懸索橋隧道錨碇與臨近構(gòu)筑物相互影響分析

夏國(guó)邦，喻正富

(云南普宣高速公路建設(shè)指揮部， 云南 宣威　655400)

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懸索橋隧道錨碇與臨近構(gòu)筑物相互影響分析

夏國(guó)邦，喻正富

(云南普宣高速公路建設(shè)指揮部， 云南 宣威655400)

摘要：在綜合分析運(yùn)用工程地質(zhì)勘察資料的基礎(chǔ)上，建立普立特大橋隧道錨碇主塔系統(tǒng)及山體穩(wěn)定分析的工程地質(zhì)概化模型。采用三維有限差分法模擬隧道錨碇、索塔基礎(chǔ)、上方公路隧道及周?chē)襟w，對(duì)天然巖體、巖體開(kāi)挖及施加設(shè)計(jì)荷載后等各階段巖體的變形、應(yīng)力釋放及應(yīng)力重分布、卸荷松弛區(qū)的范圍、塑性區(qū)分布特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，并評(píng)價(jià)各構(gòu)筑物圍巖各階段的變形穩(wěn)定特征、相互影響情況及可能出現(xiàn)的變形破壞模式。

關(guān)鍵詞：隧道錨碇；圍巖變形；圍巖穩(wěn)定性；地質(zhì)概化模型；巖體力學(xué)參數(shù)

1工程概況

云南省普立特大橋位于宣威市普立鄉(xiāng)松山村、普立村，距宣威市區(qū)約65 km。橋軸線與普立大溝近于正交，設(shè)計(jì)為整體式橋梁，橋面凈寬23.5 m。主橋?yàn)閱慰鐟宜鳂?，橋長(zhǎng)964 m。普立岸主墩塔高154.3 m，宣威岸主塔高162.2 m。綜合考慮地形、地質(zhì)、施工、工期、造價(jià)等方面的因素，普立岸的錨碇采用隧道錨，錨塞體長(zhǎng)35 m，傾角42°，橋型布置見(jiàn)圖1。散索鞍沿錨洞軸線至隧道錨前錨面的距離為30 m。散索鞍基礎(chǔ)至索塔基礎(chǔ)最近水平距離為147.2 m，豎直距離56.7 m。松山公路隧道位于普立岸隧道錨上方，其底板與錨洞開(kāi)挖頂板相距22.5～43.8 m。為了減小隧道錨與公路隧道在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍巖的相互擾動(dòng)影響，要求隧道錨洞先于公路隧道開(kāi)挖。

由于巖體開(kāi)挖、各構(gòu)筑物施工及施加設(shè)計(jì)荷載時(shí)其是否穩(wěn)定直接影響橋梁的穩(wěn)定和工程安全，因此錨碇圍巖能否提供足夠的抗拉拔力，是整個(gè)橋梁系統(tǒng)的穩(wěn)定基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)所關(guān)心的問(wèn)題[1-6]。本文通過(guò)建立綜合考慮隧道錨碇、索塔基礎(chǔ)、公路隧道及山體的大型三維數(shù)值分析模型，對(duì)各種工況下構(gòu)筑物圍巖及山體的穩(wěn)定性與變形特征、各構(gòu)筑物相互影響問(wèn)題進(jìn)行分析和研究，以論證設(shè)計(jì)施工方案的合理性，提出合理的加固處理措施。

圖1　普立特大橋橋型布置

2地質(zhì)概化與數(shù)值分析模型

根據(jù)地質(zhì)資料，對(duì)工程地質(zhì)條件進(jìn)行概化，數(shù)值計(jì)算模型計(jì)算域內(nèi)模擬了山體石炭系上統(tǒng)馬平群灰?guī)r巖層；在巖體中劃分了卸荷帶與微新巖體，卸荷帶厚度根據(jù)地勘資料和有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比得到，平均厚度約10～15 m。普立岸巖體中廣泛存在4組構(gòu)造裂隙，因目前數(shù)值計(jì)算發(fā)展水平限制，還難以對(duì)每條節(jié)理裂隙進(jìn)行模擬[7-8]，只能在參考試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，參照GB 50218—94《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[9]，確定巖體宏觀力學(xué)參數(shù)的取值范圍，從總體上對(duì)巖體穩(wěn)定性進(jìn)行管控。表1和表2為數(shù)值仿真時(shí)采用的2種參數(shù)，其建議參數(shù)為依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)提出的參數(shù)建議值，其基本參數(shù)為甲方提供的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1　計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)(建議參數(shù))

表2　計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)(基本參數(shù))

依據(jù)設(shè)計(jì)資料，采用FLAC 3D有限差分程序進(jìn)行數(shù)值分析，模型模擬了2個(gè)錨碇(包括散索鞍)、主塔樁基及公路隧道?；炷僚c圍巖接觸面用薄層單元模擬，厚度為0.2 m；錨碇及樁基混凝土材料采用彈性介質(zhì)；建立了厚2 m的隧道錨洞開(kāi)挖松動(dòng)圈，其力學(xué)強(qiáng)度有所降低。普立岸三維數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖2、圖3。巖體本構(gòu)模型采用彈塑性層狀單元模型，以模擬巖層在不同方向上力學(xué)性能的差異性(正交各向異性)。

數(shù)值分析模型進(jìn)行了如下模擬：1) 模擬原始邊坡及山體在天然情況下的穩(wěn)定性；2) 模擬錨碇基礎(chǔ)、公路隧道和主塔基礎(chǔ)的施工開(kāi)挖；3) 模擬錨碇混凝土及塔基的建造；4) 錨碇施加主纜設(shè)計(jì)荷載，同時(shí)在塔基部位施加設(shè)計(jì)荷載；5) 計(jì)算分析各個(gè)施工階段條件下巖體的變形及穩(wěn)定性；6) 進(jìn)行錨碇超載模擬試驗(yàn)，按3P、5P(P為錨碇設(shè)計(jì)荷載)逐步施加超載。

圖2　普立岸三維計(jì)算模型

圖3　普立岸計(jì)算模型(右錨碇剖面)

3巖體變形規(guī)律

3.1巖體開(kāi)挖后

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，錨洞、塔基和公路隧道施工開(kāi)挖后，公路隧道、錨洞圍巖會(huì)朝洞內(nèi)變形，頂拱下沉，底板回彈上抬。隧道錨碇最大變形分別為1.0 mm(建議參數(shù))和1.06 mm(基本參數(shù))，發(fā)生在錨碇后端底板部位，見(jiàn)圖4。公路隧道的最大變形分別為1.03 mm(建議參數(shù))和1.06 mm(基本參數(shù))，發(fā)生在遠(yuǎn)離錨碇靠近山里的底板處。錨洞、塔基和公路隧道開(kāi)挖引起的變形之間的聯(lián)系不太明顯。

3.2結(jié)構(gòu)物建造后

混凝土錨碇施工后，受錨碇混凝土重力作用，錨洞圍巖出現(xiàn)下沉變形，最大下沉量約為0.14 mm，出現(xiàn)在錨體后部。錨碇建造對(duì)周邊巖體的變形影響較小，引起公路隧道的最大變形為0.1 mm。錨錠與樁基建造后位移見(jiàn)圖5。

圖4　公路隧道、錨碇與塔基巖體開(kāi)挖后的位移

圖5　錨碇與樁基建造后位移

3.3施加工程設(shè)計(jì)荷載后

同時(shí)施加主纜設(shè)計(jì)荷載1P、索鞍處荷載及塔基荷載后，錨碇與山體圍巖發(fā)生擴(kuò)張變形，最大增量變形出現(xiàn)在錨碇后部，變形大小分別為0.30 mm(建議參數(shù))和0.35mm(基本參數(shù))，左右錨變形相近。索鞍處的最大變形為0.42 mm(建議參數(shù))和0.43 mm(基本參數(shù))，位移分布見(jiàn)圖6。塔基承臺(tái)、樁基和樁基底部巖體主要發(fā)生鉛直向下的變形，塔基承臺(tái)最大變形量約為0.65 mm(建議參數(shù))和0.66 mm(基本參數(shù))，樁身最大變形量約為0.15 mm(建議參數(shù))和0.16 mm(基本參數(shù))。錨碇施加荷載引起公路隧道的最大變形約為0.14 mm(建議參數(shù))和 0.18 mm(基本參數(shù))。

3.4施加超載

錨碇施加超載(散索鞍壓力和塔基荷載均為設(shè)計(jì)荷載)后，錨碇圍巖變形形態(tài)與施加設(shè)計(jì)荷載相似，最大增量位移出現(xiàn)在錨碇后部。超載至3P的最大變形分別為1.02 mm(建議參數(shù))和1.08 mm(基本參數(shù))；超載至5P的最大變形分別為2.1 mm(建議參數(shù))和2.3 mm(基本參數(shù))，見(jiàn)圖7。由超載后錨碇圍巖的變形分析可知，錨碇圍巖作為整體性受力體，能夠提供強(qiáng)大的抗拉拔能力；若由于地質(zhì)缺陷沒(méi)有連接成完整的破壞面，錨碇圍巖仍將通過(guò)“整體效應(yīng)”而聯(lián)合受力，使得較大范圍巖體均能夠提供“抗力”。

4應(yīng)力與塑性區(qū)分布

4.1巖體開(kāi)挖后

原始山體塑性區(qū)分布范圍較廣，但主要出現(xiàn)在巖體的卸荷帶淺表，見(jiàn)圖8。施工開(kāi)挖后，公路隧道及錨洞周邊圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了較明顯的改變，洞周?chē)鷰r徑向應(yīng)力釋放，切向應(yīng)力增加且處于受壓狀態(tài)，左、右錨碇圍巖的壓應(yīng)力集中約3.31 MPa(建議參數(shù))和2.80 MPa(基本參數(shù))，應(yīng)力分布見(jiàn)圖9。由于塔基位于地表附近，故開(kāi)挖后塔基巖體的應(yīng)力狀態(tài)改變不明顯。巖體開(kāi)挖后，取建議參數(shù)時(shí)，塑性區(qū)出現(xiàn)在底板和頂拱部位；取基本參數(shù)時(shí)，塑性區(qū)出現(xiàn)在洞周范圍，需進(jìn)行支護(hù)。公路隧道圍巖的塑性區(qū)也主要集中在底板、頂拱及隧道之間的隔墻，延伸深度一般為4～5 m，故需適當(dāng)支護(hù)。巖體開(kāi)挖后塑性區(qū)見(jiàn)圖10。

4.2結(jié)構(gòu)物建造后

錨碇建造引起錨洞圍巖應(yīng)力狀態(tài)有一定的改變，但應(yīng)力改變值不大。錨碇建造基本未引起圍巖塑性區(qū)發(fā)生變化。

4.3施加工程設(shè)計(jì)荷載后

施加錨碇設(shè)計(jì)荷載、散索鞍壓力及塔基設(shè)計(jì)荷載后，錨碇在纜索拉拔力作用下擠壓洞周?chē)鷰r，引起錨碇后端面外側(cè)圍巖壓應(yīng)力有所增大，錨碇底部出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力約為0.14 MPa(建議參數(shù))和0.16 MPa(基本參數(shù))；錨碇施加荷載對(duì)公路隧道底板圍巖的最大壓應(yīng)力為1.0 MPa(建議參數(shù))和1.5MPa(基本參數(shù))。同時(shí)施加錨碇設(shè)計(jì)荷總的說(shuō)來(lái)，錨碇圍巖在施加設(shè)計(jì)荷載后新增塑性區(qū)不太明顯，塔基荷載對(duì)巖體穩(wěn)定性影響也不太明顯，同時(shí)施加錨碇設(shè)計(jì)荷載P、散索鞍壓力和塔基荷載時(shí)塑性區(qū)分布見(jiàn)圖12。

圖6　施加錨碇設(shè)計(jì)荷載、散索鞍壓力和塔基荷載的位移

圖7　錨碇超載為5P時(shí)位移

圖8　自然山體的塑性區(qū)分布(建議參數(shù))

圖9　公路隧道、錨碇與塔基巖體開(kāi)挖后(建議參數(shù)) 載P、散索鞍壓力和塔基荷載時(shí)主應(yīng)力分布見(jiàn)圖11。塔基施加設(shè)計(jì)荷載后，塔基承臺(tái)、樁基及樁周和樁底部巖體主要受壓，樁與巖體的接觸帶及樁底巖體出現(xiàn)少量塑性區(qū)。

4.4施加超載

施加錨碇超載后，錨碇后端面以外靠近洞壁的圍巖壓應(yīng)力增大約0.5 MPa，錨體內(nèi)出現(xiàn)較高壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力值約為5.6 MPa；錨體后部附近圍巖的最大主應(yīng)力由壓應(yīng)力狀態(tài)變化為拉應(yīng)力狀態(tài)，錨碇后端面最大拉應(yīng)力進(jìn)一步增大至0.54 MPa。這顯示圍巖作為整體性受力體，能夠提供較大的富余抗拉拔能力。錨碇超載5P時(shí)主應(yīng)力分布見(jiàn)圖13。

隨著超載力的增大，錨體與圍巖接觸帶以及附近圍巖的塑性區(qū)范圍也相應(yīng)增加。取基本參數(shù)時(shí)，超載至5P時(shí)，接觸帶及松動(dòng)圈塑性區(qū)接近貫通(取建議參數(shù)時(shí)松動(dòng)圈塑性區(qū)尚未貫通)，由此可認(rèn)為隧道錨碇能夠承受5P的超載。錨碇超載5P時(shí)巖體塑性區(qū)分布見(jiàn)圖14。

圖10　公路隧道、錨碇與塔基巖體開(kāi)挖后塑性區(qū)分布結(jié)構(gòu)物建造后

圖11　同時(shí)施加錨碇設(shè)計(jì)荷載P、散索鞍壓力和塔基荷載時(shí)主應(yīng)力分布(基本參數(shù))

圖12　同時(shí)施加錨碇設(shè)計(jì)荷載P、散索鞍壓力和塔基荷載時(shí)塑性區(qū)分布

圖13　錨碇超載5P時(shí)主應(yīng)力分布(建議參數(shù))

圖14　錨碇超載5P時(shí)塑性區(qū)分布

5結(jié)論

本文基于精細(xì)化有限元模型，對(duì)普立特大橋普立岸巖體穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，分析結(jié)果表明：普立特大橋原始山體穩(wěn)定性較好，塑性區(qū)僅分布在巖體卸荷帶的淺表；普立特大橋隧道錨錨洞、橋塔塔基和公路隧道巖體開(kāi)挖后，需對(duì)公路隧道和隧道錨錨洞的圍巖進(jìn)行適當(dāng)支護(hù)；在普立岸建造隧道錨是適宜的，按照目前的設(shè)計(jì)施工方案隧道錨能夠承受5P的超載。

根據(jù)隧道錨碇與臨近構(gòu)筑物數(shù)值仿真分析得到的主要數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論。

1) 開(kāi)挖前，有必要對(duì)山體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以了解原始山體的塑性區(qū)分布。

2) 懸索橋建造過(guò)程中，通常是巖體開(kāi)挖階段的新增塑性區(qū)最為明顯，此施工階段應(yīng)注意按照數(shù)值分析結(jié)果對(duì)隧道錨錨洞和公路隧道的圍巖進(jìn)行適當(dāng)支護(hù)，而塔基開(kāi)挖對(duì)山體穩(wěn)定性影響通常不大。

3) 混凝土錨碇施工后，重力作用會(huì)使錨洞圍巖出現(xiàn)下沉變形，但影響很小。

4) 對(duì)隧道錨碇施加設(shè)計(jì)荷載后，錨碇與山體圍巖發(fā)生壓縮變形，最大增量變形出現(xiàn)在錨碇后部；錨碇底部出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，錨碇后端面外側(cè)圍巖壓應(yīng)力有所增大，且通常會(huì)引起相鄰公路隧道圍巖中產(chǎn)生壓應(yīng)力。

5) 對(duì)塔基施加設(shè)計(jì)荷載后，塔基承臺(tái)、樁基及樁周和樁底部巖體主要受壓，樁與巖體的接觸帶及樁底巖體出現(xiàn)少量塑性區(qū)，但不太明顯。

6) 若錨碇錨洞、塔基和公路隧道相互間能夠保證足夠的距離，則在施工和使用階段，公路隧道和隧道錨圍巖的應(yīng)力與變形相互干擾較小。

7) 巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)數(shù)值分析結(jié)果有一定影響，為了進(jìn)行更準(zhǔn)確的計(jì)算評(píng)價(jià)，有必要增加一些現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)試驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]朱玉，衛(wèi)軍，李昊，等．懸索橋隧道錨與下方公路隧道相互作用分析[J]．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，2(1)：57-61.

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[3]張奇華，丁秀麗，董志宏，等.長(zhǎng)沙至重慶國(guó)道主干線矮寨懸索橋初設(shè)階段隧道錨碇與塔基巖體穩(wěn)定性研究[R].武漢：長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，2005.

[4]張奇華，董志宏.長(zhǎng)沙至重慶公路通道矮寨懸索橋初設(shè)階段Q線方案錨碇與塔基等系統(tǒng)穩(wěn)定性研究[R].武漢：長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，2006.

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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

文章編號(hào)：1009-6477(2016)01-0061-06

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：夏國(guó)邦(1976-)，男，云南省宣威市人，本科，高工。

收稿日期：2015-07-13

基金項(xiàng)目：云南省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(云交科2011(LH)12-a號(hào))

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.014