拱桥施工中隧道锚的受力状态分析及监测*

2016-12-12林新元董向前姚晨张峰

公路与汽运 2016年6期

关键词：悬索桥拱桥钢管

林新元，董向前，姚晨，张峰

（1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100123；2.陕西省高速公路建设集团公司，陕西西安 710054；3.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061）

拱桥施工中隧道锚的受力状态分析及监测*

林新元1，董向前2，姚晨3，张峰3

（1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100123；2.陕西省高速公路建设集团公司，陕西西安 710054；3.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061）

隧道锚作为拱桥施工中的临时构造，其受力影响整桥的施工安全。文中结合某在建钢管砼拱桥，建立考虑围岩和隧道锚相互作用的数值计算模型，计算结果显示隧道锚砼的局部应力过大，提出根据计算结果联合现场情况，在关键位置布置应力传感器动态监测隧道锚的施工情况并及时反馈给施工单位，以避免安全事故，保证施工安全。

桥梁；拱桥；隧道锚；受力；数值模拟

锚碇作为主要承力结构物，缆上巨大的水平拉力通过索股与锚碇架分散传到锚块上，再由锚块、基础通过摩阻力传递到地基。锚碇有重力锚、隧道锚和土锚等构造形式，其中隧道锚将围岩与锚碇组成整体共同受力，在结构受力上更为合理，一般在节理较少、岩体力学性能较好的地方使用。

隧道锚的研究方法分为模型试验和数值模拟，研究内容主要包括隧道锚的极限承载力、稳定性、围岩与隧道锚的相互作用及隧道锚的安全控制标准等。受环境和成本限制，室内模型试验通常无法获得满意的结果。而数值模拟可考虑多种工况、材料非线性和几何非线性等情况，其计算成果更能指导工程实际，是一种较理想的研究方法。该文对某在建钢管砼拱桥施工中隧道锚的受力状态进行分析。

1 工程概况

该桥位于陕西省汉中市，桥跨布置为2×13 m预制空心板+跨径262 m钢管砼拱+2×13 m预制空心板，长314.8 m。所在地区受地质构造及水流切割的影响地形较破碎，地面侵蚀剥蚀强烈，宝鸡岸缆索锚碇及基础为土质地质，汉中岸锚碇区表面覆盖2 m强风化碎石及土层，下面为中风化大理石地质。

根据该桥所处地形特点，从成本、工期及安全风险等方面考虑，采用缆索吊进行安装施工。钢管拱肋采用工厂加工预制段，现场组拼成标准构件，再采用缆索吊运送。单肋纵向分为12个节段，最大重量57 t。

隧道锚总体为楔形锚梁，局部埋设钢板并连接滑轮用于锚固主索（见图1）。在隧道内的空间预留孔道用于扣索锚固（见图2、图3）。在锚梁的尾部设置钢梁用于固定钢板，保证主索索力传递到锚碇上（见图4）。为了保证钢板与隧道锚的受力安全，在钢板的纵向预留一定长度无粘结区段（见图5）。

2 数值分析

采用有限元软件ABAQUS对汉中岸主洞室锚碇进行分析计算。根据设计图纸提供的材料及结构参数建立计算模型，考虑到结构体和受力的对称性，模型取锚碇半结构体。充分考虑计算精度和计算效率的需要，在不影响结果的前提下，计算范围设为33 m×22.5 m×43.9 m（半长×宽×高，取至地表）。采用ABAQUS中的嵌入功能精确模拟内锚钢板嵌入砼锚碇的情况，并在内锚钢板周围创建6个孔洞模拟扣索。边界条件上，轴平面设置为对称约束，其他设置为3个方向约束。根据施工方案，在5个内锚钢板处建立耦合参考点，将滑轮的等效荷载施加在参考点上，以避免应力集中，更真实地反映实际受力情况。在扣索处同样建立与扣索边耦合的参考点来施加拉力，模拟扣索受力情况。结构共划分为约139 622个单元。锚碇应力计算结果见图6。

图1 隧道锚立面图（单位：mm）

图2 隧道锚预埋件及预埋孔布置（单位：mm）

图3 隧道锚扣索锚固立面图（单位：mm）

图4 隧道锚俯视图（单位：mm）

图5 钢板与砼的无粘结区域

由图6可知：锚碇砼最大主拉应力位置为扣索后锚点及锚碇与围岩的交界面。实际施工中在这些位置布置大量构造钢筋（见图7）提高抗拉强度。

图6 隧道锚应力分析结果（单位：Pa）

图7 隧道锚的钢筋构造（单位：mm）

3 现场检测

在隧道锚计算应力过大的关键位置布置应力传感器，对吊装施工开展监测，保证隧道锚的受力安全。隧道锚的整体布置见图8，Ⅰ-Ⅰ截面传感器沿横向布置2排共计16个（见图9），Ⅱ-Ⅱ截面传感器沿纵向、竖向布置2排共计16个（见图10）。

图8 主索锚固立面图

图9 隧道锚Ⅰ-Ⅰ截面传感器布置（单位：mm）

图10 隧道锚Ⅱ-Ⅱ截面传感器布置（单位：mm）

在隧道锚砼浇筑完成后，对32个传感器进行测试，保证所有传感器均能正常使用。在试吊开始前的施工期内13号、16号传感器受到损坏无法使用，32号传感器在后续阶段因施工原因遭到破坏无法使用。各传感器现场采集数据见图11～14。

图11 钢管拱Ⅰ-Ⅰ截面上排应力变化情况

图12 钢管拱Ⅰ-Ⅰ截面下排应力变化情况

图13 钢管拱Ⅱ-Ⅱ截面竖向应力变化情况

图14 钢管拱Ⅱ-Ⅱ截面纵向应力变化情况

应力传感器采集的数据是主索开始承载、隧道锚开始参与工作时该位置的应力，从中可看出隧道锚参与工作时各位置的应力变化规律，从而对整个隧道锚的安全作出评估。由图11～14来看，在吊装第7、第8节段时应力剧增，现场观测发现裂缝，与施工单位沟通后，得出应力增大原因为吊索同时起吊这两个节段的钢管拱，导致隧道锚应力过大。后续节段调整施工方案，应力逐渐减小。