基于多塊體極限平衡算法的隧道錨穩定性分析

劉金秋

摘 要：為了研究懸索橋隧道錨的穩定性，以浙江省官山大橋隧道式錨碇為工程背景進行分析計算。計算錨碇的整體穩定性系數時，根據地質調查建立了圍巖地質概化模型，采用多塊體極限平衡算法定量計算了隧道錨的穩定性系數。結合錨碇圍巖的三維數值分析結論，證明了隧道式錨碇結構參數的合理性和建設條件的適宜性。研究過程和結果可為同類工程提供借鑒。

關鍵詞：懸索橋；隧道錨；平衡分析；穩定性

中圖分類號：U448.25 文獻標志碼：B

Stability Analysis Based on Multiblock Limit Equilibrium Algorithm for Tunnel Anchor

LIU Jinqiu

（Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning， Design & Research， Hangzhou 310006， Zhejiang， China）

Abstract： In order to study the stability of tunneltyped anchorage for suspension bridge， the Guanshan Bridge in Zhejiang Province was taken as the project background for calculation and analysis. When calculating the overall stability coefficient of the anchorage， the geological probability model for surrounding rocks was established based on geological research， and multiblock limit equilibrium algorithm was adopted for quantitative calculation. Combined with the conclusion of 3D numerical analysis of the surrounding rocks， the reasonabilityof tunneltyped anchorages structural parameters and the applicability of construction were proven. The research and its results provide similar projects with reference.

Key words： suspension bridge； tunnel anchor； equilibrium analysis； stability

0 引 言

懸索橋是目前為止跨越能力最大的橋型，錨碇是其主要的承載結構。錨碇主要分重力式錨碇和隧道式錨碇2種類型。盡管重力式錨碇結構受力體系明確，應用較多，但利用隧道式錨碇能與周邊巖體的共同作用，具有工程量小、工程造價低、環境破壞少的特點，因此在一定的地形、地質條件下有較大的優勢。如滬瑞國道主干線貴州省鎮寧至勝境關公路上跨度達1 088 m的壩陵河大橋西岸錨碇[1]；湖南省吉首—茶洞高速公路上跨度達1 176 m的矮寨特大懸索橋茶洞岸錨碇；湖北省滬蓉高速公路榔坪—高坪段上跨度達900 m的四渡河特大橋宜昌岸錨碇[2]。

由于隧道錨的工作原理及巖土工程參數具有不確定性，因此對其穩定性進行研究顯得尤為重要。張奇華等對錨洞巖體采用多方法協同勘察，進行錨碇系統及基巖穩定性分析的技術研究；尹紅星等對錨碇基底基巖與混凝土膠結面的抗剪強度及整個錨碇范圍內基底摩阻力開展試驗研究；張永濤等對中夾巖隨時間的變形規律及敏感性進行研究[35]。國內建造大跨度懸索橋起步較晚，隧道式錨碇采用比例較低，對其力學機理及穩定性評價的方法、手段等有待進一步研究與提高。本文以浙江省岱山縣官山大橋隧道錨為例，介紹基于地質概化模型的穩定性分析方法及結論，以供類似工程參考。

1 工程概況及錨碇結構尺寸擬定

官山大橋位于浙江省舟山市岱山縣，為210 m+580 m+180 m雙塔單跨懸索橋，系省內第二座大跨度懸索橋，并第一次采用隧道式錨碇。

官山側錨碇采用隧道錨形式，初步擬定錨體的幾何參數及特點如下。

（1）主纜中心線水平夾角為40°。

（2）前錨室長為164 m，洞室尺寸（含初期支護噴混凝土厚度）為9.86 m×10 m（寬×高）。

（3）錨塞體長為27 m，前錨面單洞斷面尺寸為986 m×10 m，頂拱半徑為5 m，斷面面積約為88 m2；后錨面尺寸為163 m×16.4 m，頂部圓弧半徑為8.2 m，斷面面積達到239 m2。

（4）后錨室長為165 m，底標高為-8.2 m，位于海平面以下，存在海水通過基巖裂隙侵蝕錨體的可能性。

（5）左右錨體洞室的凈距較小，最小只有9.5 m，最大為160 m。

2 工程地質及概化模型

2.1 地層巖性及地質構造

官山大橋隧道錨所在部位地表出露巖層主要為九里坪組，巖性為酸性熔巖-流紋斑巖，與下伏地層呈火山噴發不整合接觸，超覆于茶灣組之上。隧道錨周邊共有4條斷層，其中F29斷層分布于官山島東岸近海域部位，長度近1 km，走向為NW330°，傾向為NE，傾角陡，為正斷層，兩側基巖高差4～8 m。推斷斷裂活動時代在第四紀之前，為老斷裂。

隧道錨區節理主要為構造成因次生節理，成組密集出現，共軛分布。在現場采用測線、測窗法及試驗平硐，對錨區結構面進行了精細量測，主要考慮以下4組結構面。

（1）近SN走向為主，產狀84°～86°∠77°～79°，面密度約為0.18 條·m-2。

（2）近EW走向為主，產狀8°～13°∠72°～73°，面密度為0.10 條·m-2。

（3）緩傾角結構面，產狀55°～64°∠20°～27°，面密度為0.15 條·m-2。

（4）傾向西北，傾角40°左右，平均產狀279°∠36°，面密度為0.01 條·m-2，該組節理可能組成隧道錨的底滑面。

2.2 地質概化模型的建立

根據以上結構面的產狀及初步擬定的隧道錨尺寸，建立地質概化模型，如圖1所示。其中近SN走向的巖體結構面組成隧道錨的后緣面，近EW走向的巖體結構面組成隧道錨的側滑面，傾向西北的中傾角巖體結構面組成隧道錨的底滑面。隧道錨位于這3組巖體結構面組成的塊體中時將處于最不利的狀態。

2.3 巖體物理力學參數

根據錨碇部位ZK4相關資料，隧道錨主要位于微風化流紋斑巖中。流紋斑巖呈紫灰色、灰色，其中中風化層局部發育，一般節理較發育，層底標高為1842～5742 m，層厚為26.1～38.7 m，巖塊天然狀態抗壓強度平均值為144.3 MPa，彈性模量平均值為128.0 GPa，波速為2 902～3 897 m·s-1，平均值為3 457.9 m·s-1；微風化層節理較發育，部分不甚發育，巖塊天然狀態抗壓強度平均值為1780 MPa，波速為3 372～4 184 m·s-1，平均值為3 657 m·s-1。

通過現場巖體力學試驗，結合工程巖體分類和質量評價，綜合確定巖體基本物理力學參數和混凝土/巖膠結面、巖體結構面基本力學參數（表1、2），為官山島側隧道錨的穩定性分析論證提供基礎資料。

3 多塊體極限平衡分析

3.1 分析原理

隧道錨圍巖失穩破壞模式雖然具有三維特征，但主要是沿纜索拉力鉛直平面失穩破壞，即隧道錨圍巖失穩破壞模式可以概化成平面失穩模式，如圖2所示。多邊形ABFG為錨塞體，AD和GH分別是上、下破裂面或滑面，α為錨碇夾持角，α1為錨碇底板與下滑面AD的夾角，α2為錨碇頂面與上滑面GH的夾角，γ為錨碇傾角，β為邊坡坡角。由于隧道錨的破壞主要是沿主纜拉力方向的滑移破壞，因此，隧道錨圍巖穩定問題也就轉變為錨碇圍巖的抗滑穩定問題。

沿可能滑動面將圍巖破壞區域分成3塊，即錨塞體滑塊ABFG、上滑塊GFEH和下滑塊ADCB。由于錨室橫向未完全貫通，即上下塊體通過錨碇中隔墻和錨碇外側巖體相連，因此，在滑塊受力分析時，為了真實反映滑塊實際受力，在上下滑塊之間增加一個鉛直方向的相互作用力，在隧道錨滑塊受力分析（圖3）中用N5表示。單個錨碇的主纜拉力為83 000 kN，錨塞體滑塊沿錨碇與混凝土膠結面失穩或滑動，即沿AB和GF滑動，上滑塊沿滑面GH破壞或滑動，下滑塊沿滑面AD破壞或滑動。假設在極限狀態下，所有塊體滑裂面同時達到極限狀態，根據摩爾庫侖定律，建立單個塊體的靜力平衡方程，再聯立多塊體平衡方程求解錨碇圍巖抗滑穩定安全系數。

3.2 分析結果

按照初步擬定的錨碇幾何參數（主要包括錨碇幾何尺寸、錨室深度）、主纜荷載（83 000 kN）與錨碇傾角（40°）、地形條件、路塹邊坡坡角等設計參數，計算不同超載情況下的穩定性系數，結果如圖4所示。可見，超載小于18P時，穩定性系數均大于1.0。并結合三維數值模擬（安全系數大于9），以及參考其他類似工程的安全系數取值范圍，可以確定初擬的隧道錨尺寸安全、隧道錨的建設條件符合要求。

4 結 語

針對官山大橋官山側隧道錨，基于地質概化模型和參數研究基礎，采用多塊體極限平衡分析方法并結合數值分析，對隧道錨及圍巖穩定性進行了分析，取得以下認識。

（1）根據地質概化模型，錨碇及圍巖最可能出現的變形破壞模式為錨碇及上部巖體發生沿巖/混凝土膠結面或松弛巖體的滑動。

（2）多塊體極限平衡分析結果表明，超載小于18P時，隧道錨穩定性系數均大于1.0，并結合三維數值模擬（安全系數大于9），參考其他類似工程的安全系數取值范圍，確定初擬的隧道錨尺寸安全、隧道錨的建設條件符合要求。

官山大橋于2011年底開始建造，2015年9月竣工通車，隧道錨結構的各項變形指標均在合理范圍內。官山大橋隧道錨的工程實踐為類似工程積累了寶貴經驗。

參考文獻：

[1] 趙海斌，于新華，彭運動，等.壩陵河大橋隧道錨圍巖力學特性原位試驗研究[J].河海大學學報：自然科學版，2009，37（6）：680684.

[2] 張奇華，胡建華，陳國平，等.矮寨大橋基礎巖體穩定問題研究[J].巖石力學與工程學，2012，31（12）：24202430.

[3] 汪海濱，高 波，朱栓來，等.四渡河特大橋隧道式錨碇數值模擬[J]. 中國公路學報，2006，19（6）：7378.

[4] 尹紅星，文亞軍.矮寨大橋錨碇基巖摩阻力試驗研究[J].企業技術開發，2009，28（5）：4951.

[5] 張永濤，陳培帥，楊 釗，等.基于時間與空間效應的隧道錨中夾巖墻變形分析[J].施工技術，2014，43（S1）：426429.

[責任編輯：杜衛華]