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悬索桥隧道锚设计朱玉 廖朝华 彭元诚 (中交第二公路勘察设计研究院 有限公司 430056)摘 要： 隧道锚具有环境扰动小、性价比高的特点，是悬索桥较理想的锚碇形式，但受地质条件、人们对岩体性质的认识水平等条件的限制，目前在大跨径悬索桥中应用不多，相关文献也不多见。本文结合进行我国首座采用隧道锚的大跨径悬索桥四渡河特大桥隧道锚的设计及取得的成果，系统介绍了悬索桥隧道锚锚址的基本特点、锚体尺寸拟定、锚固系统选择以及数值分析、模型试验应注意的问题，便于隧道锚的进一步应 用。关键字：悬索桥隧道锚 尺寸拟定 锚固系统选择 岩体力学参数 初始应力场 数值分析 模型试验1、引言近年来，随着我国西部大开发政策和可持续发展战略的实施，高速公路迅速在祖国西部的崇山峻岭中延伸，环境扰动小的结构型式倍受关注。悬索桥具有跨越能力强和加劲梁高基本不随跨径增加而增高的特点，可有效避免高墩而达到跨越深谷的目的，是符合这种理念的理想桥型。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。隧道锚可有效减少开挖量和混凝土用量，是理想的锚碇型式，如美国的华盛顿桥1，其新泽西岸隧道锚与纽约岸重力锚混凝土用量比1：4.8，我国四渡河桥2宜昌岸隧道锚与恩施重力锚混凝土用量比1：4，土石方开挖量之比1：5。因而，隧道锚的使用对有效保护自然环境、避免大规模开挖、节约投资方面具有重要意义。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。它不仅涉及岩体的开挖问题（这在隧道工程中经常遇到），更主要的是需要确定开挖后岩体的二次承受巨大的大缆荷载问题，这在其它岩土工程中是很少见的。隧道锚的应用较少，相关的文献尚不多见，从目前的文献看，隧道锚的应用尚处于起步阶段16。四渡河特大桥（图1）沪蓉国道主干线湖北榔坪高坪段的一座特大桥，其宜昌岸采用隧道锚。该桥2004年6月完成施工图设计，预计2007年12月建成。本文结合隧道锚的设计和有关研究，系统介绍了隧道锚设计的相关问题。2、隧道锚的组成及其功能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（见图2）。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。隧道锚主体部分的主要功能如下：1）. 鞍室。鞍室的主要功能是容纳大缆的散鞍，并有足够的长度便于大缆散开锚固，同时提供进行锚碇锚固系统、大缆散鞍等防护、维护的空间。根据具体情况，鞍室截面可采用等截面或变截面。由于隧道锚的鞍室一般均需开挖山体，故需要采取初期开挖支护措施和以后保持开挖后山体稳定长期支护构造（二次衬砌）。四渡河桥隧道锚鞍室从散索鞍到前锚面设计为20m。鞍室衬砌厚度合计55cm，初期支护采用长3m间距1m梅花型布置的水泥砂浆锚杆和15cm厚的挂网喷射混凝土；二次衬砌采用现浇钢筋混凝土结构，厚40cm。考虑锚体两侧地形的不同，两鞍室和明洞采用不同的长度和截面，减少对山体的破坏。2）.锚体。锚体的主要功能是容纳锚碇的锚固系统、传递大缆拉力到岩体，是隧道锚的主要结构。根据锚体的功能，锚体设计应考虑对锚碇锚固系统的保护作用，自身要有足够的强度承受缆力和锚固系统的压力。四渡河桥隧道锚锚体纵断面为前小后大的楔形，在轴向拉力作用下，可对围岩体产生正压力；横断面顶部采用园弧形，侧壁和底部采用直线，前锚面尺寸为9.510m、顶部园弧半径5.25m，后锚面尺寸为1414m、顶部园弧半径7m。锚体混凝土采用防渗和收缩补偿混凝土，渗混凝土微膨胀率采用0.015%，抗渗等级W8。两端混凝土标号为C40，中间为C30，满足对锚固系统的防护和不同部位的结构受力需要。3）.系统锚杆。系统锚杆的主要作用是作为开挖的初期支护、加强锚体、岩体间的连接、提高锚洞周围开挖扰动带的强度，同时利用锚杆孔完成对锚体围岩的灌浆。其设置应根据锚洞围岩整体结构连续性状况及锚洞围岩普遍存在的松弛圈厚度范围，并结合隧道锚力学分析的结果综合确定。四渡河桥最终的锚杆布置为：岩溶发育、裂隙密集岩段杆间距布置为8080cm，长7.5m，锚体区围岩锚杆植入岩体7m，浇入锚体0.5m。其余区段锚杆间距改为120120cm，长4.5m。锚体区围岩锚杆植入岩体4m，浇入锚体0.5m。锚杆直径32mm，锚杆钻孔孔径100mm，孔深与锚杆长度一致。4）. 锚固系统。锚固系统一般由索股锚固拉杆和预应力钢束锚固构造（有的也采用型钢等型式，现在已很少使用）组成。这里所说的锚固系统主要是预应力钢束锚固构造，其主要功能是把大缆拉力传递给锚体。根据着力点的不同可分为前锚式和后锚式。四渡河桥隧道锚的预应力钢束采用环氧涂层钢绞线、可换式无粘结预应力体系。5）. 后锚室。后锚室的主要功能是提供进行锚碇锚固系统防护、维护的空间。有的隧道锚不设后锚室或者虽有后锚室但在锚碇修建完成后进行了回填封堵，这对锚体可换式无粘结预应力体系是不可行的。四渡河桥隧道锚后锚室深2.2m，横截面与锚体横截面相同。6）. 散鞍基础。直接承受由大缆作用于散鞍的压力，并传递到地基。四渡河桥隧道锚的散鞍基础采用C30混凝土。此外，由于隧道锚属地下结构，应重视防、排水措施及除湿系统的设置。3、隧道锚的锚址特点隧道锚把岩体作为锚体的一部分共同承受大缆拉力，因而从宏观上看，即所谓从概念设计的角度而言，适合建造隧道锚的锚址地质条件应具有以下特点。1）. 锚址区的地质条件应是区域稳定的。锚址区不应有滑坡、崩塌、倾倒体及层间滑动等区域性地质灾害存在，不应有深大断裂带通过。2）. 锚址区的岩体应具有较强的整体性。锚址区的岩体不应存在较多的裂隙、层理等地质构造，这些构造降低了岩体的整体性，对控制隧道锚的变位极为不利。3）. 锚址区的岩体应具有较高的强度。由于隧道锚的承载能力 与岩体的强度密切相关，故要求锚址区的岩体应具有较高的强度以达到隧道锚的承载要求。4、实用锚体尺寸拟定方法锚体尺寸的拟定是隧道锚设计的主要环节，如何快速、合理的拟订隧道锚锚体尺寸对设计者而言是最为关心的，也是隧道锚的设计关键问题之一。锚体尺寸拟定可分为两方面，即截面设计和锚体长度拟定，相比而言锚体长度拟定较为困难。对于锚体截面设计主要应考虑三个方面：1）.锚体截面要足够大以满足大缆散索后锚固空间的需要。2）. 锚体截面不能太大以至于使左右锚体的距离过近，使锚体间围岩扰动严重，强度降低太多。2）. 锚体截面的外轮廓要利于岩体开挖阶段的稳定，可借鉴常规的隧道断面。只要综合考虑这些因素就不难拟定锚体的横截面。对于相对困难的锚体长度拟定问题，作者据四渡河桥隧道锚设计时所做的研究工作，建议了一个近似估算公式7，即其中，Lm为锚体长度；P为大缆拉力；K为锚碇安全系数；C为参数，建议在0.100.12之间取值；Up为锚体截面的周长；为岩体容许抗剪强度，偏安全计可取无正压力时的岩体抗剪强度，即粘聚力。此公式系根据锚体周围剪应力分布特点及最大剪应力准则得到，推导中引入了以下假定，现予以明确，供使用者选择：1）.锚体截面近似按等截面。考虑到两缆间距有限，锚体的张角不能太大，忽略张角的影响偏安全。2）.略去锚体的自重。考虑隧道锚的本质是依靠岩体对锚体的锚固作用，而不是依靠锚体自身的重量锚固大缆，此假定也是偏安全的。若要考虑锚体重量的影响，可以在大缆拉力P中扣除之。3）.引入10%假定。即认为当锚固段的锚体轴力降到大缆拉力P的10%以下时，其后的锚体长度对锚固作用贡献不大，可以略去不计。下图分别为四渡河桥隧道锚锚体周围剪应力分布（图3水平轴距离以后锚面为0计，沿指向前锚面方向增大）及锚体后锚面布置图（图4）。图3. 四渡河桥隧道锚锚体周围剪应力分布图4. 四渡河桥隧道锚锚体后锚面（单位：cm）5、锚固系统选择据锚固系统采用结构材料的不同，可分为无预加力的预埋型钢式和有预加力的预应力钢束锚固型式。锚碇型钢型式的锚固系统现在已很少使用，预应力钢束锚固型式已成为主要的型式。从锚固系统着力点位置的不同又可分为前锚式和后锚式。多项研究及四渡河桥隧道锚锚体周围剪应力分布规律均表明剪应力的最大值出现锚固体着力点附近8-11，从力学分析的角度看，采用后锚式锚固系统明显优于前锚式锚固系统。其主要原因是，一般而言，越是靠近岩体深部，岩体的强度越高，相应的承载能力越高，故相同的锚体长度，锚固系统的着力点放置在锚体后锚面附近有利于提高隧道锚的承载力。此外，考虑到后期维护和长期使用的需要，锚固系统采用无粘结预应力钢束还具有可换性的优势。具体选用时还需结合施工条件、施工方法综合考虑。四渡河桥隧道锚采用后锚式无粘结钢绞线形式锚固系统，且具有单根可换性。图5. 四渡河桥隧道锚可换式锚体预应力体系构造图 （单位：mm）6、数值分析应注意的问题数值分析已是桥梁结构设计的主要分析手段，目前主要方法为有限元法，相应的商业软件比较多。无论方法和软件均相对成熟，这已为桥梁设计工作者所普遍认同和接受。对于岩土领域的数值分析，采用连续体快速拉格朗日分析法（Fast Lagrangian Analysis of Continua）已比较广泛，相应的商业软件以FLAC系列（2D、3D）最为著名。对于隧道锚的数值分析，采用两种方法均可。对于隧道锚的数值分析过程除需建立初始应力场外与桥梁上部结构的计算类似，已为大家所熟知，不再赘述。这里对涉及岩土方面需要注意的加以重点说明。众所周知，数值分析结果可靠性来自于输入参数的可靠性。对于桥梁上部结构而言，材料参数相对精确，而对于岩土类天然材料而言，其参数的可靠性却难以控制，这一点类似于旧桥的承载力评定，却远远比旧桥的承载力评定困难的多。对于旧桥的承载力评定，一般有相关的设计、竣工资料可查，无资料可查时也可通过荷载实验进一步推测、评定，毕竟原有结构是人工修建，其材料、质量是经过控制的。对于岩土类天然材料，其材料都是自然形成的，经历了复杂的物理、化学过程，其内部的应力状态、材质的均匀性、层理的发育程度均是难以探明和预计的，这些应引起设计者的足够重视，主要表现在：1）.岩体力学参数的取值。由于岩体工程特性复杂，几乎随处都在变化。室内岩石试验是人们掌握岩石力学性质最基本的手段之一，但室内测定的岩石力学参数直接用于评价岩体力学参数与实际相差甚远，多结合现场测定的岩体力学参数综合评价。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，人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12。人们不得不对试验数据参照工程经验进行修正，尽管修正带有任意性。因而，对岩体力学参数，特别是结构响应的敏感参数的取值是数值分析精确性的前提，对隧道锚的数值分析十分重要。2）.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。由于岩体结构的复杂性，人们已经认识到试图建立一种反映岩体全部变形机理的普适本构模型目前还是不可能的12-13。应针对岩体、工程和问题的具体特点选用简单而能说明最主要问题的本构模型。岩体多采用弹塑性力学模型，本构关系用全量或增量理论表达，屈服准则一般与强度准则只差一个常数。近百年来提出了许多本构理论。目前用于岩土工程中的主要有Rankine、Tresca、Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、Griffith和Hoek-Brown准则。四渡河桥隧道锚数值分析采用了Mohr-Coulomb准则。3）.地应力场量测。地应力是在任何工程作用之前存在于岩体中的应力，也称初始应力。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，一般认为由自重应力、构造应力和封闭自应力组成。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14。但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。四渡河桥隧道锚数值分析的初始应力场近似采用了自重场。从以上可以看出，限于目前岩土工程学科的发展阶段，若要得到隧道锚的承载能力及变位的精确估计是困难的，不同的参数测定者会得到不同的岩体力学参数，其主要原因是要对测得的岩体力学参数进行多项修正，而这些修正带有任意性，依测量者的经验、经历而不同，故目前应慎重判别计算的结果。隧道锚的承载性能的精确评价及更经济的隧道锚设计还有待于岩土工程学科的进一步发展。四渡河桥隧道锚数值分析采用有限元法，计算结果显示，按锚体间岩体塑性区贯通判断的安全系数约为6左右，下图为四渡河桥隧道锚数值分析结果，分别为在7倍缆力作用时锚体围岩顺桥向位移（图6）及锚体围岩塑性区分布（图7）。图6.锚体围岩顺桥向位移分布（单位：m） 图7.锚体围岩塑性区分布（下部为隧道）7、比例模型试验基于岩体参数测定的不确定性，仅凭数值分析的结果难以确定隧道锚的安全度，比例模型试验是一个较好的验证手段。但需指出，比例模型试验也存在以下问题需要注意，对试验的结果进行判别采用：1）. 模型的比例不易确定。大尺度的模型造价高且因拉力过大而难以加载；2）.与原锚位岩体相似的试验锚位难以选取；3）. 比例模型试验的结果存在较大的尺度效应。如，虎门桥隧道锚初设方案的现场结构模型试验的模型比例为1：50，节理密度2.22.9条/m，节理长度1.141.18m，而模型锚体的长度只有1.06m15。四渡河桥隧道锚进行了1：12缩尺比例模型试验。在隧道锚碇附近选择了与其工程地质条件、岩体结构和岩性相近处为模型试验点。对模型开展了不同倍数设计载荷水平的快速张拉及流变试验研究，试验预期目的有三个： 1）.研究隧道锚碇安全系数及隧道锚碇的变形机理；2）. 研究模型锚碇的变位与时效变形，对实际的隧道锚碇的长期稳定性进行评估；3）.为数值分析提供依据。比例模型试验的主要结论为：推定实桥隧道锚碇的长期安全系数不小于2.6；隧道锚的瞬时超载承载能力可达到7.6倍设计缆力。图8、 9为四渡河桥隧道锚比例模型的位移计钻孔布置示意图和测缝计及应变计布置示意图16 。综合数值分析和比例模型试验的结果推断四渡河桥隧道锚的安全系数约为6，主要是一般桥梁结构的超载均是短期的，且恒载的变异性较小，超载主要为活载部分。图8 位移计钻孔布置示意图图9 测缝计及应变计布置示意图8、结语通过本文对隧道锚设计主要内容和关键问题的系统介绍并结合四渡河特大桥隧道锚设计的成果，基本可对隧道锚设计的方法和目前存在的问题有一个宏观的认识。尽管隧道锚的应用还存在一定的问题需要解决，毕竟科技是在不断进步的，我们相信，随着在以后的类似设计中针对隧道锚设计存在主要问题的进一步研究和解决，必将使这种性价比高、环境友好型悬索桥锚碇应用进一步发展。由于隧道锚的应用尚处于起步阶段，相关的设计体系还不成熟，且涉及面广，特别是与桥梁工作者不熟悉的岩土（石）力学学科关系密切，加上相关文献和作者水平有限，本文只是就隧道锚设计的主要问题进行了介绍和探讨，有些认识可能是片面的，望能起到抛砖引玉的作用。参考文献1. 铁道部大桥工程局桥梁科学研究所编. 悬索桥. 北京：科学技术文献出版社，1996.2. 朱玉，廖朝华，彭元诚等. 大跨径悬索桥隧道锚设计及结构性能评价. 桥梁建设. 2005，(2)：44-46.3. 卢永成. 重庆长江鹅公岩大桥东隧道式锚碇. 中国市政工程. 2003，(6)：31-34.4. 李更冰. 万州长江二桥主桥设计简介. 铁道标准设计. 2003，