某懸索橋隧道錨巖體與結(jié)構(gòu)安全評估

李賢達

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 概述

隧道錨是利用圍巖與錨碇體之間的摩擦力與拉拔力，通過預(yù)先開挖隧道澆筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)錨碇體，將錨碇體置于圍巖狀況較好的巖體中，進而承受橋梁主體所產(chǎn)生的水平拉力的一種錨碇結(jié)構(gòu)形式[1]。而為了提高混凝土抗拉性能通常將錨碇體設(shè)計為椎體結(jié)構(gòu)，并通過張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋以產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力[2]。某懸索橋錨碇區(qū)據(jù)地表調(diào)查統(tǒng)計：錨碇區(qū)內(nèi)地表以第四系土層為主，錨碇體周圍主要為長石英砂巖，巖體內(nèi)構(gòu)造裂隙不發(fā)育，構(gòu)造裂隙較少，裂隙內(nèi)有砂、泥質(zhì)重填。錨碇區(qū)內(nèi)卸荷裂隙比較發(fā)育。橋位區(qū)位于亞熱帶，氣候溫暖潮濕，雨量充沛，降雨量集中在5-9月，多年平均降雨量為1 091.3 mm。橋位區(qū)屬河谷侵蝕地貌，兩岸谷坡發(fā)育，由于長江的切割，地形上有利于地表地下水排泄。經(jīng)鉆孔提筒簡易抽水試驗表明：北岸地下水位埋藏較深，南岸地下水位埋藏較淺，僅索塔位有地下水。經(jīng)取樣分析：僅南岸地下水對混凝土具弱的分解性侵蝕。

2 隧道錨結(jié)構(gòu)形式及尺寸

隧道襯砌采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，厚度22.4 cm，隧道底面與水平面交角為34.6。錨碇體采用C25混凝土整體式澆筑，配合鋼筋、型鋼，形成整體承力構(gòu)件。斷面隨深度增加，面積逐步增大，以起到錨固作用[3]。錨碇尺寸如圖1所示。

3 隧道錨有限元數(shù)值模型

圖1 錨碇尺寸簡圖（單位：m）

為了研究該懸索橋隧道錨碇及圍巖體在張拉荷載下的變形狀態(tài)及時效特性，采用二維有限差分軟件ANSYS對該大橋隧道錨碇系統(tǒng)進行二維彈塑性數(shù)值模擬。根據(jù)地質(zhì)資料以及混凝土錨碇結(jié)構(gòu)尺寸,建立隧道錨碇的二維計算模型,對巖體與錨碇之間的相互作用以及錨碇結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下的破壞模式進行研究。

3.1 模型構(gòu)建

根據(jù)工程地質(zhì)初勘資料，考慮實際地形、地貌、工程巖體特性和錨碇實際結(jié)構(gòu)尺寸，錨碇混凝土施工建造采用PLANE42平面單元模擬；隧洞頂部和底部采用beam3梁單元模擬；鋼筋采用link1桿單元進行模擬。主纜荷載按荷載作用方式通過施加多個集中力施加在混凝土錨碇前端面上。邊界條件采用底面和側(cè)面法向約束，地表自由。網(wǎng)格剖分規(guī)模為1 584個單元，節(jié)點總數(shù)為1 495個。其網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算網(wǎng)格圖

3.2 計算參數(shù)

計算域內(nèi)共采用3種材料，錨碇混凝土采用C25混凝土，彈性模量取29.5 GPa，泊松比為0.2，容重為25 kN/m3；鋼筋采用Ⅱ級鋼筋，彈性模量取200 GPa，泊松比為 0.3，容重為 88.8 kN/m3；周圍土體均為長石英砂巖，彈性模量取32 GPa，泊松比為0.2，容重為26.1 kN/m3，由于考慮巖體彈塑性特性，通過勘察資料定義長石英砂巖的黏聚力c為4.28 MPa，內(nèi)摩擦角φ為39°53′。

3.3 荷載確定

本次計算采用二維平面單元模擬，因此對荷載進行了從三維到二維的轉(zhuǎn)換。主索施加拉力簡化為由中性軸9對預(yù)埋拉桿提供，由于散索鞍的作用，使主索拉力均勻分布到9對預(yù)埋拉桿上，主索拉力約為60 MN。靜力計算，只對模型施加重力場，邊界條件采用底面和側(cè)面法向約束，地表自由。

4 結(jié)果分析

圖3 整體y方向位移云圖

圖4 整體von mises等效應(yīng)力云圖

分析整體y方向位移可見，地層最大沉降產(chǎn)生于隧洞入口處拱頂。由該圖可以明顯看出沿Z向，從地表到地基沉降值逐漸降低，符合沉降規(guī)律。分析整體von mises等效應(yīng)力可見，錨碇承力時對周圍土體的影響范圍，影響最大的地方分別為錨碇與土體接觸區(qū)域的右上和右下2個角點。最大等效應(yīng)力約為5.7 MPa，低于混凝土與圍巖的極限承載力。

圖5 錨碇x方向位移云圖

圖6 錨碇y方向位移云圖

分析錨碇x方向位移可見，錨碇x方向位移沿錨碇深度逐漸變小，反映出散索對錨碇的影響隨深度減小，應(yīng)力隨深度的增加不斷擴散。分析錨碇y方向可見，錨碇y方向影響趨勢和x方向類似，由于重力的作用，使云圖變化方向稍有差異。

圖7 錨碇體矢量合成位移云圖

圖8 錨碇von mises等效應(yīng)力云圖

分析錨碇體矢量合成位移云圖，可見錨碇體與周圍圍巖的最大變形值較小，變形值約為1 mm。分析錨碇von mises等效應(yīng)力可見，錨碇應(yīng)力集中部位在錨碇的右上和右下2個角點，應(yīng)力水平沿錨碇埋深方向逐漸降低。最大應(yīng)力水平約在5.7 MPa，小于圍巖的極限承載力6.49 MPa。

圖9 預(yù)埋拉桿軸力圖

分析預(yù)埋拉桿軸力可見，錨碇縱向鋼筋均為受拉鋼筋，沿錨碇埋深方向軸力逐漸減小，最大軸力在錨碇角點處。橫向角鋼，有部分為承受壓力，支撐錨碇自身強度。拉桿最大軸力約為16 kN。

5 結(jié)論

a）采用ANSYS軟件提供的彈塑性模型對該懸索橋隧道錨碇及其圍巖進行二維彈塑性數(shù)值模擬分析。計算結(jié)果表明，該模型能較好地反映山體圍巖在施加主纜荷載后的受力特性。

b）隧道錨碇體周巖體的變形量值較小。數(shù)值模型在給定邊界條件下，當考慮巖體的彈塑性變形后，施加荷載所引起的圍巖最大變形量很小。錨碇體與圍巖最大應(yīng)力低于各自極限承載能力，因而結(jié)構(gòu)具有一定的安全度。

c）數(shù)值計算結(jié)果以圍巖地質(zhì)較差的南岸為例進行說明，對北岸進行數(shù)值分析可以得到類似的結(jié)論，錨碇體具有一定的安全度。

d）本報告結(jié)論是在數(shù)值分析模型的基礎(chǔ)上得出的,由于巖體原裂隙張開或新的裂隙產(chǎn)生以及地下水的作用等原因，為了確保安全，在運營過程中進行錨碇體及周圍巖體變形監(jiān)測是很重要的。