余家富，王騰飛，蘇 楊，杜亞楠

(中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430050)

1 既有懸索橋隧道錨概況

與重力式錨碇相比，懸索橋隧道錨具有突出的造價優(yōu)勢和環(huán)保優(yōu)勢，逐漸在工程中得到廣泛應用[1]。目前，國內(nèi)已建或在建隧道錨近30座，典型工程實例如表1所示，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，隧道錨均修建在中風化及微風化硬質(zhì)巖層或完整性較好的較軟巖中，在碎裂巖中修建隧道錨尚無工程實例。

表1 國內(nèi)山區(qū)大跨度懸索橋隧道錨工程實例

2 隧道錨技術(shù)要求

以西南地區(qū)某山區(qū)懸索橋為例，該橋錨址區(qū)地形高差懸殊，天然地面坡度為40°～45°。錨址區(qū)內(nèi)主要分布坡積碎石土，全、強風化閃長巖/花崗巖，弱風化閃長巖/花崗巖，破碎弱風化花崗巖/閃長巖，碎裂巖(構(gòu)造破碎帶)，微風化閃長巖/花崗巖等。受斷裂剪切帶的影響，錨址區(qū)巖體較破碎～破碎，且多有變質(zhì)，弱風化巖體、破碎弱風化巖體、碎裂巖體等均呈近南北向分布。錨碇承擔主纜拉力約430 000kN，由于岸坡坡度>40°，設(shè)置重力錨錨碇長57.00m，寬75.00m，高49.00m，開挖量大(35.6萬m3)，混凝土用量大(20.9萬m3)，邊坡開挖支護費用高，工程造價高，且大開挖形成的高邊坡存在安全隱患，不利于環(huán)保，同時，成都岸錨碇基底存在碎裂巖，地基承載力難以滿足要求。為節(jié)省工程造價，保護環(huán)境，須研究碎裂巖層修建懸索橋隧道錨可行性，并滿足以下技術(shù)要求。

1)隧道錨成洞安全性要求

按照設(shè)定的順序施工，在錨塞體澆筑及二次襯砌施作前，初期支護需保證洞室安全、穩(wěn)定。

2)隧道錨位移、抗拔穩(wěn)定性要求

隧道錨在設(shè)計主纜拉力作用下位移、抗拔穩(wěn)定性需滿足規(guī)范要求。錨塞體抗拔安全系數(shù)應≥2.0，圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)應≥4.0。運營階段，錨碇允許水平位移宜≤0.000 1倍主纜跨徑，豎向位移宜≤0.000 2倍主纜跨徑。

3 錨塞體抗拔承載力簡化公式

錨塞體長度應保證隧道錨具有足夠的抗拔承載力。國內(nèi)關(guān)于隧道錨破壞形式的研究較多[2-3]，而在已有破壞模式中，錨塞體沿側(cè)壁自巖體拔出是最不利情況，基于該破壞模式推導的錨塞體抗拔承載力簡化公式具有可靠性。錨塞體抗拔承載力簡化公式研究成果表明[4-6]，抗拔承載力主要由結(jié)構(gòu)自重沿拉拔方向的分量及巖體抗剪強度(包含巖體抗剪摩擦力及抗剪黏聚力)組成?？紤]到隧道錨一般處于較好的巖層中，部分學者認為結(jié)構(gòu)自重沿拉拔方向的分量可不考慮[5]。由于本研究隧道錨位于碎裂巖層中，錨塞體規(guī)模較大，錨塞體自重占比較大，因此，須考慮錨塞體自重。同時，結(jié)構(gòu)自重沿拉拔方向的分量和巖體抗剪強度可靠度不同，如果采用巖體抗剪強度的可靠度，將導致錨塞體規(guī)模較大。因此，考慮抗拔承載力時，應考慮不同組成部分分項系數(shù)，在錨塞體抗拔承載力組成部分中，結(jié)構(gòu)自重沿拉拔方向的分量誤差僅由結(jié)構(gòu)尺寸誤差和混凝土容重誤差造成，因此，該分量可靠度較高。由于巖體離散性較大，導致巖體抗剪強度可靠性大幅度降低。由此，本研究認為考慮抗拔承載力分項系數(shù)的錨塞體抗拔承載力簡化公式為：

(1)

式中：K為主纜抗拔安全系數(shù)；T為主纜設(shè)計拉力；f′為巖體抗剪摩擦系數(shù)；WF為結(jié)構(gòu)自重垂直于滑動面的分量；WL為結(jié)構(gòu)自重沿拉拔方向的分量；C′為巖體抗剪黏聚力；A為接觸面面積；γg為重力分量承載力分項系數(shù)，可取1.2；γj為巖體抗剪承載力分項系數(shù)，可取4.0。

為驗證本研究提出的簡化公式合理性，通過常規(guī)公式、考慮抗力分項系數(shù)公式分別對國內(nèi)部分懸索橋隧道錨抗拔承載力進行驗算，得到安全系數(shù)，如表2所示。由表2可知，國內(nèi)已建隧道錨均具有較大的安全富余量。進一步研究發(fā)現(xiàn)，巖體抗剪強度越低，抗剪承載力所占比重越低，重力分量所占比重越高，考慮抗力分項系數(shù)的主纜抗拔安全系數(shù)越小。由于碎裂巖抗剪強度低，重力分量所占比重較高，而重力又相對可靠，分項系數(shù)偏小，這符合實際工程需求，考慮到簡化公式為偏于安全的計算公式，當安全系數(shù)>1時可認為具有足夠的安全性。由于簡化公式參照錨塞體巖側(cè)壁破壞的最不利情況，因此，對于根據(jù)簡化公式確定的錨塞體規(guī)模利用數(shù)值模擬進行驗證，確保相關(guān)指標滿足規(guī)范要求。

表2 隧道錨錨址區(qū)巖體力學參數(shù)建議值

4 錨塞體規(guī)模

4.1 前錨面尺寸

前錨面尺寸應滿足索股安裝空間及檢修要求，索股錨具中心距結(jié)構(gòu)兩側(cè)邊緣的最小距離取1.10m，距結(jié)構(gòu)頂部的最小距離取1.0m。為保證前錨面受力安全，并避免主纜安裝后二次襯砌施工對索股造成破壞及污染，首先施工錨塞體，然后施工二次襯砌，最后安裝主纜。為保證錨塞體受力均勻，前錨面斷面形狀與后錨面相同。結(jié)合后錨面采用的斷面形狀，前錨面斷面采用寬13.82m、高16.70m的曲墻式帶仰拱馬蹄形斷面(見圖1)。

圖1 前錨面斷面示意

4.2 后錨面尺寸

由于直墻式馬蹄形斷面位移、塑性區(qū)、鋼支撐內(nèi)力均明顯較曲墻式帶仰拱馬蹄形斷面大，通過數(shù)值模擬分析，后錨面采用寬17.12m、高24.60m的曲墻式帶仰拱馬蹄形斷面(見圖2)。

圖2 后錨面斷面示意

4.3 錨塞體長度

計算得到隧道錨錨塞體長度為85m，抗拔安全系數(shù)為1.24。

5 隧道錨成洞安全性

隧道錨錨塞體位于碎裂巖層中，為保證隧道錨成洞安全性，需考慮以下因素。

1)隧道錨錨洞二次襯砌不能緊接掌子面施作，需在錨洞開挖完成后施作二次襯砌或錨塞體。因此，初期支護體系作為錨洞主要受力結(jié)構(gòu)，按永久結(jié)構(gòu)設(shè)計。Ⅴ級圍巖地段主要依靠二次襯砌受力，應及時施作二次襯砌，以確保洞室安全、穩(wěn)定。由于隧道錨無法及時施作二次襯砌，初期支護是早期的唯一受力構(gòu)件，因此，應加強初期支護結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2)錨洞開挖完成后，需由錨洞周邊巖體與隧道錨錨塞體共同受力，以承擔主纜拉力，因此，隧道錨需控制圍巖變形，以使巖體具有一定抗剪強度。

3)隧道錨主要位于弱風化閃長巖、破碎弱風化閃長巖、碎裂巖中，圍巖等級主要為V1，V2級，圍巖破碎，隧道錨斷面大，且高跨比較大。根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，對于中等～特大跨度V級圍巖，采用中隔壁法、雙側(cè)壁導坑法等開挖隧道。由于隧道錨無法設(shè)置內(nèi)支撐，因此采用預應力錨桿代替內(nèi)支撐的支護方案。

為保證隧道錨成洞安全性，隧道錨初期支護采用C30聚丙烯合成纖維噴射混凝土，設(shè)置φ8 HPB300鋼筋網(wǎng)、工字鋼拱架、φ2.5cm×0.5cm(φ3.2cm×0.6cm)自進式中空注漿錨桿。

為保證圍巖收斂變形滿足要求，錨洞拱部及邊墻設(shè)置15m長φ5.1cm×0.8cm自進式預應力中空注漿錨桿，環(huán)向每隔3根系統(tǒng)錨桿設(shè)置1根注漿錨桿，縱向間距與系統(tǒng)錨桿縱向間距一致，取消相應位置系統(tǒng)錨桿。

按照錨洞采用的支護參數(shù)及施工順序，采用FLAC 3D軟件對隧道錨成洞安全性進行數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論。

1)隧道錨錨洞開挖完成后，錨洞圍巖變形最大值約為136.2mm，相對收斂位移最大值約為錨洞跨徑的1.6%，屬輕微擠壓變形，滿足GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》要求。

2)大部分支護結(jié)構(gòu)受力在設(shè)計要求范圍內(nèi)，局部支護結(jié)構(gòu)應力較大。錨桿應力較大區(qū)域主要集中在洞室邊墻中部和拱頂，其中靠近后錨室段錨桿應力普遍較大，最大值約為324.5MPa，接近錨桿屈服極限。鋼拱架平均應力約為189MPa，局部鋼拱架應力已達屈服強度，但未影響鋼拱架整體穩(wěn)定性。

3)局部碎裂巖洞段設(shè)置支護后發(fā)生輕微擠壓變形，圍巖損傷破壞較嚴重的區(qū)域基本在錨桿控制范圍內(nèi)，支護結(jié)構(gòu)受力較大或屈服部位主要集中在碎裂巖洞段，但整體占比較小，滿足施工期錨洞圍巖穩(wěn)定性要求。

6 隧道錨抗拔穩(wěn)定性與位移

根據(jù)地質(zhì)勘察報告提供的地質(zhì)參數(shù)，采用FLAC 3D軟件建立隧道錨結(jié)構(gòu)三維數(shù)值仿真計算模型(見圖3)，對隧道錨抗拔穩(wěn)定性進行研究。

圖3 計算模型

錨塞體后錨面特征部位位移與超載系數(shù)關(guān)系曲線如圖4所示。超載階段錨塞體和圍巖位移分布規(guī)律與施加主纜設(shè)計荷載P時基本一致，位移隨著荷載的增加逐漸增大，位移最大值均出現(xiàn)在后錨面部位。由圖4可知，超載系數(shù)為1時，即施加主纜設(shè)計荷載P時，隧道錨錨塞體最大位移約為2.1mm；當超載系數(shù)為20時，即超載荷載增至20P時，隧道錨錨塞體最大位移約為128.0mm；當超載系數(shù)<10，即超載荷載<10P時，隧道錨錨塞體位移增加相對緩慢；當超載系數(shù)>10，即超載荷載>10P時，隧道錨錨塞體位移增加速率明顯加快，表明錨塞體后錨面特征部位位移與超載系數(shù)關(guān)系曲線在10P時出現(xiàn)了拐點。

圖4 錨塞體后錨面特征部位位移與超載系數(shù)關(guān)系曲線

隧道錨沿主纜拉力方向鉛直截面塑性區(qū)分布隨超載系數(shù)的演化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，隨著超載系數(shù)的增加，即逐步增大超載荷載，沿錨洞軸線平行的方向，錨塞體圍巖塑性區(qū)首先從錨塞體后端面開始，逐步向錨塞體中前部發(fā)展；在垂直于錨洞軸線方向上，錨塞體圍巖塑性區(qū)首先從錨洞周邊圍巖開始，逐步向深部發(fā)展；塑性區(qū)主要發(fā)展于碎裂巖和錨洞周邊一定范圍圍巖內(nèi)，以剪切屈服為主；錨塞體下部圍巖塑性區(qū)發(fā)展速度和范圍顯著大于上部圍巖。圍巖塑性區(qū)變化是逐漸發(fā)展的過程，當超載荷載增至10P時，錨塞體周邊圍巖基本進入塑性屈服狀態(tài)。結(jié)合錨塞體后錨面特征部位位移與超載系數(shù)關(guān)系曲線的拐點及塑性區(qū)貫通判斷依據(jù)，可知錨塞體最大抗拔承載力為9P，即隧道錨抗拔穩(wěn)定安全系數(shù)為9，滿足規(guī)范要求。

圖5 隧道錨沿主纜拉力方向鉛直截面塑性區(qū)分布隨超載系數(shù)的演化規(guī)律

主纜設(shè)計荷載作用下隧道中心線沿鉛直截面位移云圖如圖6所示。由圖6可知，錨塞體變形特征如下：①施加主纜設(shè)計荷載后，山體與錨塞體沿主纜向山外側(cè)變形，以x向(橋梁軸向)水平變形為主。②在主纜設(shè)計荷載作用下，錨洞附近圍巖處于壓密過程，在錨碇中心線鉛直截面和沿主纜拉力方向斜截面內(nèi)，位移等值線從錨碇后端面向山外呈喇叭形分布；在垂直主纜拉力方向的斜截面內(nèi)，位移等值線近似以錨碇中隔墻中心線為中心，呈橢圓形分布。③施加主纜設(shè)計荷載后，錨塞體最大位移約為2.1mm，出現(xiàn)在后錨面區(qū)域。④錨洞附近圍巖最大位移約為1.5mm。

圖6 主纜設(shè)計荷載作用下隧道中心線沿鉛直截面位移云圖(單位：mm)

錨塞體在主纜設(shè)計荷載作用下，錨碇水平位移遠小于規(guī)范規(guī)定的0.000 1倍主纜跨徑，豎向位移遠小于規(guī)范規(guī)定的0.000 2倍主纜跨徑，滿足要求。

7 結(jié)語

根據(jù)地質(zhì)勘察報告提供的地質(zhì)參數(shù)，采用FLAC3D軟件建立隧道錨結(jié)構(gòu)三維數(shù)值仿真計算模型，對碎裂巖層修建隧道錨可行性進行研究。

1)本研究提出考慮抗拔承載力分項系數(shù)的錨塞體抗拔承載力簡化公式，并對根據(jù)簡化公式確定的錨塞體規(guī)模進行驗證，確保相關(guān)指標滿足規(guī)范要求。

2)錨塞體最大抗拔承載力為9P，即隧道錨抗拔穩(wěn)定安全系數(shù)為9，滿足規(guī)范要求。

3)錨塞體在主纜設(shè)計荷載作用下，錨碇水平位移和豎向位移均滿足規(guī)范要求。

4)分析認為，碎裂巖層修建懸索橋隧道錨具有可行性。本工程最終選用隧道錨方案，節(jié)省工程造價約1.2億元，避免了大開挖，保護了環(huán)境。