略有增加。

4.2 抗滑桩内力及位移分布特征

根据图11所示的连系梁内力变化趋势，内力在A端部最大，在1号桩桩顶处突变最大，因此，将端部A抗力桩及1号桩取为控制桩。以1号桩为例，计算分析连系梁高度h对桩身在控制方向的内力及位移，即沿x′轴方向的剪力、绕y′轴的弯矩及沿x′轴方向的位移的影响规律，计算结果如图12所示。

图12 1号桩桩身内力位移图

由图12(a)可知，在桩顶连系梁约束下，桩身沿x′轴方向剪力随连系梁高度增加而增加，尤其对桩顶部分影响明显；由图12(b)可知，在连系梁约束下，桩顶在绕y′轴方向产生反向弯矩，在受荷段，桩身弯矩最大值随连系梁高度增加而增加，主要为连系梁高度增加，约束效果加强，在锚固段则相反；由图12(c)可知，连系梁能够有效约束桩顶在x′轴方向的位移，且随连系梁高度增加，约束效果明显增强。

5 结论

(1)在整治滑坡地段隧道变形破坏时，采用抗滑桩可限制坡体位移，降低作用于隧道的滑坡推力，改善隧道的受力状态。

(2)增加桩顶连系梁，可提高抗滑桩的整体稳定性，通过桩顶连系梁的约束协调作用，各桩联合作业，抗滑能力增强。

(3)弧形连系梁能够有效约束桩身位移，同时可改变抗滑桩的受力状态，使其内力分布更加均匀合理，以受压为主，能够充分发挥混凝土的抗压性能。

(4)在满足坡体位移要求的前提下，适当降低桩顶连系梁的高度，减小其刚度，可大幅减小连系梁和抗滑桩内力，对抗滑结构内力分布有利。

[1] 肖锋，仝浩.七里坪隧道浅埋偏压段支护措施优化研究[J].现代隧道技术，2012(1):96-99．

[2] 周德培，毛坚强，张鲁新，马惠民.隧道变形与坡体灾害相互关系及其预测模式[J]. 铁道学报， 2002(1):82-87.

[3] 闫超平.复杂地形、地质情况下隧道洞口段设计[J].铁道标准设计，2012(6):117-120.

[4] 陶志平，周德培.用抗滑桩整治滑坡地段隧道变形的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2004(3):101-104.

[5] 毛坚强，周德培.滑坡-隧道相互作用受力变形规律的研究[J].西南交通大学学报，2002(4):21-26．

[6] 周革.山前区云母石英片岩风化层滑坡分析与治理[J].铁道标准设计，2014(4):14-17．

[7] 铁道部第二勘测设计院.抗滑桩设计与计算[M].北京:中国铁道出版社，1983.

[8] Hassiotis， S.， J. Chameau and M. Gunaratne， Design Method for Stabilization of Slopes with Piles[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 1997， 123(4): 314-323．

[9] Ashour， M. and H. Ardalan， Analysis of pile stabilized slopes based on soil-pile interaction[J]. Computers and Geotechnics， 2012(39):85-97．

[10] Kourkoulis， R.， et al. Slope Stabilizing Piles and Pile-Groups: Parametric Study and Design Insights. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2011，137(7):663-677.

[11] 曾庆义，刘明成.支护桩圈梁的作用机理与计算分析[J]. 岩土力学，1995，16(2):74-82．

[12] 高印立，徐建新，陈环.排桩与圈梁协同作用下考虑开挖过程的挠曲方程法[J].土木工程学报，2001，34(1):67-72．

[13] 张志伟，邓荣贵.弧形间隔排桩-桩顶拱梁空间抗滑结构理论研究[J].岩土力学，2013，34(12):3403-3409，3430．

The Application Research and Optimization Design of Row Piles with Coupling Beam Strengthened Structure on Landslide at Tunnel Portal

Zhang Zhiwei， Deng Ronggui， Zhong Zhibin

(School of Civil Engineering， Southwest Jiao tong University， Chengdu 610031， China )

The slope at tunnel portal is likely subject to landslide and lead to deformation and failure of lining around the tunnel portal. In order to control the deformation of the tunnel lining， the measure to strengthen the tunnel lining with additional formed steels is taken. However， the formed steels suffer deformation and failure of different degrees under the landslide thrust， so strengthening the tunnel lining alone cannot control the deformation effectively， while， the anti-slide pile can do the job. As the resistance of single pile is limited， in order to ensure the adequate sliding resistance， it is required to increase the pile section， the length of pile， the number of pile， and even the row of pile， which will result in higher project cost and more difficulties in construction. By adding coupling beam on the top of anti-slide piles can improve the resistance force with the integration of all piles working together. The intersection of the landslide and water surface is distributed in arch form， according to the actual situation， the measure of arc row piles with arc coupling beam on pile top can be taken to strengthen the landslide， at the same time， high strength resistance piles is set up on both ends of the coupling beam to limit the deformation. Through engineering example， the internal forces of the anti-slide structure and the reinforced effect are analyzed under the influence of stiffness of the coupling beam．

Landslide-tunnel; Arch row piles; Arch coupling beam; Internal force distribution; ptimized design

2014-06-30；

：2014-07-04

国家自然科学基金资助项目(41272321);高等学校博士学科点专项科研基金(20120184110023)

张志伟(1979—)，男，博士研究生，E-mail：zwzhangswjtu@163.com。

1004-2954(2014)11-0108-05

U459.2

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.025