楊 忠,張郁烽,段瑞芳,魏艷寫

(1.陜西省交通建設(shè)集團公司，陜西 西安 710075；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 3.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018；4.中石油華東設(shè)計院有限公司北京分公司，北京 100029)

0 引 言

隧道式錨碇是懸索橋主纜錨固的一種主要形式，由于隧道式錨碇不需要像重力式錨碇那樣澆筑巨大的錨體，因此可大幅減少材料用量，降低工程造價，而且施工過程對周圍環(huán)境影響小，有利于保護環(huán)境，在山區(qū)懸索橋中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是，隧道式錨碇作為一種較新穎的錨固形式，其發(fā)展歷史較短，國內(nèi)外對隧道錨的受力機理及破壞模式的研究并不多，目前尚無完整的計算理論可供參考，對于巖體本身的認(rèn)識也存在一些問題，其他國家對錨塞體的計算無明確的規(guī)范條文[4]。文獻[5]～[7]通過現(xiàn)場原位試驗及經(jīng)驗類比法證明了隧道錨接觸面承載能力取決于混凝土強度和巖體強度之間的較小者；文獻[8]～[10]研究表明，回填混凝土與圍巖的黏結(jié)力和圍巖的夾持效應(yīng)是影響隧道錨承載能力的主要因素。文獻[11]使用FLAC3D有限差分軟件建立隧道錨的數(shù)值分析模型，結(jié)果表明，在設(shè)計荷載下，主纜纜力的施加對巖體影響較小。文獻[12]～[16]通過原位試驗及數(shù)值模擬，得出影響復(fù)合式隧道錨承載力的主要因素為：錨塞體尺寸、錨塞體傾角、錨索應(yīng)力。由于目前還沒有完整的計算理論可供參考，設(shè)計人員主要依靠工程經(jīng)驗及現(xiàn)場原位試驗的部分結(jié)果擬定錨碇的尺寸，然后通過相關(guān)軟件進行靜力及穩(wěn)定性驗算。本文通過對隧道錨進行數(shù)值模擬計算及現(xiàn)場監(jiān)測，從理論計算和現(xiàn)場監(jiān)測方面綜合分析隧道錨的工作機理及圍巖的穩(wěn)定性，為隧道錨的開挖、設(shè)計以及安全運營提供指導(dǎo)，也為后續(xù)同類結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供參考。

1 隧道錨數(shù)值分析模型

1.1 工程概況

普立特大橋全長1 040 m，橋型布置見圖 1。主橋為雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，主纜跨徑為(166+628+166)m。普立岸錨碇為隧道錨，宣威岸錨碇為重力式錨。隧道錨區(qū)位于走向南西山脊，地形坡度為30°～35°。隧道錨分布石炭系上統(tǒng)馬平組(C3mp)白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，巖層產(chǎn)狀平緩，地表淺部溶蝕強烈，裂隙發(fā)育，下部巖體較破碎，見少量溶洞等分布。

圖1 普立特大橋總體布置

1.2 數(shù)值模型

錨塞體軸線長度為35.0 m，前錨室軸線長度為30.0 m，后錨室長度為3.0 m。錨塞體斷面為城門洞形，前錨面高和底邊寬均為9.5 m，后錨面高和底邊寬均為13 m。根據(jù)以上巖體參數(shù)以及結(jié)構(gòu)尺寸建立隧道錨數(shù)值計算模型，如圖 2所示。模型共剖分了26 122個四面體單元、2 635個三角形單元、31 238個節(jié)點，邊界條件為底面三向約束，側(cè)面法向約束，地表自由。

圖2 錨體計算模型

1.3 計算步驟

根據(jù)普立隧道錨現(xiàn)場施工實際情況，模擬計算時采用圖3所示的計算步驟。

圖3 計算步驟

1.4 數(shù)值結(jié)果分析

1.4.1 初始應(yīng)力場及開挖與回填后的應(yīng)力

根據(jù)現(xiàn)場勘測資料，采用分階段彈塑性求解法對初始應(yīng)力場求解，可知最大豎向位移在巖體頂部，最大應(yīng)力在結(jié)構(gòu)底部，約為-3.51 MPa。錨洞開挖后，巖體位移較小，拱頂位移大于拱底位移，最大為3.42 mm。巖體應(yīng)力發(fā)生明顯改變，仍處于受壓狀態(tài)，后錨室拱頂因截面突變而出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力為-0.2～-0.4 MPa(壓應(yīng)力)，最小主應(yīng)力為-2.0～-2.5 MPa(壓應(yīng)力)，最小主應(yīng)力數(shù)值明顯大于其他部位，說明開挖時需加強開挖面處頂部圍巖的支護。

錨洞開挖之后進行初期支護及二次襯砌，然后開始錨塞體的施工。計算可知，由于回填混凝土的支撐作用，巖體豎向位移均勻，水平位移減小，位移峰值為順橋向0.18 mm?；靥铄^塞體后，巖體與錨塞體均處于低壓狀態(tài)，后錨室底部局部應(yīng)力集中現(xiàn)象有所加劇，應(yīng)力集中區(qū)擴大，此時整體結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為-0.4～-1.0 MPa(壓應(yīng)力)，最小主應(yīng)力為-0.5～-2.8 MPa(壓應(yīng)力)。

1.4.2 錨塞體張拉預(yù)應(yīng)力及加主纜荷載后的位移

張拉錨塞體體內(nèi)預(yù)應(yīng)力后，錨塞體豎向位移發(fā)生顯著改變，由前一階段的0.14～0.5 mm變?yōu)?.32～1.5 mm，前半部分位移大于后半部分。上部出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在前錨面底部與巖體接觸部位，為-4.1 MPa，最小值出現(xiàn)在前錨面拱頂與巖體接觸部位，為-0.5 MPa。

施加主纜力后結(jié)構(gòu)的位移有所增加，主要發(fā)生在錨塞體前錨面附近，順橋向位移和豎向位移變化明顯，豎向位移為0.5～2.0 mm(向下)，橫橋向位移的改變幾乎為零，位移最大值發(fā)生在錨塞體前半部分底部與巖體的接觸部位，水平位移為0.2～0.8 mm(X正向)。從整體角度考慮，施加纜力后，錨塞體與巖體接觸面有相對剪切變形，在接觸面產(chǎn)生較大剪切應(yīng)力。

1.4.3 塑性區(qū)分布

FLAC3D進行數(shù)值模擬計算時，會對每個點的應(yīng)力歷史進行記錄，當(dāng)某一點的應(yīng)力狀況符合屈服準(zhǔn)則時，則認(rèn)為該點進入塑性狀態(tài)。成橋恒載作用下大部分單元都顯示過去曾經(jīng)處于屈服面上，現(xiàn)在處于彈性范圍；而曾經(jīng)達到過屈服面的單元主要發(fā)生在前后錨面底部的巖體，發(fā)生屈服的區(qū)域都很小，說明成橋狀態(tài)巖體穩(wěn)定。

圖4 左幅前錨面縱向水平位移

2 現(xiàn)場實測結(jié)果分析

2.1 前錨面位移監(jiān)測

在主纜索股架設(shè)施工階段，對前錨面表觀沉降和水平位移進行監(jiān)測，基礎(chǔ)變形采用全站儀以反光膜片作為觀測標(biāo)志進行現(xiàn)場測量，選取左幅前錨面部分有代表性的觀測點分析其位移規(guī)律，如圖4所示。隨著施工工序的進行，前錨面不同部位水平位移增量不同，最大縱向位移達到6.3 mm。

由于結(jié)構(gòu)對稱，前錨面橫橋向位移也對稱，如圖5所示，實測橫橋向位移最大達到6 mm，遠(yuǎn)大于理論值。從總體結(jié)果來看，由于主纜荷載增加，前錨面豎向及水平位移均增加，且順橋向水平位移增量最大，這也說明由于錨塞體自重及與圍巖的夾持效應(yīng)，水平位移增加較為明顯。

圖5 左幅前錨面橫向水平位移

2.2 錨塞體與圍巖接觸應(yīng)力監(jiān)測

測量錨塞體與圍巖相互作用下的應(yīng)力是地下工程監(jiān)測中的重要內(nèi)容，也是進行隧道錨反饋設(shè)計法需要獲取的重要參數(shù)。采用埋入式鋼弦土壓力盒分別對隧道錨斷面處實施錨塞體與圍巖接觸壓力監(jiān)測。其中右幅K11+198.3測點編號分別為MST1-1(拱頂)、MST1-2(左拱肩)、MST1-3(右拱肩)、MST1-4(左拱腳)和MST1-5(右拱腳)；左幅錨塞體中部K11+201.9斷面測點編號分別為MST2-1(拱頂)、MST2-2(左拱肩)、MST2-3(右拱肩)、MST2-4(左拱腳)和MST2-5(右拱腳)。

圖6 右幅斷面錨巖接觸壓力

如圖6所示，由于錨體自身重力作用，使其有向后錨室運動的趨勢，加上混凝土的收縮變形，使接觸面產(chǎn)生拉應(yīng)力，各監(jiān)測點初期均測明接觸面為拉應(yīng)力，且逐漸增大，在隧道錨施工完成后拉應(yīng)力在監(jiān)測點MST1-2達到峰值，約為0.89 MPa。主纜開始架設(shè)后，錨塞體受主纜拉力而逐步產(chǎn)生向前錨室位移的趨勢，鋼箱梁吊裝階段主纜拉力增加明顯，錨塞體產(chǎn)生順橋向位移，接觸面應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。成橋階段，各測點應(yīng)力在-0.22～0.19 MPa，錨塞體與圍巖的接觸應(yīng)力并沒有表現(xiàn)為完全的對稱性，測點MST1-2、MST1-3的測量結(jié)果表現(xiàn)為“反對稱”，與計算結(jié)果表現(xiàn)的趨勢相反，測點MST1-4、MST1-5總體應(yīng)力變化規(guī)律較為一致，最終應(yīng)力也相同。這表明巖體受力復(fù)雜，容易受到周圍不同特性巖體的影響。

2.3 錨塞體軸向鋼筋應(yīng)力監(jiān)測

通過測量錨塞體軸向的鋼筋應(yīng)力判斷錨塞體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由圖7可知，右幅測量斷面(測點MST1-6、MST3-6)初始階段錨塞體軸向受壓，且逐漸增大，之后壓應(yīng)力逐漸減小并最終轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。這表明張拉預(yù)應(yīng)力后，錨塞體明顯受壓，后期荷載施加后，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)有所消退，這與縱橋向水平位移的測量結(jié)果一致。左幅測量斷面(測點MST2-6)在初始階段處于受壓狀態(tài)且壓力逐漸增加，這與右幅的測量結(jié)果截然相反，表明設(shè)計相同的錨體不同位置的內(nèi)部局部受力在短期內(nèi)也存在較大差異。

圖7 錨塞體軸向應(yīng)變變化曲線

3 結(jié) 語

本文通過有限差分軟件FLAC3D并結(jié)合現(xiàn)場資料建立了隧道錨的地質(zhì)概化模型。通過理論計算與現(xiàn)場測量結(jié)果進行對比分析，得到以下結(jié)論：開挖后拱頂位移大于拱底位移，且在錨室中部達到最大，因此在開挖到錨塞體中部時應(yīng)加強支護防護措施；成橋階段錨塞體與圍巖的接觸應(yīng)力的測量結(jié)果與計算結(jié)果表現(xiàn)趨勢相反，表明巖體受力復(fù)雜，容易受到 周圍不同特性巖體的影響，從位移計算結(jié)果及實測數(shù)值來看，實測位移大于理論計算值，但實測值均在毫米級別，表明現(xiàn)階段采用的隧道錨都是比較安全的，成橋階段巖體無塑性區(qū)出現(xiàn)。