金安金沙江大橋麗江側(cè)隧道錨系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

金安金沙江大橋麗江側(cè)隧道錨系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

近20年來(lái)，隧道錨座固結(jié)技術(shù)在中國(guó)蓬勃發(fā)展。中國(guó)許多大型橫跨道路的橋梁采用了隧道錨固固結(jié)技術(shù)，如水庫(kù)嶺大橋、鵝公巖大橋和瀘定大橋。隨著研究的不斷深入和工程技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，懸索橋隧道錨技術(shù)已經(jīng)適用于更多的地形和地質(zhì)條件。早期，隧道錨主要用于圍巖整體性較好的地層，要求橋址區(qū)圍巖地質(zhì)條件要相對(duì)較好，如巖體的完整性好、節(jié)理較少。近幾年，隧道錨結(jié)構(gòu)在裂隙發(fā)育、完整性較差的Ⅳ、Ⅴ類圍巖地層、巖溶地層甚至軟巖地層都有應(yīng)用。按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50218-2014）的劃分，角籠壩大橋隧道錨的圍巖屬于Ⅳ類巖體；鵝公巖長(zhǎng)江大橋、南溪長(zhǎng)江大橋、萬(wàn)州長(zhǎng)江二橋、駙馬長(zhǎng)江大橋隧道錨的圍巖屬于Ⅳ、Ⅴ類巖體，為軟巖或較軟巖；壩陵河大橋、矮寨大橋隧道錨圍巖為巖溶地層1順宜區(qū)隧道錨結(jié)構(gòu)金安金沙江大橋?yàn)槿A麗高速項(xiàng)目控制性工程，位于麗江市古城區(qū)金安鎮(zhèn)，大橋主跨1386m，為鋼桁架懸索橋，橋型布置如圖1所示。大橋兩岸均采用隧道錨，隧道錨中心入射角為42°，隧道錨長(zhǎng)約70m，雙索主纜力設(shè)計(jì)載荷為6.215×10工程所在地橋址區(qū)地層主要為二疊紀(jì)火山巖、火山碎屑巖與第四系地層。麗江側(cè)麗江側(cè)錨碇部位主要分布有玄武巖及杏仁狀玄武巖，其下部夾兩層厚1～2m的凝灰?guī)r；隧道錨頂部巖層為厚2m的凝灰?guī)r，與層厚135～150m的二疊系上統(tǒng)黑泥哨組整合接觸。根據(jù)地勘結(jié)果，麗江側(cè)隧道錨淺部30m洞室為V級(jí)圍巖，位于強(qiáng)風(fēng)化破碎帶；坡體內(nèi)30～40m范圍內(nèi)巖體較完整，是弱卸荷帶內(nèi)的中風(fēng)化玄武巖，為Ⅳ級(jí)圍巖，開(kāi)挖后多呈碎石鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)；40m以內(nèi)的未卸荷帶巖體較完整，是處于未卸荷帶內(nèi)的中風(fēng)化玄武巖，為Ⅲ級(jí)圍巖。麗江側(cè)隧道錨結(jié)構(gòu)主要分為錨塞體、散索鞍基礎(chǔ)、前錨室及后錨室等4個(gè)部分。各部分尺寸分別為：前錨室洞口為11.6m×10m（寬×高），前錨面為11.6m×14m（寬×高），頂部圓弧半徑為5.8m；后錨面為17m×24m（寬×高），頂部圓弧半徑達(dá)8.5m，錨塞體長(zhǎng)度為40m，錨塞體最小凈距為10m；后錨室端部為17m×21.299m（寬×高），后錨室長(zhǎng)3m，見(jiàn)表1。對(duì)于麗江側(cè)隧道錨，其主要特點(diǎn)有：（1）隧道錨隧洞淺部30m洞室為V級(jí)圍巖，洞室開(kāi)挖后自穩(wěn)能力差，成洞安全風(fēng)險(xiǎn)較大；（2）隧道錨隧洞底板距離下部公路隧道頂拱最小距離11.7m，如圖2所示，兩個(gè)洞室施工開(kāi)挖的相互影響需要進(jìn)行評(píng)估。2計(jì)算和分析條件2.1工程地質(zhì)概化模型覆蓋層、玄武巖（強(qiáng)卸荷、弱卸荷、未卸荷）以及凝灰?guī)r夾層均包含在地質(zhì)概化模型中，其中構(gòu)筑物主要包括隧道錨系統(tǒng)、邊坡、散索鞍支墩以及公路隧道等，如圖3所示。對(duì)于裂隙弱化效應(yīng)，一般在巖土工程計(jì)算中采用降低圍巖黏聚力等強(qiáng)度參數(shù)來(lái)進(jìn)行概化。2.2計(jì)算范圍X方向（橋軸向）為400m,Y方向（橫橋向）為400m;Z方向從海拔1600.0m起，至山頂最高位置約1970m。2.3地基承載物模型模擬計(jì)算時(shí)模型底面及四周各面采用法向位移約束，地表則為自由邊界。計(jì)算采用理想的彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用巖土工程數(shù)值分析常用的MohrCoulomb準(zhǔn)則，接觸面模擬選用FLAC3D中自帶的interface模型。圍巖錨桿支護(hù)采用軟件自帶的一維單元模擬，噴射混凝土及鋼拱架聯(lián)合支護(hù)采用殼單元模擬。2.4工程地質(zhì)參數(shù)推薦取值確定為復(fù)核隧道錨的設(shè)計(jì)條件（主要是巖土設(shè)計(jì)參數(shù)）并論證隧道錨的安全度，在前期勘察及巖土試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，施工階段開(kāi)展了《金安金沙江大橋隧道錨及圍巖穩(wěn)定》專題分析研究：在麗江側(cè)隧道錨隧洞內(nèi)、試驗(yàn)斜洞中和散索鞍支墩部位，開(kāi)展有室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)混凝土/巖石接觸面直剪強(qiáng)度試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)面原狀樣直剪強(qiáng)度試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)巖體直剪強(qiáng)度試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)、巖體變形試驗(yàn)以及隧道錨現(xiàn)場(chǎng)縮尺模型試驗(yàn)。通過(guò)模型試驗(yàn)的反演，并根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果以及相關(guān)取值分析方法，結(jié)合具體的工程地質(zhì)情況，提出麗江側(cè)隧道錨碇區(qū)巖土體力學(xué)參數(shù)推薦取值，見(jiàn)表2；采用的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。2.5隧道錨的右洞形成實(shí)際施工開(kāi)挖方案是，將麗江側(cè)隧道錨左、右洞分成8段，如圖4所示，隧道錨的右洞超前左洞約10m先行開(kāi)挖。表4列出了隧洞開(kāi)挖施工過(guò)程概化：邊坡開(kāi)挖是在第1步完成，隧道錨需分9步完成。2.6計(jì)算結(jié)果圖5和圖6給出了各典型剖面位置以及計(jì)算監(jiān)控點(diǎn)的位置示意圖。FLAC3D軟件中的應(yīng)力約定為：拉為正，壓為負(fù)，應(yīng)力單位為Pa。3通過(guò)開(kāi)挖錨期節(jié)省成本的計(jì)算3.1圍巖應(yīng)力分析洞臉邊坡開(kāi)挖完成后，邊坡底面與坡面拐角處等出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)一般小于1.4。由于開(kāi)挖卸荷，在坡面與邊坡底面相交部位等出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力0.06MPa，如圖7和圖8所示，滿足巖體抗拉要求。開(kāi)挖過(guò)程中，隧道錨在隧洞洞底、邊墻與底板的拐角等處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)通常小于2.1。由于開(kāi)挖卸荷，在隧洞出口以及底板等部位出現(xiàn)拉應(yīng)力。隧洞開(kāi)挖完成后，隧道錨洞周圍巖最大主應(yīng)力為-4.93MPa，如圖9所示。3.2圍巖位移分布洞臉邊坡施工開(kāi)挖后最大位移為21.673mm。邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，其巖體變形特征為：基坑底板卸荷回彈，巖體位移向上并指向坡內(nèi)；在臺(tái)階及坡面上，邊坡形成比較高的臨空面，巖體位移指向臨空面并偏向下方。隧道錨隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，其圍巖變形的基本特征是：底板回彈，頂拱下沉，且相同斷面頂拱下沉量值一般小于底板回彈量值；隧洞底板、頂拱圍巖位移主要以豎直方向（Z軸）變形最大，順橋方向（X軸）次之，橫橋方向（Y軸）最??；側(cè)壁向內(nèi)（臨空面）變形，側(cè)壁位移以橫橋方向（Y軸）的變形為主；各開(kāi)挖步最大位移通常為隧洞底板的回彈變形。由于在第8步開(kāi)挖的洞段，隧道錨出露圍巖出現(xiàn)凝灰?guī)r夾層，因此，從第8步開(kāi)挖起，隧道錨接下來(lái)開(kāi)挖各步的最大位移均位于此夾層位置。隧道錨隧洞開(kāi)挖后的最大位移在凝灰?guī)r在頂拱出露處，下沉值為8.167mm，見(jiàn)表5。3.3道錨圍巖塑性區(qū)分析洞臉邊坡施工開(kāi)挖后，由于模型邊界效應(yīng)，在地表產(chǎn)生了少量塑性區(qū)，如圖10所示。隧道錨隧洞開(kāi)挖后，圍巖塑性區(qū)主要在洞周分布，隧洞拱頂部位圍巖的塑性破壞區(qū)厚度通常大于側(cè)壁和底板部位，特別是隧洞錨塞體后段拱頂部位，且大部分圍巖塑性區(qū)屬剪切破壞區(qū)；兩隧洞之間的圍巖塑性區(qū)未出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，如圖11所示。因此，隧洞開(kāi)挖成洞安全性好。4錨點(diǎn)內(nèi)纜力加載對(duì)圍巖變形為模擬橋梁正常運(yùn)行荷載作用下以及超載條件下隧道錨圍巖、錨塞體各部位的應(yīng)力、變形響應(yīng)，按最不利荷載組合設(shè)計(jì)主纜拉力（單根拉力T=3.1075×10從圖12和圖13中可以看出：按設(shè)計(jì)主纜力（P）加載，各剖面監(jiān)控點(diǎn)位移變化很小；6倍以下設(shè)計(jì)主纜力加載條件下，圍巖增量變形的變化相對(duì)平緩，圍巖變形量與加載基本成線性正相關(guān)關(guān)系；圍巖變形速率未出現(xiàn)陡增變化。因此，從圍巖變形速率來(lái)看，在6倍設(shè)計(jì)主纜力內(nèi)加載時(shí)，隧道錨是安全的。各開(kāi)挖步的塑性區(qū)體積量與加載倍數(shù)的關(guān)系如圖14所示。圖14中可以看出：按設(shè)計(jì)主纜力（P）加載，隧洞圍巖各剖面塑性區(qū)分布較?。?倍以下設(shè)計(jì)主纜力加載條件下，圍巖塑性區(qū)體積的變化與加載倍數(shù)基本線性正相關(guān)，隧洞圍巖塑性區(qū)體積量未見(jiàn)陡增變化，且塑性區(qū)的分布范圍相對(duì)較小。從塑性區(qū)體積變化速率來(lái)看，可以認(rèn)為在6倍內(nèi)設(shè)計(jì)主纜力以內(nèi)加載時(shí)，隧道錨是安全的。5主要纜抗彎性能根據(jù)《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD65-05-2015）的規(guī)定，懸索橋隧道式錨定錨塞體抗拔安全系數(shù)可采用公式（1）進(jìn)行初步估算：式中：P為主纜拉力設(shè)計(jì)值（kN);K為抗滑（拉拔）穩(wěn)定系數(shù)；f′為接觸面抗剪斷摩擦系數(shù)；C′為接觸面（或結(jié)合面）抗剪斷黏聚力（kPa);A為接觸面積（m在僅考慮底面摩擦的情況下，金安金沙江大橋隧道錨安全系數(shù)K為2.33，計(jì)算取值見(jiàn)表6，符合規(guī)范中“錨塞體抗拔安全系數(shù)不小于2.0”的要求。6錨室下圍巖位移分析設(shè)計(jì)文件要求，先對(duì)隧道錨左下方的公路隧道進(jìn)行施工，待開(kāi)挖至隧道錨后20m，方才進(jìn)行隧道錨施工。由于公路隧道拱頂與隧道錨后錨室底部高程差為11.7m左右，垂直高差較小，隧道錨洞開(kāi)挖過(guò)程中可能會(huì)對(duì)公路隧道產(chǎn)生一定影響。計(jì)算分析結(jié)果表明：隨著隧道錨的開(kāi)挖完成，公路隧道圍巖整體隨之向上變形，最大變形量超過(guò)2mm，如圖15所示；塑性區(qū)分布范圍無(wú)明顯變化，如圖16所示。由此可見(jiàn)，隧道錨開(kāi)挖對(duì)公路隧道圍巖變形的影響較為有限。7隧道錨系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析本文對(duì)金安金沙江大橋麗江側(cè)隧道錨系統(tǒng)開(kāi)展了計(jì)算分析，通過(guò)隧道錨系統(tǒng)的開(kāi)挖支護(hù)施工過(guò)程以及隧道錨加載分析、隧道錨與下部公路隧道的相互影響研究，獲得如下結(jié)論與建議。(1）隧道錨隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，其圍巖的變形特征為：底板回彈，頂拱下沉，且相同斷面頂拱下沉量值通常小于底板回彈量值。(2）隧道錨隧洞開(kāi)挖完成后，隧洞圍巖塑性區(qū)總體沿洞周零星分布，兩隧洞間的圍巖塑性區(qū)未見(jiàn)貫通，可見(jiàn)隧洞開(kāi)挖成洞安全性好。(3）通過(guò)錨塞體加載計(jì)算及結(jié)構(gòu)安全度的驗(yàn)算，以荷載與位移關(guān)系曲線、塑性區(qū)貫通為判據(jù)，認(rèn)為麗江側(cè)隧道錨系統(tǒng)承載穩(wěn)定系數(shù)及抗拔穩(wěn)定系數(shù)滿