楊 忠,張郁烽,段瑞芳,魏艷寫

(1.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710075；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 3.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018；4.中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司北京分公司，北京 100029)

0 引 言

隧道式錨碇是懸索橋主纜錨固的一種主要形式，由于隧道式錨碇不需要像重力式錨碇那樣澆筑巨大的錨體，因此可大幅減少材料用量，降低工程造價(jià)，而且施工過程對(duì)周圍環(huán)境影響小，有利于保護(hù)環(huán)境，在山區(qū)懸索橋中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是，隧道式錨碇作為一種較新穎的錨固形式，其發(fā)展歷史較短，國內(nèi)外對(duì)隧道錨的受力機(jī)理及破壞模式的研究并不多，目前尚無完整的計(jì)算理論可供參考，對(duì)于巖體本身的認(rèn)識(shí)也存在一些問題，其他國家對(duì)錨塞體的計(jì)算無明確的規(guī)范條文[4]。文獻(xiàn)[5]～[7]通過現(xiàn)場原位試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)類比法證明了隧道錨接觸面承載能力取決于混凝土強(qiáng)度和巖體強(qiáng)度之間的較小者；文獻(xiàn)[8]～[10]研究表明，回填混凝土與圍巖的黏結(jié)力和圍巖的夾持效應(yīng)是影響隧道錨承載能力的主要因素。文獻(xiàn)[11]使用FLAC3D有限差分軟件建立隧道錨的數(shù)值分析模型，結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)荷載下，主纜纜力的施加對(duì)巖體影響較小。文獻(xiàn)[12]～[16]通過原位試驗(yàn)及數(shù)值模擬，得出影響復(fù)合式隧道錨承載力的主要因素為：錨塞體尺寸、錨塞體傾角、錨索應(yīng)力。由于目前還沒有完整的計(jì)算理論可供參考，設(shè)計(jì)人員主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場原位試驗(yàn)的部分結(jié)果擬定錨碇的尺寸，然后通過相關(guān)軟件進(jìn)行靜力及穩(wěn)定性驗(yàn)算。本文通過對(duì)隧道錨進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算及現(xiàn)場監(jiān)測，從理論計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測方面綜合分析隧道錨的工作機(jī)理及圍巖的穩(wěn)定性，為隧道錨的開挖、設(shè)計(jì)以及安全運(yùn)營提供指導(dǎo)，也為后續(xù)同類結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供參考。

1 隧道錨數(shù)值分析模型

1.1 工程概況

普立特大橋全長1 040 m，橋型布置見圖 1。主橋?yàn)殡p塔單跨鋼箱梁懸索橋，主纜跨徑為(166+628+166)m。普立岸錨碇為隧道錨，宣威岸錨碇為重力式錨。隧道錨區(qū)位于走向南西山脊，地形坡度為30°～35°。隧道錨分布石炭系上統(tǒng)馬平組(C3mp)白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，巖層產(chǎn)狀平緩，地表淺部溶蝕強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，下部巖體較破碎，見少量溶洞等分布。

圖1 普立特大橋總體布置

1.2 數(shù)值模型

錨塞體軸線長度為35.0 m，前錨室軸線長度為30.0 m，后錨室長度為3.0 m。錨塞體斷面為城門洞形，前錨面高和底邊寬均為9.5 m，后錨面高和底邊寬均為13 m。根據(jù)以上巖體參數(shù)以及結(jié)構(gòu)尺寸建立隧道錨數(shù)值計(jì)算模型，如圖 2所示。模型共剖分了26 122個(gè)四面體單元、2 635個(gè)三角形單元、31 238個(gè)節(jié)點(diǎn)，邊界條件為底面三向約束，側(cè)面法向約束，地表自由。

圖2 錨體計(jì)算模型

1.3 計(jì)算步驟

根據(jù)普立隧道錨現(xiàn)場施工實(shí)際情況，模擬計(jì)算時(shí)采用圖3所示的計(jì)算步驟。

圖3 計(jì)算步驟

1.4 數(shù)值結(jié)果分析

1.4.1 初始應(yīng)力場及開挖與回填后的應(yīng)力

根據(jù)現(xiàn)場勘測資料，采用分階段彈塑性求解法對(duì)初始應(yīng)力場求解，可知最大豎向位移在巖體頂部，最大應(yīng)力在結(jié)構(gòu)底部，約為-3.51 MPa。錨洞開挖后，巖體位移較小，拱頂位移大于拱底位移，最大為3.42 mm。巖體應(yīng)力發(fā)生明顯改變，仍處于受壓狀態(tài)，后錨室拱頂因截面突變而出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力為-0.2～-0.4 MPa(壓應(yīng)力)，最小主應(yīng)力為-2.0～-2.5 MPa(壓應(yīng)力)，最小主應(yīng)力數(shù)值明顯大于其他部位，說明開挖時(shí)需加強(qiáng)開挖面處頂部圍巖的支護(hù)。

錨洞開挖之后進(jìn)行初期支護(hù)及二次襯砌，然后開始錨塞體的施工。計(jì)算可知，由于回填混凝土的支撐作用，巖體豎向位移均勻，水平位移減小，位移峰值為順橋向0.18 mm?；靥铄^塞體后，巖體與錨塞體均處于低壓狀態(tài)，后錨室底部局部應(yīng)力集中現(xiàn)象有所加劇，應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)大，此時(shí)整體結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為-0.4～-1.0 MPa(壓應(yīng)力)，最小主應(yīng)力為-0.5～-2.8 MPa(壓應(yīng)力)。

1.4.2 錨塞體張拉預(yù)應(yīng)力及加主纜荷載后的位移

張拉錨塞體體內(nèi)預(yù)應(yīng)力后，錨塞體豎向位移發(fā)生顯著改變，由前一階段的0.14～0.5 mm變?yōu)?.32～1.5 mm，前半部分位移大于后半部分。上部出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在前錨面底部與巖體接觸部位，為-4.1 MPa，最小值出現(xiàn)在前錨面拱頂與巖體接觸部位，為-0.5 MPa。

施加主纜力后結(jié)構(gòu)的位移有所增加，主要發(fā)生在錨塞體前錨面附近，順橋向位移和豎向位移變化明顯，豎向位移為0.5～2.0 mm(向下)，橫橋向位移的改變幾乎為零，位移最大值發(fā)生在錨塞體前半部分底部與巖體的接觸部位，水平位移為0.2～0.8 mm(X正向)。從整體角度考慮，施加纜力后，錨塞體與巖體接觸面有相對(duì)剪切變形，在接觸面產(chǎn)生較大剪切應(yīng)力。

1.4.3 塑性區(qū)分布

FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，會(huì)對(duì)每個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力歷史進(jìn)行記錄，當(dāng)某一點(diǎn)的應(yīng)力狀況符合屈服準(zhǔn)則時(shí)，則認(rèn)為該點(diǎn)進(jìn)入塑性狀態(tài)。成橋恒載作用下大部分單元都顯示過去曾經(jīng)處于屈服面上，現(xiàn)在處于彈性范圍；而曾經(jīng)達(dá)到過屈服面的單元主要發(fā)生在前后錨面底部的巖體，發(fā)生屈服的區(qū)域都很小，說明成橋狀態(tài)巖體穩(wěn)定。

圖4 左幅前錨面縱向水平位移

2 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果分析

2.1 前錨面位移監(jiān)測

在主纜索股架設(shè)施工階段，對(duì)前錨面表觀沉降和水平位移進(jìn)行監(jiān)測，基礎(chǔ)變形采用全站儀以反光膜片作為觀測標(biāo)志進(jìn)行現(xiàn)場測量，選取左幅前錨面部分有代表性的觀測點(diǎn)分析其位移規(guī)律，如圖4所示。隨著施工工序的進(jìn)行，前錨面不同部位水平位移增量不同，最大縱向位移達(dá)到6.3 mm。

由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，前錨面橫橋向位移也對(duì)稱，如圖5所示，實(shí)測橫橋向位移最大達(dá)到6 mm，遠(yuǎn)大于理論值。從總體結(jié)果來看，由于主纜荷載增加，前錨面豎向及水平位移均增加，且順橋向水平位移增量最大，這也說明由于錨塞體自重及與圍巖的夾持效應(yīng)，水平位移增加較為明顯。

圖5 左幅前錨面橫向水平位移

2.2 錨塞體與圍巖接觸應(yīng)力監(jiān)測

測量錨塞體與圍巖相互作用下的應(yīng)力是地下工程監(jiān)測中的重要內(nèi)容，也是進(jìn)行隧道錨反饋設(shè)計(jì)法需要獲取的重要參數(shù)。采用埋入式鋼弦土壓力盒分別對(duì)隧道錨斷面處實(shí)施錨塞體與圍巖接觸壓力監(jiān)測。其中右幅K11+198.3測點(diǎn)編號(hào)分別為MST1-1(拱頂)、MST1-2(左拱肩)、MST1-3(右拱肩)、MST1-4(左拱腳)和MST1-5(右拱腳)；左幅錨塞體中部K11+201.9斷面測點(diǎn)編號(hào)分別為MST2-1(拱頂)、MST2-2(左拱肩)、MST2-3(右拱肩)、MST2-4(左拱腳)和MST2-5(右拱腳)。

圖6 右幅斷面錨巖接觸壓力

如圖6所示，由于錨體自身重力作用，使其有向后錨室運(yùn)動(dòng)的趨勢，加上混凝土的收縮變形，使接觸面產(chǎn)生拉應(yīng)力，各監(jiān)測點(diǎn)初期均測明接觸面為拉應(yīng)力，且逐漸增大，在隧道錨施工完成后拉應(yīng)力在監(jiān)測點(diǎn)MST1-2達(dá)到峰值，約為0.89 MPa。主纜開始架設(shè)后，錨塞體受主纜拉力而逐步產(chǎn)生向前錨室位移的趨勢，鋼箱梁吊裝階段主纜拉力增加明顯，錨塞體產(chǎn)生順橋向位移，接觸面應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。成橋階段，各測點(diǎn)應(yīng)力在-0.22～0.19 MPa，錨塞體與圍巖的接觸應(yīng)力并沒有表現(xiàn)為完全的對(duì)稱性，測點(diǎn)MST1-2、MST1-3的測量結(jié)果表現(xiàn)為“反對(duì)稱”，與計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)的趨勢相反，測點(diǎn)MST1-4、MST1-5總體應(yīng)力變化規(guī)律較為一致，最終應(yīng)力也相同。這表明巖體受力復(fù)雜，容易受到周圍不同特性巖體的影響。

2.3 錨塞體軸向鋼筋應(yīng)力監(jiān)測

通過測量錨塞體軸向的鋼筋應(yīng)力判斷錨塞體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由圖7可知，右幅測量斷面(測點(diǎn)MST1-6、MST3-6)初始階段錨塞體軸向受壓，且逐漸增大，之后壓應(yīng)力逐漸減小并最終轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。這表明張拉預(yù)應(yīng)力后，錨塞體明顯受壓，后期荷載施加后，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)有所消退，這與縱橋向水平位移的測量結(jié)果一致。左幅測量斷面(測點(diǎn)MST2-6)在初始階段處于受壓狀態(tài)且壓力逐漸增加，這與右幅的測量結(jié)果截然相反，表明設(shè)計(jì)相同的錨體不同位置的內(nèi)部局部受力在短期內(nèi)也存在較大差異。

圖7 錨塞體軸向應(yīng)變變化曲線

3 結(jié) 語

本文通過有限差分軟件FLAC3D并結(jié)合現(xiàn)場資料建立了隧道錨的地質(zhì)概化模型。通過理論計(jì)算與現(xiàn)場測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：開挖后拱頂位移大于拱底位移，且在錨室中部達(dá)到最大，因此在開挖到錨塞體中部時(shí)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)防護(hù)措施；成橋階段錨塞體與圍巖的接觸應(yīng)力的測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)趨勢相反，表明巖體受力復(fù)雜，容易受到 周圍不同特性巖體的影響，從位移計(jì)算結(jié)果及實(shí)測數(shù)值來看，實(shí)測位移大于理論計(jì)算值，但實(shí)測值均在毫米級(jí)別，表明現(xiàn)階段采用的隧道錨都是比較安全的，成橋階段巖體無塑性區(qū)出現(xiàn)。