川藏铁路大渡河特大桥锚洞对隧道安全影响评价

2021-10-11马云飞

铁道标准设计 2021年10期

马云飞

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300000)

川藏铁路地形环境极其艰险、不良地质发育，给工程建设带来了极大的风险和挑战[1]。因此，探究适用于川藏铁路的施工方案并进行安全性评价显得极为迫切和需要。

隧道锚具有工程量小、承载能力大和对周围环境影响小的特点[2]，且随着科学技术的发展，智能化模型和设备正逐步应用于隧道锚施工[3-4]，因此，隧道锚常作为悬索桥锚碇形式。目前，对隧道锚的研究主要集中于特殊地层的隧道锚特性研究[5-7]、边坡和滑坡对隧道锚的影响[8-9]、隧道锚承载特性及破坏模式[10-13]以及隧道锚力学模型的建立等[14-16]。此外，颜冠峰等[17]对隧道锚的动力响应进行分析，研究结果对于隧道锚在地震动作用下的受力特性具有借鉴作用；杨懋偲等[18]采用改进的灰色模型对隧道锚的极限承载力进行预测，并验证了该方法的合理性；杨星宇，杨忠平等[19-20]分别研究了重力相似条件和几何尺寸对隧道锚的影响；文丽娜等[21]对隧道锚蠕变特性进行分析，结果表明锚碇蠕变不会影响悬索桥的长期稳定性。

综上所述，目前对于隧道锚的研究主要集中于其自身承载特性和破坏模式以及外界环境对其影响，鲜有对隧道锚与隧道间的合理施工方案及其安全性进行分析。依托川藏铁路大渡河特大桥对隧道锚的施工方案进行分析并进行安全性评价，研究结果对于大渡河特大桥及类似工程的施工和设计具有一定的借鉴和参考作用。

1 工程概况

图1 大渡河特大桥桥梁立面布置(单位：m)

2 计算模型及参数

大渡河特大桥成都侧地质条件较为复杂，岩层中分布大量软弱夹层，岩体破碎，且左岸隧道锚尺寸较大(受主缆高强钢丝散开面积影响，隧道锚前锚面尺寸较大，决定了隧道锚整体尺寸较大)，锚塞体部分穿过软弱夹层，因此，选取成都侧对隧道锚和铁路隧道施工方案及安全性进行研究。而拉萨侧隧道锚与铁路隧道净距较小，隧道锚散索鞍支墩、前锚室、锚塞体及后锚室和铁路隧道洞口段、洞口边坡防护工程空间上叠加并存，施工交叉程度高，且隧道为变截面隧道(车站隧道)，因此，选取拉萨侧研究隧道锚施工对近距离变截面隧道的影响。采用Plaxis进行数值模拟，数值计算模型如图2所示，计算参数如表1～表3所示。其中，成都侧模型整体尺寸为550 m×250 m×440 m(长×宽×高)，拉萨侧模型整体尺寸为550 m×200 m×480 m(长×宽×高)。岩土体采用摩尔库伦准则，模型底边固定约束，四周法向约束，顶端自由。

图2 隧道锚计算模型

表1 成都侧地层参数(引用大渡河桥地质勘测报告数据)

表2 拉萨侧地层参数(引用大渡河桥地质勘测报告数据)

表3 支护结构参数

3 施工方案比选

通过设置先施工铁路隧道后施工隧道锚、先施工隧道锚后施工铁路隧道和二者同时施工3种工况，对隧道模型最大变形进行研究。不同施工工况下隧道模型变形曲线及其最大值如图3、图4所示。由图可得：

图3 不同施工方案下的模型变形值

图4 模型最大变形值

(1)采用3种工况的隧道最大变形值均发生在离隧道洞口210～240 m软弱夹层破碎段，因此，在施工过程中应该加强该段施工措施，并加强监控量测，确保施工安全。

(2)采用3种工况开挖隧道锚洞室时，最大变形的产生部位均位于两侧隧道锚穿过的软弱夹层段(左侧隧道锚洞室开挖深度为160～205 m处，右侧开挖深度约为147～192 m处)。建议在隧道锚开挖至此段时采取缩短开挖进程、加强施工监测等措施，密切关注隧道锚洞室及上方隧道的变形，做好应急预案。

(3)采用先隧后锚、先锚后隧和隧锚同步3种工况施工过程中，模型最大变形值均在18 mm左右，产生于隧道锚剖面。铁路隧道剖面产生最大变形的工况由小到大为先锚后隧、先隧后锚、隧锚同步，分别为8.92，8.95，9.64 mm。

4 隧道锚极限抗拔安全系数分析

为探究隧道锚的极限抗拔安全系数，对隧道锚的变形、隧道锚与围岩间的剪应力变化及塑性点分布进行研究。大渡河特大桥单根主缆采用217根索股，单根索股由91根φ5.77 mm的镀锌-铝合金镀层高强钢丝组成。本次有限元计算采用后推荷载模拟主缆力荷载，以主附工况下最大拉力431 267 kN为1倍工况荷载取值。成都侧隧道锚后锚面尺寸为16.52 mm×24.00 m，则1倍后推荷载F计算如下

F=431 267/[0.125×16.522+16.52×

(24-0.5×16.52)]=1 175 kPa

(1)

同理可得其他后推荷载(2～10倍工作荷载)的计算结果。不同后推荷载下模型变形和隧道锚与岩体间的主应力变化曲线如图5所示，隧道锚塑性点分布如表4所示。

表4 不同荷载下隧道锚塑性点分布

图5 不同荷载下的模型变形及剪应力变化曲线

(1)随着主缆力荷载的增大，隧道竖向位移表现为线性增大趋势，表明隧道锚施加主缆力荷载对隧道的变形影响较大，且在10倍工作荷载内，隧道锚周围岩土体仍处于弹性变形阶段。当工作荷载由1倍增加至10倍时，隧道锚最大位移由2.54 mm增加至31.62 mm，隧道剖面最大位移由1.16 mm增加至13.53 mm。

(2)隧道锚与岩体间剪应力变化规律表明：1～6倍主缆力工作荷载作用下，隧道锚与岩体间剪应力变化幅度较小；当后推荷载大于6倍主缆力荷载后，隧道锚与岩体间剪应力变化百分比发生急剧上升，隧道锚与岩体水平剪应力变化百分比由0.23%上升至20.64%。6倍主缆力荷载是隧道锚与岩体间剪应力发生较大变化的特征点。

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(3)塑性点分布表明，隧道锚在1～8倍主缆力工作荷载作用下，界面塑性区未出现贯通或只出现少量贯通现象，可认为尚未达到抗拔极限承载力状态。当对隧道锚锚塞体施加主缆力荷载至10倍工作荷载时，隧道锚锚塞体界面出现大面积塑性区，说明隧道锚达到抗拔极限承载力状态。

(4)综合不同倍数主缆力工作荷载作用下隧道锚变形曲线、隧道锚与围岩间剪应力变化百分比曲线以及塑性点分布，可知隧道锚的抗拔安全系数由隧道锚与岩体间的界面剪应力所控制，推断大渡河特大桥成都侧隧道锚的极限抗拔安全系数为6.0。

5 锚洞施工对隧道的影响研究

考虑到隧道锚施工周期较长，现场很难做到先锚后隧施工方案，同时，为探明隧道锚施工对铁路隧道的影响，选取拉萨侧研究隧道锚施工对车站隧道的影响。默认为在隧道锚开挖前，铁路隧道已施工完毕，拉萨岸隧道锚长180 m，上下游同时开挖，第1～第9阶段，每阶段开挖隧道锚20 m，完成锚洞洞身开挖。

第10阶段施工隧道锚锚塞体，第11阶段～第16阶段施加后推荷载。隧道锚及铁路隧道开挖均采用控爆形式，爆破振速应控制在5.0 cm/s以下。隧道监测断面及监测点如图6所示，计算结果的变化曲线如图7所示。

图6 隧道监测断面布置

由图7可得：

图7 不同监测断面位移变化曲线

(1)随着隧道锚洞室开挖深度的增加，Ⅰ-Ⅰ断面隧道位移不断增加，第5阶段后，位移逐渐稳定在0.58 mm。当隧道锚锚塞体施加后推荷载后，Ⅰ-Ⅰ断面隧道位移继续表现为增大趋势。隧道锚洞室开挖和隧道锚锚塞体施加后推荷载过程中，Ⅰ-Ⅰ断面隧道各测点位移大小及变化规律基本相同。

(2)第1～第3阶段开挖隧道锚洞室对Ⅱ-Ⅱ断面隧道位移影响较小，开挖完成后最大位移为1.14 mm。Ⅱ-Ⅱ断面隧道不同位置位移的变化规律为：仰拱>右拱腰>左拱腰>拱顶。主要原因为Ⅱ-Ⅱ断面隧道距离右侧隧道锚较近，隧道断面右拱腰与右侧隧道锚净距只有10.2 m，因此，两侧隧道锚在同时开挖的情况下，Ⅱ-Ⅱ断面隧道右拱腰位移大于左拱腰，第3阶段以后，隧道锚洞室开挖掌子面位于隧道下方，因此，隧道锚洞室开挖对隧道仰拱的影响大于拱顶，表现为仰拱位移大于拱顶。

(3)第1～第6阶段开挖隧道锚洞室对Ⅲ-Ⅲ断面和Ⅳ-Ⅳ断面隧道位移影响较小，第6阶段以后，随着隧道锚开挖深度的增加，Ⅲ-Ⅲ断面和Ⅳ-Ⅳ断面隧道的位移也不断增加，分别为2.22 mm和0.47 mm。隧道锚锚塞体施加后推荷载以后，Ⅲ-Ⅲ断面和Ⅳ-Ⅳ断面隧道的位移先减小后增大。隧道锚锚塞体施加后推荷载对Ⅲ-Ⅲ断面和Ⅳ-Ⅳ断面隧道仰拱影响较大，随着后推荷载的增大，仰拱位移变化速率大于拱腰和拱顶，6倍工作荷载以后，仰供位移大于拱腰和拱顶。