【摘 " "要】：為研究復(fù)雜地質(zhì)及工程條件下，近隧道大橋主纜錨碇與隧道施工順序，以實際工程為例，采用有限元數(shù)值方法，基于纜力增大法，分析研究了隧道式錨碇結(jié)構(gòu)承載安全特性、近接隧道與隧道式錨碇相互作用機理及施工工序等。結(jié)果表明：錨塞體抗拔安全系數(shù)gt;2.0，圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)gt;4.0，滿足規(guī)范要求，但施工過程中要嚴(yán)格控制爆破震動，加強隧道式錨碇洞室支護(hù)強度，降低施工對圍巖擾動不利影響；在下部隧道施工完成后，開始上部隧道式錨碇的施工工序，可降低近接施工對隧道式錨碇的影響，同時也可以減小先行施工隧道受力，對于錨塞體結(jié)構(gòu)受力是科學(xué)合理的。

【關(guān)鍵詞】：主纜；錨碇；隧道；受力機理

【中圖分類號】：U451 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2024）04-14-07

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.04.004

Study on Coordinated Stress Mechanism and Reasonable Construction Process of Proximity Tunnel-Type Anchorage and Tunnel

SHI Haiyang1，LI Shuo2，LI Wentao1， SHI Qilong3

（1.Tianjin Transportation Science Research Institute， Tianjin 300060，China; 2.Tianjin University Research Institute of Architectlral Desigh and Planning Co. Ltd.， Tianjin 300073，China；3.China Communications Highway Long Bridge Construction National Engineering

Research Center Co. Ltd.， Beijing 100088，China）

【Abstract】：In order to study the construction sequence of main cable anchorage and tunnel of near tunnel bridge under complex geological and engineering conditions， taking actual engineering as an example， the paper uses the finite element numerical method， based on the method of increasing cable force， to analyze and study the bearing safety characteristics of the anchor structure， the interaction mechanism between the adjacent tunnel and the tunnel-type anchorage， and the construction process. The results show that the safety factor of anchor plug is more than 2.0， and the safety factor of surrounding rock stability is more than 4.0， which meets the requirements of the code. However， in the process of construction， the blasting vibration should be strictly controlled， the support strength of tunnel-type anchorage chamber should be strengthened， and the adverse effect of construction on surrounding rock disturbance should be reduced. After the completion of the lower tunnel construction， the construction process of the upper tunnel-type anchorage can reduce the impact of the adjacent construction on the tunnel-type anchorage， and also reduce the stress of the first construction tunnel， which is scientific and reasonable for the stress of the anchor plug structure.

【Key words】：main cable; anchorage; tunnel; stress mechanism

金安金沙江大橋為跨越金沙江而設(shè)，主纜錨固形式為隧道式錨碇，基于對隧道式錨碇（以下簡稱“隧道錨”）的研究可知，近接隧錨協(xié)同受力機理及合理施工工序是橋梁設(shè)計過程中重點考慮的問題。梅松華等[1]、趙海斌等[2]和劉斌等[3]分析了金安金沙江大橋麗江側(cè)隧道錨系統(tǒng)開挖及加載分析過程中圍巖和錨塞體的應(yīng)力、變形以及塑性破壞區(qū)的分布特性，基本掌握了施工及運行條件下隧道錨系統(tǒng)的受力特點和變形特性。覃青松[4]采用理論分析與數(shù)值模擬對G317線黃家院隧道及與其近接的紫坪鋪特大橋隧道式錨碇進(jìn)行相互影響研究，分析了隧道錨不同傾角、不同交角、不同圍巖條件工況下，剛度準(zhǔn)則與強度準(zhǔn)則在隧道軸線上的分布規(guī)律。劉新榮等[5]以玉楚高速白石巖Ⅰ號隧道下穿綠汁江大橋楚雄岸隧道錨工程為研究對象，開展了隧道錨與下穿隧道間相互影響規(guī)律的1∶100室內(nèi)模型試驗，研究發(fā)現(xiàn)，錨-隧間圍巖的應(yīng)力經(jīng)歷“應(yīng)力集中—應(yīng)力轉(zhuǎn)移—趨于穩(wěn)定”3個發(fā)展階段，施加主纜拉力的隧道錨會使錨-隧間部分圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)。張安睿等[6]以四坪隧道和開州湖特大橋開陽岸隧道錨施工順序為研究對象，采用數(shù)值分析的方法對隧道和隧道錨的開挖順序進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，兩種不同施工順序下圍巖的變形差別不大，連拱隧道與隧道錨間的塑性區(qū)并未貫通。夏國邦等[7]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，對天然巖體、巖體開挖及施加設(shè)計荷載后等各階段巖體的變形、應(yīng)力釋放及應(yīng)力重分布、卸荷松弛區(qū)的范圍、塑性區(qū)分布特點進(jìn)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、變形破壞模式。曾錢幫等[8]和胡波等[9]采用數(shù)值模擬方法，對壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇錨塞體長度開展數(shù)值模擬研究，獲得錨塞體合理經(jīng)濟(jì)的長度，為設(shè)計選型提供參考。朱曉文等[10]和黎高輝等[11]針對潤揚大橋北錨碇基礎(chǔ)的安全問題，利用有限單元法對北錨地基基礎(chǔ)的受力進(jìn)行三維仿真分析，模擬了整個施工過程。

與以往設(shè)計方案不同，金安金沙江大橋錨碇與隧道間凈距僅有11.74 m，且金安金沙江特大橋隧道錨地質(zhì)條件與工程條件的復(fù)雜程度是以往隧道錨工程沒有遇到的，要解決工程建設(shè)中的這些關(guān)鍵問題，為工程設(shè)計與施工乃至安全運營提供技術(shù)支撐，必須針對這些特點開展相關(guān)研究。為此，本文基于數(shù)值方法和理論分析，研究分析錨碇結(jié)構(gòu)變位、圍巖應(yīng)力場、塑性區(qū)變化等，揭示隧道錨與近接隧道協(xié)同作用機理，評估錨塞體的安全性能，提出隧道錨與近接隧道合理施工工序，從而有效地指導(dǎo)金安金沙江大橋隧道錨的科學(xué)設(shè)計和安全運行。

1 工程概況

金安金沙江大橋是一座主跨1 386 m的雙塔雙索面單跨板桁結(jié)合鋼桁架加勁梁懸索橋，地處高海拔、高差大、高地震烈度地區(qū)，建設(shè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度高、跨徑大。大橋兩岸為陡峭V形峽谷，錨碇均采用隧道錨設(shè)計方案，其中麗江岸大橋直接連接隧道，采用曲線隧道繞避方案。隧道與錨碇近接受力影響突出，隧道頂板距離錨塞體最小豎向間距僅為11.74 m。

麗江側(cè)錨塞體位于中風(fēng)化玄武巖，散索鞍基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，以中風(fēng)化塊狀玄武巖（承載力基本容許值[ fao]為2 000 kPa）及中風(fēng)化杏仁狀玄武巖（[ fao] 為2 000 kPa）作為持力層。前錨室洞口尺寸為11.6 m×10 m（寬×高），頂部為圓弧形，圓弧半徑5.8 m；前錨面尺寸為11.6 m×14 m（寬×高），頂部為圓弧形，圓弧半徑5.8 m；后錨面尺寸為17 m×24 m（寬×高），頂部為圓弧形，圓弧半徑為8.5 m；錨塞體長度為40 m，錨塞體最小凈距為10 m；后錨室端部尺寸為17 m×21.299 m（寬×高），長3 m。設(shè)計采用先施工隧道錨左下方公路隧道，開挖至隧道錨后20 m，再施工隧道錨。見圖1。

2 隧道錨數(shù)值仿真模型

2.1 假設(shè)條件

科學(xué)合理的數(shù)值模擬簡化方法，不僅可以保證計算分析的可靠性，而且還可提高計算效率。為此，本文基于以下假設(shè)建立數(shù)值模型：

1）基于有限元纜力增大法，計算錨塞體承載力安全系數(shù)，錨塞體預(yù)應(yīng)力為0.2倍運營纜力；錨塞體與圍巖之間設(shè)置接觸面，考慮錨塞體與圍巖相互作用，巖體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，錨塞體結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型；

2）隧道錨及隧道均根據(jù)設(shè)計方案建立三維模型，巖體及持力層基于平面應(yīng)變假設(shè)，選取表層覆蓋層最厚的最不利典型斷面進(jìn)行建模；

3）由于本文重點通過研究應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)的變化，評估錨碇與隧道施工相互影響，因此下部隧道開挖未考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)作用，但隧道錨考慮了襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)體結(jié)構(gòu)采用板單元進(jìn)行模擬。

2.2 計算參數(shù)

單根纜力標(biāo)準(zhǔn)值P為621 500 kN，纜力入射角12°。隧道錨持力層為中風(fēng)化玄武巖，表層覆蓋層為碎石土，均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。見表1。

隧道錨洞支護(hù)結(jié)構(gòu)為C40混凝土襯砌，采用板單元模擬。見表2。

通過調(diào)研及現(xiàn)場拉拔試驗成果，確定錨塞體與圍巖界面抗剪強度參數(shù)。見表3。

2.3 模型建立

采用有限元PLAXIS 3D建立三維數(shù)值模型，共劃分184 080個單元、256 793個節(jié)點，包括近接隧道、隧道錨結(jié)構(gòu)及支護(hù)體系等，隧道具有一定的曲率半徑沿錨碇下方穿過，待隧道施工完畢后，隧道錨洞開始開挖。模型底部固定約束，四周鉸接約束，未考慮地下水、地震等不利影響。為監(jiān)測纜力作用下，隧道錨位移變形規(guī)律，在隧道錨后錨面頂板、中部及底板處設(shè)置多個變位監(jiān)測點。見圖2。

2.4 工序設(shè)置

為研究不同施工工序?qū)λ淼厘^結(jié)構(gòu)及周邊圍巖體變位影響，根據(jù)隧道開挖、隧道錨洞開挖及隧道錨結(jié)構(gòu)澆筑不同順序，補充設(shè)計了3種典型計算工況。

1）工況1：隧道與隧道錨同時掘進(jìn)。

2）工況2：隧道錨洞施工完成后開始掘進(jìn)隧道。

3）工況3：纜力施加后掘進(jìn)隧道。

結(jié)合金安金沙江大橋設(shè)計采用的“先掘進(jìn)隧道、后開挖錨洞”工序，對4種工況進(jìn)行對比分析。為監(jiān)測不同工況下錨塞體圍巖變化規(guī)律，于一側(cè)錨塞體下方巖體內(nèi)布置沉降觀測點。以工況一為例，對隧道錨和隧道施工工序進(jìn)行說明。見圖3。

3 隧錨近接協(xié)同受力機理

3.1 錨碇變位特征

在運營纜力作用下，錨塞體、隧道頂?shù)装寮爸苓厙鷰r體沿纜力作用方向產(chǎn)生變形，影響范圍以錨塞體為中心，圍繞錨塞體呈拋物面形狀，趨向邊坡臨空面方向。其中錨塞體圍巖體最大變位值較小，僅為4.0 mm，隨著纜力倍數(shù)增大，變位趨勢逐漸明顯，但圍巖總變形及其對已施工完畢的下部隧道影響很小。見圖4。

對錨塞體后錨面頂板、中點、底板3個變位監(jiān)測點平均值進(jìn)行統(tǒng)計。在設(shè)計纜力作用下，錨塞體變位值為1.2 mm；在2倍運營纜力作用時，變位值為2.9 mm；在6倍運營纜力作用時，變位值為6.4 mm。1～6倍纜力作用時，錨塞體變位值呈線性增長方式，錨碇及圍巖體處于彈性工作狀態(tài)，纜力荷載對周圍的巖體擾動較小，錨碇及圍巖體整體受力狀態(tài)良好，隨著纜力的增加，當(dāng)作用荷載為8倍纜力以上時，錨塞體的變形速率明顯增加，錨塞體變位值呈非線性增長方式。見圖5。

3.2 錨塞體結(jié)構(gòu)受力

統(tǒng)計分析了錨塞體結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力及結(jié)構(gòu)與圍巖接觸面相對剪切應(yīng)力分布規(guī)律。運營纜力作用下，錨塞體最大主應(yīng)力為4 255 kPa；2倍運營纜力作用下，最大主應(yīng)力達(dá)到9 142 kPa，遠(yuǎn)低于混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值14.3 MPa。

正常纜力作用下，錨塞體與圍巖間的界面剪應(yīng)力尚未充分發(fā)揮；隨著纜力增大，結(jié)構(gòu)與圍巖體界面剪應(yīng)力發(fā)揮程度提高，由于錨塞體結(jié)構(gòu)變位后部大于前部，錨塞體后端剪應(yīng)力先達(dá)到極值，隨后逐漸向前錨室方向延伸，4倍纜力時錨塞體與圍巖界面強度基本全部發(fā)揮，達(dá)到應(yīng)力極值狀態(tài)。綜合錨塞體結(jié)構(gòu)變位、結(jié)構(gòu)受力、界面強度等分析評估，錨塞體抗拔安全系數(shù)＞2.0，滿足JTGTD 65-05—2015《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》要求。見圖6。

3.3 圍巖體塑性區(qū)

施加主纜拉力后，錨碇在主纜拉力的作用下擠壓周圍巖體，導(dǎo)致后錨面外側(cè)四周巖體應(yīng)力增大，相應(yīng)的錨碇圍巖塑性區(qū)范圍也逐漸增大。在2倍以內(nèi)設(shè)計荷載作用下，塑性區(qū)分布范圍較少，僅局限于錨塞體頂部與圍巖之間的局部界面，未向圍巖深部發(fā)展；隨著纜力增大到4倍正常荷載時，塑性區(qū)范圍顯著增加，逐漸表現(xiàn)出與頂部圍巖體塑性區(qū)貫通的趨勢，并向深部巖體延伸；當(dāng)纜力增加到6倍以上運營纜力時，圍巖界面塑性區(qū)完全貫通。見圖7。

對左右兩幅隧道錨之間巖柱的塑性區(qū)的分布進(jìn)行統(tǒng)計分析。在設(shè)計纜力及2倍設(shè)計纜力作用下，錨碇與圍巖界面處出現(xiàn)塑性區(qū)，左右兩幅錨碇之間的巖柱沒有發(fā)生貫通塑性區(qū)；但隨著纜力增大，塑性區(qū)開始貫通，當(dāng)纜力增大到4倍時，巖柱縱向和橫向出現(xiàn)貫通塑性區(qū)，后隨著纜力的繼續(xù)增加，中間巖柱塑性區(qū)的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，塑性區(qū)完全貫通。見圖8和圖9。

4 合理施工工序研究

工況1監(jiān)測點附近圍巖在上部隧道錨開挖的卸荷回彈作用和下覆隧道開挖頂板圍巖卸荷下沉效應(yīng)的相互影響下，總體以豎向沉降為主，在掛纜力施加后，圍巖又產(chǎn)生向上的變位效應(yīng)。工況2錨洞開挖過程中，由于隧道錨開挖的卸載作用，圍巖產(chǎn)生向上的變位，監(jiān)測點附近的后錨室?guī)r體開挖時，豎向變位達(dá)到最大值，在后續(xù)下部隧道開挖過程中，由于錨塞體圍巖底部開挖卸荷，圍巖開始豎向沉降，最終在隧道錨開挖的卸荷回彈效應(yīng)和隧道開挖頂板圍巖的下沉效應(yīng)的綜合影響下，隧道錨下方的圍巖變形呈現(xiàn)豎向沉降狀態(tài)。工況3同工況2，隧道錨洞開挖過程中由于卸載作用，監(jiān)測點整體位移向上，隨著后續(xù)下部隧道開挖工序的進(jìn)行，錨塞體下部圍巖開始產(chǎn)生向下的沉降，圍巖豎向應(yīng)力也隨著錨室開挖卸載、掛纜、底部隧道開挖而降低。見圖10。

結(jié)合金安金沙江大橋設(shè)計采用的“先掘進(jìn)隧道、后開挖錨洞”的工序及補充對比計算的3種工況，綜合分析可知，上方隧道錨洞開挖施工和掛纜工序的效應(yīng)：對隧道周邊圍巖進(jìn)行卸載，有利于降低下部隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載；而下方隧道開挖的效應(yīng)：對上部隧道錨持力層進(jìn)行卸載，進(jìn)一步導(dǎo)致隧道錨變位的發(fā)生，隧道在掛纜施工后開挖會進(jìn)一步影響隧道錨的工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

1）正常運營纜力作用下，錨塞體結(jié)構(gòu)變位僅為1.2 mm，錨塞體與圍巖間的界面剪應(yīng)力尚未充分發(fā)揮；纜力-位移曲線在8倍纜力以內(nèi)均呈線性分布，錨碇及圍巖體處于彈性工作狀態(tài)，4倍纜力時錨塞體與圍巖界面強度基本全部發(fā)揮，達(dá)到剪應(yīng)力極限狀態(tài)。因此，綜合錨塞體結(jié)構(gòu)變位、結(jié)構(gòu)受力、錨塞體與圍巖界面強度等綜合評估，錨塞體抗拔安全系數(shù)＞2.0，滿足JTGTD 65-05—2015要求。

2）纜力荷載作用下，錨塞體頂?shù)装鍑鷰r及中間巖柱產(chǎn)生塑性區(qū)，但范圍很?。浑S著荷載增大至4倍運營纜力，圍巖界面頂部和錨碇之間巖柱的塑性區(qū)開始產(chǎn)生貫通趨勢，但圍巖變形量很小，圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)＞4.0，滿足JTGTD 65-05—2015要求，但施工過程中要嚴(yán)格控制爆破震動，加強隧道錨硐室支護(hù)強度，降低施工對圍巖擾動。

3）上方隧道錨洞開挖施工和掛纜可對隧道周邊圍巖進(jìn)行卸載，有利于降低下部隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載；而下方隧道開挖可對上部隧道錨持力層進(jìn)行卸載，進(jìn)一步導(dǎo)致隧道錨變位的發(fā)生，隧道在掛纜施工后開挖下部隧道會進(jìn)一步影響隧道錨的受力狀態(tài)。因此當(dāng)前在下方隧道掘進(jìn)完成后，開始上部隧道錨洞開挖及澆筑施工工序是科學(xué)合理的。

綜上，由于隧道錨可充分調(diào)動圍巖體自身承載能力，具有更好的承載特性和受力模式，隧道錨施工對下方隧道的擾動較小，錨塞體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)在2.0以上，隧道錨圍巖安全系數(shù)在4.0以上，滿足JTGTD 65-05—2015要求；但要嚴(yán)格控制施工過程中爆破對圍巖擾動不利影響，同時加強錨塞體硐室支護(hù)強度。

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