金安金沙江大橋麗江側隧道錨系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

金安金沙江大橋麗江側隧道錨系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

近20年來，隧道錨座固結技術在中國蓬勃發(fā)展。中國許多大型橫跨道路的橋梁采用了隧道錨固固結技術，如水庫嶺大橋、鵝公巖大橋和瀘定大橋。隨著研究的不斷深入和工程技術的持續(xù)進步，懸索橋隧道錨技術已經適用于更多的地形和地質條件。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)圍巖地質條件要相對較好，如巖體的完整性好、節(jié)理較少。近幾年，隧道錨結構在裂隙發(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用。按照《工程巖體分級標準》（GB/T50218-2014）的劃分，角籠壩大橋隧道錨的圍巖屬于Ⅳ類巖體；鵝公巖長江大橋、南溪長江大橋、萬州長江二橋、駙馬長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)隧道錨結構金安金沙江大橋為華麗高速項目控制性工程，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°，隧道錨長約70m，雙索主纜力設計載荷為6.215×10工程所在地橋址區(qū)地層主要為二疊紀火山巖、火山碎屑巖與第四系地層。麗江側麗江側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)地勘結果，麗江側隧道錨淺部30m洞室為V級圍巖，位于強風化破碎帶；坡體內30～40m范圍內巖體較完整，是弱卸荷帶內的中風化玄武巖，為Ⅳ級圍巖，開挖后多呈碎石鑲嵌碎裂結構；40m以內的未卸荷帶巖體較完整，是處于未卸荷帶內的中風化玄武巖，為Ⅲ級圍巖。麗江側隧道錨結構主要分為錨塞體、散索鞍基礎、前錨室及后錨室等4個部分。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8.5m，錨塞體長度為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3m，見表1。對于麗江側隧道錨，其主要特點有：（1）隧道錨隧洞淺部30m洞室為V級圍巖，洞室開挖后自穩(wěn)能力差，成洞安全風險較大；（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，兩個洞室施工開挖的相互影響需要進行評估。2計算和分析條件2.1工程地質概化模型覆蓋層、玄武巖（強卸荷、弱卸荷、未卸荷）以及凝灰?guī)r夾層均包含在地質概化模型中，其中構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。對于裂隙弱化效應，一般在巖土工程計算中采用降低圍巖黏聚力等強度參數(shù)來進行概化。2.2計算范圍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算時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。計算采用理想的彈塑性模型，屈服準則采用巖土工程數(shù)值分析常用的MohrCoulomb準則，接觸面模擬選用FLAC3D中自帶的interface模型。圍巖錨桿支護采用軟件自帶的一維單元模擬，噴射混凝土及鋼拱架聯(lián)合支護采用殼單元模擬。2.4工程地質參數(shù)推薦取值確定為復核隧道錨的設計條件（主要是巖土設計參數(shù)）并論證隧道錨的安全度，在前期勘察及巖土試驗結果的基礎上，施工階段開展了《金安金沙江大橋隧道錨及圍巖穩(wěn)定》專題分析研究：在麗江側隧道錨隧洞內、試驗斜洞中和散索鞍支墩部位，開展有室內和現(xiàn)場混凝土/巖石接觸面直剪強度試驗、結構面原狀樣直剪強度試驗、現(xiàn)場巖體直剪強度試驗、載荷試驗、巖體變形試驗以及隧道錨現(xiàn)場縮尺模型試驗。通過模型試驗的反演，并根據(jù)室內試驗結果、現(xiàn)場試驗結果以及相關取值分析方法，結合具體的工程地質情況，提出麗江側隧道錨碇區(qū)巖土體力學參數(shù)推薦取值，見表2；采用的計算參數(shù)見表3。2.5隧道錨的右洞形成實際施工開挖方案是，將麗江側隧道錨左、右洞分成8段，如圖4所示，隧道錨的右洞超前左洞約10m先行開挖。表4列出了隧洞開挖施工過程概化：邊坡開挖是在第1步完成，隧道錨需分9步完成。2.6計算結果圖5和圖6給出了各典型剖面位置以及計算監(jiān)控點的位置示意圖。FLAC3D軟件中的應力約定為：拉為正，壓為負，應力單位為Pa。3通過開挖錨期節(jié)省成本的計算3.1圍巖應力分析洞臉邊坡開挖完成后，邊坡底面與坡面拐角處等出現(xiàn)應力集中，應力集中系數(shù)一般小于1.4。由于開挖卸荷，在坡面與邊坡底面相交部位等出現(xiàn)拉應力，最大拉應力0.06MPa，如圖7和圖8所示，滿足巖體抗拉要求。開挖過程中，隧道錨在隧洞洞底、邊墻與底板的拐角等處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，應力集中系數(shù)通常小于2.1。由于開挖卸荷，在隧洞出口以及底板等部位出現(xiàn)拉應力。隧洞開挖完成后，隧道錨洞周圍巖最大主應力為-4.93MPa，如圖9所示。3.2圍巖位移分布洞臉邊坡施工開挖后最大位移為21.673mm。邊坡開挖過程中，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；在臺階及坡面上，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。隧道錨隧洞開挖過程中，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??；側壁向內（臨空面）變形，側壁位移以橫橋方向（Y軸）的變形為主；各開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步開挖起，隧道錨接下來開挖各步的最大位移均位于此夾層位置。隧道錨隧洞開挖后的最大位移在凝灰?guī)r在頂拱出露處，下沉值為8.167mm，見表5。3.3道錨圍巖塑性區(qū)分析洞臉邊坡施工開挖后，由于模型邊界效應，在地表產生了少量塑性區(qū)，如圖10所示。隧道錨隧洞開挖后，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，隧洞開挖成洞安全性好。4錨點內纜力加載對圍巖變形為模擬橋梁正常運行荷載作用下以及超載條件下隧道錨圍巖、錨塞體各部位的應力、變形響應，按最不利荷載組合設計主纜拉力（單根拉力T=3.1075×10從圖12和圖13中可以看出：按設計主纜力（P）加載，各剖面監(jiān)控點位移變化很?。?倍以下設計主纜力加載條件下，圍巖增量變形的變化相對平緩，圍巖變形量與加載基本成線性正相關關系；圍巖變形速率未出現(xiàn)陡增變化。因此，從圍巖變形速率來看，在6倍設計主纜力內加載時，隧道錨是安全的。各開挖步的塑性區(qū)體積量與加載倍數(shù)的關系如圖14所示。圖14中可以看出：按設計主纜力（P）加載，隧洞圍巖各剖面塑性區(qū)分布較?。?倍以下設計主纜力加載條件下，圍巖塑性區(qū)體積的變化與加載倍數(shù)基本線性正相關，隧洞圍巖塑性區(qū)體積量未見陡增變化，且塑性區(qū)的分布范圍相對較小。從塑性區(qū)體積變化速率來看，可以認為在6倍內設計主纜力以內加載時，隧道錨是安全的。5主要纜抗彎性能根據(jù)《公路懸索橋設計規(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）進行初步估算：式中：P為主纜拉力設計值（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，計算取值見表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計文件要求，先對隧道錨左下方的公路隧道進行施工，待開挖至隧道錨后20m，方才進行隧道錨施工。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，隧道錨洞開挖過程中可能會對公路隧道產生一定影響。計算分析結果表明：隨著隧道錨的開挖完成，公路隧道圍巖整體隨之向上變形，最大變形量超過2mm，如圖15所示；塑性區(qū)分布范圍無明顯變化，如圖16所示。由此可見，隧道錨開挖對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)定性分析本文對金安金沙江大橋麗江側隧道錨系統(tǒng)開展了計算分析，通過隧道錨系統(tǒng)的開挖支護施工過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，獲得如下結論與建議。(1）隧道錨隧洞開挖過程中，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)未見貫通，可見隧洞開挖成洞安全性好。(3）通過錨塞體加載計算及結構安全度的驗算，以荷載與位移關系曲線、塑性區(qū)貫通為判據(jù)，認為麗江側隧道錨系統(tǒng)承載穩(wěn)定系數(shù)及抗拔穩(wěn)定系數(shù)滿