拱橋施工中隧道錨的受力狀態分析及監測*

林新元，董向前，姚晨，張峰

（1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100123；2.陜西省高速公路建設集團公司，陜西西安 710054；3.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東濟南 250061）

拱橋施工中隧道錨的受力狀態分析及監測*

林新元1，董向前2，姚晨3，張峰3

（1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100123；2.陜西省高速公路建設集團公司，陜西西安 710054；3.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東濟南 250061）

隧道錨作為拱橋施工中的臨時構造，其受力影響整橋的施工安全。文中結合某在建鋼管砼拱橋，建立考慮圍巖和隧道錨相互作用的數值計算模型，計算結果顯示隧道錨砼的局部應力過大，提出根據計算結果聯合現場情況，在關鍵位置布置應力傳感器動態監測隧道錨的施工情況并及時反饋給施工單位，以避免安全事故，保證施工安全。

橋梁；拱橋；隧道錨；受力；數值模擬

錨碇作為主要承力結構物，纜上巨大的水平拉力通過索股與錨碇架分散傳到錨塊上，再由錨塊、基礎通過摩阻力傳遞到地基。錨碇有重力錨、隧道錨和土錨等構造形式，其中隧道錨將圍巖與錨碇組成整體共同受力，在結構受力上更為合理，一般在節理較少、巖體力學性能較好的地方使用。

隧道錨的研究方法分為模型試驗和數值模擬，研究內容主要包括隧道錨的極限承載力、穩定性、圍巖與隧道錨的相互作用及隧道錨的安全控制標準等。受環境和成本限制，室內模型試驗通常無法獲得滿意的結果。而數值模擬可考慮多種工況、材料非線性和幾何非線性等情況，其計算成果更能指導工程實際，是一種較理想的研究方法。該文對某在建鋼管砼拱橋施工中隧道錨的受力狀態進行分析。

1 工程概況

該橋位于陜西省漢中市，橋跨布置為2×13 m預制空心板+跨徑262 m鋼管砼拱+2×13 m預制空心板，長314.8 m。所在地區受地質構造及水流切割的影響地形較破碎，地面侵蝕剝蝕強烈，寶雞岸纜索錨碇及基礎為土質地質，漢中岸錨碇區表面覆蓋2 m強風化碎石及土層，下面為中風化大理石地質。

根據該橋所處地形特點，從成本、工期及安全風險等方面考慮，采用纜索吊進行安裝施工。鋼管拱肋采用工廠加工預制段，現場組拼成標準構件，再采用纜索吊運送。單肋縱向分為12個節段，最大重量57 t。

隧道錨總體為楔形錨梁，局部埋設鋼板并連接滑輪用于錨固主索（見圖1）。在隧道內的空間預留孔道用于扣索錨固（見圖2、圖3）。在錨梁的尾部設置鋼梁用于固定鋼板，保證主索索力傳遞到錨碇上（見圖4）。為了保證鋼板與隧道錨的受力安全，在鋼板的縱向預留一定長度無粘結區段（見圖5）。

2 數值分析

采用有限元軟件ABAQUS對漢中岸主洞室錨碇進行分析計算。根據設計圖紙提供的材料及結構參數建立計算模型，考慮到結構體和受力的對稱性，模型取錨碇半結構體。充分考慮計算精度和計算效率的需要，在不影響結果的前提下，計算范圍設為33 m×22.5 m×43.9 m（半長×寬×高，取至地表）。采用ABAQUS中的嵌入功能精確模擬內錨鋼板嵌入砼錨碇的情況，并在內錨鋼板周圍創建6個孔洞模擬扣索。邊界條件上，軸平面設置為對稱約束，其他設置為3個方向約束。根據施工方案，在5個內錨鋼板處建立耦合參考點，將滑輪的等效荷載施加在參考點上，以避免應力集中，更真實地反映實際受力情況。在扣索處同樣建立與扣索邊耦合的參考點來施加拉力，模擬扣索受力情況。結構共劃分為約139 622個單元。錨碇應力計算結果見圖6。

圖1 隧道錨立面圖（單位：mm）

圖2 隧道錨預埋件及預埋孔布置（單位：mm）

圖3 隧道錨扣索錨固立面圖（單位：mm）

圖4 隧道錨俯視圖（單位：mm）

圖5 鋼板與砼的無粘結區域

由圖6可知：錨碇砼最大主拉應力位置為扣索后錨點及錨碇與圍巖的交界面。實際施工中在這些位置布置大量構造鋼筋（見圖7）提高抗拉強度。

圖6 隧道錨應力分析結果（單位：Pa）

圖7 隧道錨的鋼筋構造（單位：mm）

3 現場檢測

在隧道錨計算應力過大的關鍵位置布置應力傳感器，對吊裝施工開展監測，保證隧道錨的受力安全。隧道錨的整體布置見圖8，Ⅰ-Ⅰ截面傳感器沿橫向布置2排共計16個（見圖9），Ⅱ-Ⅱ截面傳感器沿縱向、豎向布置2排共計16個（見圖10）。

圖8 主索錨固立面圖

圖9 隧道錨Ⅰ-Ⅰ截面傳感器布置（單位：mm）

圖10 隧道錨Ⅱ-Ⅱ截面傳感器布置（單位：mm）

在隧道錨砼澆筑完成后，對32個傳感器進行測試，保證所有傳感器均能正常使用。在試吊開始前的施工期內13號、16號傳感器受到損壞無法使用，32號傳感器在后續階段因施工原因遭到破壞無法使用。各傳感器現場采集數據見圖11～14。

圖11 鋼管拱Ⅰ-Ⅰ截面上排應力變化情況

圖12 鋼管拱Ⅰ-Ⅰ截面下排應力變化情況

圖13 鋼管拱Ⅱ-Ⅱ截面豎向應力變化情況

圖14 鋼管拱Ⅱ-Ⅱ截面縱向應力變化情況

應力傳感器采集的數據是主索開始承載、隧道錨開始參與工作時該位置的應力，從中可看出隧道錨參與工作時各位置的應力變化規律，從而對整個隧道錨的安全作出評估。由圖11～14來看，在吊裝第7、第8節段時應力劇增，現場觀測發現裂縫，與施工單位溝通后，得出應力增大原因為吊索同時起吊這兩個節段的鋼管拱，導致隧道錨應力過大。后續節段調整施工方案，應力逐漸減小。

4 結論

（1）通過前期有限元模擬，得到隧道錨應力過大區域，可在這些區域布置鋼筋網提高抗拉強度。

（2）在計算應力過大區域布置傳感器對施工過程進行實時監控，可有效保障施工安全。

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U448.22

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1671-2668（2016）06-0207-03

2016-05-22

陜西省交通運輸廳科技項目（201604）