悬索桥隧道式锚碇承载特性分析

李玉婕 杨恩

摘 要：隧道式锚碇是一种承担悬索桥主缆拉拔力的基础结构，与重力式锚碇相比，在减少开挖、节约投资、保护环境方面具有显著优势。为研究悬索桥隧道式锚碇的承载特性，结合某实际工程，基于岩体力学试验和现场缩尺模型试验数据，采用数值仿真方法对隧道锚工程区域岩体的力学特性进行研究，进而对隧道锚的承载特性进行分析。结果表明：在设计荷载作用下，锚塞体和围岩的位移均较小，在主缆拉力小于8倍设计荷载时，锚塞体和围岩的变形基本呈线性增加，随着荷载的持续增大，锚塞体和围岩变形速率呈非线性，且围岩与锚塞体之间出现相对滑动变形。该研究结果可为悬索桥隧道锚的施工建设提供技术支撑。

关键词：隧道式锚碇；承载特性；反演分析；数值仿真；变形

中图法分类号：U446；U448.25                     文献标志码：A

1 研究背景

悬索桥是以通过索塔悬挂并锚固于两岸的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁。通常悬索桥的主要承重构件（主缆）都锚固在锚碇上，锚碇的形式分为自锚式和地锚式两种，其中地锚式又分为重力式锚碇（简称“重力锚”）和隧道式锚碇（简称“隧道锚”）。重力锚依靠自身重量与基岩的摩擦产生抗拔力，是传统的锚碇形式[1]，施工中需进行巨大方量的土石方开挖和混凝土回填，对环境扰动大，人力物力消耗大；隧道锚利用自身结构特征与围岩共同承载，可有效减少土方开挖和混凝土回填，性价比高，对环境扰动小。近年来随着我国西南交通体系规划建设，隧道锚得到广泛应用[2-8]。

隧道锚通常为前小后大的城门洞或马蹄锥型结构，对于隧道锚的承载特性主要通过地质力学模型试验、现场缩尺模型试验和数值模拟方法进行研究[9-10]，隧道锚承受主缆荷载后，锚塞体挤压变形将部分荷载传递给围岩承载，围岩条件不同，锚塞体与围岩之间的荷载传递过程、变形特征和结构破坏模式都有显著差异[11]。位于我国西南地区的某悬索桥，总长1 020 m，主跨766 m，桥位处河谷深切，山势陡峭，两岸桥基一侧为重力锚，另一侧为隧道锚，隧道锚区域岩体风化层较薄，锚碇附近岩体为块状玄武岩，为硬质岩石，岩层倾角较陡，与山坡呈反倾状，卸荷带发育，岩质较均匀。隧道锚作用机理复杂，采用单一分析方法很难得出完整的结论。为获取隧道锚结构的变形和承载力以及破坏模式，采用基于现场及室内岩石力学试验结果，利用现场缩尺模型试验，并采用数值模拟技术的综合手段来分析隧道锚围岩稳定性很有必要。

2 现场缩尺模型试验

2.1 隧道锚工程概况

该工程采用隧道式双锚塞体，锚塞体设计为前小后大的楔形体，锚塞体纵向长度为30 m，与水平线的倾角为20.2°，最大埋深约103 m。横断面为城门洞型，顶部采用圆弧形，侧壁和底部采用直线形，前锚面尺寸为9.8 m×11.2 m，顶部圆弧半径4.9 m，后锚面尺寸为15.2 m×18 m，顶部圆弧半径7.6 m，结构示意见图1。

2.2 缩尺模型试验

2.2.1 模型制作和加载设备

现场模型试验选址位于实桥锚进洞口附近，其岩性与实桥锚部位一致。根据相似原理，采用1∶10的比例进行模型制作，锚塞体方向与实桥锚保持一致。现场模型试验采用后推法，在每个后锚室安装9只千斤顶进行加载。浇筑过程中分别在锚塞体前后锚面、锚塞体内部、围岩表面和围岩内部布置光栅式位移传感器、深部位移计和位错计等监测仪器。模型加载和监测布置见图2和图3。

试验采用分级加（卸）荷单循环方法进行，从零开始分级加载，试验加载方案为1P循环、3.5P循环、7P循环、8P循环、9P循环直至极限荷载（最大出力）（P为一倍最不利荷载，为3 730 kN）。通过监测手段获取锚塞体和围岩变形情况。

2.2.2 试验成果分析

锚塞体和围岩监测点变形见表1，荷载变形曲线见图4和图5。可知，在1P荷载下，锚体沿拉力方向的变形较小，双锚平均为0.124 mm，3.5P荷載下，锚体沿拉力方向的变形较大，双锚平均为0.928 mm；7P荷载下，锚体沿拉力方向的变形显著，双锚平均为2.387 mm，随着荷载的不断增大，锚体沿拉力方向变形不断增大，当荷载为9.5P时，双锚平均为3.415 mm。

在1P、3.5P、7P以及9.5P设计荷载试验中，围岩测点的变形-荷载曲线近似呈直线，均未见屈服点，说明围岩仍处于近似弹性变形阶段。后锚面比前锚面变形略大，左右锚变形基本相当。

3 缩尺模型试验数值模拟分析

3.1 围岩参数反演分析的基本原理

采用智能位移反演方法，利用LSSVM和PSO分析模型并借助FLAC3D数值方法正算来实现围岩参数反演。主要思路是基于结构受力特征确定待反演参数，利用现场岩体力学试验结果，综合分析给出待反演参数的取值区间，形成若干组参数样本；利用数值方法构造若干组学习样本和检验样本；利用学习样本对映射网络进行较高效率地训练，建立待反演参数与位移的非线性映射关系，结合位移实测数据，通过搜索计算获取数值分析结果与实测数据的最小误差，该误差对应的岩体参数即为待反演参数的最优解。

3.2 围岩参数反演分析

3.2.1 计算条件

根据隧道锚承载特性，确定待反演参数是围岩弹性模量和强度参数，根据岩体力学试验结果和同类岩石的试验资料，综合分析给出待反演参数和取值区间见表2。其余围岩参数：重度为24 kN/m3，泊松比为0.3。锚体混凝土参数：重度为25 kN/m3，泊松比为0.3，变形模量为30 GPa。

现场试验三维数值模型见图6，由于试验位于浅层地表，应力场采用自重应力场。地表为自由边界，模型侧向和底面边界采用固定约束。数值分析中，围岩采用摩尔－库仑弹塑性模型，锚塞体混凝土材料采用线弹性本构模型。根据现场试验的隧道锚拉拔力的分级施加情况，按照实际情况分步逐级进行计算。由光栅传感器的埋设位置及相应的位移监测资料，作为反演、对比的目标测点。

3.2.2 反演结果分析

反演分析得到的现场模型区域围岩弹塑性参数结果見表3。将其赋入正向计算模型中进行计算。各监测点现场实测荷载-位移曲线与计算结果对比见图7和图8。可知监测点的实测与计算位移在量值上相当，变形趋势也基本相同，表明所确定的隧道锚围岩体的弹塑性参数基本合理。

4 实桥隧道锚承载特性分析

4.1 分析模型

三维模型见图9。考虑最不利荷载下，隧道锚结构的承载特性。根据设计提供图纸资料，实桥锚处围岩在表面12 m范围内围岩较为破碎，划分成卸荷带，12 m到后锚面划分成未卸荷带，因此围岩被划分为两层。围岩的原始地应力主要由构造应力场和自重应力场构成，由于隧道锚位于地表浅层，构造应力场的影响不明显，初始应力场主要以自重场为主，计算仅考虑自重应力场的作用。围岩采用弹塑性摩尔-库仑本构模型，锚塞体混凝土材料采用线弹性模型。

数值计算步骤如下：①隧道锚的施工开挖；②锚塞体混凝土施工回填建造，然后将位移清0；③极限拉拔超载模拟，从1倍设计荷载开始，分级增加荷载，每级增加1倍设计荷载，直至11倍设计荷载，重点分析设计荷载、4倍设计荷载和8倍设计荷载作用下围岩的变形和受力条件。

4.2 实桥隧道锚承载特性分析

在设计载荷作用下，锚塞体和围岩的变形见图10。隧道锚锚塞体和围岩主要呈现沿荷载方向的变形，整体位移以中隔墩为中心的倒楔形分布，最大位移为0.6 mm；围岩基本处于受压状态，拉应力分布较小。

4.3 超载作用下实桥锚计算分析

（1）利用数值模拟方法对实桥隧道锚进行超载模拟，获取荷载-变形曲线如图11所示。在低张拉力（<8倍设计荷载）下锚塞体和围岩位移呈线性增加；随着荷载的持续增大，锚塞体和围岩变形速率呈非线性，且锚塞体的变形速率比围岩变形速率大。总体而言，在荷载作用下，锚塞体会与围岩共同承载，但同时围岩与锚塞体之间也会出现相对滑动变形。

（2）4倍和8倍设计荷载作用下锚塞体和围岩的变形承载特性分别见图12和图13。在4倍荷载作用下，最大位移出现在锚塞体后锚面，大小为3.4 mm，隧道锚的变形特征为锚塞体与部分围岩共同承载，位移沿主缆拉拔力方向，同时锚塞体和围岩之间有相对滑动变形；在8倍荷载作用下，锚塞体和围岩的变形继续增加，变形规律与4倍荷载作用下一致，最大位移出现在后锚面，大小为7.7 mm。

5 结论

以现场缩尺模型试验为基础，通过参数反演分析，获得实桥锚区域的围岩参数，开展了实桥隧道锚围岩承载特性分析。主要结论如下。

（1）在现场缩尺模型试验结果基础上利用反演分析获取岩体参数，并对参数进行验证，所确定的隧道锚围岩体的弹塑性参数基本合理。

（2）在设计荷载作用下，围岩处于受压状态，最大位移为0.6 mm；超载作用下，锚塞体会与围岩共同承载，但同时围岩与锚塞体之间也会出现相对滑动变形；从实桥锚塞体荷载-位移曲线可以看出，在8倍超载条件下围岩仍处于弹性变形阶段。

（3）现场缩尺模型试验可以直观地获取锚碇和围岩在荷载作用下的变形分布规律，但出于安全考虑和工程实际需求，通常未达到极限破坏就终止试验，并且隧道锚在承载时的受力特性较为复杂，围岩本身的力学特性也十分复杂，因此模型试验无法系统反映围岩内部的变形和受力情况，在实际工程研究中需借助数值模拟方法对现场试验进行补充验证，对隧道锚的极限承载力和稳定性进行评价。

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Bearing Characteristics of Tunnel-type Anchorage of Suspension Bridge

LI Yujie1，YANG En1，2

（1. Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Changjiang Technology and Economy Society，Wuhan 430010，China）

Abstract：Tunnel-type anchorage is a foundation structure that bears the pulling force of the main cable of suspension bridge. It has advantages over gravity-type anchorage in reducing excavation，saving investment and protecting the environment. In order to obtain the bearing characteristics of tunnel-type anchorage，we first performed  rock mass mechanical test and field scale model test for an actual project. On this basis，we examined the mechanical properties of rock mass in the area of tunnel-type anchorage. Results revealed small displacement of the plug body and the surrounding rock mass under design load. When the main cable tension was smaller than eight times the design load，the deformation of plug body and surrounding rock mass increased linearly；however，such deformation rate became nonlinear with the continuous growth of load，and relative sliding deformation was found between the plug body and the surrounding rock mass. The research findings offer technical support for the construction of tunnel-type anchorage of suspension bridge.

Key words：tunnel-type anchorage；bearing characteristic；inversion analysis；numerical simulation；deformation