四溪河特大桥宜昌岸隧道锚承载特性研究

四溪河特大桥宜昌岸隧道锚承载特性研究

1互通隧道锚技术第四大河特桥是上海港高速公路从湖北省宜昌区到恩施段的一座控制区。桥的两岸都很陡，山谷也很深。经论证,设计上采用了跨径900m的一跨过谷悬索桥方案,其桥面与峡谷谷底高差达500m,全桥长1169m。基于桥址区地形地质条件、大桥抗风抗震及施工组织等方面考虑,该悬索桥设计与建设堪称国内目前规模最大、难度最高的山区桥梁工程。为节约投资,保护环境,在锚碇结构设计中充分考虑在岩体承载能力方面挖掘潜力,其宜昌岸锚锭采用了性价比较高的隧道锚结构。隧道锚结构由位于公路中心线两侧的2个镶嵌于宜昌岸斜坡岩体内的隧道锚锭组成。2个隧道锚锭分别与大桥两根主缆相连。单根锚锭设计长度为40m,断面采用变截面城门洞型,前端面尺寸为9.8m×10.9m,后端面尺寸为14m×14m。大桥两根主缆设计载荷为4.2×105kN,该载荷将通过主缆索股传递给隧道锚锭,并由隧道锚锭及其围岩共同承担。悬索桥是一种柔性结构,其隧道锚锭在设计载荷作用下变形状态及其稳定性直接影响悬索桥主塔及整个桥梁体系的稳定性与安全,因此,对隧道锚承载特性的合理评价是整个桥梁设计的关键。采用隧道锚技术解决山区悬索桥主缆载荷的承载问题,是山区桥梁建设在技术上的一个重大发展。隧道锚与围岩承载特性及相关设计标准是桥梁建设中在岩石力学方面提出的新课题。目前,国内有关隧道锚的实际工程经验相对较少,有关机制研究主要是在某一方面进行,未见系统性研究成果。广东虎门大桥开展了隧道锚模型试验,但最终桥梁设计未采用隧道锚方案。重庆鹅公岩大桥在国内首次采用了隧道锚方案,针对隧道锚承载机制,开展了1.0∶12.5的现场实体模型试验(张拉载荷为4.6P,P为设计载荷)。近年来,湖北四渡河大桥、贵州坝陵河大桥及湖南矮寨大桥等相继采用了隧道锚技术,并开展了相关研究[3~9]。本文针对四渡河特大桥宜昌岸隧道锚承载特性问题,采用基于岩石力学的综合研究方法,从围岩地质与力学特性、隧道锚1∶12实体模型试验及隧道锚承载特性数值分析等方面,对隧道锚与围岩岩体变形机制、时效特征及超载安全性等方面开展系统研究。通过实际工程施工过程中的监测实施,对研究成果和结论的合理性进行了验证。研究技术路线及成果可供山区类似桥梁建设借鉴。2试验平洞与大桥轴线为研究四渡河特大桥东岸隧道锚岩体力学特性,在锚碇区附近,开挖了一个长50m的岩体试验平洞。试验平洞轴线与大桥轴线平行,方位为NE91°,断面尺寸为2m×2m。隧道锚围岩地质特征、卸荷带划分、围岩的力学特性及锚锭区岩体质量综合评价等主要结合勘探平洞所提供的条件进行。2.1东翼地层和隧道锚区基岩裂隙发育情况四渡河特大桥桥址区属于中山区构造溶蚀峰丛峡谷地貌单元,河流深切,峡谷两侧坡体陡峻。桥址区位于长阳背斜与水南背斜之间的四渡河次级向斜核部,四渡河东岸处于长阳背斜构造的北西翼,西岸处于水南背斜构造的南东翼,地层由三叠系下统大冶组第二段灰岩(T1d2)组成,岩性主要为微晶灰岩和夹有角砾状灰岩。隧道锚位于东岸一侧,岩层产状为329°~340°∠78°~86°,岩层走向与隧道锚轴线(NE270°)斜交。基岩中主要发育3组裂隙:(1)NNW/NE组,65°~86°∠57°~86°;(2)NNE/SE组,112°~120°∠33°~41°;(3)NNW/SW组,241°~250°∠65°~70°。裂隙一般由次生方解石或钙泥质物充填。对50m试验洞围岩按照规范进行岩体质量分级。结果表明,0~25m洞段为IV级岩体,25~50m洞段为III级岩体。图1为岩体基本质量指标BQ沿洞深分布曲线。2.2岩石学性能试验结果分别在试验平洞不同位置取样,加工成标准岩样进行室内试验。室内岩石物理力学性质试验内容包括物理性试验11组,岩石单轴抗压强度试验20组,单轴压缩变形试验20组,岩石室内三轴试验5组,抗拉强度试验6组,软岩结构面中型直剪试验2组,岩样声波测试16组。岩石的物理性质试验结果为:颗粒密度2.71~2.72g/cm3,平均值2.71g/cm3;天然块体密度2.64~2.69g/cm3,平均值2.67g/cm3;孔隙率0.70~2.97%,平均值1.54%,饱和吸水率在2.0%以内。岩石的室内力学性质试验结果为:饱和单轴抗压强度51.1~108.0MPa,平均值84.0MPa;抗压强度软化系数0.56~0.96,平均值0.78;饱和岩样单轴压缩变形模量19.7~35.8GPa,平均值24.6GPa;抗拉强度平均值3.05MPa;三轴强度c=9.29~26.58MPa,平均值16.70MPa,f=0.94~1.48,平均值1.28。两组结构面中抗剪试验,一组针对破碎带,一组针对软弱夹层。抗剪断强度试验结果,f=0.63~0.74,c=0.27~0.44MPa。试验结果表明,岩石结构面性状和充填物性状是影响抗剪强度的主要因素。2.3岩体变形模量与强度岩体原位力学性质试验内容包括在试验平洞内开展刚性承压板变形试验9点,岩体现场抗剪试验1组6点,岩体与混凝土基岩胶结面抗剪试验1组6点。根据试验平洞范围内揭示的地质条件代表性进行试验布置。现场岩体变形试验获得的变形模量试验值范围为2.37~22.60GPa。其中,在5~6m洞段,变形模量7.4~9.6GPa;15~19m洞段,变形模量13.5~22.6GPa;28~43m洞段,变形模量2.4~7.0GPa。结果显示,岩体变形模量值并未呈现沿洞深岩体卸荷减弱而变形模量相应变大的趋势。岩体变形模量受岩体风化、卸荷及岩体结构等多种因素影响。图2为岩体变形试验代表性试点岩体压力与变形关系曲线。试点编号为Es–101,位于平洞42.8m深处。岩体直剪试验布置在试验段底板,试样尺寸为50cm×50cm×30cm。试验洞段为33~38m。根据对试验结果的整理,岩体抗剪断强度参数值f=2.20,c=1.50MPa,抗剪(摩擦)强度参数f=1.77,c=0.79MPa。图3为岩体直剪试验剪应力与位移关系曲线。混凝土与基岩接触面直剪试验布置在试验洞底板,试验洞段为38~45m。剪切面尺寸为50cm×60cm,混凝土试体按设计强度等级C30制备。根据试验结果,混凝土与基岩接触面抗剪断强度参数值f=1.20,c=1.01MPa,抗剪强度参数f=0.87,c=0.64MPa。图4为混凝土与基岩面剪应力与位移关系曲线。3隧道锚围岩力学参数反演分析为了研究隧道锚在桥梁载荷作用下,锚锭及围岩变形特征、隧道锚承载力安全度水平以及隧道锚在张拉载荷作用下的流变特征,在隧道锚所在位置开展1∶12实体模型试验,并基于实体模型试验结果,进行了隧道锚围岩力学参数反演分析。3.1模型锚锭及参数布置模型锚碇布置在实桥中心线以北61m,与实桥锚碇近似在同一高程990m处。模型锚碇的几何尺寸按1∶12缩小。按比例缩小后的模型锚碇尺寸为:两侧锚体的长度3.33m,两锚体中心距离为2.20m,锚体的前锚面尺寸为0.82m×0.91m(宽×高),后锚面尺寸为1.16m×1.16m(宽×高)。模型锚锭与水平面(锚体受力方向)夹角为35°。图5为模型锚锭及测试布置图。模型锚碇的制作过程采用与实桥隧道锚碇相同的设计标准及施工工艺。锚体建造采用与实桥锚体相同强度等级的C30微膨胀混凝土。根据物理模型试验理论,在模型与原型材料相同条件下(即仿真模型试验),几何比尺Cl=1/12,变形模量比尺CE=1,应力比尺Cσ=1,位移比尺Cδ=1/12,集中力比尺CP=CECL2=1/144。根据上述结论,试验过程中,模型与原型应力相同,即模型强度特征与原型具有可比性;模型试验位移则为原型位移的1/12倍。每个锚碇内埋设4束锚索,通过钢绞线的加载来模拟实桥的张拉荷载施加过程。设计采用的实桥隧道锚碇中双缆载荷为4.2×105kN。模型锚碇的设计荷载p=2916.67kN。试验反力系统由南北钢筋混凝土反力支座、支墩及反力梁等组成。考虑到模型锚锭的超张拉要求(模型锚极限超张拉水平按其设计载荷6倍考虑),反力梁设计可承受荷载不小于2.4×104kN。3.2模型锚文化应变计划,锚碇张拉缆索,为了测试拉拔试验期间模型锚碇周边岩体变形及荷载变化规律,共布置了4类监测仪器:多点位移计、测缝计、应变计、锚索测力计。图5中标识了部分多点位移计、测缝计及应变计等测量设施。采用多点位移计测试试验过程中围岩的变形特征,以了解模型锚碇周边岩体变形的空间分布。模型锚洞周边布置了10个多点位移计测孔,其中垂直孔2个,倾斜钻孔8个(向下倾,与水平面夹角约20°~35°)。图5中,K1,K2孔为垂直向多点位移计,K3~K6孔为倾斜向多点位移计测孔。在模型锚洞岩壁与模型锚体混凝土接触面间沿轴向埋设应变计,以测试加载期间模型锚碇与围岩接触面不同深度的变形分布规律。每个模型锚碇混凝土两侧接触面各布置3支应变计,共有应变计12支。在模型锚碇根部,埋设测缝计,用以测量不同荷载条件下锚碇根部岩石与混凝土接触缝隙之间的张开值。每个锚碇根部安装3个测缝计,呈等腰三角形布置,间距为60cm,共安装6支测缝计。采用8台安装于混凝土反力梁与锚碇张拉缆索间的高吨位张拉千斤顶,以提供模型锚碇张拉载荷。在其中4个张拉缆索中安装测力计,以实现模型锚锭张拉载荷的实时监测。3.3模型锚张拉方案设计在模型锚碇混凝土强度达到设计要求后,即可开展现场拉拔试验。由于试验模型制作的复杂性和不可重复性,为使模型试验达到和解决预期的各项任务,对模型锚的张拉方案进行了精确设计。经研究,模型锚张拉方案采用以下4个张拉程序:(1)锚模型锚体系抗拉拔验模型隧洞锚试验的首要任务是验证原型隧洞锚的设计抗拉拔安全系数的大小。根据设计要求,原型隧洞锚设计抗拉拔安全系数不应小于4.0。也就是说,对模型锚进行拔拉时,在4P载荷条件下,模型锚体应不发生因强度破坏而被拔出。因此,首次超张拉试验载荷水平不小于4P。采用逐级加(卸)荷一次大循环方式进行。实际超张拉载荷为5.2P。(2)荷载水平的确定在验证了原型隧洞锚设计安全系数满足设计要求的前提下,为研究隧洞锚岩体在不同应力水平条件下的流变特性,在首次超张拉试验后,分别进行了不同载荷水平条件下岩体的流变试验。流变试验的载荷稳定主要靠张拉千斤顶上连接的压力表示值判断,若压力表示值的变化量>0.5MPa,则启动高压油泵来维持荷载的稳定。张拉流变试验共分1.2P,5.2P,6.8P三个荷载级,每级荷载条件下流变时间大约为280h。(3)模型锚的极限超张拉试验完成了隧洞锚设计安全系数的验证以及不同载荷水平条件下的流变试验及相应的试验测试后,为进一步研究模型锚的极限抗拉拔能力,为类似隧洞锚工程提供试验资料,对模型锚进行了极限超张拉试验。试验载荷根据现场张拉过程实际情况控制。为现场试验安全起见,模型锚张拉到7.6P载荷后,结束极限超张拉试验。(4)隧道锚岩体的稳定性利用模型锚锚索张拉载荷及安装在反力梁锚具下面的4个测力计提供恒定张拉载荷,并利用已有的测试系统,研究隧道锚岩体的长期流变特性。在极限超张拉试验完成后,进行模型锚长期锁定流变试验。试验方法是:在超载试验结束后,用千斤顶重新张拉模型锚锚索,张拉载荷至3P左右,依靠夹片锁定钢绞线,观测在锁定载荷条件下,模型锚围岩的长期流变特性。本次试验进行了1046h的锚索载荷锁定流变试验观测。3.4拉载荷过程曲线各张拉阶段,模型隧道锚岩体变形特征如表1所示。表1中数据为相关类型测试元件(测缝计、应变计及多点位移计)实测数据最大值。图6为超张拉试验右锚锭根部测缝计张开度随张拉载荷过程曲线。图6中,CFR1#,CFR2#及CFR3#为右锚锭根部呈等边三角形布置的3个测缝计编号,右纵坐标的数字表示张拉力为模型锚设计载荷水平P的倍数(同图7)。图7为超张拉试验右锚锭左侧锚板内侧接触面压应变测值随张拉载荷过程曲线,其中,应变计YBR1#~3#埋设顺序为从锚锭根部至孔口方向。图8为张拉流变试验中,多点位移计K5测孔位于孔内10m测点部位与孔口间相对变形在各级载荷条件下的流变过程曲线。图9为长期锁定流变试验中,K5测孔孔底至孔口1#,2#及3#测点流变过程曲线。4分析隧道臂的承受功能4.1数值结果验证为确定合理的实桥隧道锚锭围岩力学参数,在室内外岩石力学试验成果基础上,利用实体模型试验中加载及围岩相应的变形观测结果进行围岩力学参数反演分析。根据实体模型试验反演获得的岩体参数是对室内外岩石力学试验结果的验证与补充,并且更能反映宏观条件下的岩体力学特性。表2为基于隧道锚超张拉和极限超张拉试验结果反演获得的岩体弹塑性参数。弹塑性反演中,岩体本构模型为莫尔–库仑弹塑性模型,混凝土锚锭采用线弹性模型。根据室内流变试验及现场模型锚张拉资料分析,在给定的工程载荷水平条件下,材料流变模型用广义开尔文模型描述较合适。表3为基于模型锚锭张拉流变试验结果经非线性反演获得的相应广义开尔文模型岩体流变三参数。图10为在反演流变参数及1.2P载荷条件下,模型锚围岩给定典型测点(K4–1测点)围岩变形–时间过程曲线计算与实测比较。K4–1测点为模型锚左锚锭上部多点位移计倾斜孔K4孔中位于孔底10m处的测点。4.2实桥锚锭承载特性分析基于隧道锚岩体试验及围岩反演力学参数,利用三维弹塑性数值方法对实桥锚锭在设计载荷及超载条件下的承载特性进行了数值模拟分析。使用软件为FLAC3D有限差分法。(1)隧道锚与下穿公路隧道空间位置隧道锚系在岩体边坡中开挖和浇筑形成,隧道锚围岩岩体应考虑边坡岩体卸荷风化特征。经地质勘探,获得锚锭中心线地质剖面概化图,如图11所示。在地层概化基础上,建立实桥隧道锚三维数值分析模型,如图12所示。图12中还显示了2个隧道锚与下穿公路隧道空间位置关系。计算模型范围取为320m×220m×355m,其中,X轴为桥梁中心线方向,指向河流为正,Z轴铅直向上,Y轴与X,Y轴构成右手坐标系。(2)参数值弱风化和微新岩体力学参数采用拉拔试验弹塑性反演得出的力学参数,其他参数采用基于力学试验建议参数,如表4所示。(3)锚锭围岩位移分布在设计载荷作用下,山体与混凝土锚锭向山外变形,以水平向位移为主,铅直向上位移次之。由于预应力和主缆载荷的联合作用,锚锭洞周附近围岩处于压密过程。在锚锭中心线铅直截面内,位移等值线从锚锭后端面向临坡面侧呈喇叭型分布特征,在垂直主缆拉力方向斜截面内,位移等值线近似以锚锭中心墙为中心的椭圆型分布。图13为实桥隧道锚在主缆载荷作用下,锚锭沿中心线铅直面上位移等色区图,图13中,锚锭周围附件岩体位移范围为0.80~1.93mm。锚锭最大位移出现在锚锭前端面,最大合位移为2.03mm。在设计主缆载荷作用下,锚锭后端面以外的锚锭周边围岩处于压剪应力状态,锚锭隧道围岩应力有增大趋势。锚锭周边基本处于弹性工作状态,仅在锚锭前、后端面附近出现小范围塑性区,锚锭及围岩受力与稳定状态较好。对主缆载荷进行超载数值模拟表明,随主缆载荷增大,围岩位移明显随荷载增加而增大。在低张拉力1P和3P时,最大合位移出现在锚碇前端面,高张拉力(>3P)则出现在锚碇后端面。主缆荷载5P是最大合位移与荷载关系曲线的分界点,在低张拉力(<5P)下最大合位移增加相对较缓慢,而在高张拉力(>5P)最大合位移明显加快。在塑性区分布规律发展方面,随载荷增大,锚碇围岩塑性区从锚碇前后端面逐步向锚碇中前部发展。当主缆荷载增加至(7~9)P时,沿锚碇轴线平行的方向围岩塑性区贯通,从塑性区的角度判断,锚碇荷载应该达到了极限荷载。4.3锚锭锚应力场流变参数分析对实桥隧道锚进行流变分析主要是研究隧道锚围岩在主缆载荷作用下可能产生的流变量值、稳定时间及流变变形对围岩应力和塑性区的影响。基于模型锚实体张拉试验结果的流变模型辨识,实桥隧道锚围岩流变数值分析模型选用广义开尔文模型,其流变参数取反演参数,其他参数及网格模型与弹塑性数值模拟相同。结果表明,施加主缆载荷后,围岩首先产生瞬时弹性变形,并随时间推移,发生流变变形。流变变形在施加载荷初期增长较快,随后变形增长逐渐缓慢。一定时间以后,围岩变形区域形成一个稳定值。在主缆载荷施加完毕后,因流变影响,围岩位移增加幅度一般为4.6%~13.3%,4~7个月后,围岩流变变形基本稳定。图14为锚锭中隔墙中心点水平位移时间曲线。在对应力与塑性区分布影响方面,流变使得锚锭周边围岩应力场发生一定程度调整,应力集中有所缓解。围岩最大主压应力由5.90MPa减少至5.88MPa,锚锭混凝土最大拉应力减小了0.01MPa。锚锭拉应力区与塑性区有少量增加。5隧道锚锚锭监测分析四渡河悬索桥施工自2007年开始。施工主要程序包括对隧道锚锚塞体施加1.6P预应力,架设索股,安装猫道及吊索,吊装钢珩架梁,铺装桥面板等。至目前,面板铺设基本完成,即大桥桥体静载荷施加基本到设计载荷水平。针对四渡河大桥施工及后期运行,进行了完整的锚锭健康监测系统设计与实施。对隧道锚锚锭,监测内容包括索股锚固预应力监测,隧道锚基底应力监测,散索鞍基底沉降变形监测,锚锭周边岩体变形监测及锚锭所在山体稳定性监测等。采用光纤光栅测力环监测锚塞体钢绞线在主缆载荷作用下的预应力变化,以反映主缆索股的内力变化。左右锚体各选取10个孔钢绞线测试单元进行测试。采用多点位移计对锚锭及混凝土锚塞体的变形进行监测。共布置监测孔12个,其中锚塞体混凝土内2个,周边岩体10个。监测结果表明,随着主缆拉力的逐步施加,整个锚体及山体向山外逐步变形。围岩变形量级为mm级,相对而言,沿锚锭轴线方向变形更为显著,并以左、右锚前端面及中隔岩体的变形作为控制变形,其中左锚的前锚面绝对