悬索桥隧道锚技术研究

摘要:跨越山谷大海的桥梁多采用悬索桥型式，而悬索桥主缆锚固结构越来越多地采用隧道式锚固。对隧道锚的施工过程采用FLAC3D有限元软件进行数值分析，以研究隧道锚建设过程中的力学变化情况。

关键词:悬索桥;隧道锚;数值模拟;FLAC3D

近年来，许多跨山跨海大桥采用悬索桥型式，悬索桥的锚碇方式主要包括重力式锚碇和隧道式锚碇。隧道式锚碇拥有造价低、对环境影响小等优点，故被应用的越来越广泛。学者们对隧道式锚啶进行了一些研究，夏才初等人［1］对锚碇设计方案进行现场模型试验，并根据模型试验的结果对隧道锚岩体可能发生的破坏形式进行判定;阳金惠等人［2］对桥梁采用隧道式锚碇与重力式锚碇的优缺点进行对比分析研究;曾钱帮等人［3］对坝陵河的悬索桥采用不同长度的隧道锚锚体进行对比，并利用有限元软件FLAC3D建立模型进行分析;董志宏等人［4］对矮寨悬索桥吉首岸的隧道锚采用有限元软件进行数值模拟，分析了隧道锚在开挖施工过程中塔基与公路隧道的位移及应力。本文采用FLAC3D有限元软件进行数值模拟分析，对隧道锚的工作原理进行了研究。

1隧道锚的工作原理

1．1隧道锚的组成。关于采用地锚式的悬索桥，主缆的锚固主要是在锚碇上，有重力式锚啶与隧道式锚啶，其中隧道锚的组成见图1。1．2隧道锚的长度计算。隧道锚的长度要根据现场围岩情况以及主缆的拉力来确定，同时还要考虑两个锚塞体之间在开挖时相互影响，此外还需要考虑回填混凝土锚塞体的大小。隧道锚的计算可以参考锚杆的拉拔试验进行。具体的长度计算公式见式(1)。图1隧道式锚啶Lm≥槡33PK槡8CUP［τ］(1)式中:Lm表示锚塞体的长度，P表示主缆的设计缆力，K表示隧道锚的安全系数，C表示常参数，UP表示锚塞体的断面周长，［τ］表示接触面的抗剪强度。1．3隧道锚的破坏模式。从理论分析出发，隧道式锚啶的破坏形式主要包括锚塞体结构破坏和锚塞体周围围岩滑动破坏，而根据力学分析及工程经验，锚啶破坏有以下几种，具体见表2。

2有限元模拟

采用FLAC3D软件对隧道锚进行数值模拟，其模拟计算的过程主要包括两个阶段，一是建立分析模型，二是进行模拟并求解，具体如图2所示。2．1几何模型的建立。模型中锚塞体的长度为35m，前锚室的轴线长度为30m，前锚面的高为9．5m，宽为9．5m，后锚室的长度3m，后锚面的高为13m，宽为13m，具体见图3，模型中的参数设置见表3。2．2模拟结果分析。(1)初始应力分析初始应力是指由于自重和构造所产生的应力，本次模拟中仅考虑自重作用下，采用弹塑性模拟进行初始应力的计算，结果见图4。从图4中可以看出，岩体的竖向位移发生在岩体的顶部，出现这样的情况主要是因为在模型中没有建立实际的山坡高度，但这对结构并没有影响，另外从应力图中可以发现，在自重应力的作用下岩体的最大应力出现在结构的底部，其值大约为－3．5MPa。(2)隧道锚开挖后的岩体应力分析对模型中的前锚室、后锚室以及锚塞体进行开挖后，计算岩体应力，其结果见图5。从图5中可以看出，当岩体开挖之后，岩体的应力将发生巨大的变化，在后锚室附近出现应力集中的现象，其中最大的主应力呈现为压应力，其值大约为－0．2～－0．45MPa之间，最小的主应力值大约为－0．2～－0．55MPa之间，在开挖时，需对岩体的顶部加于支护，以保证施工的安全。(3)隧道锚回填后的岩体应力分析对模型中的前锚室、后锚室以及锚塞体进行开挖后，对其进行锚塞体的回填计算，其结果见图6。从图6中可以看出，当岩体在回填之后，岩体的应力依然处于压应力状态，此时其最大的主应力值大约为－0．41～－1MPa之间，最小的主应力值大约为－0．52～－2．85MPa之间，呈现出压应力变大的原因，主要是因为回填的锚塞体处于被挤压的状态，从而导致后锚室的应力集中加剧，应力加大。(4)隧道锚的锚塞体施加拉应力后的应力分析对模型中的前锚室、后锚室以及锚塞体进行开挖后，对其回填的锚塞体施加张拉预应力，其计算结果见图7。从图7中可以看出，对岩体在回填后的锚塞体施加张拉预应力之后，锚塞体出现局部的拉应力，其值大约为－0．5～－1．1之间，而此时岩体的最大的主应力值大约为－4．2MPa，最小的主应力值大约为－0．5～－4．2MPa之间，锚固体预应力的施加使岩体的应力进一步的增大。(5)隧道锚的主缆施加荷载后的应力分析对模型中的主缆施加荷载后，其计算结果见图8。(a)主缆施加荷载后的最大的主应力图(b)主缆施加荷载后的最小主应力图图8埋深体施加张拉预应力后的计算结果从图8中可以看出，对主缆施加荷载之后，对锚固体的影响并不大，但主缆荷载的施加会使锚固体与岩体的接触面发生相对剪切，接触面之间将会产生剪切应力，施加主缆的荷载后，锚塞体的最大主应力其值大约为0．5(拉应力)至－2．1之间，而此时岩体的最大的主应力值大约为－4．2MPa，最小的主应力值大约为0．5(拉应力)至－4．1MPa之间，在拱顶的部位出现拉应力。

3结论

采用FLAC3D有限元软件对隧道锚从岩体开挖到主缆荷载施加全过程所产生的应力进行分析，结果表明，在隧道锚施工过程中结构受力总体安全可控，仅需在开挖时对岩体进行必要的支护即可。

参考文献

［1］夏才初，程鸿鑫，李荣强．广东虎门大桥东锚碇现场结构模型试验研究［J］．岩石力学与工程学报，1997(6)．

［2］阳金惠，郭占起，万仁辉，等．隧道式锚碇加锚杆在万州长江二桥锚固系统中的应用［J］．公路，2002(1)．

［3］曾钱帮，王思敬，彭运动，等．坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇锚塞体长度方案比选的数值模拟研究［J］．水文地质工程地质，2005(6)．

［4］董志宏，张奇华，丁秀丽，等．矮寨悬索桥隧道锚碇稳定性数值分析［J］．长江科学院院报，2005(6)．

作者:李铁儒 单位:二秦高速公路张家口管理处