隧道側方抗滑樁失效原因及加固措施研究

葉安萍

(貴州省交通建設工程質量監督局， 貴州 貴陽 550000)

為保證邊坡的穩定，常采用擋土墻、錨桿、錨索、抗滑樁等方法進行加固處治，其中抗滑樁以其便于施工、擾動小、支撐強度高和效果顯著等特點而被廣泛應用于大型巖土體邊坡處治。針對抗滑樁受力特性及對邊坡的處治效果，文獻[1]建立土體平衡方程和微分方程，計算抗滑樁樁間擋板土壓力，為抗滑樁樁間擋板設計提供依據；文獻[2]采用FLAC3D軟件建立抗滑樁支護邊坡模型，分析發現抗滑樁在向坡頂方向移動時，樁身內力和撓度均出現先增大后減小的變化規律，最大值出現在邊坡中下部的同一位置；文獻[3]基于Mohr-Coulomb強度準則簡化摩阻力分布形式并建立懸臂式抗滑樁樁間距計算公式，研究發現滑坡土體黏聚力、內摩擦角和樁截面寬度為影響樁間距的主要因素；文獻[4]提出雙排樁支護加固高陡邊坡方案，并通過數值模擬和現場監控分析了其加固效果。針對隧道開挖與抗滑樁加固邊坡的相互作用，文獻[5]采用有限元強度折減法，研究了隧道出口處滑動面與抗滑樁間距的關系；文獻[7]通過現場監測和數值模擬，研究了堆積體邊坡隨隧道開挖過程的變形響應特征，揭示了隧道開挖過程中圍巖和邊坡的失穩模式，并探討了預加固工程對隧道滑坡體系的作用。雖然部分文獻研究了隧道開挖擾動對抗滑樁加固邊坡的影響，但對抗滑樁處治后邊坡受隧道開挖擾動影響而失效的分析較少。該文針對隧道施工誘發側方邊坡抗滑樁失效的典型工程案例，分析邊坡滑動特性，結合監測結果探討抗滑樁失效原因，研究抗滑樁加固措施和邊坡優化設計方案。

1 工程概況

貴州某高速公路隧道進口端靠近房屋，附近地面為不穩定土體，其淺部覆蓋層為粉質黏土局部夾碎石，深部為強、中風化泥質頁巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，力學性能較差。根據邊坡穩定性計算結果，采用抗滑樁對隧道進口端邊坡進行加固處治，確保隧道開挖與運營安全。

采用2 m×1.75 m長方形抗滑樁，樁長20 m，方樁中心距5 m。在明洞開挖完成、暗洞進洞前，在隧道明暗分界處仰坡面平行布置一排12根抗滑樁，其中開挖面以內的抗滑樁錨固端為10 m，懸臂端為10 m。

抗滑樁施工完成，經樁身完整性檢測合格后，進行下方隧道左側洞口施工。隧道施工中，為擴大開挖工作面，對邊坡進行再次擴挖，導致超挖情況，隨后坡體上方房屋出現大面積開裂(見圖1)。為評價坡體變形對抗滑樁的影響程度，再次對隧道上方抗滑樁樁身完整性進行檢測，結果顯示7#抗滑樁由原來的Ⅱ類樁變為Ⅲ類樁，其余樁無明顯缺陷或異常特征。邊坡整體穩定性情況不明，隧道施工存在較高風險，于是停止施工。

圖1 上部房屋大范圍開裂

雖然前期按照相關規范、規程對邊坡進行了加固，且抗滑樁初次檢測結果滿足使用要求，但由于缺乏隧道施工對加固處治邊坡變形規律的相關研究成果，邊坡處治設計時無法有效考慮隧道施工等因素對邊坡變形的影響及受荷變化。為獲得隧道開挖對坡體與抗滑樁變形的影響，對邊坡坡體與抗滑樁進行現場監測，通過計算分析提出加固處理措施。

2 現場監測與分析

邊坡受到擾動后，其表面和深部都會產生變形，主要表現為坡體地表位移、深部位移、地表裂縫等，嚴重的會形成滑動面。根據設計、施工、檢測各方資料及現場施工情況，主要對邊坡抗滑樁樁頂位移、深層位移和樁身裂縫進行監測，并輔以人工巡視。

2.1 抗滑樁樁頂位移監測

在隧道上方1#～12#抗滑樁樁頂分別布置位移監測點，采用全站儀和棱鏡對樁頂位移進行監測，監測頻率為1次/d(可根據實際變形情況進行調整)。

2.2 抗滑樁深層位移監測

為明確7#抗滑樁樁身破壞是由坡體沿巖土分界面滑動所產生滑推力所引起，還是深部基巖滑動導致的變形破壞，在抗滑樁周圍埋設測斜管進行深層位移監控。受現場條件限制，在7#抗滑樁左右兩側偏向坡頂方向約4 m處各布置1根長20 m的測斜管，靠近6#抗滑樁的測斜管為CX1，靠近8#抗滑樁的測斜管為CX2(見圖2)，采用CX-3C型測斜儀對邊坡深層水平位移進行監測，監測頻率為1次/d(可根據實際變形情況進行調整)。

圖2 抗滑樁及測斜管剖面位置示意圖

2.3 樁身后緣裂縫監測

由于6#、7#抗滑樁樁身后側土體出現大量裂縫，為獲得裂縫后續變形情況，以便分析抗滑樁受力變形情況及坡體變形穩定性，選取3條具有代表性的裂縫(按6#～8#樁的方向依次將裂縫編號為1～3)，采用鋼卷尺對裂縫寬度進行監測，監測頻率為1次/d(可根據實際變形情況進行調整)。若裂縫寬度突然連續增大或外側巖土體出現顯著垂直位移，則說明邊坡變形過大，甚至失穩。

3 抗滑樁變形監測數據分析

3.1 抗滑樁樁頂位移監測數據分析

抗滑樁樁頂位移監測于5月27日開始進行。為確保工程的整體安全，隧道停止施工，故可忽略隧道施工對坡體穩定造成的持續影響。監控期間抗滑樁背離隧道方向的累計位移不斷增大，各樁樁頂水平位移監測結果見圖3。從圖3可以看出：截至7月28日，樁頂累計位移最大的3根抗滑樁分別為6#、7#、8#樁，累計位移分別為25.1 mm、37.4 mm、19.9 mm，位移速率分別為0.41 mm/d、0.59 mm/d、0.32 mm/d，且6#、7#樁樁頂累計水平位移仍有不斷變大的趨勢，其余各樁樁頂累計水平位移發展趨勢趨于平緩。

圖3 1#～12#樁樁頂水平位移

受隧道開挖施工擾動的影響，盡管施工停止了，但坡體仍持續變形了2個月才趨于穩定，且局部位置(6#、7#樁區域)的變形仍有進一步發展的趨勢。

3.2 深層位移監測數據分析

6#、7#和8#抗滑樁之間坡體深層位移監測結果見圖4。由圖4可知：1) 1#、2#測試孔的深層位移曲線呈折線狀，在深度10 m左右位置出現明顯轉折，位移隨深度增加逐漸減小。結合測斜管埋置深度及周圍地質情況，深度10 m左右位置為覆蓋層與巖層交界面。0～10 m深度處曲線連續性較好，表明覆蓋層與巖體發生整體移動，其主要破壞模式為剪切面出現滑動，主要原因是覆蓋層與巖體在外界擾動影響下發生相對位移；10～20 m深度處曲線基本重合，說明邊坡基巖暫未發生較大滑移，基本處于穩定狀態。2) 深度10 m以上位置，1#、2#測孔的最大水平位移分別為29.74 mm、26.02 mm，位移變化速率分別為0.51 mm/d、0.45 mm/d。監測結果表明覆蓋層與基巖層仍存在相對位移，邊坡將沿覆蓋層與基巖的交界面出現錯動或滑動，從而形成潛在滑動面。

圖4 深層水平位移

3.3 樁身后緣裂縫監測數據分析

3條代表性裂縫寬度的增長量見圖5。由圖5可知：截至7月28日，1#、2#、3#裂縫寬度增長量分別為22 mm、31 mm、21 mm，增長速率分別為0.34 mm/d、0.48 mm/d、0.32 mm/d；而且裂縫寬度還在不斷發展，說明邊坡土體還在發生變形，應持續進行監測。為保證后續邊坡穩定及隧道安全施工，需對邊坡進行加固處治。

圖5 抗滑樁樁身后緣典型裂縫寬度變化量

3.4 抗滑樁失效原因分析

根據第三方檢測報告，第一次檢測時，7#抗滑樁1-2、1-3剖面在樁頂以下11.80～12.40 m處和2-4剖面在樁頂以下17.30～17.80 m處聲速、波幅低于臨界值，綜合判定為Ⅱ類樁；第二次檢測時，7#抗滑樁1-2剖面在樁頂以下11.00～12.00 m處、1-3剖面在樁頂以下11.00～12.30 m和16.90～17.80 m處、1-4剖面在樁頂以下11.00～13.30 m處、2-3剖面在樁頂以下11.00～13.80 m和17.00～18.10 m處、2-4剖面在樁頂以下11.20～13.00 m和17.00～17.80 m處聲速、波幅均低于臨界值，波形畸變，綜合判定為Ⅲ類樁。對比2次檢測結果，第一次檢測時存在缺陷的1-2、1-3剖面在第二次檢測時出現了進一步擴大的情況，且出現了新的缺陷面。聲測孔剖面位置見圖6。

圖6 樁身完整性檢測聲測孔布置(單位：m)

綜合分析，坡體滑動的主要原因為：1) 5月長時間降雨，導致土體強度下降；2) 下部隧道施工時擴大的工作面開挖到坡腳，導致坡體內發生應力重分布，坡體變形逐漸增大。通過理正軟件進行模擬分析，得邊坡的穩定性下降30%左右，同時導致抗滑樁上荷載增加，所有樁體在坡體變形推力作用下均出現相對位移，其中7#抗滑樁缺陷部位由于推剪作用而不斷變大，受剪面不斷變小，導致7#抗滑樁變成Ⅲ類樁，進而失效。

4 加固措施及分析

監測結果表明，邊坡巖土交界面存在滑動跡象，為保證坡體穩定及后續隧道安全施工，提出如下坡體補強設計方案：加固7#抗滑樁，同時在偏向坡頂方向增設4根抗滑樁。

4.1 加固7#抗滑樁

7#抗滑樁被評定為Ⅲ類樁，已達不到使用標準，為保證后續抗滑樁施工安全，先對7#樁進行加固處理：1) 在7#樁體周圍鉆φ110 mm孔進行注漿。考慮到7#樁的主要缺陷位置在樁頂以下11～13.5 m、16.5～18.5 m處，注漿范圍取18.5 m并向下延伸5 m(見圖7)。注漿材料采用C40水泥漿，采用高壓注漿形式，一根樁連續澆筑，避免形成施工縫。2) 采用φ110 mm鉆機在樁體靠近靠山側鉆3列補強孔，每列鉆3個補強孔，每列補強孔內插入20#A工字鋼，其尺寸見圖8，工字鋼深入缺陷并延伸至3 m以上。補強孔、注漿孔的具體位置可根據現場實際位置確定。

圖7 注漿孔與補強孔在樁截面中布置示意圖(單位：cm)

圖8 補強孔布置示意圖(單位：cm)

為評價補強處治后7#抗滑樁的穩定性，采用理正巖土軟件進行計算，結果顯示7#抗滑樁所在區域的不穩定土體下滑力為600.12 kN，采用該下滑力作為抗滑樁內力的計算荷載。7#抗滑樁原設計靠山側受彎鋼筋采用2排3束φ28 mm鋼筋，經計算，采用工字鋼補強后，7#抗滑樁抗彎承載力增加6 065.175 kN·m，抗彎承載力相對于原設計方案增加45%。

4.2 增設抗滑樁

根據第一排樁布置及計算分析結果，在距離第一排樁偏向坡頂方向5 m處增設4根抗滑方樁，樁寬1.75 m，樁長2.0 m。考慮到隧道進口端圍巖為可塑狀粉質黏土局部夾碎石和隧道進口施工造成的坡體擾動，方樁中心間距取5 m，與第一排樁呈品字形布置。根據計算分析結果，原邊坡加固處治設計方案對應的邊坡整體安全系數為1.2，采取加固措施(7#樁補強+4根抗滑樁)后，邊坡整體安全系數相比于原設計方案提高36%，為工程安全提供了保障；抗滑樁位移速率小于0.2 mm/d，加固效果良好，可繼續進行隧道施工。

5 結論

(1) 隧道開挖施工可能導致坡體沿巖土交界面產生滑動變形，但深層巖體穩定性較好。

(2) 導致7#抗滑樁破壞的主要原因是隧道施工存在缺陷，坡體沿巖土體交界面出現滑動，所受滑坡推力增大，在推剪作用下逐漸發生破壞，變成Ⅲ類樁。

(3) 采用工字鋼和注漿方式對7#抗滑樁進行加固，加固后抗彎承載力相對于原設計方案增加45%；在偏向坡頂方向增設4根抗滑樁后，洞口邊坡整體安全系數相對于原設計方案增加36%，處治方案有效。