碎裂岩层修建悬索桥隧道锚可行性研究*

余家富，王腾飞，苏 杨，杜亚楠

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050)

1 既有悬索桥隧道锚概况

与重力式锚碇相比，悬索桥隧道锚具有突出的造价优势和环保优势，逐渐在工程中得到广泛应用[1]。目前，国内已建或在建隧道锚近30座，典型工程实例如表1所示，统计发现，隧道锚均修建在中风化及微风化硬质岩层或完整性较好的较软岩中，在碎裂岩中修建隧道锚尚无工程实例。

表1 国内山区大跨度悬索桥隧道锚工程实例

2 隧道锚技术要求

以西南地区某山区悬索桥为例，该桥锚址区地形高差悬殊，天然地面坡度为40°～45°。锚址区内主要分布坡积碎石土，全、强风化闪长岩/花岗岩，弱风化闪长岩/花岗岩，破碎弱风化花岗岩/闪长岩，碎裂岩(构造破碎带)，微风化闪长岩/花岗岩等。受断裂剪切带的影响，锚址区岩体较破碎～破碎，且多有变质，弱风化岩体、破碎弱风化岩体、碎裂岩体等均呈近南北向分布。锚碇承担主缆拉力约430 000kN，由于岸坡坡度>40°，设置重力锚锚碇长57.00m，宽75.00m，高49.00m，开挖量大(35.6万m3)，混凝土用量大(20.9万m3)，边坡开挖支护费用高，工程造价高，且大开挖形成的高边坡存在安全隐患，不利于环保，同时，成都岸锚碇基底存在碎裂岩，地基承载力难以满足要求。为节省工程造价，保护环境，须研究碎裂岩层修建悬索桥隧道锚可行性，并满足以下技术要求。

1)隧道锚成洞安全性要求

按照设定的顺序施工，在锚塞体浇筑及二次衬砌施作前，初期支护需保证洞室安全、稳定。

2)隧道锚位移、抗拔稳定性要求

隧道锚在设计主缆拉力作用下位移、抗拔稳定性需满足规范要求。锚塞体抗拔安全系数应≥2.0，围岩稳定安全系数应≥4.0。运营阶段，锚碇允许水平位移宜≤0.000 1倍主缆跨径，竖向位移宜≤0.000 2倍主缆跨径。

3 锚塞体抗拔承载力简化公式

锚塞体长度应保证隧道锚具有足够的抗拔承载力。国内关于隧道锚破坏形式的研究较多[2-3]，而在已有破坏模式中，锚塞体沿侧壁自岩体拔出是最不利情况，基于该破坏模式推导的锚塞体抗拔承载力简化公式具有可靠性。锚塞体抗拔承载力简化公式研究成果表明[4-6]，抗拔承载力主要由结构自重沿拉拔方向的分量及岩体抗剪强度(包含岩体抗剪摩擦力及抗剪黏聚力)组成。考虑到隧道锚一般处于较好的岩层中，部分学者认为结构自重沿拉拔方向的分量可不考虑[5]。由于本研究隧道锚位于碎裂岩层中，锚塞体规模较大，锚塞体自重占比较大，因此，须考虑锚塞体自重。同时，结构自重沿拉拔方向的分量和岩体抗剪强度可靠度不同，如果采用岩体抗剪强度的可靠度，将导致锚塞体规模较大。因此，考虑抗拔承载力时，应考虑不同组成部分分项系数，在锚塞体抗拔承载力组成部分中，结构自重沿拉拔方向的分量误差仅由结构尺寸误差和混凝土容重误差造成，因此，该分量可靠度较高。由于岩体离散性较大，导致岩体抗剪强度可靠性大幅度降低。由此，本研究认为考虑抗拔承载力分项系数的锚塞体抗拔承载力简化公式为：

(1)

式中：K为主缆抗拔安全系数；T为主缆设计拉力；f′为岩体抗剪摩擦系数；WF为结构自重垂直于滑动面的分量；WL为结构自重沿拉拔方向的分量；C′为岩体抗剪黏聚力；A为接触面面积；γg为重力分量承载力分项系数，可取1.2；γj为岩体抗剪承载力分项系数，可取4.0。

为验证本研究提出的简化公式合理性，通过常规公式、考虑抗力分项系数公式分别对国内部分悬索桥隧道锚抗拔承载力进行验算，得到安全系数，如表2所示。由表2可知，国内已建隧道锚均具有较大的安全富余量。进一步研究发现，岩体抗剪强度越低，抗剪承载力所占比重越低，重力分量所占比重越高，考虑抗力分项系数的主缆抗拔安全系数越小。由于碎裂岩抗剪强度低，重力分量所占比重较高，而重力又相对可靠，分项系数偏小，这符合实际工程需求，考虑到简化公式为偏于安全的计算公式，当安全系数>1时可认为具有足够的安全性。由于简化公式参照锚塞体岩侧壁破坏的最不利情况，因此，对于根据简化公式确定的锚塞体规模利用数值模拟进行验证，确保相关指标满足规范要求。

表2 隧道锚锚址区岩体力学参数建议值

4 锚塞体规模

4.1 前锚面尺寸

前锚面尺寸应满足索股安装空间及检修要求，索股锚具中心距结构两侧边缘的最小距离取1.10m，距结构顶部的最小距离取1.0m。为保证前锚面受力安全，并避免主缆安装后二次衬砌施工对索股造成破坏及污染，首先施工锚塞体，然后施工二次衬砌，最后安装主缆。为保证锚塞体受力均匀，前锚面断面形状与后锚面相同。结合后锚面采用的断面形状，前锚面断面采用宽13.82m、高16.70m的曲墙式带仰拱马蹄形断面(见图1)。

图1 前锚面断面示意

4.2 后锚面尺寸

由于直墙式马蹄形断面位移、塑性区、钢支撑内力均明显较曲墙式带仰拱马蹄形断面大，通过数值模拟分析，后锚面采用宽17.12m、高24.60m的曲墙式带仰拱马蹄形断面(见图2)。

图2 后锚面断面示意

4.3 锚塞体长度

计算得到隧道锚锚塞体长度为85m，抗拔安全系数为1.24。

5 隧道锚成洞安全性

隧道锚锚塞体位于碎裂岩层中，为保证隧道锚成洞安全性，需考虑以下因素。

1)隧道锚锚洞二次衬砌不能紧接掌子面施作，需在锚洞开挖完成后施作二次衬砌或锚塞体。因此，初期支护体系作为锚洞主要受力结构，按永久结构设计。Ⅴ级围岩地段主要依靠二次衬砌受力，应及时施作二次衬砌，以确保洞室安全、稳定。由于隧道锚无法及时施作二次衬砌，初期支护是早期的唯一受力构件，因此，应加强初期支护结构设计。

2)锚洞开挖完成后，需由锚洞周边岩体与隧道锚锚塞体共同受力，以承担主缆拉力，因此，隧道锚需控制围岩变形，以使岩体具有一定抗剪强度。

3)隧道锚主要位于弱风化闪长岩、破碎弱风化闪长岩、碎裂岩中，围岩等级主要为V1，V2级，围岩破碎，隧道锚断面大，且高跨比较大。根据有关规范要求，对于中等～特大跨度V级围岩，采用中隔壁法、双侧壁导坑法等开挖隧道。由于隧道锚无法设置内支撑，因此采用预应力锚杆代替内支撑的支护方案。

为保证隧道锚成洞安全性，隧道锚初期支护采用C30聚丙烯合成纤维喷射混凝土，设置φ8 HPB300钢筋网、工字钢拱架、φ2.5cm×0.5cm(φ3.2cm×0.6cm)自进式中空注浆锚杆。

为保证围岩收敛变形满足要求，锚洞拱部及边墙设置15m长φ5.1cm×0.8cm自进式预应力中空注浆锚杆，环向每隔3根系统锚杆设置1根注浆锚杆，纵向间距与系统锚杆纵向间距一致，取消相应位置系统锚杆。

按照锚洞采用的支护参数及施工顺序，采用FLAC 3D软件对隧道锚成洞安全性进行数值模拟分析，得出以下结论。

1)隧道锚锚洞开挖完成后，锚洞围岩变形最大值约为136.2mm，相对收敛位移最大值约为锚洞跨径的1.6%，属轻微挤压变形，满足GB 50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》要求。

2)大部分支护结构受力在设计要求范围内，局部支护结构应力较大。锚杆应力较大区域主要集中在洞室边墙中部和拱顶，其中靠近后锚室段锚杆应力普遍较大，最大值约为324.5MPa，接近锚杆屈服极限。钢拱架平均应力约为189MPa，局部钢拱架应力已达屈服强度，但未影响钢拱架整体稳定性。

3)局部碎裂岩洞段设置支护后发生轻微挤压变形，围岩损伤破坏较严重的区域基本在锚杆控制范围内，支护结构受力较大或屈服部位主要集中在碎裂岩洞段，但整体占比较小，满足施工期锚洞围岩稳定性要求。

6 隧道锚抗拔稳定性与位移

根据地质勘察报告提供的地质参数，采用FLAC 3D软件建立隧道锚结构三维数值仿真计算模型(见图3)，对隧道锚抗拔稳定性进行研究。

图3 计算模型

锚塞体后锚面特征部位位移与超载系数关系曲线如图4所示。超载阶段锚塞体和围岩位移分布规律与施加主缆设计荷载P时基本一致，位移随着荷载的增加逐渐增大，位移最大值均出现在后锚面部位。由图4可知，超载系数为1时，即施加主缆设计荷载P时，隧道锚锚塞体最大位移约为2.1mm；当超载系数为20时，即超载荷载增至20P时，隧道锚锚塞体最大位移约为128.0mm；当超载系数<10，即超载荷载<10P时，隧道锚锚塞体位移增加相对缓慢；当超载系数>10，即超载荷载>10P时，隧道锚锚塞体位移增加速率明显加快，表明锚塞体后锚面特征部位位移与超载系数关系曲线在10P时出现了拐点。

图4 锚塞体后锚面特征部位位移与超载系数关系曲线

隧道锚沿主缆拉力方向铅直截面塑性区分布随超载系数的演化规律如图5所示。由图5可知，随着超载系数的增加，即逐步增大超载荷载，沿锚洞轴线平行的方向，锚塞体围岩塑性区首先从锚塞体后端面开始，逐步向锚塞体中前部发展；在垂直于锚洞轴线方向上，锚塞体围岩塑性区首先从锚洞周边围岩开始，逐步向深部发展；塑性区主要发展于碎裂岩和锚洞周边一定范围围岩内，以剪切屈服为主；锚塞体下部围岩塑性区发展速度和范围显著大于上部围岩。围岩塑性区变化是逐渐发展的过程，当超载荷载增至10P时，锚塞体周边围岩基本进入塑性屈服状态。结合锚塞体后锚面特征部位位移与超载系数关系曲线的拐点及塑性区贯通判断依据，可知锚塞体最大抗拔承载力为9P，即隧道锚抗拔稳定安全系数为9，满足规范要求。

图5 隧道锚沿主缆拉力方向铅直截面塑性区分布随超载系数的演化规律

主缆设计荷载作用下隧道中心线沿铅直截面位移云图如图6所示。由图6可知，锚塞体变形特征如下：①施加主缆设计荷载后，山体与锚塞体沿主缆向山外侧变形，以x向(桥梁轴向)水平变形为主。②在主缆设计荷载作用下，锚洞附近围岩处于压密过程，在锚碇中心线铅直截面和沿主缆拉力方向斜截面内，位移等值线从锚碇后端面向山外呈喇叭形分布；在垂直主缆拉力方向的斜截面内，位移等值线近似以锚碇中隔墙中心线为中心，呈椭圆形分布。③施加主缆设计荷载后，锚塞体最大位移约为2.1mm，出现在后锚面区域。④锚洞附近围岩最大位移约为1.5mm。

图6 主缆设计荷载作用下隧道中心线沿铅直截面位移云图(单位：mm)

锚塞体在主缆设计荷载作用下，锚碇水平位移远小于规范规定的0.000 1倍主缆跨径，竖向位移远小于规范规定的0.000 2倍主缆跨径，满足要求。

7 结语

根据地质勘察报告提供的地质参数，采用FLAC3D软件建立隧道锚结构三维数值仿真计算模型，对碎裂岩层修建隧道锚可行性进行研究。

1)本研究提出考虑抗拔承载力分项系数的锚塞体抗拔承载力简化公式，并对根据简化公式确定的锚塞体规模进行验证，确保相关指标满足规范要求。

2)锚塞体最大抗拔承载力为9P，即隧道锚抗拔稳定安全系数为9，满足规范要求。

3)锚塞体在主缆设计荷载作用下，锚碇水平位移和竖向位移均满足规范要求。

4)分析认为，碎裂岩层修建悬索桥隧道锚具有可行性。本工程最终选用隧道锚方案，节省工程造价约1.2亿元，避免了大开挖，保护了环境。