矮寨懸索橋茶洞岸構筑物圍巖及山體穩定性研究

彭建國，張奇華，胡惠華，龍樹威

（1.湖南省交通規劃勘察設計院，湖南長沙 410008;2.長江科學院，湖北 武漢 430010）

矮寨懸索橋茶洞岸構筑物圍巖及山體穩定性研究

彭建國1，張奇華2，胡惠華1，龍樹威1

（1.湖南省交通規劃勘察設計院，湖南長沙 410008;2.長江科學院，湖北 武漢 430010）

調查分析了矮寨特大懸索橋茶洞岸巖體施工期間所暴露的地質缺陷及穩定問題;采用三維數值分析方法，計算了在巖體開挖后、施加主纜荷載后等工況下，隧道錨、索塔基礎與公路隧道圍巖及山體的穩定性，及構筑物相互影響;提出了工程支護的措施。研究結果表明:巖體穩定問題主要集中在橋臺邊坡上，施加工程設計荷載不會對巖體穩定造成明顯影響，構筑物之間相互影響不大;隧道錨因圍巖擠壓效應而產生強大的抗拔能力，其承載能力可能被嚴重低估。

矮寨特大懸索橋;隧道式錨碇;巖體穩定分析;巖體加固;地質分析

1 工程概況

西部交通建設中一些橋梁必須滿足大跨度的要求。懸索橋具有跨越能力強和加勁梁高基本不隨跨徑增加而增高的特點，可有效避免高墩、減少大型基礎工程施工、環境擾動小，是西部山區交通建設的理想橋型。與重力式錨碇相比，懸索橋的隧道式錨碇對于節約投資、避免大規模開挖、保護自然環境方面具有明顯優勢。目前，國內外大型懸索橋的建設經驗還不多，隧道式錨碇圍巖穩定及變形破壞模式的認識還不夠清楚，因此可能保守地將隧道錨改成重力錨。

針對隧道錨圍巖變形破壞特點及承載能力問題，文獻［1～6］進行了不同比尺的隧道錨現場模型試驗，討論了錨碇圍巖變形、荷載傳遞與破壞模式等方面的問題。文獻［7～9］采用數值方法研究了錨碇圍巖穩定，以及各構筑物相互影響及山體系統變形穩定等問題。

吉首—茶洞高速公路是長沙—重慶公路通道的組成部分，矮寨特大懸索橋是吉茶高速公路的控制性工程。該橋跨越湖南省吉首市矮寨鎮附近的山谷，橋面設計標高與地面高差約330 m。大橋西北端為茶洞岸，采用隧道式錨碇，東南端為吉首岸，采用重力式錨碇。橋長1 009.04 m，索塔間距1 176 m，為目前國內在建的最大跨度懸索橋。錨碇荷載2×280 MN，索塔荷載2×540 MN。茶洞岸公路隧道位于錨碇和索塔下部，如圖1。

圖1 茶洞岸橋軸線剖面地質與設計概要Fig.1 Geology and design sketch of bridge axis section of Chadong bank

首先對施工期巖體開挖揭露的地質缺陷進行分析，然后采用三維數值分析方法，對巖體開挖后、施加主纜荷載后等工況下，隧道錨、索塔基礎與公路隧道圍巖及山體穩定性進行了計算，并分析了構筑物相互影響。在此基礎上，對工程巖體所需的支護措施進行了設計。

2 施工開挖后地質情況

橋位區地形地質條件復雜。兩岸山坡陡峭，呈峰林地貌形態。巖體為寒武系灰巖、白云巖，巖性堅硬，巖層平緩，層面較為發育且存在少量層間剪切帶，巖體中普遍發育有2組陡傾角節理裂隙。在長期風化、卸荷等作用下，巖體坡面一定的范圍內發育有風化卸荷帶、溶蝕裂縫，且還有一些難以探明的巖溶等。這些地質缺陷破壞了巖體的完整性并降低了巖體的強度，影響邊坡及山體的穩定，從而可能對錨碇、塔基和公路隧道等構筑物的穩定性帶來隱患。

茶洞岸橋臺邊坡（圖1）開挖深度達46 m，開挖邊坡正面坡高度約62 m，兩側邊坡高10～62 m，分兩級邊坡，開挖坡比為 1∶0.3，按照 JTG D 70—2004《公路隧道設計規范》，該坡比已超出了設計要求，且橋臺邊坡頂離塔基邊緣較近（約60 m）。開挖巖體均為弱～微風化灰巖，按隧道圍巖分級一般為Ⅲ級。邊坡巖體主要地質缺陷（圖2）有:①層面（少量層間剪切帶）;②2組陡傾角節理裂隙;③風化卸荷帶;④多個溶洞;⑤基本平行坡面的卸荷溶蝕裂縫（L19、L20、T38等）;⑥5條縱向溶蝕裂縫。邊坡巖體完整性相對較差。

圖2 橋臺邊坡巖體縱向裂縫發育情況Fig.2 Longitudinal fractures appearance of the abutment slope

塔基開挖后，基坑周邊巖體，以及塔基與橋臺邊坡之間一定范圍內，未見較明顯的溶蝕現象（圖3），這樣對塔基穩定是有利的，溶蝕缺陷主要發育于距邊坡坡面一定范圍內。

圖3 左塔基坑巖體性狀Fig.3 Rock mass characteristics of left caber tower foundation

隧道錨錨洞開挖后，洞壁未發現明顯溶蝕現象。右錨洞錨塞體前端沿溶蝕裂縫L21發育有落水洞4，但該落水洞往下延伸至錨塞體內時基本已消失，L21延伸至錨塞體內后呈閉合狀。

公路隧道左洞左側壁發育有溶洞17，溶洞沿走向長約20 m，中間溶腔直徑達5.0 m，主要呈溶縫狀發育，寬度一般小于1.5 m，從隧道底板往地面延伸在10 m以上。

3 穩定分析研究的關鍵問題

初設階段及施工圖設計階段，采用三維數值分析、塊體理論等方法進行了多次計算分析，為橋位線的比選、錨碇圍巖穩定性及設計優化、各構筑物圍巖穩定及相互作用，以及邊坡山體穩定性論證等提供了依據。主要工作有以下幾方面:

1）錨碇圍巖穩定性，錨碇承載能力及安全度;

2）索塔基礎穩定性，尤其是索塔荷載對下部公路隧道穩定的影響;

3）公路隧道圍巖穩定性及所需的支護措施;

4）錨碇、索塔設計荷載對巖體穩定性的影響;

5）橋臺邊坡穩定性，所需加固措施;

6）山體穩定性評價。

4 茶洞岸數值模擬分析

4.1 地質概化與數值分析模型

根據地質資料及施工期現場勘查情況，對工程地質條件進行概化，并建立數值分析模型，采用三維FLAC進行模擬計算。

巖體中劃分了微新巖體與風化卸荷帶。針對巖體中廣泛存在的層面，ubiquitous-joint plasticity模型模擬巖層在不同方向上力學性能的差異性（正交各向異性），即垂直層面與平行層面上，巖體的抗剪強度不同，沿層面破壞時，取為層面強度參數，垂直層面破壞時，取巖體綜合強度參數。

巖體中存在兩組陡傾角節理，其影響通過工程巖體分級和現場巖體力學試驗等方法，以宏觀巖體力學等效參數進行概化。

在橋臺開挖邊坡中部考慮了層間剪切帶，剪切帶通過了錨塞體中部，可以模擬層間剪切帶對錨碇抗拔能力的影響。

橋臺邊坡一側平行坡面的溶蝕性裂縫（L19、L20、T38等）在邊坡坡頂及向坡內的延伸情況難以確切調查清楚，而這些裂縫作為邊坡相對不穩定區的切割邊界，其發育性狀對邊坡穩定及支護量具有較大影響。在穩定分析中，為安全起見，考慮平行坡面的3條裂縫對邊坡巖體完全切割，并作為有一定連通率的溶蝕裂縫（具有一定的宏觀抗剪強度，視溶蝕導致裂縫張開情況而不同，但由于溶蝕情況和連通率難以準確勘察，需根據經驗進行估計），裂縫延伸至公路隧道上方。

根據邊坡開挖揭露的5條縱向溶縫情況確定其延伸范圍的寬度，這樣，可以較全面模擬橋頭邊坡受溶蝕裂縫多次切割后的穩定性。

錨碇圍巖模擬了L21的影響;公路隧道處模擬了左側溶洞17的影響。

模型中模擬了兩個錨碇（包括散索鞍）、塔基及公路隧洞。隧道錨洞開挖后，在圍巖一定深度范圍內可以形成松動圈，計算模型（圖4）考慮了松動圈的力學強度有一定程度的降低。

由于隧道錨和塔基位于山體淺表部位，因而計算時巖體的初始應力場按自重場考慮。

圖4 數值計算模型（左錨碇中心線剖面）Fig.4 Numerical calculation model（left anchorage center line section）

4.2 計算參數

在參考試驗資料的基礎上，結合對開挖巖體實際性狀的現場認識，并類比相似工程巖體的參數取值，確定出計算采用的巖體力學參數，如表1。

表1 計算采用的巖體力學參數Table 1 Rock mechanical parameters used in calculation

對比 GB 50218—94《工程巖體分級標準》［10］，并類比相似工程巖體的分級結果，表1給出的微新巖體為Ⅲ級，卸荷風化帶巖體為Ⅳ級;層間剪切帶高參時為Ⅲ級下，低參為Ⅳ級;T38、L19裂縫為Ⅱ級～Ⅲ級;L20、L21、邊坡外側裂縫作為有一定連通率的溶蝕裂縫考慮，強度為Ⅲ級結構面，由于裂縫在宏觀上并非完全脫空而有一定的介質相連，因此宏觀上考慮為模量很低的連續介質。根據目前在現場對巖體及地質缺陷的認識，可以認為參數的取值和地質缺陷的分析處理是較為合理安全的。

4.3 計算模擬步驟

1）原始山體應力模擬;

2）錨洞、公路隧道和索塔基礎的施工開挖;

3）橋臺邊坡錨索支護模擬及優化分析;

4）錨碇混凝土建造;

5）錨碇、主塔施加設計荷載;

6）錨碇超載模擬試驗，按3P（設計荷載的3倍）、5P逐步施加超載。

4.4 數值計算成果分析及支護建議

4.4.1 巖體開挖后

錨洞、塔基和公路隧道施工開挖后的變形情況見圖5、圖6。橋臺邊坡開挖后巖體卸荷回彈，最大變形約4.5 mm。公路隧道底板回彈變形約為2～3 mm。受平行坡面的陡傾角溶蝕裂縫及縱向溶縫的共同影響，L20內外側、以及縱向溶縫兩側巖體變形呈現一定的不連續特征。從圖5、圖6可以看出，錨洞、塔基和公路隧道開挖引起的變形之間的聯系不太明顯。

錨洞開挖引起圍巖的塑性區分布較為連續，延伸深度一般為4～6 m（圖7），而洞口上方巖體的塑性區分布廣泛且深度較大，因此錨洞洞周巖體宜進行噴錨支護，洞口上方巖體宜采用鋼拱架等加強支護。

圖5 巖體開挖后位移矢量（左錨碇中心線剖面）Fig.5 Displacement vector after rock mass excavation（left anchorage center line section）

圖6 巖體開挖后位移等色區（右錨碇中心線剖面）Fig.6 Displacement cloudscape after rock mass excavation（right anchorage center line section）

公路隧道開挖引起圍巖應力狀態發生明顯的改變，出現一定的壓應力集中及拉應力區。圍巖塑性區分布較連續，延伸深度一般為4～8 m（圖7），因此需適當支護，并在溶洞17與隧道交匯處宜采用鋼拱架等進行局部加強支護。

橋臺邊坡開挖后L 20外側巖體及隧道頂拱出現較大范圍的塑性區（圖7），巖體穩定性相對較差，因此邊坡及公路隧道入口處應加強支護。

圖7 巖體開挖后塑性區分布（左錨碇中心線剖面）Fig.7 Plastic zone distribution after rock mass excavation（left anchorg r i si）

在邊坡加固設計方案的數值模擬基礎上，結合有關設計及科研經驗，邊坡采用的支護設計方案為:采用500～1 000 kN預應力錨索結合框架梁進行加固，錨索間距為3×3 m，下傾30°布置;錨索長度視不同高程而變。溶縫進行清理回填。隧道出口處長約60 m范圍，采用鋼拱架結合系統錨桿進行支護。

4.4.2 施加工程設計荷載

施加設計荷載后，錨碇圍巖最大變形約1.1 mm，散索鞍處的變形最大值約1.0 mm，索塔基巖的最大變形量約1.8 mm。

錨碇在主纜拉拔力作用下擠壓洞周圍巖，引起錨碇后端面外側的圍巖壓應力有所增大，錨碇底部圍巖有少量新增的塑性區，因此錨碇設計荷載未引起圍巖穩定性發生明顯改變。索塔基巖基本未見新增塑性區。

與開挖后相比，錨碇、塔基等設計荷載未引起巖體的穩定性發生明顯變化。因此開挖后，只要通過加固措施充分保證開挖后的巖體穩定性，在工程荷載作用下，巖體的穩定仍可以滿足設計要求。

索塔荷載引起公路隧道頂拱向下變形，最大變形量約0.6 mm;索塔荷載對下部公路隧道圍巖的應力狀態影響很小，對橋頭邊坡穩定性的影響不太明顯。錨碇施加荷載引起公路隧道的最大變形約為0.2 mm，而對公路隧道周邊圍巖應力分布影響很小。

圖8 施加設計荷載后位移（左錨碇中心剖面）Fig.8 Displacement cloudscape after design load exerted（left anchorage center line section）

4.4.3 錨碇施加模擬超載

隧道錨碇超載至3P、5P后，最大變形分別為4.6 mm和10.4 mm。通過超載后錨碇圍巖的變形分析可知，錨碇圍巖作為整體性受力體，能夠提供強大的抗拉拔能力，若地質缺陷沒有連接成完整的破壞面，錨碇圍巖仍將通過“整體效應”而聯合受力，使得較大范圍巖體均能夠提供“抗力”。

隨著超載力的增大，錨碇圍巖的應力狀態改變也越明顯。錨體后部附近圍巖的最大主應力由壓應力狀態變化為拉應力狀態（錨洞圍巖的拉應力區范圍明顯增大）。總體上，錨碇超載5P后沒有引起圍巖應力狀態發生較大改變，顯示了圍巖作為整體性受力體，能夠提供較大的富余抗拉拔能力。

與設計荷載條件下相比，隨著超載力的增大，錨體與圍巖接觸帶以及附近圍巖的塑性區范圍也相應增加;當超載至5～7P時，接觸帶及松動圈塑性區基本貫通。但隨著超載增加，圍巖并未出現明顯的大變形或塑性區大面積貫通，顯示了隧道錨因圍巖“擠壓效應”（“夾持效應”）而產生強大的抗拔能力，隧道錨承載能力在目前設計中可能被嚴重低估。

5 結語

1）茶洞岸隧道錨碇圍巖、索塔基巖的穩定性較好，在設計荷載作用下的穩定條件仍較好。工程巖體穩定問題主要集中在橋臺邊坡上。通過適當的加固措施，可以保證巖體穩定。

2）設計荷載不會對巖體穩定造成明顯影響，因此只要保證開挖后巖體穩定，設計荷載作用下巖體穩定性可以得到保證。

3）除公路隧道進口與橋臺邊坡之間，各構筑物之間相互影響不明顯，有利于巖體穩定。

4）超載數值模擬試驗表明，隨著超載增加，隧道錨圍巖并未出現明顯的大變形或塑性區大面積貫通，顯示了隧道錨因圍巖“擠壓效應”（“夾持效應”）可以提供強大的抗拔能力。

（References）:

［1］ 夏才初，程鴻鑫，李榮強.廣東虎門大橋東錨碇現場結構模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，1997，16（6）:571-576.

XIA Cai-chu，CHENG Hong-xin，LI Rong-qiang.Testing study of field structure model of the east anchorage of Guangdong Humen Bridge［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1997，16（6）:571-576.

［2］ 肖本職，吳相超，彭朝全.重慶鵝公巖大橋隧道錨碇圍巖穩定性［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（增刊2）:5591-5597.

XIAO Ben-zhi，WU Xiang-chao，PENG Chao-quan.Stability of the anchorage wall rock of tunnel for Chongqing Egongyan Bridge［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（Supp2）:5591-5597.

［3］ 朱杰兵，鄔愛清，黃正加，等.四渡河特大懸索橋隧道錨模型拉拔試驗研究［J］.長江科學院院報，2006，23（4）:51-55.

ZHU Jie-bing，WU Ai-qing，HUANG Zheng-jia，et al.Pulling test of anchorage model of Siduhe suspension bridge［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2006，23（4）:51-55.

［4］ 鄔愛清，彭元誠，黃正加，等.超大跨度懸索橋隧道錨承載特性的巖石力學綜合研究［J］.巖石力學與工程學報，2010，29（3）:433-441.

WU Ai-qing，PENG Yuan-cheng，HUANG Zheng-jia，et al.Rock mechanics comprehensive study of bearing capacity characteristics of tunnel anchorage for super-large span suspension bridge［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（3）:433-441.

［5］ 汪海濱，高波.懸索橋隧道式復合錨錠承載力計算方法［J］.東南大學學報:自然科學版，2005，35（增刊1）:89-94.

WANG Hai-bin，GAO Bo.Calculation method of bearing capacity of compound tunnel anchorage system of suspension bridge ［J］.Journal ofSoutheastUniversity:NaturalScience， 2005， 35（Supp1）:89-94.

［6］ 胡波，曾錢幫，饒旦，等.錨碇-圍巖系統在拉剪復合應力條件下的變形規律及破壞機制研究:以壩陵河特大巖錨懸索橋為例［J］.巖石力學工程學報，2007，26（4）:712-719.

HU Bo，ZENG Qian-bang，RAO Dan，et al.Study on deformation law and failure mechanism of anchorage-surrounding rock system under tensile-shear complex stresses:Taking super-large suspension bridge on Baling River for example ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（4）:712-719.

［7］ 曾錢幫，王思敬，彭運動，等.壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇錨塞體長度方案比選的數值模擬研究［J］.水文地質工程地質，2005，32（6）:66-70.

ZENG Qian-bang，WANG Si-jing，PENG Yun-dong，et al.Numerical simulation on scheme comparison between two concreteplug lengths of west tunnel-type anchorage of Balinghe suspension bridge［J］.Hydrogeology and Engineering Geology，2005，32（6）:66-70.

［8］ 衛軍，李昊，楊曼娟，等.基于ABAQUS平臺的四渡河懸索橋隧道錨圍巖穩定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（增刊1）:4894-4899.

WEI Jun，LI Hao，YANG Man-juan，et al.Stability analysis of rock around tunnel-type anchorage of Siduhe suspension bridge based on ABAQUS software［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（Supp1）:4894-4899.

［9］ 董志宏，張奇華，丁秀麗，等.矮寨懸索橋隧道錨碇穩定性數值分析［J］.長江科學院院報，2005，22（6）:54-58.

DONG Zhi-hong，ZHANG Qi-hua，DING Xiu-li，et al.Numerical analysis of rock mass stability in tunnel anchorage of Aizhai Bridge［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2005，22（6）:54-58.

［10］ GB 50218—94工程巖體分級標準［S］.北京:中國計劃出版社，1994.

Surrounding Rock Structures and Mountain Stability of Chadong Bank of the Aizhai Suspension Bridge

PENG Jian-guo1，ZHANG Qi-hua2，HU Hui-hua1，LONG Shu-wei1
（1.Hunan Provincial Communications Planning，Survey＆ Design Institute，Changsha 410008，Hunan，China;
2.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，Hubei，China）

Geological defects and stability problems of Chadong bank of Aizhai Super Suspension Bridge exposed in the excavation are investigated and analyzed.Based on these，by means of three-dimensional numerical analysis，surrounding rock stability of tunnel-type anchorage，caber tower and highway tunnel，as well as mountain stability are analyzed in different construction stages，including the condition stage after the rock mass excavation and the exertion of design load.Rock mass reinforcement is designed based on the results of numerical analysis.Analysis results show that stability problems focus on the stability of abutment slope，the influence of the design load on stability of rock mass is very limited，and mutual effects between structures are also limited.Tunnel-type anchorage can generate very huge pull-resistance force，which is caused by surrounding rock mass’‘squeezing effect’and the bearing capacity of tunnel-type anchorage may be underestimated severely.

Aizhai Super Suspension Bridge;tunnel-type anchorage;rock mass stability analysis;rock mass reinforcement;geological analysis

TU 45

A

1674-0696（2011）06-1298-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.09

2011-03-02;

2011-07-25

交通運輸部西部交通建設科技項目（200631879846）

彭建國（1964-），男，湖南長沙人，高級工程師，碩士，主要從事公路橋梁勘察設計方面的研究。E-mail:pengjianguo@hnjtsjy.com。