基于多块体极限平衡算法的隧道锚稳定性分析

摘 要：为了研究悬索桥隧道锚的稳定性，以浙江省官山大桥隧道式锚碇为工程背景进行分析计算。计算锚碇的整体稳定性系数时，根据地质调查建立了围岩地质概化模型，采用多块体极限平衡算法定量计算了隧道锚的稳定性系数。结合锚碇围岩的三维数值分析结论，证明了隧道式锚碇结构参数的合理性和建设条件的适宜性。研究过程和结果可为同类工程提供借鉴。

关键词：悬索桥；隧道锚；平衡分析；稳定性

中图分类号：U448.25 文献标志码：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

悬索桥是目前为止跨越能力最大的桥型，锚碇是其主要的承载结构。锚碇主要分重力式锚碇和隧道式锚碇2种类型。尽管重力式锚碇结构受力体系明确，应用较多，但利用隧道式锚碇能与周边岩体的共同作用，具有工程量小、工程造价低、环境破坏少的特点，因此在一定的地形、地质条件下有较大的优势。如沪瑞国道主干线贵州省镇宁至胜境关公路上跨度达1 088 m的坝陵河大桥西岸锚碇[1]；湖南省吉首―茶洞高速公路上跨度达1 176 m的矮寨特大悬索桥茶洞岸锚碇；湖北省沪蓉高速公路榔坪―高坪段上跨度达900 m的四渡河特大桥宜昌岸锚碇[2]。

由于隧道锚的工作原理及岩土工程参数具有不确定性，因此对其稳定性进行研究显得尤为重要。张奇华等对锚洞岩体采用多方法协同勘察，进行锚碇系统及基岩稳定性分析的技术研究；尹红星等对锚碇基底基岩与混凝土胶结面的抗剪强度及整个锚碇范围内基底摩阻力开展试验研究；张永涛等对中夹岩随时间的变形规律及敏感性进行研究[35]。国内建造大跨度悬索桥起步较晚，隧道式锚碇采用比例较低，对其力学机理及稳定性评价的方法、手段等有待进一步研究与提高。本文以浙江省岱山县官山大桥隧道锚为例，介绍基于地质概化模型的稳定性分析方法及结论，以供类似工程参考。

1 工程概况及锚碇结构尺寸拟定

官山大桥位于浙江省舟山市岱山县，为210 m+580 m+180 m双塔单跨悬索桥，系省内第二座大跨度悬索桥，并第一次采用隧道式锚碇。

官山侧锚碇采用隧道锚形式，初步拟定锚体的几何参数及特点如下。

（1）主缆中心线水平夹角为40°。

（2）前锚室长为164 m，洞室尺寸（含初期支护喷混凝土厚度）为9.86 m×10 m（宽×高）。

（3）锚塞体长为27 m，前锚面单洞断面尺寸为986 m×10 m，顶拱半径为5 m，断面面积约为88 m2；后锚面尺寸为163 m×16.4 m，顶部圆弧半径为8.2 m，断面面积达到239 m2。

（4）后锚室长为165 m，底标高为-8.2 m，位于海平面以下，存在海水通过基岩裂隙侵蚀锚体的可能性。

（5）左右锚体洞室的净距较小，最小只有9.5 m，最大为160 m。

2 工程地质及概化模型

2.1 地层岩性及地质构造

官山大桥隧道锚所在部位地表出露岩层主要为九里坪组，岩性为酸性熔岩-流纹斑岩，与下伏地层呈火山喷发不整合接触，超覆于茶湾组之上。隧道锚周边共有4条断层，其中F29断层分布于官山岛东岸近海域部位，长度近1 km，走向为NW330°，倾向为NE，倾角陡，为正断层，两侧基岩高差4～8 m。推断断裂活动时代在第四纪之前，为老断裂。

隧道锚区节理主要为构造成因次生节理，成组密集出现，共轭分布。在现场采用测线、测窗法及试验平硐，对锚区结构面进行了精细量测，主要考虑以下4组结构面。

（1）近SN走向为主，产状84°～86°∠77°～79°，面密度约为0.18 条・m-2。

（2）近EW走向为主，产状8°～13°∠72°～73°，面密度为0.10 条・m-2。

（3）缓倾角结构面，产状55°～64°∠20°～27°，面密度为0.15 条・m-2。

（4）倾向西北，倾角40°左右，平均产状279°∠36°，面密度为0.01 条・m-2，该组节理可能组成隧道锚的底滑面。

2.2 地质概化模型的建立

根据以上结构面的产状及初步拟定的隧道锚尺寸，建立地质概化模型，如图1所示。其中近SN走向的岩体结构面组成隧道锚的后缘面，近EW走向的岩体结构面组成隧道锚的侧滑面，倾向西北的中倾角岩体结构面组成隧道锚的底滑面。隧道锚位于这3组岩体结构面组成的块体中时将处于最不利的状态。

2.3 岩体物理力学参数

根据锚碇部位ZK4相关资料，隧道锚主要位于微风化流纹斑岩中。流纹斑岩呈紫灰色、灰色，其中中风化层局部发育，一般节理较发育，层底标高为1842～5742 m，层厚为26.1～38.7 m，岩块天然状态抗压强度平均值为144.3 MPa，弹性模量平均值为128.0 GPa，波速为2 902～3 897 m・s-1，平均值为3 457.9 m・s-1；微风化层节理较发育，部分不甚发育，岩块天然状态抗压强度平均值为1780 MPa，波速为3 372～4 184 m・s-1，平均值为3 657 m・s-1。

通过现场岩体力学试验，结合工程岩体分类和质量评价，综合确定岩体基本物理力学参数和混凝土/岩胶结面、岩体结构面基本力学参数（表1、2），为官山岛侧隧道锚的稳定性分析论证提供基础资料。

3 多块体极限平衡分析

3.1 分析原理

隧道锚围岩失稳破坏模式虽然具有三维特征，但主要是沿缆索拉力铅直平面失稳破坏，即隧道锚围岩失稳破坏模式可以概化成平面失稳模式，如图2所示。多边形ABFG为锚塞体，AD和GH分别是上、下破裂面或滑面，α为锚碇夹持角，α1为锚碇底板与下滑面AD的夹角，α2为锚碇顶面与上滑面GH的夹角，γ为锚碇倾角，β为边坡坡角。由于隧道锚的破坏主要是沿主缆拉力方向的滑移破坏，因此，隧道锚围岩稳定问题也就转变为锚碇围岩的抗滑稳定问题。

沿可能滑动面将围岩破坏区域分成3块，即锚塞体滑块ABFG、上滑块GFEH和下滑块ADCB。由于锚室横向未完全贯通，即上下块体通过锚碇中隔墙和锚碇外侧岩体相连，因此，在滑块受力分析时，为了真实反映滑块实际受力，在上下滑块之间增加一个铅直方向的相互作用力，在隧道锚滑块受力分析（图3）中用N5表示。单个锚碇的主缆拉力为83 000 kN，锚塞体滑块沿锚碇与混凝土胶结面失稳或滑动，即沿AB和GF滑动，上滑块沿滑面GH破坏或滑动，下滑块沿滑面AD破坏或滑动。假设在极限状态下，所有块体滑裂面同时达到极限状态，根据摩尔库仑定律，建立单个块体的静力平衡方程，再联立多块体平衡方程求解锚碇围岩抗滑稳定安全系数。

3.2 分析结果

按照初步拟定的锚碇几何参数（主要包括锚碇几何尺寸、锚室深度）、主缆荷载（83 000 kN）与锚碇倾角（40°）、地形条件、路堑边坡坡角等设计参数，计算不同超载情况下的稳定性系数，结果如图4所示。可见，超载小于18P时，稳定性系数均大于1.0。并结合三维数值模拟（安全系数大于9），以及参考其他类似工程的安全系数取值范围，可以确定初拟的隧道锚尺寸安全、隧道锚的建设条件符合要求。

4 结 语

针对官山大桥官山侧隧道锚，基于地质概化模型和参数研究基础，采用多块体极限平衡分析方法并结合数值分析，对隧道锚及围岩稳定性进行了分析，取得以下认识。

（1）根据地质概化模型，锚碇及围岩最可能出现的变形破坏模式为锚碇及上部岩体发生沿岩/混凝土胶结面或松弛岩体的滑动。

（2）多块体极限平衡分析结果表明，超载小于18P时，隧道锚稳定性系数均大于1.0，并结合三维数值模拟（安全系数大于9），参考其他类似工程的安全系数取值范围，确定初拟的隧道锚尺寸安全、隧道锚的建设条件符合要求。

官山大桥于2011年底开始建造，2015年9月竣工通车，隧道锚结构的各项变形指标均在合理范围内。官山大桥隧道锚的工程实践为类似工程积累了宝贵经验。

参考文献：

[1] 赵海斌，于新华，彭运动，等.坝陵河大桥隧道锚围岩力学特性原位试验研究[J].河海大学学报：自然科学版，2009，37（6）：680684.

[2] 张奇华，胡建华，陈国平，等.矮寨大桥基础岩体稳定问题研究[J].岩石力学与工程学，2012，31（12）：24202430.

[3] 汪海滨，高 波，朱栓来，等.四渡河特大桥隧道式锚碇数值模拟[J]. 中国公路学报，2006，19（6）：7378.

[4] 尹红星，文亚军.矮寨大桥锚碇基岩摩阻力试验研究[J].企业技术开发，2009，28（5）：4951.

[5] 张永涛，陈培帅，杨 钊，等.基于时间与空间效应的隧道锚中夹岩墙变形分析[J].施工技术，2014，43（S1）：426429.