劉金秋

摘 要：為了研究懸索橋隧道錨的穩(wěn)定性，以浙江省官山大橋隧道式錨碇為工程背景進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算錨碇的整體穩(wěn)定性系數(shù)時(shí)，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查建立了圍巖地質(zhì)概化模型，采用多塊體極限平衡算法定量計(jì)算了隧道錨的穩(wěn)定性系數(shù)。結(jié)合錨碇圍巖的三維數(shù)值分析結(jié)論，證明了隧道式錨碇結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性和建設(shè)條件的適宜性。研究過(guò)程和結(jié)果可為同類工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：懸索橋；隧道錨；平衡分析；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U448.25 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Stability Analysis Based on Multiblock Limit Equilibrium Algorithm for Tunnel Anchor

LIU Jinqiu

（Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning， Design & Research， Hangzhou 310006， Zhejiang， China）

Abstract： In order to study the stability of tunneltyped anchorage for suspension bridge， the Guanshan Bridge in Zhejiang Province was taken as the project background for calculation and analysis. When calculating the overall stability coefficient of the anchorage， the geological probability model for surrounding rocks was established based on geological research， and multiblock limit equilibrium algorithm was adopted for quantitative calculation. Combined with the conclusion of 3D numerical analysis of the surrounding rocks， the reasonabilityof tunneltyped anchorages structural parameters and the applicability of construction were proven. The research and its results provide similar projects with reference.

Key words： suspension bridge； tunnel anchor； equilibrium analysis； stability

0 引 言

懸索橋是目前為止跨越能力最大的橋型，錨碇是其主要的承載結(jié)構(gòu)。錨碇主要分重力式錨碇和隧道式錨碇2種類型。盡管重力式錨碇結(jié)構(gòu)受力體系明確，應(yīng)用較多，但利用隧道式錨碇能與周邊巖體的共同作用，具有工程量小、工程造價(jià)低、環(huán)境破壞少的特點(diǎn)，因此在一定的地形、地質(zhì)條件下有較大的優(yōu)勢(shì)。如滬瑞國(guó)道主干線貴州省鎮(zhèn)寧至勝境關(guān)公路上跨度達(dá)1 088 m的壩陵河大橋西岸錨碇[1]；湖南省吉首—茶洞高速公路上跨度達(dá)1 176 m的矮寨特大懸索橋茶洞岸錨碇；湖北省滬蓉高速公路榔坪—高坪段上跨度達(dá)900 m的四渡河特大橋宜昌岸錨碇[2]。

由于隧道錨的工作原理及巖土工程參數(shù)具有不確定性，因此對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行研究顯得尤為重要。張奇華等對(duì)錨洞巖體采用多方法協(xié)同勘察，進(jìn)行錨碇系統(tǒng)及基巖穩(wěn)定性分析的技術(shù)研究；尹紅星等對(duì)錨碇基底基巖與混凝土膠結(jié)面的抗剪強(qiáng)度及整個(gè)錨碇范圍內(nèi)基底摩阻力開展試驗(yàn)研究；張永濤等對(duì)中夾巖隨時(shí)間的變形規(guī)律及敏感性進(jìn)行研究[35]。國(guó)內(nèi)建造大跨度懸索橋起步較晚，隧道式錨碇采用比例較低，對(duì)其力學(xué)機(jī)理及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方法、手段等有待進(jìn)一步研究與提高。本文以浙江省岱山縣官山大橋隧道錨為例，介紹基于地質(zhì)概化模型的穩(wěn)定性分析方法及結(jié)論，以供類似工程參考。

1 工程概況及錨碇結(jié)構(gòu)尺寸擬定

官山大橋位于浙江省舟山市岱山縣，為210 m+580 m+180 m雙塔單跨懸索橋，系省內(nèi)第二座大跨度懸索橋，并第一次采用隧道式錨碇。

官山側(cè)錨碇采用隧道錨形式，初步擬定錨體的幾何參數(shù)及特點(diǎn)如下。

（1）主纜中心線水平夾角為40°。

（2）前錨室長(zhǎng)為164 m，洞室尺寸（含初期支護(hù)噴混凝土厚度）為9.86 m×10 m（寬×高）。

（3）錨塞體長(zhǎng)為27 m，前錨面單洞斷面尺寸為986 m×10 m，頂拱半徑為5 m，斷面面積約為88 m2；后錨面尺寸為163 m×16.4 m，頂部圓弧半徑為8.2 m，斷面面積達(dá)到239 m2。

（4）后錨室長(zhǎng)為165 m，底標(biāo)高為-8.2 m，位于海平面以下，存在海水通過(guò)基巖裂隙侵蝕錨體的可能性。

（5）左右錨體洞室的凈距較小，最小只有9.5 m，最大為160 m。

2 工程地質(zhì)及概化模型

2.1 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

官山大橋隧道錨所在部位地表出露巖層主要為九里坪組，巖性為酸性熔巖-流紋斑巖，與下伏地層呈火山噴發(fā)不整合接觸，超覆于茶灣組之上。隧道錨周邊共有4條斷層，其中F29斷層分布于官山島東岸近海域部位，長(zhǎng)度近1 km，走向?yàn)镹W330°，傾向?yàn)镹E，傾角陡，為正斷層，兩側(cè)基巖高差4～8 m。推斷斷裂活動(dòng)時(shí)代在第四紀(jì)之前，為老斷裂。

隧道錨區(qū)節(jié)理主要為構(gòu)造成因次生節(jié)理，成組密集出現(xiàn)，共軛分布。在現(xiàn)場(chǎng)采用測(cè)線、測(cè)窗法及試驗(yàn)平硐，對(duì)錨區(qū)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了精細(xì)量測(cè)，主要考慮以下4組結(jié)構(gòu)面。

（1）近SN走向?yàn)橹?，產(chǎn)狀84°～86°∠77°～79°，面密度約為0.18 條·m-2。

（2）近EW走向?yàn)橹?，產(chǎn)狀8°～13°∠72°～73°，面密度為0.10 條·m-2。

（3）緩傾角結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀55°～64°∠20°～27°，面密度為0.15 條·m-2。

（4）傾向西北，傾角40°左右，平均產(chǎn)狀279°∠36°，面密度為0.01 條·m-2，該組節(jié)理可能組成隧道錨的底滑面。

2.2 地質(zhì)概化模型的建立

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及初步擬定的隧道錨尺寸，建立地質(zhì)概化模型，如圖1所示。其中近SN走向的巖體結(jié)構(gòu)面組成隧道錨的后緣面，近EW走向的巖體結(jié)構(gòu)面組成隧道錨的側(cè)滑面，傾向西北的中傾角巖體結(jié)構(gòu)面組成隧道錨的底滑面。隧道錨位于這3組巖體結(jié)構(gòu)面組成的塊體中時(shí)將處于最不利的狀態(tài)。

2.3 巖體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)錨碇部位ZK4相關(guān)資料，隧道錨主要位于微風(fēng)化流紋斑巖中。流紋斑巖呈紫灰色、灰色，其中中風(fēng)化層局部發(fā)育，一般節(jié)理較發(fā)育，層底標(biāo)高為1842～5742 m，層厚為26.1～38.7 m，巖塊天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度平均值為144.3 MPa，彈性模量平均值為128.0 GPa，波速為2 902～3 897 m·s-1，平均值為3 457.9 m·s-1；微風(fēng)化層節(jié)理較發(fā)育，部分不甚發(fā)育，巖塊天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度平均值為1780 MPa，波速為3 372～4 184 m·s-1，平均值為3 657 m·s-1。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合工程巖體分類和質(zhì)量評(píng)價(jià)，綜合確定巖體基本物理力學(xué)參數(shù)和混凝土/巖膠結(jié)面、巖體結(jié)構(gòu)面基本力學(xué)參數(shù)（表1、2），為官山島側(cè)隧道錨的穩(wěn)定性分析論證提供基礎(chǔ)資料。

3 多塊體極限平衡分析

3.1 分析原理

隧道錨圍巖失穩(wěn)破壞模式雖然具有三維特征，但主要是沿纜索拉力鉛直平面失穩(wěn)破壞，即隧道錨圍巖失穩(wěn)破壞模式可以概化成平面失穩(wěn)模式，如圖2所示。多邊形ABFG為錨塞體，AD和GH分別是上、下破裂面或滑面，α為錨碇夾持角，α1為錨碇底板與下滑面AD的夾角，α2為錨碇頂面與上滑面GH的夾角，γ為錨碇傾角，β為邊坡坡角。由于隧道錨的破壞主要是沿主纜拉力方向的滑移破壞，因此，隧道錨圍巖穩(wěn)定問題也就轉(zhuǎn)變?yōu)殄^碇圍巖的抗滑穩(wěn)定問題。

沿可能滑動(dòng)面將圍巖破壞區(qū)域分成3塊，即錨塞體滑塊ABFG、上滑塊GFEH和下滑塊ADCB。由于錨室橫向未完全貫通，即上下塊體通過(guò)錨碇中隔墻和錨碇外側(cè)巖體相連，因此，在滑塊受力分析時(shí)，為了真實(shí)反映滑塊實(shí)際受力，在上下滑塊之間增加一個(gè)鉛直方向的相互作用力，在隧道錨滑塊受力分析（圖3）中用N5表示。單個(gè)錨碇的主纜拉力為83 000 kN，錨塞體滑塊沿錨碇與混凝土膠結(jié)面失穩(wěn)或滑動(dòng)，即沿AB和GF滑動(dòng)，上滑塊沿滑面GH破壞或滑動(dòng)，下滑塊沿滑面AD破壞或滑動(dòng)。假設(shè)在極限狀態(tài)下，所有塊體滑裂面同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)，根據(jù)摩爾庫(kù)侖定律，建立單個(gè)塊體的靜力平衡方程，再聯(lián)立多塊體平衡方程求解錨碇圍巖抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

3.2 分析結(jié)果

按照初步擬定的錨碇幾何參數(shù)（主要包括錨碇幾何尺寸、錨室深度）、主纜荷載（83 000 kN）與錨碇傾角（40°）、地形條件、路塹邊坡坡角等設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算不同超載情況下的穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果如圖4所示?？梢?，超載小于18P時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.0。并結(jié)合三維數(shù)值模擬（安全系數(shù)大于9），以及參考其他類似工程的安全系數(shù)取值范圍，可以確定初擬的隧道錨尺寸安全、隧道錨的建設(shè)條件符合要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)官山大橋官山側(cè)隧道錨，基于地質(zhì)概化模型和參數(shù)研究基礎(chǔ)，采用多塊體極限平衡分析方法并結(jié)合數(shù)值分析，對(duì)隧道錨及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，取得以下認(rèn)識(shí)。

（1）根據(jù)地質(zhì)概化模型，錨碇及圍巖最可能出現(xiàn)的變形破壞模式為錨碇及上部巖體發(fā)生沿巖/混凝土膠結(jié)面或松弛巖體的滑動(dòng)。

（2）多塊體極限平衡分析結(jié)果表明，超載小于18P時(shí)，隧道錨穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.0，并結(jié)合三維數(shù)值模擬（安全系數(shù)大于9），參考其他類似工程的安全系數(shù)取值范圍，確定初擬的隧道錨尺寸安全、隧道錨的建設(shè)條件符合要求。

官山大橋于2011年底開始建造，2015年9月竣工通車，隧道錨結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)變形指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)。官山大橋隧道錨的工程實(shí)踐為類似工程積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙海斌，于新華，彭運(yùn)動(dòng)，等.壩陵河大橋隧道錨圍巖力學(xué)特性原位試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，37（6）：680684.

[2] 張奇華，胡建華，陳國(guó)平，等.矮寨大橋基礎(chǔ)巖體穩(wěn)定問題研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)，2012，31（12）：24202430.

[3] 汪海濱，高 波，朱栓來(lái)，等.四渡河特大橋隧道式錨碇?jǐn)?shù)值模擬[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2006，19（6）：7378.

[4] 尹紅星，文亞軍.矮寨大橋錨碇基巖摩阻力試驗(yàn)研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2009，28（5）：4951.

[5] 張永濤，陳培帥，楊 釗，等.基于時(shí)間與空間效應(yīng)的隧道錨中夾巖墻變形分析[J].施工技術(shù)，2014，43（S1）：426429.

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