清江某特大橋隧道錨承載特性數(shù)值模擬研究

尹紅梅，石謙，張宜虎

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430074；2 長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010）

0 引言

懸索橋是跨越能力最強的橋梁類型，在世界范圍內(nèi)被廣泛采用。懸索橋有4 大組成部分：加勁梁、塔架、主纜和錨碇。錨碇是懸索橋的主要承載部件。懸索橋的錨碇有自錨和地錨兩類，其中地錨一般又分重力錨和隧道錨。自1931 年建成的美國喬治·華盛頓大橋采用隧道錨以來［1］，隧道錨越來越多地在后續(xù)懸索橋設(shè)計和建設(shè)中被采用［2］。隧道錨具有占地面積少、節(jié)省混凝土用量等顯著優(yōu)勢，但是隧道錨的承載機制遠比重力錨復(fù)雜。隧道錨承載時，主纜將荷載傳遞給錨塞體，錨塞體又將荷載傳遞給周邊圍巖。隧道錨主要依靠錨塞體周邊圍巖的嵌固和夾持作用提供承載力［3］。所以隧道錨的變形破壞特征和周邊圍巖結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)特性直接相關(guān)［4］。

對隧道錨承載性能的研究目前多采用數(shù)值模擬方法或模型試驗方法［5-13］。其中，現(xiàn)場縮尺模型試驗結(jié)果能較客觀反映實體錨的受力變形特征，但現(xiàn)場縮尺模型試驗投入大、工期長、可重復(fù)性差，而且一旦相似性、代表性控制不好，試驗結(jié)果可能會對工程實踐產(chǎn)生誤導(dǎo)。相較來說，數(shù)值模擬方法在分析隧道錨承載機制方面要更為靈活。采用數(shù)值模擬方法開展隧道錨承載特征研究，其難點主要在于：如何在數(shù)值分析模型中既客觀反映錨碇體的結(jié)構(gòu)形態(tài)，又客觀反映周邊巖體的結(jié)構(gòu)特征，如何合理地確定錨碇體、巖體及各類結(jié)構(gòu)面和膠結(jié)面的物理力學(xué)參數(shù)。隧道錨與圍巖承載特性研究是橋梁建設(shè)在巖石力學(xué)方面提出的新課題［14］。

本文以清江某特大橋隧道錨為研究對象，在工程地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，建立了客觀的地質(zhì)概化模型，采用多種方法綜合研究并確定模型各部分物理力學(xué)參數(shù)，利用不同軟件實現(xiàn)對復(fù)雜巖體和隧道錨結(jié)構(gòu)的近似網(wǎng)格化離散劃分，使數(shù)值分析模型既能準(zhǔn)確反映隧道錨結(jié)構(gòu)形態(tài)，又能客觀反映實際地貌形態(tài)和圍巖結(jié)構(gòu)特征，然后采用FLAC3D軟件，開展設(shè)計工況和超載工況下隧道錨的受力變形特征模擬，在此基礎(chǔ)上研究隧道錨的承載性能和潛在破壞模式。研究成果不僅可為清江某特大橋隧道錨工程實踐提供技術(shù)支撐，還有助于建立系統(tǒng)的隧道錨數(shù)值模擬方法和分析理論。

1 隧道錨設(shè)計方案

清江某特大橋橫跨清江干流，橋軸線近南北向，采用懸索橋方案，沿橋軸線的剖面形態(tài)如圖1 所示。兩岸錨碇都采用隧道錨?，F(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明：左岸錨碇體所在部位巖體相對破碎，且有巖溶發(fā)育，建設(shè)條件要差于右岸。所以本次研究中，以左岸錨碇體為對象開展研究工作。

圖1 橋軸線剖面Figure 1 Bridge axis section

隧道錨結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖2 所示。單個錨碇體分前錨室、錨塞體和后錨室三部分。前錨室散鞍點至錨塞體前端面距離18 m，錨塞體長15 m，后錨室長2.2 m。錨塞體前端面、后端面都呈城門洞形，前端面寬7 m、高7.6 m，后端面寬8 m、高10.5 m。錨塞體中心線與水平面夾角40°，單錨設(shè)計拉力60 000 kN。散鞍點高程444.5 m，后端面中心點高程423.3 m，后端面底部高程418.5 m。兩隧道錨軸向呈平行布置，中心間距13.3 m，錨塞體前端面處邊-邊間距6.3 m，后端面處邊-邊間距5.3 m。

圖2 左岸隧道錨結(jié)構(gòu)形態(tài)（單位：cm）Figure 2 Structure of tunnel-type anchorage on left bank（unit:cm)

2 錨碇區(qū)地形地質(zhì)條件

橋位區(qū)地形主要表現(xiàn)為深切河谷，橋軸線剖面上清江河谷底部高程186 m，橋面高程450 m，岸坡高差約270 m，特別是300 m 高程以下，岸坡陡峭，局部近直立。清江河水位高程約380 m。隧道錨所在部位地形平緩，錨碇體垂直埋深較淺。

橋位區(qū)主要出露二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）和棲霞組（P1q）地層，巖層近水平，高程420 m 以上為茅口組（P1m）地層，420 m 以下為棲霞組（P1q）地層。茅口組（P1m）地層巖性堅硬，以巨厚層狀燧石灰?guī)r和微晶灰?guī)r為主。棲霞組（P1q）地層可細分為15 段，其中，頂部的P1q15以炭泥質(zhì)生物碎屑灰?guī)r為主，往下P1q14以生物碎屑灰?guī)r為主，P1q13又以炭泥質(zhì)生物碎屑灰?guī)r為主，P1q12較厚，巖性復(fù)雜，主要表現(xiàn)為生物碎屑灰?guī)r間夾炭泥質(zhì)生物碎屑灰?guī)r，再往下的P1q11直至P1q1，巖性也以灰?guī)r為主，但炭泥質(zhì)含量漸高。橋位區(qū)地層巖性總體表現(xiàn)為上硬下軟的組合特征。左岸錨碇體所在部位地層劃分如圖3 所示。

圖3 左岸錨碇體所在部位地層剖面圖Figure 3 Stratum profile of anchorage on left bank

受區(qū)域構(gòu)造作用影響，在棲霞組各段之間，發(fā)育不同軟化程度的層間錯動帶，其中，P1q15底部的C151#、P1q13底部的C131#，都是泥化較明顯的錯動帶。茅口組與棲霞組交界部位的Cm-q，由于巖性漸變，性狀也相對軟弱。這些軟弱巖帶的存在，對錨碇體的變形和穩(wěn)定將產(chǎn)生顯著影響。

錨碇區(qū)沒有大規(guī)模斷層發(fā)育，但是裂隙較普遍，除層理外，主要發(fā)育兩組陡傾角裂隙，一組走向近EW，另一組走向近SN。裂隙延伸長度一般為20 m左右，間距5～10 m。EW 向裂隙可能構(gòu)成隧道錨潛在破壞的后緣拉裂面，SN 向裂隙可能構(gòu)成隧道錨潛在破壞的側(cè)裂面。

橋位區(qū)還發(fā)育一定程度巖溶，尤其是茅口組（P1m）和棲霞組P1q14，巖溶較發(fā)育。鉆孔資料顯示：左岸錨碇體所在部位的個別鉆孔中，見有深度15 m 左右的空腔。但是物探和其他鉆孔并未揭示大規(guī)模溶洞，推測該空腔成因可能與順陡傾角裂隙發(fā)育的溶蝕風(fēng)化槽有關(guān)。

總體來說，清江某特大橋左岸錨碇體位于茅口組巨厚層狀灰?guī)r中，建設(shè)條件較好，但是存在以下潛在工程地質(zhì)問題：層間剪切帶問題、巖溶問題、陡傾角裂隙問題。其中，層間剪切帶問題的影響可能相對更為顯著。

3 概化分析模型及物理力學(xué)參數(shù)

以左岸隧道錨為例，建立的概化分析模型如圖4所示。模型中，按隧道錨的實際形態(tài)考慮了前錨室、錨碇體、后錨室；在錨碇體后緣考慮了一條EW 走向陡傾角裂隙（JEW），在錨碇體兩側(cè)各考慮了一條SN 走向陡傾角裂隙（JSN-1和JSN-2）；考慮了茅口組與棲霞組的地層分界面（Cm-q）、棲霞組第15 段底部的層間錯動帶（C151#）、棲霞組第13 段底部的層間錯動帶（C131#）；依據(jù)鉆孔揭露情況在東側(cè)錨碇體底部考慮了一個順EW 走向陡傾角裂隙發(fā)育的扁平溶洞。

針對現(xiàn)場安全生產(chǎn)的培訓(xùn)，可以每周由班組組織1次，其主要是結(jié)合危險源辨識以及安全評價的結(jié)果就生產(chǎn)作業(yè)中的實操過程展開培訓(xùn)。這一培訓(xùn)過程主要解決的是人的不安全因素方面的風(fēng)險，通過理論結(jié)合實際操作的方式，加強職工是生產(chǎn)作業(yè)水平，并采用現(xiàn)場抽考、考核的方式，促使各崗位員工能夠強化危險源識別與控制意識，在實際生產(chǎn)中做到有效把控，大大提升安全管理效果。

圖4 概化分析模型Figure 4 Generalized analysis model

莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）模型適用于模擬巖土材料的力學(xué)特性。后續(xù)數(shù)值模擬屈服準(zhǔn)則采用了莫爾-庫侖剪切屈服與拉裂破壞準(zhǔn)則相結(jié)合的復(fù)合準(zhǔn)則。具體見圖5 所示。

圖5 FLAC3D中的Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則Figure 5 Mohr-Coulomb yield criterion in FLAC3D

依據(jù)本工程室內(nèi)試驗資料，同時參照臨近工程現(xiàn)場試驗資料和以往工程經(jīng)驗，結(jié)合數(shù)值分析需要，綜合給出模型各部分的物理力學(xué)參數(shù)建議值，如表1所示。

4 數(shù)值分析方法與數(shù)值分析模型

采用FLAC3D軟件對隧道錨的受力變形特征和潛在破壞模式進行分析。

開展三維數(shù)值分析時，如何使建立的數(shù)值分析模型既考慮隧道錨等結(jié)構(gòu)物的形態(tài)，又能較客觀地反映巖性差異、巖體結(jié)構(gòu)特征，同時還能客觀地反映實際地貌形態(tài)、地下水位等信息，是三維數(shù)值建模的難點。數(shù)值分析網(wǎng)格劃分合適，數(shù)值分析結(jié)果將更為合理；反之，網(wǎng)格中如果存在過多畸形單元，將極大影響模擬結(jié)果精度，還會給分析人員造成誤導(dǎo)。

本工程中，由于存在多條不同方向裂隙和多條層間剪切帶，還有溶洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象，地表形態(tài)和錨碇體結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，為了使數(shù)值分析模型能綜合反映上述信息，采用如下的建模方式：首先在AutoCAD 中建立不考慮地表形態(tài)的規(guī)則模型，如圖6（a）所示；將模型導(dǎo)入Ansys，在Ansys 中通過拖拉形成多個規(guī)則體，然后依據(jù)裂隙和層間剪切帶的位置，對Ansys 中的體進行切割，形成裂隙和剪切帶，如圖6（b）所示。如此形成的體依然是規(guī)則的，在Ansys 中采用六面體單元對這些體進行網(wǎng)格剖分，并將剖分之后的單元導(dǎo)入FLAC3D，如圖6（c）所示。在FLAC3D中，通過Fish 語言對單元逐個判別，將那些形心位于地表面以上的單元設(shè)置為空單元，余留下來的模型就是既能反映隧道錨實際結(jié)構(gòu)，又能反映地貌形態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)特征，而且不存在畸形單元的數(shù)值分析模型，如圖6（d）所示。

建立的三維數(shù)值分析模型以隧道錨為中心，東西向?qū)?50 m，南北向長200 m，頂面以實際地表面為準(zhǔn)，底面高程380 m。為體現(xiàn)錨碇體與圍巖相互作用，在錨碇體與圍巖之間設(shè)置了接觸面單元。模型中結(jié)構(gòu)面的形態(tài)如圖7（a）所示，沿東側(cè)錨碇體軸線的剖面形態(tài)如圖7（b）所示，在東側(cè)錨碇體下部設(shè)置一個扁平溶蝕空腔；錨塞體及其與圍巖膠結(jié)面的形態(tài)如圖7（c）所示。

圖7 三維數(shù)值分析模型中關(guān)鍵部位形態(tài)Figure 7 Morphology of key parts in three-dimensional numerical analysis model

5 設(shè)計工況模擬結(jié)果及分析

設(shè)計工況下，單錨拉力60 000 kN。首先開展自重狀態(tài)下的模擬，模擬完成后，將自重導(dǎo)致的位移場清零，然后將設(shè)計錨拉力以均布荷載的方式施加在錨塞體后端面，模擬設(shè)計荷載作用下錨塞體及周邊圍巖的受力及變形特征。

圖8 為三維形態(tài)下的變形云圖，由于錨碇體埋置于地下，從三維圖上難以看出錨碇體及其周邊巖體的受力變形特征。圖9～11 分別為過東側(cè)錨碇體軸線剖面上的變形等值線圖、塑性區(qū)分布圖和最大主應(yīng)力等值線圖（FLAC3D中，拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負(fù)）。

圖9 東側(cè)錨碇體軸線剖面上的變形等值線圖（單位：m)Figure 9 Deformation contour map on axis section of east anchorage（unit:m)

圖10 東側(cè)錨碇體軸線剖面上的塑性區(qū)分布圖(單位：m）Figure 10 Distribution of plastic zone on axis section of east anchorage（unit:m)

圖11 東側(cè)錨碇體軸線剖面上的最大主應(yīng)力等值線圖（單位：Pa）Figure 11 Contour map of maximum principal stress on the axis section of east anchorage（unit:Pa)

從圖9～11 中可以看出：

（1） 設(shè)計荷載作用下，錨碇及圍巖的變形較小，最大變形在1 mm 以內(nèi)。

（2） 后緣拉裂隙中，塑性區(qū)范圍已經(jīng)較大，但是作為潛在底滑面的層間剪切帶內(nèi)，未見塑性區(qū)。

（3） 受結(jié)構(gòu)面影響，設(shè)計荷載作用下巖體中已經(jīng)有一些拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)，拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在3 個部位：① 錨碇體后座部位；② 前緣靠近岸坡部位；③ 錨碇體下部溶洞后緣部位。模擬結(jié)果反映了溶洞的存在及層間剪切帶的存在對應(yīng)力分布的影響。

以上模擬結(jié)果綜合表明：設(shè)計荷載作用下，錨碇及周邊巖體雖然不是完全處于線彈性狀態(tài)，但是錨碇體變形不大，最大變形小于1 mm，錨碇體能夠承擔(dān)設(shè)計荷載作用。

6 超載工況模擬結(jié)果及分析

超載模擬時，模型各部分物理力學(xué)參數(shù)仍按表1取值，錨碇荷載取設(shè)計荷載P的整數(shù)倍，從2 倍開始，逐倍增加，直至計算不收斂為止。各級荷載下分別模擬，得到模型在不同超載倍數(shù)下的應(yīng)力、變形和破壞特征。表2 為不同超載倍數(shù)下的最大變形。

表2 不同超載倍數(shù)下最大變形Table 2 Maximum deformation under different overload multiples

由表2 可以看出：16P時，計算最大變形已接近200 mm，可以認(rèn)為16P時模型已整體破壞。圖12 為依據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)繪制的1P～15P時，最大變形隨超載倍數(shù)的變化關(guān)系曲線以及1P～14P時，荷載每增加1P，最大變形的增量隨超載倍數(shù)的變化關(guān)系曲線。

圖12 最大變形和最大變形增量隨超載倍數(shù)變化曲線Figure 12 Curve of maximum deformation and maximum deformation increment with overload multiples

從圖12 可以看出：14P是明顯的轉(zhuǎn)折點，超載倍數(shù)從14P增加至15P時，最大變形出現(xiàn)了顯著變化。6P也是一個轉(zhuǎn)折點，6P以前，最大變形增量與超載倍數(shù)之間總體呈線性關(guān)系，6P以后，最大變形增量與超載倍數(shù)之間呈明顯非線性關(guān)系。依據(jù)上述變形分析結(jié)果，可以認(rèn)為：14P是模型能夠承擔(dān)的極限荷載，6P為模型的屈服荷載。圖13 中，依次給出了1P～15P奇數(shù)倍超載時，東側(cè)錨碇軸線剖面上的變形等值線圖，從中可以分析該隧道錨的潛在破壞模式。各級荷載下，最大變形都是出現(xiàn)在錨碇體底部的加載部位。超載倍數(shù)較小時，變形擴散范圍較大，變形相對均勻。隨著荷載的增加，特別是7P以后，變形局部化的特點越來越明顯。發(fā)生大變形的部位主要是錨碇和錨碇上部受后緣裂隙切割的巖體。圖14 為16P時變形的二維和三維分布圖，從圖14 可看出：本隧道錨潛在失穩(wěn)部分主要是錨碇和錨碇上部受裂隙切割的巖體，潛在失穩(wěn)模式為錨碇連同上部巖體沿底部巖/混凝土膠結(jié)面的整體向上滑移。結(jié)合上述潛在破壞模式分析結(jié)果，可以進一步認(rèn)識到：對本隧道錨穩(wěn)定性起控制作用的主要是錨碇體底部巖/混凝土膠結(jié)面的性狀、錨碇體后緣EW向陡傾角裂隙的分布及連通情況、錨碇體兩側(cè)SN 向陡傾角裂隙的分布及連通情況。錨碇體下部溶洞的存在，對隧道錨的變形破壞不會產(chǎn)生顯著影響。

圖13 不同超載倍數(shù)下東側(cè)錨碇體軸線剖面變形等值線圖（單位：m）Figure 13 Deformation contour map on axis section of east anchorage under different overload multiples(unit:m)

圖14 16P 時變形分布圖（單位:m）Figure 14 Deformation distribution at overload of 16P（unit:m)

由于數(shù)值模擬時在錨塞體與圍巖之間設(shè)置了接觸面，可以通過檢查這些接觸面單元是否發(fā)生剪切滑移來判斷錨塞體的承載性能。圖15 為7P～12P時，錨碇體周邊接觸面上處于剪切滑移狀態(tài)的單元分布情況。從圖15 可以看出：7P時，僅在底部有個別單元進入剪切滑移狀態(tài)；8P時，錨碇體后緣靠上部有部分單元進入剪切滑移破壞狀態(tài)；9P～10P時，錨碇體后緣基本所有單元都進入剪切滑移破壞狀態(tài)；超過10P后，剪切滑移破壞部位向錨碇體前緣擴展。所以，如果以錨塞體周邊是否有單元進入剪切滑移作為判斷錨塞體是否屈服的標(biāo)準(zhǔn)，可以將錨塞體的屈服荷載也大致定為6P。

圖15 不同超載倍數(shù)下錨碇體周邊剪切滑移破壞單元的分布Figure 15 Distribution of shear slip failure elements around anchorage under different overload multiples

7 結(jié)論

采用FLAC3D軟件，針對清江某特大橋隧道錨開展了設(shè)計工況和超載工況模擬，得到以下結(jié)論：

（1） 設(shè)計工況下，隧道錨及周邊巖體變形較小，最大變形小于1 mm，隧道錨可以較好地承擔(dān)設(shè)計荷載的作用。

（2） 超載倍數(shù)不大于6P時，計算出的最大變形隨超載倍數(shù)的增加呈線性增加趨勢，6P時的最大變形量約為6 mm；超載倍數(shù)不大于6P時，錨碇體與周邊圍巖之間沒有剪切滑移現(xiàn)象出現(xiàn)。據(jù)此可以認(rèn)為該隧道錨的屈服荷載為6P。

（3） 超載倍數(shù)大于7P后，隨超載倍數(shù)繼續(xù)增加，變形局部化現(xiàn)象漸趨明顯。15P時，計算出的最大變形劇增，模型出現(xiàn)整體破壞跡象?？梢哉J(rèn)為該隧道錨的極限荷載為14P。

（4） 該隧道錨的潛在失穩(wěn)部分主要是錨碇和錨碇上部受裂隙切割的巖體，潛在失穩(wěn)模式為錨碇連同上部巖體沿底部巖/混凝土膠結(jié)面整體向上滑移。對本隧道錨穩(wěn)定性起控制作用的主要是錨碇體底部巖/混凝土膠結(jié)面的性狀、錨碇體后緣EW 向陡傾角裂隙的分布及連通情況、錨碇體兩側(cè)SN 向陡傾角裂隙的分布及連通情況。錨碇體下部溶洞的存在，對隧道錨的變形破壞不會產(chǎn)生顯著影響。

隧道錨承載機制為利用錨塞體的倒楔形體結(jié)構(gòu)，利用圍巖的夾持效應(yīng)帶動圍巖共同承載，圍巖的結(jié)構(gòu)特征、隧道錨所在部位的地形地貌特征等，對隧道錨的承載能力影響顯著。通過詳細的地質(zhì)調(diào)查和分析，概化錨址區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)特征和工程特性，在此基礎(chǔ)上建立能客觀反映實際工程地質(zhì)條件和地貌形態(tài)特征的概化模型，據(jù)此開展數(shù)值模擬分析，才能得到對實際工程有指導(dǎo)意義的模擬結(jié)果。本文所采用的地質(zhì)模型概化方法、數(shù)值分析網(wǎng)格劃分方法、物理力學(xué)參數(shù)取值方法，以及數(shù)值分析過程和成果分析方法，對后續(xù)隧道錨工程設(shè)計和研究具有一定的借鑒作用。