课程论文 - 悬索桥隧道锚设计研究进展

悬索桥隧道锚设计研究进展

摘要：隧道锚目前在一些大型悬索桥锚垫方案中得到了应用和推广，但工程实例仍很少，对隧道锚的研究资料也不多。本文介绍了近年来隧道锚设计的一些研究进展，总结了在隧道锚设计时的平硐试验研究、建立岩体地质概化模型以及确定岩体力学参数的一些方法，并提出在最终确定隧道锚设计参数时需要进一步研究的问题。

关键词：隧道锚；平硐试验；概化模型；岩体力学参数 0引言

悬索桥是一种历史悠久的桥型，且为目前公认跨越能力最强的一种桥型[1]。近年来，悬索桥在我国发展很快，在目前已建成的主跨前20位的悬索桥中，我国就占了10座，见表1。

表1 世界悬索桥主跨排名（前20位） 排名 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 11 13 14 15 16 17 18 19 20 名称 地点 主跨（m） 1991 1650 1624 1545 1490 1418 1410 1385 1377 1298 1280 1280 1210 1158 1146 1108 1100 1090 1088 1080 建成年份 1998 2009 1998 2012 2005 2012 1981 1999 1997 1964 1937 2007 1997 1957 2012 2008 1989 1988 2009 2012 明石海峡大桥 日本，神户－淡路岛 西堠门大桥 中国，浙江册子岛－金塘岛 大贝尔特桥 丹麦，西兰岛－斯普奥岛 李舜臣大桥 韩国，全罗南道光阳－丽水 润扬长江大桥 中国，江苏镇江－扬州 南京长江第四大桥 中国，江苏南京 亨伯桥 英国，京士顿－巴顿 江阴长江大桥 中国，江苏江阴－靖江 青马大桥 中国香港，青衣岛－马湾 韦拉札诺海峡大桥 美国，史泰登岛－布鲁克林 金门大桥 美国，旧金山－马林县 阳逻长江大桥 中国，湖北武汉 高地海岸大桥 瑞典，海讷桑德－克拉姆福什 麦基纳克大桥 美国，麦基诺城－圣伊尼亚斯 矮寨大桥 中国，湖南吉首 黄埔大桥 中国，广东广州 南备赞濑户大桥 日本，香川县坂出市－三子岛 法提赫·穆罕默德大桥 土耳其，伊斯坦布尔 坝陵河大桥 中国，贵州关岭 泰州长江大桥 中国，江苏泰州－扬中 虽然有资料表明斜拉桥的跨径可以达到1000～1500m，且首座主跨过千米的公路斜拉桥—苏通长江大桥（主跨1088m）也于2008年建成通车，但与之相比，悬索桥在充分发挥材料性能和加劲梁的高跨比两方面具有显著的优势，是跨越海峡及大的江河峡谷的理想选择，具有很好的发展前景。[2?3]

悬索桥由锚碇，加劲梁、主缆、桥塔四大主要结构组成，其中锚碇是主要承力的结构及锚固主缆的关键部分[4]。悬索桥的锚碇可分两大类，自锚式和地锚式，其中地锚式又有重力式和隧道式之分。自锚式是将大缆锚在加劲梁上，主缆水平分力由加劲梁的轴力平衡，主缆竖向分力由桥墩承受，故自锚式悬索桥的加劲梁截面较高。地锚式则按锚体与地基的连接方式不同分为重力式锚碇和隧道式锚碇。重力式锚碇是通过人工开挖基坑，浇注大体积混凝土形成锚碇，依靠自身的重量来平衡主缆拉力。隧道式锚碇与重力式锚碇不同，它通过在岩体中开挖锚洞，在其内浇注混凝土与围岩形成锚碇，借此来承受大缆的拉力。

锚碇作为悬索桥的四大部分之一，其土方量占悬索桥总开挖量的绝大部分，是最大限度减少环境扰动的关键所在[5]。隧道式锚碇有两大优点：（1）性价比高，造价优势突出。当承载能力相同时隧道锚的造价约是重力锚的一半；（2）开挖量小，对环境扰动小。对于环境保护日益受到重视的今天，隧道锚的采用对保护生态环境具有重要的意义。

然而，由于隧道锚把岩体作为锚体的一部分共同承受大缆拉力，因而不但对地质条件要求较高，而且要求设计者对岩体性能要有深入的认识[5]。它涉及到隧道锚的选址，通过室内和现场试验掌握锚体围岩物理力学性质，进行岩体分级，建立锚体围岩的地质概化模型，确定岩体力学参数，进而为隧道锚设计提供依据。因此，隧道锚的设计是一个系统的过程，必须综合考虑各种影响因素，进行全面深入的分析。

1国内外研究现状

隧道锚主体部分主要包括：鞍室、混凝土锚体、系统锚杆、锚固系统、后锚室、散鞍基础等。此外还有门洞、步梯、防排水构造、检修通道等附属设施，不参与结构的受力。悬索桥隧道锚的应用历史较长，但迄今为止工程实例还很少。下面从以下几个方面介绍一下其研究现状： 1.1设计规范准则

对于悬索桥的设计，我国编制有《公路悬索桥设计规范》（2002年报批稿）。在该规范中，针对隧道锚，仅给出“对隧道锚应进行空间结构受力分析验算混凝土及洞壁的强度及锚塞体的抗拔力”的原则[6]，对具体的方案未给出指导意见。其它国家规范则无相关条文。可见隧道锚的设计理论尚未形成体系。

1.2岩体力学方面 （1）对岩体性质的认识。

人们目前对岩体的性质还很有限，岩体的许多基本问题仍在深入认识之中。在1970年以前，人们把岩体与岩石等同起来，常常把岩体作为荷载。70年代末，人们才开始从结构的角度认识岩体，把岩体作为结构物。但直到现在岩体是结构的概念仍未被普遍接受。现行的《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）中仍是两种概念并存，把岩层作用的计算方法并列为荷载结构法和地层结构法[7]。隧道锚是基于“岩体是结构物”这一概念的产物。 （2）岩体力学参数的取值。

由于岩体工程特性复杂且易变化，室内岩石试验是掌握岩石力学性质最基本的手段之一。但由于岩体受到较大扰动，室内测定的岩石力学参数直接用于评价岩体力学参数往往与实际相差甚远，多结合现场测定的岩体力学参数综合评价。而现场原位试验确定的岩体参数又具有明显的尺寸效应。事实上，我们对岩体的实际构成本身都很不清楚，希望通过试验能够准确的进行模拟并获得可靠数据是没有根据的，故需对试验数据参照工程经验进行修正（这种修正带有任意性）。岩体力学参数难以精确测定，影响隧道锚承载性能的敏感参数的取值，对隧道锚设计十分重要。用于参数敏感性的分析常用方法有蒙特卡罗数值模拟法 拉丁超立方抽样法、卡尔曼滤波法 、灰色系统理论法、最小二乘法、均匀设计法[8]。 （3）分析计算方法

传统的岩体稳定性分析为极限平衡方法。20世纪70年代以来数值方法成为岩体力学计算方法的主要方法。常用的数值方法有有限单元法、快速拉格朗日分析方法、离散单元法、不连续变形分析法、流形元法、半解析法等[8]。此外，损伤力学和分形方法在岩体力学中正处在发展阶段。有限元法和快速拉格朗日分析方法是目前岩土数值分析的主要手段。 （4）岩体材料本构模型。

本构模型一般指本构关系和强度准则的总称。随着塑性力学的发展，岩体本构模型建设取得了很大的进步。迄今为止，学者们建立了数以百计的各种本构模型，其中适用于岩土的主要理论模型有粘弹性模型、弹塑性模型、粘弹塑性模型等。近年来，断裂力学理论和损伤力学理论的引进，又建立了许多断裂损伤模型。其中最为普遍使用的一种模型是基于理想塑性的弹塑性模型。目前尚未建立能适用于各类岩土工程的理想本构模型[9]。

随着计算机和数值技术的迅猛发展，有限元和边界元等方法引入了土工计算，非线性分析的数值方法也为复杂的工程问题提供了合理的资料，促使了土本构模型的研究愈来愈深入，从简单加载条件下的一个屈服面本构模型如

Drucker-Prager 模型、Cam-Clay模型，发展到复杂荷载条件下双屈服面的本构模型如Drucker 模型、Prevost-Hoeg模型等[9]。 （5）地应力场量测。

地应力一般认为由自重应力构造应力和封闭自应力组成，它直接影响岩体的材料特性和稳定性。工程建设产生的附加应力和地应力共同构成岩体的最终应力状态，并决定岩体的变形和破坏。主要的地应力测量方法有应力解除法、应力恢复法、水压致裂法和声发射法[5]。目前尚无一种公认完善的测试方法，各种方法得到的均是在钻孔、取样扰动后的二次应力状态下的结果，且扰动对初始应力场的影响目前还无法精确估计。 1.3针对隧道锚特性的研究 （1）隧道锚锚体长度的拟定。

隧道锚锚体长度的拟定目前尚无统一的方法。从受力上讲，隧道锚锚体一方面在外部受到岩体的约束，另一方面在内部受到拉索的拉力，其破坏形态也不确定。从宏观概念上分析，隧道锚属广义岩体锚固的范畴，锚体长度与岩体的摩擦强度参数密切相关。有文献结合具体的工程实例，主要考虑锚体混凝土与岩体间的抗剪强度，基于宏观岩体锚固的思想，给出了锚体长度的计算公式[8]。但其合理性有待工程实践的检验。 （2）结构模型试验。

目前对于锚锭与山体整体变形机制的研究较少，故只针对一些具体工程实例进行了结构模型实验[10]，主要有以下几个方面：①通过分析岩体优势结构面（内结构面组数，产状，产状组合）与岩质边坡稳定性关系，指出了岩体材料、软弱结构面和优势结构面的力学特性行为是工程岩体稳定性的关键；②从岩体流变本构关系出发，讨论了构筑物在荷载长期持续作用下的稳定性，获得隧道锚在设计荷载作用下山体的变形量值，定性说明山体变形的力学机制；③由于岩层分布的非对称性，左右位移量不同，指出锚锭周围位移量是与岩层特性有着密切关系的。位移分量中水平位移分量均大于垂直分量是由于层理的控制。在隧道轴线方向上，最大位移在锚锭口。在与锚锭口等距离的测点，在拉拔力较低时位移量基本相同。但当拉拔力达到一定值，由于锚锭口下部的岩体处于受拉状态而上部处于受压状态导致下部位移比上部大。同时，下部岩体以垂直位移为主，上部位移以水平为主。桥面的挠度和桥塔的倾斜度由锚垫沿桥向最大位移量控制，围岩破坏程度由围岩中的最大主应力的最大值控制。 1.4工程应用实例

隧道锚一般在节理较少、性能较好的岩层使用。但是，对于大跨径悬索桥来说，有良好的地质条件的桥位并不多见。目前，世界范围内的已建成的悬索桥数

量已超过100座（主跨351m-1991m），但采用隧道锚的很少，据文献记载，应用隧道锚的工程主要有（见下表2）：

表2 采用隧道锚的悬索桥 桥名 国家 主跨（m） 乔治华盛顿大桥 美国 1067 圣弗朗西斯科海湾大桥 美国 704 福斯海湾大桥 英国 1005.8 克瓦尔松桥 挪威 525 下津井濑户公铁两用桥 日本 940 丰都长江大桥 中国 450 鹅公岩长江 中国 600 忠县长江大桥 中国 560 万州长江二桥 中国 580 坝陵河大桥 中国 1088 四渡河大桥 中国 900 矮寨大桥 中国 1146

2平硐试验的内容

在进行悬索桥锚垫形式选择时，首先要进行工程地质勘察，提供地形地貌、地质构造、地层岩性、岩土物理力学性质指标、水文地质条件、不良地质等基本工程地质资料给出工程地质条件评价初步判定是否采用隧道锚。确定采用隧道锚之后，为了给隧道锚设计提供合理的设计参数，需要在锚碇区附近的相同地层中，开挖一定长度的岩体试验平硐，进行现场试验和室内试验。

值得一提的是，硐室开挖均破坏了岩体内原有的应力平衡，导致围岩应力场及位移场的变化。因此在硐室开挖之前，应对岩体开挖进行模拟，主要包括加载和卸载过程的模拟[10]。在对卸荷的过程进行模拟时，通常有两种不同的处理方法，一种是在已知边界初始应力作用下，沿预定开挖线进行的开挖卸荷模拟法；另一种则是在确定开挖空间几何形状后的外边界加载法。对于围岩开挖过程的模拟，通常采用反转应力释放法和地应力自动释放法。 2.1室内试验

应在试验平硐不同位置取样，加工成标准岩样进行试验[12]。室内试验主要分为岩石物理性质试验和力学性质试验，分别测定岩石物理性质和力学性质。为了保证试验精度，应进行分组试验，在考虑造价等因素的基础上，分组数尽可能多。

竣工年份 1932 1936 1964 1977 1988 1996 1999 2001 2004 2009 2009 2012 注：广东虎门大桥进行了隧道锚模型试验和研究，但最终未采用隧道锚[11]。

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