课程论文——悬索桥隧道锚设计研究进展.doc

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。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）排名名称地点主跨（m）建成年份1明石海峡大桥日本，神户淡路岛199119982西堠门大桥中国，浙江册子岛金塘岛165020093大贝尔特桥丹麦，西兰岛斯普奥岛162419984李舜臣大桥韩国，全罗南道光阳丽水154520125润扬长江大桥中国，江苏镇江扬州149020056南京长江第四大桥中国，江苏南京141820127亨伯桥英国，京士顿巴顿141019818江阴长江大桥中国，江苏江阴靖江138519999青马大桥中国香港，青衣岛马湾1377199710韦拉札诺海峡大桥美国，史泰登岛布鲁克林1298196411金门大桥美国，旧金山马林县1280193711阳逻长江大桥中国，湖北武汉1280200713高地海岸大桥瑞典，海讷桑德克拉姆福什1210199714麦基纳克大桥美国，麦基诺城圣伊尼亚斯1158195715矮寨大桥中国，湖南吉首1146201216黄埔大桥中国，广东广州1108200817南备赞濑户大桥日本，香川县坂出市三子岛1100198918法提赫穆罕默德大桥土耳其，伊斯坦布尔1090198819坝陵河大桥中国，贵州关岭1088200920泰州长江大桥中国，江苏泰州扬中10802012虽然有资料表明斜拉桥的跨径可以达到10001500m，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。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。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。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。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，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。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。（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。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。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。（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。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。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，主要有以下几个方面：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；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；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）竣工年份乔治华盛顿大桥美国10671932圣弗朗西斯科海湾大桥美国7041936福斯海湾大桥英国1005.81964克瓦尔松桥挪威5251977下津井濑户公铁两用桥日本9401988丰都长江大桥中国4501996鹅公岩长江中国6001999忠县长江大桥中国5602001万州长江二桥中国5802004坝陵河大桥中国10882009四渡河大桥中国9002009矮寨大桥中国11462012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。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。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。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。（1）室内岩石物理性质试验可测得岩石的颗粒密度、天然块体密度、孔隙率、饱和吸水率等主要物理性质；（2）岩石力学性质试验主要有单轴抗压强度试验、单轴压缩变形试验、岩石室内三轴试验、抗拉强度试验、软岩结构面中型直剪试验、岩样声波测试等，可测得岩石的饱和单轴抗压强度、抗压强度软化系数、饱和岩样单轴压缩变形模量、抗拉强度平均值和三轴强度等；（3）应根据岩体实际构造情况，进行结构面内抗剪试验。因为虽然隧道锚建在岩体性质较好的地区，但岩体中也会存在破碎带和软弱夹层。故应选取适当的结构面进行抗剪试验，测得结构面的抗剪强度。2.2现场试验现场试验即在锚垫区附近相同地层中，按一定的比例开挖试验平硐。试验平硐的形状和工况应与实际结构相近，开挖后应在现场进行以下试验：（1）岩体原位力学性质试验岩体原位力学性质试验内容主要包括在试验平硐内开展刚性承压板变形试验、岩体现场抗剪试验、岩体与混凝土基岩胶结面抗剪试验等。根据试验平硐范围内揭示的地质条件代表性进行试验布置。通过现场岩体变形试验可取得以下成果：变形模量试验值（一般为一个范围）、岩体抗剪断强度参数值和抗剪（摩擦）强度参数及岩体直剪试验剪应力-位移关系曲线、混凝土与基岩接触面抗剪断强度参数值和抗剪强度参数及混凝土与基岩面剪应力-位移关系曲线等。（2）锚垫实体模型试验隧道锚主要承受悬索桥拉索荷载，为研究锚锭及围岩变形特征、隧道锚承载力安全度水平以及隧道锚在张拉载荷作用下的流变特征，应在隧道锚所在位置开展锚垫实体模型试验。锚垫实体模型的制作应根据相似理论，综合试验设计难度、试验效果、造价等因素，选择适当的比例尺寸，合理布置锚索根数和位置，以及试验反力系统（包括钢筋混凝土反力支座、支墩和反力梁）。试验内容主要有：岩锚拉拔试验采用不同长度的岩锚进行拉拔试验（如矮寨大桥的隧道锚模型试验中分别进行了8m、10m、12m的岩锚拉拔试验），合理布置应力应变量测原件，按下表3所示次序和加载要求进行试验。表3 岩锚拉拔试验试验次序试验次序试验内容试验目的加载要求1超张拉试验验证原型隧洞锚的设计抗拉拔安全系数的大小逐级加（卸）荷，一次大循环且首次超张拉试验载荷水平不小于4P2张拉流变试验研究隧洞锚岩体在不同应力水平条件下的流变特性分三个荷载级，每级荷载条件下流变时间大约为280h3极限超张拉试验研究模型锚的极限抗拉拔能力根据现场张拉过程实际情况控制不超过7.6P4长期锁定流变试验研究隧道锚岩体的长期流变特性超载试验结束后，重新张拉模型锚锚索至3P左右注：表中P为模型锚垫设计荷载通过以上试验，可得到在不同拉拔力下各试验截面的应力应变和锚头位移量等重要力学参数，也可得到锚体内应力应变分布状态、锚固段荷载的变化规律以及锚体的破坏形式等，同时可测得拉拔试验期间模型锚碇周边岩体变形及荷载变化规律。锚锭一围岩变形与应力测试为了测试拉拔试验期间模型锚碇周边岩体变形及荷载变化规律，应进行锚锭一围岩变形与应力测试。一般选用多点位移计、测缝计、应变计、锚索测力计等监测仪器联合测试。通过合理布置测量仪器，可测得模型锚碇周边岩体变形的空间分布、测试加载期间模型锚碇与围岩接触面随深度变化的变形分布规律以及不同荷载条件下锚碇根部岩石与混凝土接触缝隙之间的张开值，并可提供模型锚碇张拉载荷，实现模型锚锭张拉载荷的实时监测。现场监控量测隧道锚所处工程岩体的稳定性是悬索桥成败的关键。为满足主塔及整个桥梁体系的稳定要求，锚碇的最大水平位移和最大垂直位移（沉降）都必须控制在一定的数值范围内。因此，还必须对现场实际情况进行监控量测，主要量测内容为地表沉降量测、洞室收敛监控量测、围岩压力和钢支撑内力量测以及锚锭隧洞沉降观测等，以确保围岩稳定。3岩体概化模型的建立概化地质模型、计算参数选取及稳定性分析是进行工程岩体稳定性评价与加固设计的三个重要环节，其中岩体概化模型和计算参数是力学分析的基础。岩体概化模型实际上是经过科学的、符合实际地质状况简化的一种岩体等效模型。岩石概化模型的确立是一个综合而复杂的过程，采用不同的方法往往得到不同的结果，精度也相差较大。工程地质勘察可以为地质模型的概化提供参考。通过地质勘查，可以了解隧道锚围岩地质特征，进行岩体分级和卸荷带划分，综合评价锚锭区岩体质量。在工程地质勘察数据的基础上，可以进行用试验方法确定岩体的概化模型。其中试验可分为室内模型试验、原位模型试验和计算机数值模拟试验等。相对来讲，室内模型试验由于岩体遭到二次扰动故很难反映工程实际，而原位模型试验由于和实际工程岩体性质、所处环境等相近，通过试验得到的概化模型可以较好地等效实际地质。但由于隧道锚与一般岩体构造物在受力和构造上有很大不同，加之尺寸效应等原因也会导致试验结果存在较大的偏差。从经济上来讲，原位模型试验的代价也较高，而随着计算机技术和数值计算方法的发展，采用计算机数值模拟试验建立隧道锚的岩体概化模型成为一种很好的选择。计算机数值模拟试验可建立大尺度工程岩体概化模型，能较好地弥补室内、现场试验，也可以用来验证、核对其他方法评定的参数。采用计算机数值模拟试验方法，可以建立岩体的弹塑性模型，对弱夹层、岩体开挖、混凝土回填等进行模拟。这些方法已经在矮寨大桥隧道锚的设计中得到了应用。由于隧道锚的工程实例很少，其岩体概化模型研究也很少，虽然目前采用隧道锚的悬索桥中未发现隧道锚的破坏，但仅仅通过计算机数值模拟试验不能确保结构的安全，因此必须结合室内模型和原位模型试验进行综合分析，慎重确定岩体概化模型。4岩体力学参数的确定岩体计算参数的取值直接决定分析结果，影响工程的投资与可靠度。由于岩体的不连续性、非均质性、各向异性以及赋存环境的差异性，而且这些特性又随着时、空条件而变化，并以不同方式组成各种模式，构成岩体工程的特殊性和复杂性，为岩体力学特性的研究和参数取值带来困难。一般岩体力学参数主要包括岩石的弹性模量、泊松比、内摩擦角、容重、抗拉强度、抗压强度、粘聚力及抗剪强度指标值等。对隧道锚而言，还包括混凝土与岩体胶结面粘聚力、混凝土与岩体胶结面摩擦系数、岩体软弱层面粘聚力、岩体软弱层面摩擦系数等。这些岩体力学参数主要依据室内现场试验、经验强度准则、反分析法、工程类比、数值计算等方法取值。4.1试验法试验研究是确定岩体力学参数最直接的方法，包括现场原位试验和室内试验。由于岩体中结构面的存在，岩体结构尺寸效应的影响，以及水化、风化、生物作用等外营力（外动力）的影响，使得岩体的力学行为与室内岩石试块所表现的力学行为之间存在着很大的差异。即使是现场原位试验也只是包含部分不连续面，也还不足以代表工程岩体尺度范围，并且现场试验常常试验数量有限且成果分散。因此，试验值一般不直接作为计算值，大多需要对试验值进行经验折减，或者用一定的统计分析方法求标准值。4.2经验公式法由于影响岩体力学参数的因素很多，如岩石的性质、风化程度、结构面特性及其组合、所受的应力状况和饱水程度及岩体的随机性、模糊性等，往往使得岩岩体试验难以准确反映岩体的力学特点。因此，利用经验公式确定岩体的力学参数是最常用的方法。常用的经验法有E.Brow法、CSIRO分类法、M.Georgi法、费辛科法、孙广忠经验法等。4.3反分析法反分析法即以现场量测到的、反映系统力学行为的某些物理信息量（如位移、应变、应力或荷载等） 为基础，通过反演模型（系统的物理性质模型及其数学描述，如应力与应变关系式等） 推算得到该系统的各项或某些初始参数（如初始地应力、力学参数和几何参数等） 的方法。反分析方法包括位移反分析、应力反分析、位移应力混合反分析等。由于在现场实测中最容易测量的是位移，它带有丰富的信息，是岩体的力学性质与特点的综合反映，故位移反分析法在实践中应用最为广泛。另外，有学者曾利用声发射监测数据反分析岩体力学参数，很值得进一步研究。 4.4工程类比法在试验数据不足情况下，可依据岩体条件和所处工程地质环境的相似性，应用工程类比的方法选取岩体力学参数的计算值。工程类比法的关键是类比对象的相似性，通过对岩体结构面的分布情况、结构面的性质及地下水作用等岩体工程地质性质的研究，充分利用有限试验资料，对工程性质相似的结构面或工程岩体，根据现场试验资料采用定量类比的方法进行参数取值，确定其计算值。4.5数值计算法随着计算技术的飞速发展，采用计算机模拟试验，研究岩体力学参数取值方法取得了很大的进展。数值计算法是在地质调查和岩体力学试验成果的基础上，利用数值模拟软件，建立大尺度工程岩体概化模型，进行不同尺寸数值模拟试验，研究裂隙岩体的代表单元，确定工程岩体宏观力学参数。对隧道锚而言，其周围岩体力学参数应在试验的基础上，综合利用以上方法分析得出。但由于隧道锚的工程应用还很少，工程类比难以实现，而随着计算机技术和数值计算理论的发展，数值计算法往往成为较好的选择。5总结以上重点介绍了目前隧道锚设计的研究现状，总结了建立隧道锚岩体概化模型和确定岩体力学参数的一些常用方法。根据以上分析，可得出以下几个结论：（1）隧道锚现在应用还不广泛，主要受限于锚址的岩体条件，一般要求岩体节理较少，且完整性好。另外，岩体中往往存在破碎带和软弱夹层，使得在设计隧道锚时不确定因素较多，尤其在缆索拉力较大的大跨径悬索桥应用中受到严重制约；（2）隧道锚的设计体系尚未建立，往往需要结合不同的工程实际，进行室内和现场试验，利用数值方法综合分析；（3）隧道锚设计前一般要在现场开挖试验平硐，模拟实际工程状态。但这往往由于岩体尺寸效应以及模拟范围的有限而不能得到令人满意的结果；（4）通过室内试验可以得到岩体力学参数，但这些参数是在岩体受到二次扰动的情况下测得的，不能直接应用；（5）计算机数值方法在隧道锚岩体概化模型和力学参数的确立中得到应用和发展，合理的数值分析方法的选取对模拟的精度和难度至关重要。6值得进一步研究的问题悬索桥隧道锚的设计体系还不完善，其设计参数的选择受到众多因素的制约。为最终确定合理的设计参数，我认为还有以下几个问题需要进一步研究：（1）在开挖试验平硐时，如何确定平硐的开挖范围，以减少尺寸效应的影响，使试验平硐能更好地反映工程实际状况？（2）隧道锚锚洞一般要开挖一定深度，要穿过不同的岩层，在分别测得的不同岩层的岩石力学参数基础上，如何在锚固区范围内综合利用这些参数?（3）隧道锚锚