峡路一线 白帝之门——山区复杂条件下隧道式锚碇设计关键技术

重庆是山水之城，重庆境内山地面积占75%，境内长江长度约670km，大山大河催生了大量的长大桥梁和隧道，据调查，在重庆长江段上的大型悬索桥有20座，其中使用隧道式锚碇的桥梁占12座。

隧道式锚碇主要特点有：

1.悬索桥主缆拉力由锚体自重和围岩共同承担，隧道式锚碇充分利用围岩的承载力，有效减少混凝土材料用量，具有较好的经济性；

2.相对重力锚碇而言，隧道式锚碇减少了大开挖和高边坡防护，对地貌的破坏程度大大降低，保护了环境，景观效果较好；

3.减小了用地，对周边环境的干扰小。

本文以重庆白帝城长江大桥为例，介绍在软岩地层超近接浅埋分岔隧道下穿复杂建筑群的隧道式锚碇设计关键技术。

重庆白帝城长江大桥为国家高速公路网G6911安康至来凤高速公路奉节至巫山段的关键工程。如图1所示，桥梁在长江上游航道里程桩号约205.6km跨越长江宝塔坪河段，距白帝城景区约1.6km，距瞿塘峡口约2km，毗邻世界级文化景点白帝城和夔门，环境敏感，社会关注度高。大桥设计速度为80km/h，荷载等级为公路-Ⅰ级，设计洪水频率为300年一遇，设计基准风速V10=25.5m/s，桥址区地震动峰值加速度为0.05g，地震烈度为Ⅵ度。

图1 白帝城长江大桥地理位置图

图2 白帝城长江大桥建成效果图

根据该桥的航道通航条件影响分析报告，梅溪河于桥轴线上游约2.3km汇入长江，宝塔坪码头距离桥位500m，靠泊船舶进出频繁，须采取一孔跨过通航水域的桥梁方案。在符合路线总体走向的前提下，综合考虑两岸地形地质条件、通航安全、施工水位、工程规模等因素，白帝城长江大桥桥型方案采用主跨为916m的单跨简支悬索桥，桥梁全长1170m，如图2所示。主梁采用钢箱梁，加劲梁高3.2m；吊索标准间距16.2m；主塔采用门式钢筋混凝土结构；奉节岸锚碇处为宝塔坪镇，受酒店、学校、居民楼等影响大，采用隧道式锚碇，巫山岸锚碇采用埋置式重力式锚碇。

受总体设计控制，奉节岸锚碇采用隧道式锚碇，隧道式锚碇位于长江北岸单向斜坡上，斜坡地形较陡，坡顶为宝塔坪镇城区，存在夔门酒店、夔门中学以及居民区等建筑，高速公路主线以隧道（宝塔坪隧道）形式通过宝塔坪镇，隧道式锚碇距离夔门酒店基础最近距离约15m。隧道式锚碇分布于宝塔坪隧道两侧，与隧道最近距离4.5m，宝塔坪隧道、隧道式锚碇的建设与上方建筑群干扰大，如图3所示。

图3 隧道式锚碇洞口建构物及隧道平面布置图

白帝城、夔门为重要的人文、自然景观景点和国家重点保护单位，同时隧道式锚碇区域居民密集，环境保护要求高，社会关注度高。 

软岩地层超近接的浅埋分岔隧道及隧道式锚碇开挖施工互相影响，又存在上方建筑和锚碇锚塞体主缆拉力的影响，各结构存在耦合作用，导致围岩应力重分布，改变隧道及隧道式锚碇的结构受力状况，同时可能改变隧道顶部建筑物基础受力情况。下穿复杂建筑物软岩地层超近接隧道式锚碇与浅埋隧道开挖后围岩稳定性差，隧道及隧道式锚碇的设计、施工要求高，风险大。

隧道式锚碇及宝塔坪隧道的洞口处地形陡峭，下方毗邻滨江公路，很难合理地布置施工作业平台，隧道出渣、索鞍、锚固系统进洞等作业难度大。

隧道式锚碇位于斜坡体近顶部夔门大酒店附近，地表覆盖有厚度约5-8m素填土；下伏基岩主要为宝塔组三段的泥灰岩和泥质灰岩，强风化极破碎，风化裂隙发育，岩质较软，力学强度低；其下为中风化泥灰岩和泥质灰岩，岩体较破碎-较完整。

沿隧道式锚碇轴线0-118m范围岩体完整性系数0.39，属于较破碎岩体，岩体强度13-19MPa，属于软岩，[BQ]值208，围岩级别为Ⅴ级，围岩无自稳能力或自稳能力较差，易出现地表下沉（陷）或坍至地表。118m以上段岩体埋深较大，风化裂隙不发育，岩体属于较软岩，岩体较完整，[BQ]值265，隧道锚段围岩级别为IV级，围岩有一定的自稳能力，锚区内裂隙陡倾，受裂隙影响，左右侧壁及洞顶可能产生掉块或局部垮塌。

根据现场调查和《奉节县2015年地质灾害排查报告》等资料，白帝城长江大桥隧道式锚碇附近分布陈家包滑坡、林家湾滑坡等2处较大的滑体，宝塔坪隧道及隧道式锚碇的施工可能会对滑坡有一定的影响，如图4所示。

图4 隧道式锚碇地质平面布置及断面图

隧道式锚碇与主线隧道减少或避免干扰的方式主要有：一是从平面上进行绕避，使隧道式锚碇与主线隧道在平面上有足够的距离；二是在立面上预留足够的距离；三是综合平立面要素进行调整，使隧道式锚碇和主线隧道的施工干扰和受力性能都不受影响。受本项目总体设计控制，受主线隧道平面线形及纵断面高程限制，白帝城长江大桥隧道式锚碇不能通过上述手段解决施工干扰和受力性能的影响。针对隧道式锚碇与主线隧道之间距离小的特点，将锚碇缆索自主塔上IP点（索鞍中主缆中心线交点位置）向外侧偏转4°，使得锚塞体之间的最小距离由14m增加到43.6m，保证了两个锚塞体之间的岩柱完整性和稳定性。同时使隧道式锚碇与宝塔坪隧道的最小距离调整为4.5m，避免了相互干扰。

为确保散索鞍处主缆入射角和锚碇内主缆中心线夹角满足《公路悬索桥设计规范》（JTG/T D65）中的不宜小于18°的要求，调整主跨主缆矢跨比为1/11，隧道式锚碇内主缆轴线角度为41°。

根据工程类比及《公路悬索桥设计规范》（JTG/T D65）抗拔安全系数公式进行试算，初步拟定隧道式锚碇锚洞尺寸为8.5m×8.5m，前后锚面尺寸为14m×14m、17m×18m，上部均为半圆形。锚洞长度为32m，前后锚室长度为58m、52m。

隧道式锚碇锚塞体处于软岩中，隧洞间距离小，软岩力学性能差，开挖扰动易造成围岩变形、失稳。软岩的变形模量低，流变特性明显，在主缆巨大拉力荷载长期作用下，锚碇及围岩产生变形和破坏，影响锚碇的承载能力和整体稳定性能。为准确评价软岩区隧道式锚碇的承载能力以及稳定性，开展了隧道式锚碇的岩土专项试验研究及其数值模拟。

针对奉节岸隧道式锚碇的特点，在实桥锚中轴线进洞口下方垂直高度30m的位置开展了1:10的缩尺模型试验，如图5所示，岩土专项试验包括室内及现场岩石力学试验、锚碇模型拉拔试验和拉拔流变试验。室内和现场岩石力学试验主要得出隧道锚碇区工程岩体力学参数建议值。现场试验项目主要有岩体变形试验、岩体直剪试验、混凝土岩体接触面直剪试验、平洞内及钻孔声波测试、岩体超声波测试等。锚碇模型拉拔试验及拉拔流变试验主要得到具体地质与地形条件下的可能破坏模式，并对实桥锚碇进行评估。

图5 隧道式锚碇现场缩尺原位试验布置图

利用大型有限差分法程序FLAC3D，根据设计文件、地质概化模型和室内外岩石力学试验成果，建立了包含岩层层理面的三维有限差分数值模型，分别建立围岩、层理面、隧道锚锚塞体、前锚室、锚洞、隧道和开挖损伤区（延伸范围为1m）模型。对围岩采用摩尔－库仑弹塑性模型，锚塞体混凝土材料采用线弹性本构模型。对于锚塞体及其附近岩体，采用较密的单元。模型其余部分采用合理的网格划分技术进行过渡，如图6所示。

图6 隧道式锚碇三维数值计算模型

通过隧道式锚碇岩土专项试验与数值模拟，获得如下结论：

(1）通过隧道式锚碇缩尺模型试验及对锚塞体中部测点的全过程荷载-位移曲线的分析，如图7所示，模型锚的峰值强度为10.5P，屈服强度为6.5P，比例极限强度为2.5P，基本满足《公路悬索桥设计规范》（JTG/TD 65-05-2015）中围岩稳定安全系数不应小于4.0的要求，但安全富裕度偏低。

图7 锚塞体荷载-位移曲线

(2）在逐级加载条件下，随着主缆拉力的增大，锚塞体周围岩体塑性区逐渐扩大，塑性区由后锚室开始逐步向上、向前开展。9P时横桥向左右2个锚塞体塑性区贯通，大部分围岩进入塑性区，故锚碇极限承载能力约为9P。考虑锚塞体受力较为复杂，岩体参数差异较大，以及施工过程中围岩可能受到损伤，最终隧道式锚碇锚塞体的长度采用58m，如图8所示。

图8 隧道式锚碇塑性区位图

(3）通过1∶10原位缩尺模型锚试验和三维有限差分数值模拟，综合得到锚碇系统的围岩稳定安全系数为9，满足《公路悬索桥设计规范》（JTG／T D65-05-2015）中围岩稳定安全系数大于4的要求。设计荷载下，锚塞体考虑蠕变后的长期位移在水平方向上为2.707mm，在竖直方向上为2.352mm，满足《公路悬索桥设计规范》（JTG／T D65-05-2015）推荐锚塞体允许水平变位按照不大于0.0001倍的主跨跨径（即91.6mm）控制，竖向变位按照不大于0.0002倍的主跨跨径控制（即183.2mm）。

采用大型通用有限元软件MIDAS/GTS，岩土体材料采用M-C模型，主线隧道、隧道式锚碇、既有建筑物采用弹性本构方程进行构造数值分析模型，模型两侧边界施加水平约束，底部边界施加固定约束，上部为自由面，如图9所示，按照既定施工方案进行施工阶段加载以及运营期的分析。

图9 隧道式锚碇洞口建构物模型图

经分析，隧道式锚碇及隧道上方建筑15号楼沉降值最大，最大沉降为14.11mm，基础沉降差为14.02mm，满足规范规定的建筑物的最大倾斜值要求。主线隧道及隧道式锚碇的开挖对15号楼较为敏感，产生了较大的沉降及基础沉降差，存在一定安全隐患。悬索桥主缆引起的主线隧道竖向变形为0.02mm，水平位移为0.04mm，主缆张力对主线隧道的影响较小。

为便于在锚碇内运输散索鞍，将传统的散索鞍结构形式进行优化，采用分体组合式索鞍，将传统的索鞍分为上下两半，通过高强螺栓进行连接。将63t重的散索鞍分为了31t和32t两部分，总高度为3.5米的散索鞍分为了1.1m和2.4m两部分，如图10所示，减少了散索鞍的尺寸和单块重量，降低了施工难度，加快了施工进度。鉴于采用了分体式索鞍，后期的隧道锚锚洞的尺寸有优化的空间。

图10 新型分体式散索鞍构造图

将隧道式锚碇的系统锚杆在锚塞体范围内预留长度至锚塞体内，增加了隧道式锚碇与围岩的结合能力，防止锚塞体与岩体的接触面为最薄弱部位。

隧道式锚碇有着较为广泛的应用，也存在一些问题有待于进一步的解决。

从现行规范的抗拔安全公式来看，锚塞体的抗拔性能决定整个锚碇的拔出性能，实际上，对比多个隧道式锚碇模型试验的破坏模式来看，锚塞体的拔出模式一般是从锚塞体外的软弱面处拔出，而非沿锚塞体与岩体的接触面，围岩中潜在的软弱面控制了隧道式锚碇的拔出性能。

同时，围岩稳定安全系数的指标的表达方式未明确。即塑性区的分布或者占比多少即认为达到围岩的稳定边界条件，从而确定围岩稳定安全系数的大小是否满足规范要求。

隧道式锚碇的运渣设备、出渣效率是制约隧道式锚碇广泛运用的因素之一，隧道式锚碇的施工工期总体上来看要优于主塔的施工工期是合理的。狭窄空间内大倾角、大载量、智能化、安全性及效率高的出渣装备研制是制约隧道式锚碇广泛应用的因素之一。

隧道式锚碇的开挖、支护方式是需要重点考虑的问题，白帝城长江大桥隧道式锚碇受限于地面建筑的要求，采用的是机械开挖为主，辅助部分人工开挖。该方式的特点是工程进度慢，对安全措施要求高。隧道式锚碇最通用的开挖方式为钻爆法，该方式同样面临掘进速度的需求。

隧道式锚碇耐久性包括锚塞体本身以及锚固系统的耐久性，隧道式锚碇的防排水性能是保证隧道式锚碇的关键，需结合地质地形条件，采用防、排、堵、截等措施，形成完整的防排水系统，保证结构的耐久性。钢结构本身的耐久性也可以根据钢结构材料选型及涂装进行长效防腐。

对于有隧道式锚碇的悬索桥，长期健康检测系统必须将锚塞体及围岩变形的长期观测，纳入到桥梁长期健康检测系统。