李賢達(dá)

（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(jìn)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(jì)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(jì)：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(yàn)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(duì)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(shí)效特性，采用二維有限差分軟件ANSYS對(duì)該大橋隧道錨碇系統(tǒng)進(jìn)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(jì)算模型,對(duì)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(jìn)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(shí)際地形、地貌、工程巖體特性和錨碇實(shí)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(jìn)行模擬。主纜荷載按荷載作用方式通過施加多個(gè)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(gè)單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 495個(gè)。其網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格圖

3.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)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(jí)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(jì)算采用二維平面單元模擬，因此對(duì)荷載進(jìn)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(duì)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(duì)預(yù)埋拉桿上，主索拉力約為60 MN。靜力計(jì)算，只對(duì)模型施加重力場(chǎng)，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(shí)對(duì)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(gè)角點(diǎn)。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(duì)錨碇的影響隨深度減小，應(yīng)力隨深度的增加不斷擴(kuò)散。分析錨碇y方向可見，錨碇y方向影響趨勢(shì)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(gè)角點(diǎn)，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(diǎn)處。橫向角鋼，有部分為承受壓力，支撐錨碇自身強(qiáng)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(duì)該懸索橋隧道錨碇及其圍巖進(jìn)行二維彈塑性數(shù)值模擬分析。計(jì)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(dāng)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(jì)算結(jié)果以圍巖地質(zhì)較差的南岸為例進(jìn)行說明，對(duì)北岸進(jìn)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(bào)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(yùn)營過程中進(jìn)行錨碇體及周圍巖體變形監(jiān)測(cè)是很重要的。