拱橋施工中隧道錨的受力狀態(tài)分析及監(jiān)測*

林新元，董向前，姚晨，張峰

（1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100123；2.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西西安 710054；3.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南 250061）

拱橋施工中隧道錨的受力狀態(tài)分析及監(jiān)測*

林新元1，董向前2，姚晨3，張峰3

（1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100123；2.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西西安 710054；3.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南 250061）

隧道錨作為拱橋施工中的臨時(shí)構(gòu)造，其受力影響整橋的施工安全。文中結(jié)合某在建鋼管砼拱橋，建立考慮圍巖和隧道錨相互作用的數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果顯示隧道錨砼的局部應(yīng)力過大，提出根據(jù)計(jì)算結(jié)果聯(lián)合現(xiàn)場情況，在關(guān)鍵位置布置應(yīng)力傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)測隧道錨的施工情況并及時(shí)反饋給施工單位，以避免安全事故，保證施工安全。

橋梁；拱橋；隧道錨；受力；數(shù)值模擬

錨碇作為主要承力結(jié)構(gòu)物，纜上巨大的水平拉力通過索股與錨碇架分散傳到錨塊上，再由錨塊、基礎(chǔ)通過摩阻力傳遞到地基。錨碇有重力錨、隧道錨和土錨等構(gòu)造形式，其中隧道錨將圍巖與錨碇組成整體共同受力，在結(jié)構(gòu)受力上更為合理，一般在節(jié)理較少、巖體力學(xué)性能較好的地方使用。

隧道錨的研究方法分為模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究內(nèi)容主要包括隧道錨的極限承載力、穩(wěn)定性、圍巖與隧道錨的相互作用及隧道錨的安全控制標(biāo)準(zhǔn)等。受環(huán)境和成本限制，室內(nèi)模型試驗(yàn)通常無法獲得滿意的結(jié)果。而數(shù)值模擬可考慮多種工況、材料非線性和幾何非線性等情況，其計(jì)算成果更能指導(dǎo)工程實(shí)際，是一種較理想的研究方法。該文對某在建鋼管砼拱橋施工中隧道錨的受力狀態(tài)進(jìn)行分析。

1 工程概況

該橋位于陜西省漢中市，橋跨布置為2×13 m預(yù)制空心板+跨徑262 m鋼管砼拱+2×13 m預(yù)制空心板，長314.8 m。所在地區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造及水流切割的影響地形較破碎，地面侵蝕剝蝕強(qiáng)烈，寶雞岸纜索錨碇及基礎(chǔ)為土質(zhì)地質(zhì)，漢中岸錨碇區(qū)表面覆蓋2 m強(qiáng)風(fēng)化碎石及土層，下面為中風(fēng)化大理石地質(zhì)。

根據(jù)該橋所處地形特點(diǎn)，從成本、工期及安全風(fēng)險(xiǎn)等方面考慮，采用纜索吊進(jìn)行安裝施工。鋼管拱肋采用工廠加工預(yù)制段，現(xiàn)場組拼成標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，再采用纜索吊運(yùn)送。單肋縱向分為12個(gè)節(jié)段，最大重量57 t。

隧道錨總體為楔形錨梁，局部埋設(shè)鋼板并連接滑輪用于錨固主索（見圖1）。在隧道內(nèi)的空間預(yù)留孔道用于扣索錨固（見圖2、圖3）。在錨梁的尾部設(shè)置鋼梁用于固定鋼板，保證主索索力傳遞到錨碇上（見圖4）。為了保證鋼板與隧道錨的受力安全，在鋼板的縱向預(yù)留一定長度無粘結(jié)區(qū)段（見圖5）。

2 數(shù)值分析

采用有限元軟件ABAQUS對漢中岸主洞室錨碇進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑牟牧霞敖Y(jié)構(gòu)參數(shù)建立計(jì)算模型，考慮到結(jié)構(gòu)體和受力的對稱性，模型取錨碇半結(jié)構(gòu)體。充分考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率的需要，在不影響結(jié)果的前提下，計(jì)算范圍設(shè)為33 m×22.5 m×43.9 m（半長×寬×高，取至地表）。采用ABAQUS中的嵌入功能精確模擬內(nèi)錨鋼板嵌入砼錨碇的情況，并在內(nèi)錨鋼板周圍創(chuàng)建6個(gè)孔洞模擬扣索。邊界條件上，軸平面設(shè)置為對稱約束，其他設(shè)置為3個(gè)方向約束。根據(jù)施工方案，在5個(gè)內(nèi)錨鋼板處建立耦合參考點(diǎn)，將滑輪的等效荷載施加在參考點(diǎn)上，以避免應(yīng)力集中，更真實(shí)地反映實(shí)際受力情況。在扣索處同樣建立與扣索邊耦合的參考點(diǎn)來施加拉力，模擬扣索受力情況。結(jié)構(gòu)共劃分為約139 622個(gè)單元。錨碇應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖1 隧道錨立面圖（單位：mm）

圖2 隧道錨預(yù)埋件及預(yù)埋孔布置（單位：mm）

圖3 隧道錨扣索錨固立面圖（單位：mm）

圖4 隧道錨俯視圖（單位：mm）

圖5 鋼板與砼的無粘結(jié)區(qū)域

由圖6可知：錨碇砼最大主拉應(yīng)力位置為扣索后錨點(diǎn)及錨碇與圍巖的交界面。實(shí)際施工中在這些位置布置大量構(gòu)造鋼筋（見圖7）提高抗拉強(qiáng)度。

圖6 隧道錨應(yīng)力分析結(jié)果（單位：Pa）

圖7 隧道錨的鋼筋構(gòu)造（單位：mm）

3 現(xiàn)場檢測

在隧道錨計(jì)算應(yīng)力過大的關(guān)鍵位置布置應(yīng)力傳感器，對吊裝施工開展監(jiān)測，保證隧道錨的受力安全。隧道錨的整體布置見圖8，Ⅰ-Ⅰ截面?zhèn)鞲衅餮貦M向布置2排共計(jì)16個(gè)（見圖9），Ⅱ-Ⅱ截面?zhèn)鞲衅餮乜v向、豎向布置2排共計(jì)16個(gè)（見圖10）。

圖8 主索錨固立面圖

圖9 隧道錨Ⅰ-Ⅰ截面?zhèn)鞲衅鞑贾茫▎挝唬簃m）

圖10 隧道錨Ⅱ-Ⅱ截面?zhèn)鞲衅鞑贾茫▎挝唬簃m）

在隧道錨砼澆筑完成后，對32個(gè)傳感器進(jìn)行測試，保證所有傳感器均能正常使用。在試吊開始前的施工期內(nèi)13號(hào)、16號(hào)傳感器受到損壞無法使用，32號(hào)傳感器在后續(xù)階段因施工原因遭到破壞無法使用。各傳感器現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)見圖11～14。

圖11 鋼管拱Ⅰ-Ⅰ截面上排應(yīng)力變化情況

圖12 鋼管拱Ⅰ-Ⅰ截面下排應(yīng)力變化情況

圖13 鋼管拱Ⅱ-Ⅱ截面豎向應(yīng)力變化情況

圖14 鋼管拱Ⅱ-Ⅱ截面縱向應(yīng)力變化情況

應(yīng)力傳感器采集的數(shù)據(jù)是主索開始承載、隧道錨開始參與工作時(shí)該位置的應(yīng)力，從中可看出隧道錨參與工作時(shí)各位置的應(yīng)力變化規(guī)律，從而對整個(gè)隧道錨的安全作出評(píng)估。由圖11～14來看，在吊裝第7、第8節(jié)段時(shí)應(yīng)力劇增，現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)裂縫，與施工單位溝通后，得出應(yīng)力增大原因?yàn)榈跛魍瑫r(shí)起吊這兩個(gè)節(jié)段的鋼管拱，導(dǎo)致隧道錨應(yīng)力過大。后續(xù)節(jié)段調(diào)整施工方案，應(yīng)力逐漸減小。

4 結(jié)論

（1）通過前期有限元模擬，得到隧道錨應(yīng)力過大區(qū)域，可在這些區(qū)域布置鋼筋網(wǎng)提高抗拉強(qiáng)度。

（2）在計(jì)算應(yīng)力過大區(qū)域布置傳感器對施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可有效保障施工安全。

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