悬索桥隧道锚碇与临近构筑物相互影响分析

夏国邦，喻正富

(云南普宣高速公路建设指挥部， 云南 宣威　655400)



悬索桥隧道锚碇与临近构筑物相互影响分析

夏国邦，喻正富

(云南普宣高速公路建设指挥部， 云南 宣威655400)

摘要：在综合分析运用工程地质勘察资料的基础上，建立普立特大桥隧道锚碇主塔系统及山体稳定分析的工程地质概化模型。采用三维有限差分法模拟隧道锚碇、索塔基础、上方公路隧道及周围山体，对天然岩体、岩体开挖及施加设计荷载后等各阶段岩体的变形、应力释放及应力重分布、卸荷松弛区的范围、塑性区分布特点进行计算分析，并评价各构筑物围岩各阶段的变形稳定特征、相互影响情况及可能出现的变形破坏模式。

关键词：隧道锚碇；围岩变形；围岩稳定性；地质概化模型；岩体力学参数

1工程概况

云南省普立特大桥位于宣威市普立乡松山村、普立村，距宣威市区约65 km。桥轴线与普立大沟近于正交，设计为整体式桥梁，桥面净宽23.5 m。主桥为单跨悬索桥，桥长964 m。普立岸主墩塔高154.3 m，宣威岸主塔高162.2 m。综合考虑地形、地质、施工、工期、造价等方面的因素，普立岸的锚碇采用隧道锚，锚塞体长35 m，倾角42°，桥型布置见图1。散索鞍沿锚洞轴线至隧道锚前锚面的距离为30 m。散索鞍基础至索塔基础最近水平距离为147.2 m，竖直距离56.7 m。松山公路隧道位于普立岸隧道锚上方，其底板与锚洞开挖顶板相距22.5～43.8 m。为了减小隧道锚与公路隧道在开挖过程中对围岩的相互扰动影响，要求隧道锚洞先于公路隧道开挖。

由于岩体开挖、各构筑物施工及施加设计荷载时其是否稳定直接影响桥梁的稳定和工程安全，因此锚碇围岩能否提供足够的抗拉拔力，是整个桥梁系统的稳定基础，也是设计所关心的问题[1-6]。本文通过建立综合考虑隧道锚碇、索塔基础、公路隧道及山体的大型三维数值分析模型，对各种工况下构筑物围岩及山体的稳定性与变形特征、各构筑物相互影响问题进行分析和研究，以论证设计施工方案的合理性，提出合理的加固处理措施。

图1　普立特大桥桥型布置

2地质概化与数值分析模型

根据地质资料，对工程地质条件进行概化，数值计算模型计算域内模拟了山体石炭系上统马平群灰岩岩层；在岩体中划分了卸荷带与微新岩体，卸荷带厚度根据地勘资料和有关工程经验类比得到，平均厚度约10～15 m。普立岸岩体中广泛存在4组构造裂隙，因目前数值计算发展水平限制，还难以对每条节理裂隙进行模拟[7-8]，只能在参考试验资料的基础上，参照GB 50218—94《工程岩体分级标准》[9]，确定岩体宏观力学参数的取值范围，从总体上对岩体稳定性进行管控。表1和表2为数值仿真时采用的2种参数，其建议参数为依据工程经验提出的参数建议值，其基本参数为甲方提供的设计参数。

表1　计算采用的岩体力学参数(建议参数)

表2　计算采用的岩体力学参数(基本参数)

依据设计资料，采用FLAC 3D有限差分程序进行数值分析，模型模拟了2个锚碇(包括散索鞍)、主塔桩基及公路隧道。混凝土与围岩接触面用薄层单元模拟，厚度为0.2 m；锚碇及桩基混凝土材料采用弹性介质；建立了厚2 m的隧道锚洞开挖松动圈，其力学强度有所降低。普立岸三维数值计算模型见图2、图3。岩体本构模型采用弹塑性层状单元模型，以模拟岩层在不同方向上力学性能的差异性(正交各向异性)。

数值分析模型进行了如下模拟：1) 模拟原始边坡及山体在天然情况下的稳定性；2) 模拟锚碇基础、公路隧道和主塔基础的施工开挖；3) 模拟锚碇混凝土及塔基的建造；4) 锚碇施加主缆设计荷载，同时在塔基部位施加设计荷载；5) 计算分析各个施工阶段条件下岩体的变形及稳定性；6) 进行锚碇超载模拟试验，按3P、5P(P为锚碇设计荷载)逐步施加超载。

图2　普立岸三维计算模型

图3　普立岸计算模型(右锚碇剖面)

3岩体变形规律

3.1岩体开挖后

根据数值分析结果，锚洞、塔基和公路隧道施工开挖后，公路隧道、锚洞围岩会朝洞内变形，顶拱下沉，底板回弹上抬。隧道锚碇最大变形分别为1.0 mm(建议参数)和1.06 mm(基本参数)，发生在锚碇后端底板部位，见图4。公路隧道的最大变形分别为1.03 mm(建议参数)和1.06 mm(基本参数)，发生在远离锚碇靠近山里的底板处。锚洞、塔基和公路隧道开挖引起的变形之间的联系不太明显。

3.2结构物建造后

混凝土锚碇施工后，受锚碇混凝土重力作用，锚洞围岩出现下沉变形，最大下沉量约为0.14 mm，出现在锚体后部。锚碇建造对周边岩体的变形影响较小，引起公路隧道的最大变形为0.1 mm。锚锭与桩基建造后位移见图5。

图4　公路隧道、锚碇与塔基岩体开挖后的位移

图5　锚碇与桩基建造后位移

3.3施加工程设计荷载后

同时施加主缆设计荷载1P、索鞍处荷载及塔基荷载后，锚碇与山体围岩发生扩张变形，最大增量变形出现在锚碇后部，变形大小分别为0.30 mm(建议参数)和0.35mm(基本参数)，左右锚变形相近。索鞍处的最大变形为0.42 mm(建议参数)和0.43 mm(基本参数)，位移分布见图6。塔基承台、桩基和桩基底部岩体主要发生铅直向下的变形，塔基承台最大变形量约为0.65 mm(建议参数)和0.66 mm(基本参数)，桩身最大变形量约为0.15 mm(建议参数)和0.16 mm(基本参数)。锚碇施加荷载引起公路隧道的最大变形约为0.14 mm(建议参数)和 0.18 mm(基本参数)。

3.4施加超载

锚碇施加超载(散索鞍压力和塔基荷载均为设计荷载)后，锚碇围岩变形形态与施加设计荷载相似，最大增量位移出现在锚碇后部。超载至3P的最大变形分别为1.02 mm(建议参数)和1.08 mm(基本参数)；超载至5P的最大变形分别为2.1 mm(建议参数)和2.3 mm(基本参数)，见图7。由超载后锚碇围岩的变形分析可知，锚碇围岩作为整体性受力体，能够提供强大的抗拉拔能力；若由于地质缺陷没有连接成完整的破坏面，锚碇围岩仍将通过“整体效应”而联合受力，使得较大范围岩体均能够提供“抗力”。

4应力与塑性区分布

4.1岩体开挖后

原始山体塑性区分布范围较广，但主要出现在岩体的卸荷带浅表，见图8。施工开挖后，公路隧道及锚洞周边围岩的应力状态发生了较明显的改变，洞周围岩径向应力释放，切向应力增加且处于受压状态，左、右锚碇围岩的压应力集中约3.31 MPa(建议参数)和2.80 MPa(基本参数)，应力分布见图9。由于塔基位于地表附近，故开挖后塔基岩体的应力状态改变不明显。岩体开挖后，取建议参数时，塑性区出现在底板和顶拱部位；取基本参数时，塑性区出现在洞周范围，需进行支护。公路隧道围岩的塑性区也主要集中在底板、顶拱及隧道之间的隔墙，延伸深度一般为4～5 m，故需适当支护。岩体开挖后塑性区见图10。

4.2结构物建造后

锚碇建造引起锚洞围岩应力状态有一定的改变，但应力改变值不大。锚碇建造基本未引起围岩塑性区发生变化。

4.3施加工程设计荷载后

施加锚碇设计荷载、散索鞍压力及塔基设计荷载后，锚碇在缆索拉拔力作用下挤压洞周围岩，引起锚碇后端面外侧围岩压应力有所增大，锚碇底部出现一定的拉应力，最大拉应力约为0.14 MPa(建议参数)和0.16 MPa(基本参数)；锚碇施加荷载对公路隧道底板围岩的最大压应力为1.0 MPa(建议参数)和1.5MPa(基本参数)。同时施加锚碇设计荷总的说来，锚碇围岩在施加设计荷载后新增塑性区不太明显，塔基荷载对岩体稳定性影响也不太明显，同时施加锚碇设计荷载P、散索鞍压力和塔基荷载时塑性区分布见图12。

图6　施加锚碇设计荷载、散索鞍压力和塔基荷载的位移

图7　锚碇超载为5P时位移

图8　自然山体的塑性区分布(建议参数)

图9　公路隧道、锚碇与塔基岩体开挖后(建议参数) 载P、散索鞍压力和塔基荷载时主应力分布见图11。塔基施加设计荷载后，塔基承台、桩基及桩周和桩底部岩体主要受压，桩与岩体的接触带及桩底岩体出现少量塑性区。

4.4施加超载

施加锚碇超载后，锚碇后端面以外靠近洞壁的围岩压应力增大约0.5 MPa，锚体内出现较高压应力，最大压应力值约为5.6 MPa；锚体后部附近围岩的最大主应力由压应力状态变化为拉应力状态，锚碇后端面最大拉应力进一步增大至0.54 MPa。这显示围岩作为整体性受力体，能够提供较大的富余抗拉拔能力。锚碇超载5P时主应力分布见图13。

随着超载力的增大，锚体与围岩接触带以及附近围岩的塑性区范围也相应增加。取基本参数时，超载至5P时，接触带及松动圈塑性区接近贯通(取建议参数时松动圈塑性区尚未贯通)，由此可认为隧道锚碇能够承受5P的超载。锚碇超载5P时岩体塑性区分布见图14。

图10　公路隧道、锚碇与塔基岩体开挖后塑性区分布结构物建造后

图11　同时施加锚碇设计荷载P、散索鞍压力和塔基荷载时主应力分布(基本参数)

图12　同时施加锚碇设计荷载P、散索鞍压力和塔基荷载时塑性区分布

图13　锚碇超载5P时主应力分布(建议参数)

图14　锚碇超载5P时塑性区分布

5结论

本文基于精细化有限元模型，对普立特大桥普立岸岩体稳定性进行了计算分析，分析结果表明：普立特大桥原始山体稳定性较好，塑性区仅分布在岩体卸荷带的浅表；普立特大桥隧道锚锚洞、桥塔塔基和公路隧道岩体开挖后，需对公路隧道和隧道锚锚洞的围岩进行适当支护；在普立岸建造隧道锚是适宜的，按照目前的设计施工方案隧道锚能够承受5P的超载。

根据隧道锚碇与临近构筑物数值仿真分析得到的主要数据，得出如下结论。

1) 开挖前，有必要对山体稳定性进行分析，以了解原始山体的塑性区分布。

2) 悬索桥建造过程中，通常是岩体开挖阶段的新增塑性区最为明显，此施工阶段应注意按照数值分析结果对隧道锚锚洞和公路隧道的围岩进行适当支护，而塔基开挖对山体稳定性影响通常不大。

3) 混凝土锚碇施工后，重力作用会使锚洞围岩出现下沉变形，但影响很小。

4) 对隧道锚碇施加设计荷载后，锚碇与山体围岩发生压缩变形，最大增量变形出现在锚碇后部；锚碇底部出现一定的拉应力，锚碇后端面外侧围岩压应力有所增大，且通常会引起相邻公路隧道围岩中产生压应力。

5) 对塔基施加设计荷载后，塔基承台、桩基及桩周和桩底部岩体主要受压，桩与岩体的接触带及桩底岩体出现少量塑性区，但不太明显。

6) 若锚碇锚洞、塔基和公路隧道相互间能够保证足够的距离，则在施工和使用阶段，公路隧道和隧道锚围岩的应力与变形相互干扰较小。

7) 岩体力学参数对数值分析结果有一定影响，为了进行更准确的计算评价，有必要增加一些现场岩体力学试验。

参 考 文 献

[1]朱玉，卫军，李昊，等．悬索桥隧道锚与下方公路隧道相互作用分析[J]．铁道科学与工程学报，2005，2(1)：57-61.

[2]卫军，李昊，朱玉，等.四渡河特大悬索桥隧道锚固系统数值分析[J].公路，2005(11)：48-51.

[3]张奇华，丁秀丽，董志宏，等.长沙至重庆国道主干线矮寨悬索桥初设阶段隧道锚碇与塔基岩体稳定性研究[R].武汉：长江水利委员会长江科学院，2005.

[4]张奇华，董志宏.长沙至重庆公路通道矮寨悬索桥初设阶段Q线方案锚碇与塔基等系统稳定性研究[R].武汉：长江水利委员会长江科学院，2006.

[5]张奇华.长沙至重庆公路通道矮寨悬索桥施工期茶洞岸锚碇与塔基等系统稳定性研究[R].武汉：长江水利委员会长江科学院，2008.

[6]张利洁，张奇华．重庆鱼嘴长江特大桥隧道锚碇区岩体稳定性分析[R].武汉：长江水利委员会长江科学院，2005.

[7]潘别桐.岩体结构面网络模拟及应用[M].武汉：武汉地质学院工程地质教研室，1987.

[8]蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2006.

[9]中华人民共和国水利部.GB 50218—94工程岩体分级标准[S].北京：中国计划出版社，1995.

Analysis and Study of Mutual Influences Between Anchorages of Suspension Cable Suspension Bridge Tunnels and Adjacent Structures

XIA Guobang，YU Zhengfu

Abstract:On the basis of comprehensively analyzing and utilizing geological survey data of projects, this paper establishes engineering geological generalized model of main tower system of Pulite Bridge tunnel anchorages massif stability analysis. The paper adopts 3D finite differential method to simulate tunnel anchorages, cable tower foundations, above highway tunnels and surrounding massifs, etc., calculates and analyzes natural rocks, wall rock deformation, stress release, stress redistribution, range of unloaded relaxation area and distribution features of plastic area after rock excavation and application of design load; and evaluates stable features of deformation at various stages of all structure rocks, mutual influences and possible deformation failure modes.

Keywords:tunnel anchorage; wall rock deformation; wall rock stability; geological generalized model; rock mechanics parameters

文章编号：1009-6477(2016)01-0061-06

中图分类号：U448.25

文献标识码：A

作者简介：夏国邦(1976-)，男，云南省宣威市人，本科，高工。

收稿日期：2015-07-13

基金项目：云南省交通运输厅科技项目(云交科2011(LH)12-a号)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.014