悬索桥隧道锚设计.doc

悬索桥隧道锚设计 朱玉 廖朝华 彭元诚 (中交第二公路勘察设计研究院 有限公司 430056) 摘 要： 隧道锚具有环境扰动小、性价比高的特点，是悬索桥较理想的锚碇形式，但受地质条件、人们对岩体性质的认识水平等条件的限制，目前在大跨径悬索桥中应用不多，相关文献也不多见。本文结合进行我国首座采用隧道锚的大跨径悬索桥—四渡河特大桥隧道锚的设计及取得的成果，系统介绍了悬索桥隧道锚锚址的基本特点、锚体尺寸拟定、锚固系统选择以及数值分析、模型试验应注意的问题，便于隧道锚的进一步应 用。关键字：悬索桥隧道锚 尺寸拟定 锚固系统选择 岩体力学参数 初始应力场 数值分析 模型试验 1、引言近年来，随着我国西部大开发政策和可持续发展战略的实施，高速公路迅速在祖国西部的崇山峻岭中延伸，环境扰动小的结构型式倍受关注。悬索桥具有跨越能力强和加劲梁高基本不随跨径增加而增高的特点，可有效避免高墩而达到跨越深谷的目的，是符合这种理念的理想桥型。锚碇作为悬索桥的四大部分之一，其土方量占悬索桥总开挖量的绝大部分，是最大限度减少环境扰动的关键所在。隧道锚可有效减少开挖量和混凝土用量，是理想的锚碇型式，如美国的华盛顿桥[1]，其新泽西岸隧道锚与纽约岸重力锚混凝土用量比1：4.8，我国四渡河桥[2]宜昌岸隧道锚与恩施重力锚混凝土用量比1：4，土石方开挖量之比1：5。因而，隧道锚的使用对有效保护自然环境、避免大规模开挖、节约投资方面具有重要意义。由于隧道锚把岩体作为锚体的一部分共同承受大缆拉力，因而不但对地质条件要求较高，而且要求设计者对岩体性能要有深入的认识。它不仅涉及岩体的开挖问题（这在隧道工程中经常遇到），更主要的是需要确定开挖后岩体的二次承受巨大的大缆荷载问题，这在其它岩土工程中是很少见的。隧道锚的应用较少，相关的文献尚不多见，从目前的文献看，隧道锚的应用尚处于起步阶段[1~6]。四渡河特大桥（图1）沪蓉国道主干线湖北榔坪～高坪段的一座特大桥，其宜昌岸采用隧道锚。该桥2004年6月完成施工图设计，预计2007年12月建成。本文结合隧道锚的设计和有关研究，系统介绍了隧道锚设计的相关问题。 2、隧道锚的组成及其功能隧道锚主体部分主要包括：鞍室、混凝土锚体、系统锚杆、锚固系统、后锚室、散鞍基础等（见图2）。此外还有门洞、步梯、防、排水构造，检修通道等附属设施，不参与结构的受力。隧道锚主体部分的主要功能如下： 1）. 鞍室。鞍室的主要功能是容纳大缆的散鞍，并有足够的长度便于大缆散开锚固，同时提供进行锚碇锚固系统、大缆散鞍等防护、维护的空间。根据具体情况，鞍室截面可采用等截面或变截面。由于隧道锚的鞍室一般均需开挖山体，故需要采取初期开挖支护措施和以后保持开挖后山体稳定长期支护构造（二次衬砌）。四渡河桥隧道锚鞍室从散索鞍到前锚面设计为20m。鞍室衬砌厚度合计55cm，初期支护采用长3m间距1m梅花型布置的水泥砂浆锚杆和15cm厚的挂网喷射混凝土；二次衬砌采用现浇钢筋混凝土结构，厚40cm。考虑锚体两侧地形的不同，两鞍室和明洞采用不同的长度和截面，减少对山体的破坏。2）.锚体。锚体的主要功能是容纳锚碇的锚固系统、传递大缆拉力到岩体，是隧道锚的主要结构。根据锚体的功能，锚体设计应考虑对锚碇锚固系统的保护作用，自身要有足够的强度承受缆力和锚固系统的压力。四渡河桥隧道锚锚体纵断面为前小后大的楔形，在轴向拉力作用下，可对围岩体产生正压力；横断面顶部采用园弧形，侧壁和底部采用直线，前锚面尺寸为9.5×10m、顶部园弧半径5.25m，后锚面尺寸为14×14m、顶部园弧半径7m。锚体混凝土采用防渗和收缩补偿混凝土，渗混凝土微膨胀率采用0.015%，抗渗等级W8。两端混凝土标号为C40，中间为C30，满足对锚固系统的防护和不同部位的结构受力需要。3）.系统锚杆。系统锚杆的主要作用是作为开挖的初期支护、加强锚体、岩体间的连接、提高锚洞周围开挖扰动带的强度，同时利用锚杆孔完成对锚体围岩的灌浆。其设置应根据锚洞围岩整体结构连续性状况及锚洞围岩普遍存在的松弛圈厚度范围，并结合隧道锚力学分析的结果综合确定。四渡河桥最终的锚杆布置为：岩溶发育、裂隙密集岩段杆间距布置为80×80cm，长7.5m，锚体区围岩锚杆植入岩体7m，浇入锚体0.5m。其余区段锚杆间距改为120×120cm，长4.5m。锚体区围岩锚杆植入岩体4m，浇入锚体0.5m。锚杆直径32mm，锚杆钻孔孔径100mm，孔深与锚杆长度一致。4）. 锚固系统。锚固系统一般由索股锚固拉杆和预应力钢束锚固构造（有的也采用型钢等型式，现在已很少使用）组成。这里所说的锚固系统主要是预应力钢束锚固构造，其主要功能是把大缆拉力传递给锚体。根据着力点的不同可分为前锚式和后锚式。四渡河桥隧道锚的预应力钢束采用环氧涂层钢绞线、可换式无粘结预应力