山区悬索桥隧道锚的性能分析

杨 忠,张郁烽,段瑞芳,魏艳写

(1.陕西省交通建设集团公司，陕西 西安 710075；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 3.陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018；4.中石油华东设计院有限公司北京分公司，北京 100029)

0 引 言

隧道式锚碇是悬索桥主缆锚固的一种主要形式，由于隧道式锚碇不需要像重力式锚碇那样浇筑巨大的锚体，因此可大幅减少材料用量，降低工程造价，而且施工过程对周围环境影响小，有利于保护环境，在山区悬索桥中得到越来越广泛的应用[1-3]。但是，隧道式锚碇作为一种较新颖的锚固形式，其发展历史较短，国内外对隧道锚的受力机理及破坏模式的研究并不多，目前尚无完整的计算理论可供参考，对于岩体本身的认识也存在一些问题，其他国家对锚塞体的计算无明确的规范条文[4]。文献[5]～[7]通过现场原位试验及经验类比法证明了隧道锚接触面承载能力取决于混凝土强度和岩体强度之间的较小者；文献[8]～[10]研究表明，回填混凝土与围岩的黏结力和围岩的夹持效应是影响隧道锚承载能力的主要因素。文献[11]使用FLAC3D有限差分软件建立隧道锚的数值分析模型，结果表明，在设计荷载下，主缆缆力的施加对岩体影响较小。文献[12]～[16]通过原位试验及数值模拟，得出影响复合式隧道锚承载力的主要因素为：锚塞体尺寸、锚塞体倾角、锚索应力。由于目前还没有完整的计算理论可供参考，设计人员主要依靠工程经验及现场原位试验的部分结果拟定锚碇的尺寸，然后通过相关软件进行静力及稳定性验算。本文通过对隧道锚进行数值模拟计算及现场监测，从理论计算和现场监测方面综合分析隧道锚的工作机理及围岩的稳定性，为隧道锚的开挖、设计以及安全运营提供指导，也为后续同类结构的应用提供参考。

1 隧道锚数值分析模型

1.1 工程概况

普立特大桥全长1 040 m，桥型布置见图 1。主桥为双塔单跨钢箱梁悬索桥，主缆跨径为(166+628+166)m。普立岸锚碇为隧道锚，宣威岸锚碇为重力式锚。隧道锚区位于走向南西山脊，地形坡度为30°～35°。隧道锚分布石炭系上统马平组(C3mp)白云质灰岩、白云岩，岩层产状平缓，地表浅部溶蚀强烈，裂隙发育，下部岩体较破碎，见少量溶洞等分布。

图1 普立特大桥总体布置

1.2 数值模型

锚塞体轴线长度为35.0 m，前锚室轴线长度为30.0 m，后锚室长度为3.0 m。锚塞体断面为城门洞形，前锚面高和底边宽均为9.5 m，后锚面高和底边宽均为13 m。根据以上岩体参数以及结构尺寸建立隧道锚数值计算模型，如图 2所示。模型共剖分了26 122个四面体单元、2 635个三角形单元、31 238个节点，边界条件为底面三向约束，侧面法向约束，地表自由。

图2 锚体计算模型

1.3 计算步骤

根据普立隧道锚现场施工实际情况，模拟计算时采用图3所示的计算步骤。

图3 计算步骤

1.4 数值结果分析

1.4.1 初始应力场及开挖与回填后的应力

根据现场勘测资料，采用分阶段弹塑性求解法对初始应力场求解，可知最大竖向位移在岩体顶部，最大应力在结构底部，约为-3.51 MPa。锚洞开挖后，岩体位移较小，拱顶位移大于拱底位移，最大为3.42 mm。岩体应力发生明显改变，仍处于受压状态，后锚室拱顶因截面突变而出现较为明显的应力集中，最大主应力为-0.2～-0.4 MPa(压应力)，最小主应力为-2.0～-2.5 MPa(压应力)，最小主应力数值明显大于其他部位，说明开挖时需加强开挖面处顶部围岩的支护。

锚洞开挖之后进行初期支护及二次衬砌，然后开始锚塞体的施工。计算可知，由于回填混凝土的支撑作用，岩体竖向位移均匀，水平位移减小，位移峰值为顺桥向0.18 mm。回填锚塞体后，岩体与锚塞体均处于低压状态，后锚室底部局部应力集中现象有所加剧，应力集中区扩大，此时整体结构最大主应力为-0.4～-1.0 MPa(压应力)，最小主应力为-0.5～-2.8 MPa(压应力)。

1.4.2 锚塞体张拉预应力及加主缆荷载后的位移

张拉锚塞体体内预应力后，锚塞体竖向位移发生显著改变，由前一阶段的0.14～0.5 mm变为0.32～1.5 mm，前半部分位移大于后半部分。上部出现局部拉应力，最大值出现在前锚面底部与岩体接触部位，为-4.1 MPa，最小值出现在前锚面拱顶与岩体接触部位，为-0.5 MPa。

施加主缆力后结构的位移有所增加，主要发生在锚塞体前锚面附近，顺桥向位移和竖向位移变化明显，竖向位移为0.5～2.0 mm(向下)，横桥向位移的改变几乎为零，位移最大值发生在锚塞体前半部分底部与岩体的接触部位，水平位移为0.2～0.8 mm(X正向)。从整体角度考虑，施加缆力后，锚塞体与岩体接触面有相对剪切变形，在接触面产生较大剪切应力。

1.4.3 塑性区分布

FLAC3D进行数值模拟计算时，会对每个点的应力历史进行记录，当某一点的应力状况符合屈服准则时，则认为该点进入塑性状态。成桥恒载作用下大部分单元都显示过去曾经处于屈服面上，现在处于弹性范围；而曾经达到过屈服面的单元主要发生在前后锚面底部的岩体，发生屈服的区域都很小，说明成桥状态岩体稳定。

图4 左幅前锚面纵向水平位移

2 现场实测结果分析

2.1 前锚面位移监测

在主缆索股架设施工阶段，对前锚面表观沉降和水平位移进行监测，基础变形采用全站仪以反光膜片作为观测标志进行现场测量，选取左幅前锚面部分有代表性的观测点分析其位移规律，如图4所示。随着施工工序的进行，前锚面不同部位水平位移增量不同，最大纵向位移达到6.3 mm。

由于结构对称，前锚面横桥向位移也对称，如图5所示，实测横桥向位移最大达到6 mm，远大于理论值。从总体结果来看，由于主缆荷载增加，前锚面竖向及水平位移均增加，且顺桥向水平位移增量最大，这也说明由于锚塞体自重及与围岩的夹持效应，水平位移增加较为明显。

图5 左幅前锚面横向水平位移

2.2 锚塞体与围岩接触应力监测

测量锚塞体与围岩相互作用下的应力是地下工程监测中的重要内容，也是进行隧道锚反馈设计法需要获取的重要参数。采用埋入式钢弦土压力盒分别对隧道锚断面处实施锚塞体与围岩接触压力监测。其中右幅K11+198.3测点编号分别为MST1-1(拱顶)、MST1-2(左拱肩)、MST1-3(右拱肩)、MST1-4(左拱脚)和MST1-5(右拱脚)；左幅锚塞体中部K11+201.9断面测点编号分别为MST2-1(拱顶)、MST2-2(左拱肩)、MST2-3(右拱肩)、MST2-4(左拱脚)和MST2-5(右拱脚)。

图6 右幅断面锚岩接触压力

如图6所示，由于锚体自身重力作用，使其有向后锚室运动的趋势，加上混凝土的收缩变形，使接触面产生拉应力，各监测点初期均测明接触面为拉应力，且逐渐增大，在隧道锚施工完成后拉应力在监测点MST1-2达到峰值，约为0.89 MPa。主缆开始架设后，锚塞体受主缆拉力而逐步产生向前锚室位移的趋势，钢箱梁吊装阶段主缆拉力增加明显，锚塞体产生顺桥向位移，接触面应力由拉应力转变为压应力。成桥阶段，各测点应力在-0.22～0.19 MPa，锚塞体与围岩的接触应力并没有表现为完全的对称性，测点MST1-2、MST1-3的测量结果表现为“反对称”，与计算结果表现的趋势相反，测点MST1-4、MST1-5总体应力变化规律较为一致，最终应力也相同。这表明岩体受力复杂，容易受到周围不同特性岩体的影响。

2.3 锚塞体轴向钢筋应力监测

通过测量锚塞体轴向的钢筋应力判断锚塞体内部结构的稳定性。由图7可知，右幅测量断面(测点MST1-6、MST3-6)初始阶段锚塞体轴向受压，且逐渐增大，之后压应力逐渐减小并最终转化为拉应力。这表明张拉预应力后，锚塞体明显受压，后期荷载施加后，预应力效应有所消退，这与纵桥向水平位移的测量结果一致。左幅测量断面(测点MST2-6)在初始阶段处于受压状态且压力逐渐增加，这与右幅的测量结果截然相反，表明设计相同的锚体不同位置的内部局部受力在短期内也存在较大差异。

图7 锚塞体轴向应变变化曲线

3 结 语

本文通过有限差分软件FLAC3D并结合现场资料建立了隧道锚的地质概化模型。通过理论计算与现场测量结果进行对比分析，得到以下结论：开挖后拱顶位移大于拱底位移，且在锚室中部达到最大，因此在开挖到锚塞体中部时应加强支护防护措施；成桥阶段锚塞体与围岩的接触应力的测量结果与计算结果表现趋势相反，表明岩体受力复杂，容易受到 周围不同特性岩体的影响，从位移计算结果及实测数值来看，实测位移大于理论计算值，但实测值均在毫米级别，表明现阶段采用的隧道锚都是比较安全的，成桥阶段岩体无塑性区出现。