彎折型隧道錨的最優(yōu)結構型式研究

廖明進,張?zhí)嵣?鄧 琴,湯 華

(1.武漢科技大學,湖北 武漢 430065;2.中國科學院武漢巖土力學研究所,湖北 武漢 430071)

懸索橋的錨碇可分為地錨式和自錨式兩大類,而地錨式錨碇又分為重力式錨碇和隧道式錨碇[1-2],重力式錨碇主要依靠錨體重量和地基的摩阻力共同抵抗橋纜拉力[3];而隧道式錨碇則是通過在山體中開挖澆筑的倒楔形錨體帶動大范圍巖體共同抵抗橋纜拉力,具有強大的承載能力[4-5]。相對于重力錨,隧道錨能更充分地利用錨固區(qū)地質條件來抵抗主纜拉力,其錨固區(qū)開挖量更小,錨體混凝土用量更少,工程造價更低。因此在工程建設中,隧道錨擁有性價比高、對巖體擾動小、對環(huán)境破壞小等優(yōu)勢,多用于巖體性質較穩(wěn)定的山區(qū)[6]。

目前,針對隧道錨的結構優(yōu)化和承載特性已有許多研究。張宜虎等[7]通過對多個隧道錨工程開展的專題研究成果進行總結,指出目前已建和在建大部分隧道錨在設計荷載下的變形為mm級,變形量值遠小于規(guī)范中錨碇的允許變形,大部分隧道錨具有7倍以上超載穩(wěn)定性系數(shù),目前已建和在建隧道錨具有較大安全裕度,隧道錨設計存在比較大的優(yōu)化空間。王東英等[8]通過數(shù)值試驗研究了隧道錨埋深和楔形角對其初始承載力和極限承載力的影響,認為錨碇結構存在優(yōu)勢角。廖明進等[9]綜合模型試驗和數(shù)值仿真分析結果,指出隧道錨承載力的主要影響因素由大至小的排序為:圍巖強度、埋深、隧道錨長度,在隧道錨優(yōu)化設計中,可以優(yōu)先考慮縮短錨洞長度。

從以上分析來看,隧道錨的錨體長度、埋深、以及楔形角等對隧道錨的承載能力以及變形情況都有不同程度的影響,長度較短的錨體其承載能力會有所下降,為了能在減小錨體體積的同時滿足其設計要求的承載力和穩(wěn)定性,現(xiàn)提出一種新型的彎折型式隧道錨,該結構通過改進錨塞體的形態(tài)達到縮小原錨體體積,降低混凝土用量和充分利用周圍巖體抗拔提高錨體承載性能的目的。采用數(shù)值模擬方法研究其承載特性,并與常規(guī)錨體承載性能進行對比,為隧道錨結構優(yōu)化提供一種可行的設計方案。

1 工程背景

依托云南省某大橋隧道錨工程展開分析研究,該工程橋梁設計為整體式橋梁,橋面凈寬 23.5 m,南岸主墩塔高154.3 m,北岸主塔高 162.2 m,主橋為單跨懸索橋,橋長964 m,主纜設計荷載約98 MN。該橋南岸采用隧道式錨碇,隧道錨軸線傾角為40°,大纜合力線間距26.0 m,錨塞體長度為35.0 m,前錨室長度為30.0 m,后錨室長度為3.0 m。錨塞體斷面為城門洞形,前錨面高和寬均為9.5 m,后錨面高和寬均為13 m。

該工程隧道錨岸坡,總體上緩下陡,相對高差553.5 m,中上部地形坡角35°～56°,中下部至溝底為高250 m～300 m的灰?guī)r陡崖,植被稀少。隧道錨區(qū)位于走向南西山脊,地面高程1 805 m～1 835 m,地形坡度30°～35°。順山脊北西側發(fā)育一沖溝,深切約80 m。左側錨碇順走向南西的小沖溝展布,沖溝寬約10 m,切割深度約5 m。地層巖性為石炭系上統(tǒng)馬平組C3mp白云質灰?guī)r、白云巖,巖層產狀230°～260°∠5°～10°,平緩。地表淺部溶蝕強烈,裂隙發(fā)育,巖體較破碎,0～20 m為Ⅳ～Ⅴ類,20 m～40 m為Ⅲ～Ⅳ類,40 m以下為Ⅲ類。錨址區(qū)地質剖面圖見圖1。初步地質調查表明,錨碇區(qū)陡傾裂隙切割形成塊狀結構,隧道錨兩側與隧道平行,后部與隧道接近垂直,主纜張力作用下,沿緩傾層理面滑移。同時,整體邊坡上部為強溶蝕巖體,厚約8 m～10 m,下部為弱及微溶蝕巖體,陡傾結構面,巖層傾角5°～10°,巖層走向與普立大溝走向小角度相交,傾向230°,與岸坡坡向基本一致,為順層巖質邊坡。整體邊坡由傾向SW的順坡向結構面、傾向SE及NW的結構面及邊坡開挖面組合,塊體穩(wěn)定性受順坡向結構面發(fā)育控制。

圖1 錨址區(qū)地質剖面圖(單位:m)

2 不同結構型式的隧道錨承載機理

2.1 常規(guī)隧道錨

隧道式錨碇是由混凝土錨塞體和周圍巖體共同作用的一個復雜的受力體[10],其受力簡圖如圖2所示,隧道錨橫截面呈城門洞形,錨體為底部大上部小的塞狀楔形體,在承受主纜設計荷載時,錨體有向外運動趨勢,使其與圍巖發(fā)生相互作用,兩者界面上產生的巨大摩阻力以及圍巖壓力使錨碇帶動圍巖共同分擔外拔荷載,故其抗拔承載力較等截面錨碇有較大提高,這一現(xiàn)象即為楔形效應[11-12]。錨體及圍巖受到主纜傳遞的巨大拉力,其破壞模式有許多種,其中較為常見的是錨體與圍巖之間發(fā)生滑移破壞或錨體產生的倒楔形破壞[13]。

圖2 常規(guī)隧道錨受力簡圖

2.2 彎折型隧道錨

隧道錨屬于錨固型式的一種,參照另一種材料的錨固型式-鋼筋錨固,對其結構做出優(yōu)化。《混凝土結構設計規(guī)范》[14](GB 50010—2010)中提到了兩種類型的受拉鋼筋錨固如圖3,為了既減小鋼筋水平錨固長度又能滿足工程要求的錨固性能,將圖3(a)中的直錨尾部進行一定角度的彎折處理變?yōu)閺濆^如圖3(b)。在鋼筋前端承受拉拔力作用時,這種彎折鋼筋后端的彎鉤內側與混凝土之間形成承壓面,并產生擠壓阻移作用,使末端彎鉤鉤住彎弧內側的混凝土,在利用前端鋼筋的握裹作用抗拔的同時,充分利用錨固區(qū)內鋼筋后端部的阻移體形成擠壓阻移作用來實現(xiàn)錨固效果,鋼筋彎錨端部的鋼筋彎折部分可以在某種程度上延遲抗拔錐裂面的延展,從而提高了錨固區(qū)的整體延性[15]。

圖3 不同結構的抗拉鋼筋錨固

依據(jù)彎折鋼筋錨固的設計原理,對常規(guī)隧道錨的下半部進行一定角度的彎折,使其變?yōu)閺澱坌退淼厘^,其受力模型如圖4。在承受橋梁設計攬力時,彎折隧道錨后段錨體受到的圍巖壓力的方向隨著彎折角度(與水平線夾角)的增加逐漸向水平方向轉變,在90°時達到水平。這使得整個后段錨體成為阻移體,充分利用圍巖的擠壓作用來減小錨體水平位移趨勢,防止隧道錨被“拉出”。由于彎折型隧道錨保留了原始隧道錨的楔形角度,其在受到橋纜拉力作用時,依然能夠利用錨體的楔形效應帶動周圍巖體參與抗拔。

圖4 彎折隧道錨受力簡圖

3 彎折型隧道錨最優(yōu)結構型式研究

彎折型隧道錨作為一種新型錨碇結構,其承載機制和受力機理還需進一步深入研究,為了找出最優(yōu)的彎折型隧道錨結構型式,現(xiàn)對彎折型隧道錨進行結構劃分,保持彎折型隧道錨后錨面埋深、后錨面面積以及楔形角不變且均與原始錨體相同,改變前、后錨體軸線長度和后錨體彎折角度進行組合,一共劃分為80種結構型式的隧道錨。由于計算模型較多,若采用三維數(shù)值模擬則耗時較長且不便于比較,而二維數(shù)值模擬具有模型簡單、計算快捷以及能夠反映影響因素變化規(guī)律等特點,故利用二維有限元軟件Phase2進行數(shù)值模擬,綜合對比各結構型式的極限承載力、前錨面和后錨面的位移以及整體應力,找出最優(yōu)方案。

3.1 模型參數(shù)及計算方案

在phase2軟件中建立不同結構隧道錨數(shù)值分析模型,采用6節(jié)點的三角網格剖分,隧道錨整體模型共劃分為10 086個單元和20 508個節(jié)點。邊界條件采用底面固定約束,側面法向約束,地表自由。所建立坡體模型底部長195 m,左側邊界高210 m,右側邊界高112.5 m;原始錨體傾斜角度(與水平地面夾角)為40°,后錨面長度為13 m,前錨面長9.5 m,錨塞體整體長35 m;所有彎折型隧道錨保持后錨面埋深、后錨面面積以及楔形角不變且均與原始錨體相同,取前錨體軸線長度分別為4 m、6 m、8 m、10 m,后錨體軸線長度分別為8 m、10 m、12 m、14 m,彎折角度(與水平線夾角)分別為50°、60°、70°、80°、90°進行組合共分為80種不同結構型式。由于隧道錨周圍巖體以強至微風化溶蝕帶灰?guī)r為主,計算時可將錨碇圍巖考慮為均質巖體,同時根據(jù)地質勘測資料和工程計算經驗,最終確定圍巖計算參數(shù)采用表1中參數(shù),錨塞體采用C40混凝土力學參數(shù)作為計算參數(shù)。圖5(a)為常規(guī)隧道錨計算模型,圖5(b)為前錨體長8 m、后錨體長10 m、彎折角度90°的彎折型隧道錨數(shù)值模型。

表1 材料強度參數(shù)

圖5 不同結構隧道錨數(shù)值模型

施加荷載時,將98 MN的設計荷載作為1P荷載以均布面力形式采用后推法施加于錨塞體底面[16],以1P,2P,3P…遞增的形式逐級增大施加荷載直至數(shù)值計算無法收斂,此時可認為圍巖發(fā)生破壞,隧道錨達到極限承載力[17],以此為基準展開對不同結構隧道錨的超載計算。

3.2 數(shù)值模擬結果及分析

3.2.1 極限承載力

不同結構隧道錨的極限承載力變化如圖6所示。對于常規(guī)隧道錨,其極限承載力可達到19倍設計荷載。對于總長度相同的隧道錨,其極限承載力表現(xiàn)為隨彎折角度增大而增大,在后錨體彎折角度達70°時極限承載力達到或超過常規(guī)隧道錨極限承載力,在后錨體彎折角度達90°時極限承載力達到最大,最大值為25倍設計荷載,相較于常規(guī)隧道錨最大提升約30%。隧道錨彎折角度不變時,極限承載力隨前段錨體長度增長略有降低,隨后段錨體長度增長略有提升,其提升幅度最大為10%。由此可以看出長度對隧道錨極限承載力影響較小,彎折角度為隧道錨極限承載力主要影響因素。

圖6 極限承載力變化曲線

3.2.2 前、后錨面位移

由于1P設計荷載下模型整體位移非常小,不利于對比和選取,現(xiàn)取10P荷載下模型進行分析,此荷載下所有模型均未出現(xiàn)明顯塑性區(qū),可認為此時所有模型均處于安全狀態(tài),此時的前、后錨面中心點軸心方向位移如圖7、圖8所示。

圖7 前錨面中心點位移曲線

圖8 后錨面中心點位移曲線

由隧道錨前錨面中心位移曲線可以看出,常規(guī)隧道錨前錨面位移為4.05 mm,不同結構彎折型隧道錨前錨面位移均在彎折角為90°時達到最小,最小值為3.62 mm,小于常規(guī)隧道錨的前錨面位移。彎折型隧道錨前錨面位移增量隨彎折角度增大呈明顯減小趨勢,這是因為隨著彎折角度增大,隧道錨整體變位方向逐漸變?yōu)榇怪狈较?水平位移逐漸減小,使得其前錨面沿錨體軸心方向位移減小,抗滑移性能得到提升,更多地帶動錨碇周圍巖體抵抗橋纜拉拔力,使得錨塞體更難被拉出。

由隧道錨后錨面中心位移曲線可以看出,多數(shù)類型的彎折型隧道錨位移呈現(xiàn)隨著彎折角度先增大后減小的趨勢,其位移在70°時達到最大,90°時最小。由于彎折型隧道錨整體長度均小于常規(guī)隧道錨,彎折隧道錨后錨面位移均略大于常規(guī)隧道錨位移,在10P荷載下常規(guī)隧道錨后錨面位移為6.54 mm,不同結構彎折型隧道錨后錨面位移最小為7.23 mm,與常規(guī)隧道錨位移最小差距僅為0.70 mm。

3.2.3 整體應力大小及分布

綜合不同結構隧道錨前、后錨面中心點位移和不同結構隧道錨的承載力變化特征,彎折型隧道錨在整體長度18 m～24 m,彎折角度90°時前錨面位移小于常規(guī)隧道錨,且后錨面位移相對其他情況有所減小,承載力相對其他情況提升幅度較大,可認為隧道錨彎折角度90°,整體長度18 m～24 m較為合適。選擇符合以上要求的錨體對其整體應力最大值和分布情況進行比較,拉、壓應力的最大值如表2所示。

表2 10P荷載下隧道錨整體最大應力

依據(jù)地質勘查資料以及《規(guī)范》[14],隧道錨錨體混凝土的抗拉強度為1.71 MPa,抗壓強度為19.1 MPa;圍巖的抗拉強度約為1.0 MPa,抗壓強度超過20 MPa。由表2可見,在承受10P設計荷載時,所有結構隧道錨的整體最大拉、壓應力值均小于圍巖和錨體的抗拉強度和抗壓強度,由此可認為在承受設計攬力時所有結構隧道錨抗拉、抗壓性能情況均滿足設計要求。故可選擇錨體長度最短,且拉、壓應力相對較小的結構。在綜合錨體長度和拉、壓應力大小兩者因素,選擇前段長8 m、后段長10 m、彎90°的彎折型隧道錨,其整體長度最短,且在等長的其它結構隧道錨中,拉、壓應力最大值最小,分別為0.78 MPa和8.50 MPa。因此,將前段長8 m、后段長10 m、彎90°的彎折型隧道錨與常規(guī)隧道錨進一步比較應力分布情況,兩者的整體應力分布情況如圖9所示。

圖9 不同結構隧道錨應力云圖

由圖9可見,常規(guī)隧道錨最大壓應力約為8.05 MPa,主要分布在錨體后錨面,最大拉應力約為1.05 MPa,分布在錨體前錨面和后錨面兩側巖體,其產生原因主要為隧道錨后錨面為均布荷載施加區(qū)域,其兩側圍巖受到的擾動最大。前段長8 m、后段長10 m、彎90°的彎折型隧道錨最大壓應力為約9.20 MPa,主要分布在錨體后錨面,最大拉應力約為0.90 MPa,分布在后錨面兩側巖體。

3.3 最優(yōu)結構型式及性能提升效果

綜合上述計算結果考慮,前段長8 m、后段長10 m、彎90°的彎折型隧道錨相較常規(guī)隧道錨極限承載力有所提升,前錨面位移增量減小,最大拉應力有所減小且應力分布情況與原始錨體基本一致,故可選擇該結構彎折型錨體作為最佳優(yōu)化結構,其極限承載力為23P標準荷載,而原始錨體的極限承載力為19P標準荷載,其極限承載力相較于原始錨體提升約21%。

將原始隧道錨拆分為兩半,一側可等效為二分之一圓臺,另一側可等效為梯臺;對于彎折型隧道錨,其前段錨體和后段錨體可做同常規(guī)隧道錨相同的拆分處理,連接部位體積約為二分之一高度9 m的柱體,兩種隧道錨各部位尺寸如圖10所示。依據(jù)圓臺、梯臺和柱體體積公式計算得常規(guī)隧道錨體積約為3 986 m3,彎折型隧道錨體積約為2 973 m3。在開挖深度相同的前提下,采用彎折型隧道錨體積可縮小為原始錨碇的75%,可以節(jié)省超過1 000 m3混凝土。

圖10 隧道錨拆分示意圖

4 結 論

(1) 依托云南省某大橋隧道錨工程,通過Phase2軟件對不同結構彎折隧道錨選型的數(shù)值分析結果可看出,錨體軸線長度以及后段錨體彎折角度對隧道錨極限承載力均有一定影響,彎折角度是影響隧道錨極限承載力的主要因素。綜合分析各結構隧道錨的極限承載力、前、后錨面位移以及整體應力分布情況,采用前段錨體長8 m、后段錨體長10 m、彎折角度90°的彎折型隧道錨作為最佳設計結構較為合適。

(2) 采用優(yōu)化的設計結構型式可使極限承載力相較于常規(guī)隧道錨提升約21%,錨體體積縮小為原常規(guī)隧道錨的75%,可節(jié)省約1 000 m3混凝土。

(3) 實際工程中,對隧道錨錨體施加設計荷載前還需施加一定的預應力以提高錨體的剛度,增加其耐久性,本文數(shù)值模擬主要為對比不同結構隧道錨的承載性能差異而采取了簡化分析,未考慮施加的預應力,若要考慮預應力帶來的影響,在數(shù)值模擬中對常規(guī)隧道錨的預應力一般采用在錨碇前、后錨面施加面力的方法進行處理,后續(xù)工作將對彎折型隧道錨的預應力施加做深入研究。