夏國邦，喻正富

(云南普宣高速公路建設指揮部， 云南 宣威　655400)

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懸索橋隧道錨碇與臨近構(gòu)筑物相互影響分析

夏國邦，喻正富

(云南普宣高速公路建設指揮部， 云南 宣威655400)

摘要：在綜合分析運用工程地質(zhì)勘察資料的基礎上，建立普立特大橋隧道錨碇主塔系統(tǒng)及山體穩(wěn)定分析的工程地質(zhì)概化模型。采用三維有限差分法模擬隧道錨碇、索塔基礎、上方公路隧道及周圍山體，對天然巖體、巖體開挖及施加設計荷載后等各階段巖體的變形、應力釋放及應力重分布、卸荷松弛區(qū)的范圍、塑性區(qū)分布特點進行計算分析，并評價各構(gòu)筑物圍巖各階段的變形穩(wěn)定特征、相互影響情況及可能出現(xiàn)的變形破壞模式。

關鍵詞：隧道錨碇；圍巖變形；圍巖穩(wěn)定性；地質(zhì)概化模型；巖體力學參數(shù)

1工程概況

云南省普立特大橋位于宣威市普立鄉(xiāng)松山村、普立村，距宣威市區(qū)約65 km。橋軸線與普立大溝近于正交，設計為整體式橋梁，橋面凈寬23.5 m。主橋為單跨懸索橋，橋長964 m。普立岸主墩塔高154.3 m，宣威岸主塔高162.2 m。綜合考慮地形、地質(zhì)、施工、工期、造價等方面的因素，普立岸的錨碇采用隧道錨，錨塞體長35 m，傾角42°，橋型布置見圖1。散索鞍沿錨洞軸線至隧道錨前錨面的距離為30 m。散索鞍基礎至索塔基礎最近水平距離為147.2 m，豎直距離56.7 m。松山公路隧道位于普立岸隧道錨上方，其底板與錨洞開挖頂板相距22.5～43.8 m。為了減小隧道錨與公路隧道在開挖過程中對圍巖的相互擾動影響，要求隧道錨洞先于公路隧道開挖。

由于巖體開挖、各構(gòu)筑物施工及施加設計荷載時其是否穩(wěn)定直接影響橋梁的穩(wěn)定和工程安全，因此錨碇圍巖能否提供足夠的抗拉拔力，是整個橋梁系統(tǒng)的穩(wěn)定基礎，也是設計所關心的問題[1-6]。本文通過建立綜合考慮隧道錨碇、索塔基礎、公路隧道及山體的大型三維數(shù)值分析模型，對各種工況下構(gòu)筑物圍巖及山體的穩(wěn)定性與變形特征、各構(gòu)筑物相互影響問題進行分析和研究，以論證設計施工方案的合理性，提出合理的加固處理措施。

圖1　普立特大橋橋型布置

2地質(zhì)概化與數(shù)值分析模型

根據(jù)地質(zhì)資料，對工程地質(zhì)條件進行概化，數(shù)值計算模型計算域內(nèi)模擬了山體石炭系上統(tǒng)馬平群灰?guī)r巖層；在巖體中劃分了卸荷帶與微新巖體，卸荷帶厚度根據(jù)地勘資料和有關工程經(jīng)驗類比得到，平均厚度約10～15 m。普立岸巖體中廣泛存在4組構(gòu)造裂隙，因目前數(shù)值計算發(fā)展水平限制，還難以對每條節(jié)理裂隙進行模擬[7-8]，只能在參考試驗資料的基礎上，參照GB 50218—94《工程巖體分級標準》[9]，確定巖體宏觀力學參數(shù)的取值范圍，從總體上對巖體穩(wěn)定性進行管控。表1和表2為數(shù)值仿真時采用的2種參數(shù)，其建議參數(shù)為依據(jù)工程經(jīng)驗提出的參數(shù)建議值，其基本參數(shù)為甲方提供的設計參數(shù)。

表1　計算采用的巖體力學參數(shù)(建議參數(shù))

表2　計算采用的巖體力學參數(shù)(基本參數(shù))

依據(jù)設計資料，采用FLAC 3D有限差分程序進行數(shù)值分析，模型模擬了2個錨碇(包括散索鞍)、主塔樁基及公路隧道。混凝土與圍巖接觸面用薄層單元模擬，厚度為0.2 m；錨碇及樁基混凝土材料采用彈性介質(zhì)；建立了厚2 m的隧道錨洞開挖松動圈，其力學強度有所降低。普立岸三維數(shù)值計算模型見圖2、圖3。巖體本構(gòu)模型采用彈塑性層狀單元模型，以模擬巖層在不同方向上力學性能的差異性(正交各向異性)。

數(shù)值分析模型進行了如下模擬：1) 模擬原始邊坡及山體在天然情況下的穩(wěn)定性；2) 模擬錨碇基礎、公路隧道和主塔基礎的施工開挖；3) 模擬錨碇混凝土及塔基的建造；4) 錨碇施加主纜設計荷載，同時在塔基部位施加設計荷載；5) 計算分析各個施工階段條件下巖體的變形及穩(wěn)定性；6) 進行錨碇超載模擬試驗，按3P、5P(P為錨碇設計荷載)逐步施加超載。

圖2　普立岸三維計算模型

圖3　普立岸計算模型(右錨碇剖面)

3巖體變形規(guī)律

3.1巖體開挖后

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，錨洞、塔基和公路隧道施工開挖后，公路隧道、錨洞圍巖會朝洞內(nèi)變形，頂拱下沉，底板回彈上抬。隧道錨碇最大變形分別為1.0 mm(建議參數(shù))和1.06 mm(基本參數(shù))，發(fā)生在錨碇后端底板部位，見圖4。公路隧道的最大變形分別為1.03 mm(建議參數(shù))和1.06 mm(基本參數(shù))，發(fā)生在遠離錨碇靠近山里的底板處。錨洞、塔基和公路隧道開挖引起的變形之間的聯(lián)系不太明顯。

3.2結(jié)構(gòu)物建造后

混凝土錨碇施工后，受錨碇混凝土重力作用，錨洞圍巖出現(xiàn)下沉變形，最大下沉量約為0.14 mm，出現(xiàn)在錨體后部。錨碇建造對周邊巖體的變形影響較小，引起公路隧道的最大變形為0.1 mm。錨錠與樁基建造后位移見圖5。

圖4　公路隧道、錨碇與塔基巖體開挖后的位移

圖5　錨碇與樁基建造后位移

3.3施加工程設計荷載后

同時施加主纜設計荷載1P、索鞍處荷載及塔基荷載后，錨碇與山體圍巖發(fā)生擴張變形，最大增量變形出現(xiàn)在錨碇后部，變形大小分別為0.30 mm(建議參數(shù))和0.35mm(基本參數(shù))，左右錨變形相近。索鞍處的最大變形為0.42 mm(建議參數(shù))和0.43 mm(基本參數(shù))，位移分布見圖6。塔基承臺、樁基和樁基底部巖體主要發(fā)生鉛直向下的變形，塔基承臺最大變形量約為0.65 mm(建議參數(shù))和0.66 mm(基本參數(shù))，樁身最大變形量約為0.15 mm(建議參數(shù))和0.16 mm(基本參數(shù))。錨碇施加荷載引起公路隧道的最大變形約為0.14 mm(建議參數(shù))和 0.18 mm(基本參數(shù))。

3.4施加超載

錨碇施加超載(散索鞍壓力和塔基荷載均為設計荷載)后，錨碇圍巖變形形態(tài)與施加設計荷載相似，最大增量位移出現(xiàn)在錨碇后部。超載至3P的最大變形分別為1.02 mm(建議參數(shù))和1.08 mm(基本參數(shù))；超載至5P的最大變形分別為2.1 mm(建議參數(shù))和2.3 mm(基本參數(shù))，見圖7。由超載后錨碇圍巖的變形分析可知，錨碇圍巖作為整體性受力體，能夠提供強大的抗拉拔能力；若由于地質(zhì)缺陷沒有連接成完整的破壞面，錨碇圍巖仍將通過“整體效應”而聯(lián)合受力，使得較大范圍巖體均能夠提供“抗力”。

4應力與塑性區(qū)分布

4.1巖體開挖后

原始山體塑性區(qū)分布范圍較廣，但主要出現(xiàn)在巖體的卸荷帶淺表，見圖8。施工開挖后，公路隧道及錨洞周邊圍巖的應力狀態(tài)發(fā)生了較明顯的改變，洞周圍巖徑向應力釋放，切向應力增加且處于受壓狀態(tài)，左、右錨碇圍巖的壓應力集中約3.31 MPa(建議參數(shù))和2.80 MPa(基本參數(shù))，應力分布見圖9。由于塔基位于地表附近，故開挖后塔基巖體的應力狀態(tài)改變不明顯。巖體開挖后，取建議參數(shù)時，塑性區(qū)出現(xiàn)在底板和頂拱部位；取基本參數(shù)時，塑性區(qū)出現(xiàn)在洞周范圍，需進行支護。公路隧道圍巖的塑性區(qū)也主要集中在底板、頂拱及隧道之間的隔墻，延伸深度一般為4～5 m，故需適當支護。巖體開挖后塑性區(qū)見圖10。

4.2結(jié)構(gòu)物建造后

錨碇建造引起錨洞圍巖應力狀態(tài)有一定的改變，但應力改變值不大。錨碇建造基本未引起圍巖塑性區(qū)發(fā)生變化。

4.3施加工程設計荷載后

施加錨碇設計荷載、散索鞍壓力及塔基設計荷載后，錨碇在纜索拉拔力作用下擠壓洞周圍巖，引起錨碇后端面外側(cè)圍巖壓應力有所增大，錨碇底部出現(xiàn)一定的拉應力，最大拉應力約為0.14 MPa(建議參數(shù))和0.16 MPa(基本參數(shù))；錨碇施加荷載對公路隧道底板圍巖的最大壓應力為1.0 MPa(建議參數(shù))和1.5MPa(基本參數(shù))。同時施加錨碇設計荷總的說來，錨碇圍巖在施加設計荷載后新增塑性區(qū)不太明顯，塔基荷載對巖體穩(wěn)定性影響也不太明顯，同時施加錨碇設計荷載P、散索鞍壓力和塔基荷載時塑性區(qū)分布見圖12。

圖6　施加錨碇設計荷載、散索鞍壓力和塔基荷載的位移

圖7　錨碇超載為5P時位移

圖8　自然山體的塑性區(qū)分布(建議參數(shù))

圖9　公路隧道、錨碇與塔基巖體開挖后(建議參數(shù)) 載P、散索鞍壓力和塔基荷載時主應力分布見圖11。塔基施加設計荷載后，塔基承臺、樁基及樁周和樁底部巖體主要受壓，樁與巖體的接觸帶及樁底巖體出現(xiàn)少量塑性區(qū)。

4.4施加超載

施加錨碇超載后，錨碇后端面以外靠近洞壁的圍巖壓應力增大約0.5 MPa，錨體內(nèi)出現(xiàn)較高壓應力，最大壓應力值約為5.6 MPa；錨體后部附近圍巖的最大主應力由壓應力狀態(tài)變化為拉應力狀態(tài)，錨碇后端面最大拉應力進一步增大至0.54 MPa。這顯示圍巖作為整體性受力體，能夠提供較大的富余抗拉拔能力。錨碇超載5P時主應力分布見圖13。

隨著超載力的增大，錨體與圍巖接觸帶以及附近圍巖的塑性區(qū)范圍也相應增加。取基本參數(shù)時，超載至5P時，接觸帶及松動圈塑性區(qū)接近貫通(取建議參數(shù)時松動圈塑性區(qū)尚未貫通)，由此可認為隧道錨碇能夠承受5P的超載。錨碇超載5P時巖體塑性區(qū)分布見圖14。

圖10　公路隧道、錨碇與塔基巖體開挖后塑性區(qū)分布結(jié)構(gòu)物建造后

圖11　同時施加錨碇設計荷載P、散索鞍壓力和塔基荷載時主應力分布(基本參數(shù))

圖12　同時施加錨碇設計荷載P、散索鞍壓力和塔基荷載時塑性區(qū)分布

圖13　錨碇超載5P時主應力分布(建議參數(shù))

圖14　錨碇超載5P時塑性區(qū)分布

5結(jié)論

本文基于精細化有限元模型，對普立特大橋普立岸巖體穩(wěn)定性進行了計算分析，分析結(jié)果表明：普立特大橋原始山體穩(wěn)定性較好，塑性區(qū)僅分布在巖體卸荷帶的淺表；普立特大橋隧道錨錨洞、橋塔塔基和公路隧道巖體開挖后，需對公路隧道和隧道錨錨洞的圍巖進行適當支護；在普立岸建造隧道錨是適宜的，按照目前的設計施工方案隧道錨能夠承受5P的超載。

根據(jù)隧道錨碇與臨近構(gòu)筑物數(shù)值仿真分析得到的主要數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論。

1) 開挖前，有必要對山體穩(wěn)定性進行分析，以了解原始山體的塑性區(qū)分布。

2) 懸索橋建造過程中，通常是巖體開挖階段的新增塑性區(qū)最為明顯，此施工階段應注意按照數(shù)值分析結(jié)果對隧道錨錨洞和公路隧道的圍巖進行適當支護，而塔基開挖對山體穩(wěn)定性影響通常不大。

3) 混凝土錨碇施工后，重力作用會使錨洞圍巖出現(xiàn)下沉變形，但影響很小。

4) 對隧道錨碇施加設計荷載后，錨碇與山體圍巖發(fā)生壓縮變形，最大增量變形出現(xiàn)在錨碇后部；錨碇底部出現(xiàn)一定的拉應力，錨碇后端面外側(cè)圍巖壓應力有所增大，且通常會引起相鄰公路隧道圍巖中產(chǎn)生壓應力。

5) 對塔基施加設計荷載后，塔基承臺、樁基及樁周和樁底部巖體主要受壓，樁與巖體的接觸帶及樁底巖體出現(xiàn)少量塑性區(qū)，但不太明顯。

6) 若錨碇錨洞、塔基和公路隧道相互間能夠保證足夠的距離，則在施工和使用階段，公路隧道和隧道錨圍巖的應力與變形相互干擾較小。

7) 巖體力學參數(shù)對數(shù)值分析結(jié)果有一定影響，為了進行更準確的計算評價，有必要增加一些現(xiàn)場巖體力學試驗。

參 考 文 獻

[1]朱玉，衛(wèi)軍，李昊，等．懸索橋隧道錨與下方公路隧道相互作用分析[J]．鐵道科學與工程學報，2005，2(1)：57-61.

[2]衛(wèi)軍，李昊，朱玉，等.四渡河特大懸索橋隧道錨固系統(tǒng)數(shù)值分析[J].公路，2005(11)：48-51.

[3]張奇華，丁秀麗，董志宏，等.長沙至重慶國道主干線矮寨懸索橋初設階段隧道錨碇與塔基巖體穩(wěn)定性研究[R].武漢：長江水利委員會長江科學院，2005.

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[6]張利潔，張奇華．重慶魚嘴長江特大橋隧道錨碇區(qū)巖體穩(wěn)定性分析[R].武漢：長江水利委員會長江科學院，2005.

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[8]蔡美峰.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2006.

[9]中華人民共和國水利部.GB 50218—94工程巖體分級標準[S].北京：中國計劃出版社，1995.

Analysis and Study of Mutual Influences Between Anchorages of Suspension Cable Suspension Bridge Tunnels and Adjacent Structures

XIA Guobang，YU Zhengfu

Abstract:On the basis of comprehensively analyzing and utilizing geological survey data of projects, this paper establishes engineering geological generalized model of main tower system of Pulite Bridge tunnel anchorages massif stability analysis. The paper adopts 3D finite differential method to simulate tunnel anchorages, cable tower foundations, above highway tunnels and surrounding massifs, etc., calculates and analyzes natural rocks, wall rock deformation, stress release, stress redistribution, range of unloaded relaxation area and distribution features of plastic area after rock excavation and application of design load; and evaluates stable features of deformation at various stages of all structure rocks, mutual influences and possible deformation failure modes.

Keywords:tunnel anchorage; wall rock deformation; wall rock stability; geological generalized model; rock mechanics parameters

文章編號：1009-6477(2016)01-0061-06

中圖分類號：U448.25

文獻標識碼：A

作者簡介：夏國邦(1976-)，男，云南省宣威市人，本科，高工。

收稿日期：2015-07-13

基金項目：云南省交通運輸廳科技項目(云交科2011(LH)12-a號)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.014