摘 要

伴随着人们的出行运输需求，一些天然条件不便利的地方同样需要覆盖交通运输网，并且提出了一些新的要求。在云贵等省的一些山岭地区和一些多河流区域，除了已经建成的公路外，越来越多的地区开始采用隧道或者桥梁方案来代替传统的公路。隧道方案可以克服一些原有的地形和高程障碍，提高施工效率，改善路线的运输效率等优点。同时隧道还可以作为悬索桥一种锚碇结构的形式，通常称之为隧道锚。隧道锚是一种能较好地利用锚址区的地质条件,工程量相对较小,性价比高、对周边环境扰动小的锚碇结构形式，隧道锚结构形式独特，锚塞体为钢筋混凝土结构，截面一般情况下为马蹄形， 上部小，底部大，呈倒楔形。多用于山区高速公路上的悬索桥。

本文以宜昌市长江大桥施工方案中的隧道锚段位为例，根据平面应变原理对于该段项目前锚室的开挖以及支护方案进行施工模拟，借鉴类似施工方案，基于FLAC3D软件建立适当数值模型来对施工过程中隧道开挖断面的位移、应力变化进行分析，进而分析施工工法的安全性和合理性。通过分析可以得知两台阶法施工对断面周边围岩所引起的扰动小，断面开挖后周边围岩所产生的应力和位移数值较小，周边围岩的稳定性较强，可以应用到实际工程中去。

关键词：隧道锚；应力分析；位移分析；施工模拟

Abstract

Along with people's travel transportation needs, some places where natural conditions are not convenient also need to cover the transportation network, and some new requirements are put forward. In some mountainous areas of Yunnan and Guizhou provinces and some multi-river areas, in addition to the already completed roads, more and more areas have begun to adopt tunnels or bridges to replace traditional roads. The tunnel scheme can overcome some of the original terrain and elevation obstacles, improve construction efficiency, and improve the transportation efficiency of the route. At the same time, the tunnel can also be used as an anchor structure in the suspension bridge, which is usually called a tunnel anchor. The tunnel anchor is a kind of geological condition that can make good use of the anchor site area. The engineering quantity is relatively small, the cost performance is high, and the surrounding environment is disturbed by the small anchor structure. The tunnel anchor structure is unique. The anchor plug body is reinforced concrete structure. The cross section is generally horseshoe-shaped, with a small upper portion and a large bottom portion, which is inverted wedge-shaped. Mostly used for suspension bridges on mountain highways.

Taking the tunnel anchoring position in the construction plan of Yichang Yangtze River Bridge as an example, according to the plane strain principle, the excavation of the pre-anchor chamber of the project and the supporting scheme are simulated. Drawing on the similar construction scheme, the appropriate numerical model is established based on FLAC3D software. To analyze the displacement and stress changes of the tunnel excavation section during the construction process, and then analyze the safety and rationality of the construction method. It can be known from the analysis that the two-step construction has little disturbance to the surrounding rock around the section. The stress and displacement values ​​of the surrounding rock after the excavation are small, and the stability of the surrounding rock is strong, which can be applied to the actual situation. Going in the project.

Key words: tunnel anchor; stress analysis; displacement analysis; construction simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1、研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 课题研究内容及研究方法 4

第2章 工程背景 5

2.1 项目概述 5

2.2 隧道锚工程概况 5

2.3 自然条件 11

2.3.1 地形条件 11

2.3.2 地质条件 11

2.3.3 气象条件 13

第三章 隧道锚断面的研究分析 14

3.1 模型简化和施工要求 14

3.1.1模型简化的具体方法 14

3.1.2 施工要求 15

3.2隧道开挖分析 15

3.2.1计算工况、材料假定及几何模型 15

3.2.2建模 16

3.2.3初始地应力平衡 17

3.2.4结果分析 18

3.3小结 21

总结与展望 23

致谢 24

参考文献 25

第1章 绪论

1.1、研究背景和意义

交通是一个国家发展和进步的重要指标，是一个国家的基础建设中不可缺少的重要组成部分，世界上各个大国强国的迅速崛起发展离不开交通的快速发展。而在我国不断发展不断富强的发展之路上，交通建设意义也十分重大，对国家的快速发展和民族振兴起到了极大的推动作用。

而伴随着我国经济的腾飞和相关的快速发展，我国绝大部分地区已经实现了交通网的覆盖，极大地改善了人们出行，各地人民之间相互沟通得到了改善，同时给交通运输带来了极大的便利。

伴随着人们的出行运输需求，一些天然条件不便利的地方同样需要覆盖交通运输网，并且提出了一些新的要求。例如一些山区或者跨江河区域，非常需要修建桥梁等建筑来方便出行沟通各地。而在桥梁建设的过程当中，由于地势复杂和不确定性，为了保证桥梁的安全，必须设计合理的建设修理方案。因此，为了保证施工后桥梁的正常运行，隧道锚的安全技术研究非常重要。宜昌市位于的鄂西北地区由于处在我国第二板块和第三板块的交界处，地质构造运动活跃，地应力较大。宜昌跨长江大桥作为沟通两岸交通，方便人们出行，加快城市建设等都具有重要意义。因此，对于该桥梁在建设中的隧道锚部分的施工部分的研究也非常的重要。

隧道技术的发展表明，今后隧道技术的研究会越来越重要，而在此过程中相关的隧道施工过程的细致的关键技术研究也会越来越引起重视。因此做好相关的技术研究，努力提高相关技术研究水平，设计更加合理，可靠，安全的隧道，将是我国交通技术方面的一大前进方向。隧道锚是隧道研究的重中之重，主要原因有：隧道锚因为充分利用围岩自身强度的原因，这种优点显著降低了工程量，从而起到了大大降低投资、同时对环境影响较小，便于环境保护；而我国山区地形、地质条件复杂繁多，极其适合去建设设计建造隧道锚等众多优点。这样一来，隧道锚在交通建设领域的广泛应用，为山区交通改善和地区经济发展提供了广阔的发展前景，因此，研究隧道锚的工程实施也十分具有意义。

隧道锚：隧道锚左右一种锚碇形式，具有能够较好地利用锚址区的地质条件,施工时工程量相对较小(体量仅为重力锚的20%~25%),性价比高、对周边环境扰动小的等显著有时，因此在实际工程当中，隧道锚在高速公路上的悬索桥和跨江河桥梁建设中被广泛运用。^[1]

锚碇简述：锚碇的土方量占悬索桥总开挖量中的很大一部分，而在实际施工中也是最大限度减少施工工程对于环境扰动的关键性因素。而我们所研究的隧道锚作用是在于有效减少开挖量和混凝土用量，在施工中是非常理想的锚碇型式，例如美国华盛顿桥，在新泽西岸隧道锚与纽约岸重力锚混凝土用量比是1：4.8，有例如我国四渡河桥宜昌岸隧道锚与恩施重力锚混凝土用量比是1：4，土石方开挖量之比是1：5。由此可知，隧道锚的使用使得道路建设施工过程中更好的保护了自然环境、同时避免了进行大规模开挖、这也对节约投资方面起到了至关重要的作用^[2] 。

隧道锚的主要部分：隧道锚主体部分涵盖了几个部分：鞍室、混凝土锚体、系统锚杆、锚固系统、后锚室、散鞍基础等。除此之外还有门洞、步梯、防、排水构造，施工过程中还有检修通道等附属设施，但这一部分不参与结构的受力，所以并不包括在内。

1）.鞍室。鞍室在隧道锚整体中主要是承担容纳大缆的散鞍作用，同时有足够的长度便于大缆散开锚固，以提供进行锚碇锚固系统、大缆散鞍等防护、维护的空间。而实际工程中则要根据具体情况，鞍室截面可以适当调整采用等截面或变截面。因为在工程中隧道锚的鞍室都是需要施工开挖山体，所以在施工的时候要采取初期开挖支护的措施和以后保持开挖后山体稳定长期支护构造（也就是二次衬砌）。

2）.锚体。锚体在整体中主要是容纳锚碇的锚固系统、传递大缆拉力到岩体。锚体是隧道锚的主要结构。因为锚体的功能，所以施工过程中，对于锚体设计的时候应该更加注重考虑锚碇锚固系统的保护作用，同时还要要求，锚体要自身必须要有足够的强度，这样才能够承受缆力和锚固系统的压力。从而达到施工要求。

3）.系统锚杆。系统锚杆在整体中起主要作用的地方在于作为开挖的初期的支护、起加强锚体的作用、同时连接岩体间、还有提高锚洞周围开挖扰动带的强度，并且能够利用锚杆孔完成对锚体围岩的灌浆。施工过程中应该根据锚洞围岩整体结构连续性状况和锚洞围岩普遍存在的松弛圈厚度范围来进行设置系统锚杆，但是最终确定还要结合综合看隧道锚力学分析的结果，保证施工的正确性。

4）. 锚固系统。索股锚固拉杆和预应力钢束锚固二者构造组成了锚固系统。正常看来说施工过程中锚固系统主要是预应力钢束锚固构造，在施工过程中起到的主要作用的是把大缆拉力传递给锚体。锚固系统分类是根据着力点的不同来分类的。具体可分为分为前锚式和后锚式两种形式。

5）. 后锚室。在施工过程中，后锚室的作用是可以提供进行锚碇锚固系统防护维护的空间。

6）. 散鞍基础。直接承受由大缆作用于散鞍的压力，并传递到地基。^[2] 

台阶法。在施工过程中，台阶法采取的开挖步骤是先开挖隧道上部的断面（即上台阶），当施工进行了一定时间后上台阶超前一定距离，这时候开始开挖下部的断面（即下台阶），这种采取上下台阶同时并进的特色施工方法，也就是台阶法。我们根据实际施工中的采取开挖的台阶的长度，把台阶法具体分为短台阶、长台阶、超短台阶（微台阶）法等种类。^[3] 

1.2 国内外研究现状

隧道锚结构形式独特，锚塞体为钢筋混凝土结构，截面一般情况下为马蹄形， 上部小，底部大，呈倒楔形^[4]。在悬索桥超高的拉拔荷载作用下，隧道锚与其周边岩体共同作用，协同分担桥梁主缆荷载，形成一个复杂的受力体，如图 1.1 所示。桥梁主缆将巨大的拉拔荷载传递到倒楔形的锚塞体上，同时锚塞体将力向周边的岩体传递，使得隧道锚的锚塞体与其周边岩体共同分担桥梁的拉拔荷载。在锚塞体周边附近处的岩体，由于隧道锚系统围岩的夹持效应，在拉拔荷载作用下受挤压产生的附加应力主要呈压剪应力状态，在这种情况下，由于围岩的应变硬化性质和剪胀性等，围岩能够承担极其巨大的拉拔荷载，这就是隧道锚区别于其他形式锚碇的主要原因所在^[5]

隧道传统开挖及支护方法是采用上导坑、上下导坑、导坑棚架等方式分步开挖，临时支护多采取木支撑的方法，传统的施工方法不仅施工周期长，而且施工过程中安全情况较差，隧道的质量状况较差，容易发生开裂。随着一种新的隧道施工理念—新奥法的提出，Rabcewicz L V. ^[6]为隧道工程带来了新的建设理念 ：在施工过程中要充分发挥围岩结构本身的承载能力，同时在施工及支护过程中要注意降低对围岩造成的扰动，尽快闭合支护结构，并及时跟进隧道断面的监控量测工作。新奥法的基本原则被简要概括为“少扰动、早喷锚、快封闭、勤测量”^[7]。

目前，隧道边坡防护以及洞口段开挖及支护作用的综合研究得到了极大的发展，研究时大多采用数值分析与现场监测数据相结合的方法。FLAC3D作为目前比较常用的岩土工程专业分析软件，利用有限差分原理可以很好的模拟岩土体以及支护体系的本构关系^[8]-[10]，在彭文斌、陈育民、王涛等^[11]-[13]学者的深入剖析下，该软件以成为国内研究隧道工程的主流辅助工具。

我国对于隧道锚围岩系统较为全面的研究始于程鸡鑫，夏才初，李荣强^[14]对于广东虎门大桥的锚碇分析，主要分析围岩和锚碇的稳定性。到了之后，在对于重庆鹅公岩大桥^[15]和金沙江大桥隧道式锚碇进行研究时，着重分析了围岩稳定性和锚碇的承载能力 。

据资料记载，国外的桥梁建设中，用到隧道锚的只有7座。关于隧道锚研究分析等也较少。比较出名的有位于美国纽约州华盛顿堡的华盛顿桥^[16]，隧道锚锚体周围为玄武岩，岩面较为粗糙 ，有利于锚体受力。

图 1.1 悬索桥与隧道锚

1.3 课题研究内容及研究方法

研究内容为对宜昌市伍家岗长江大桥北岸的隧道锚施工建设进行数值模拟分析，重点研究两台阶法施工时隧道锚周边围岩应力位移变化，为类似地质条件下的悬索桥隧道锚的开挖及支护提供理论指导。

拟采取的研究方法：以伍家岗长江大桥隧道锚为研究对象，通过FLAC3D建立隧道锚前锚室二维数值模型，针对两台阶法开挖方式及支护方式，计算模拟该工况下围岩的受力与变形。

第2章 工程背景

2.1 项目概述

宜昌市伍家岗长江大桥工程位于湖北省宜昌市，项目南侧为点军区艾家镇，北侧为伍家岗区。项目南起江城大道，沿线跨越谭艾路、滨江路、长江、伍临路后止于花溪路，主线全长2.813公里。主桥为主跨1160米的正交异性桥面板钢箱梁悬索桥，桥宽31.5米，其中主桥北侧锚碇为本方案所述隧道锚。项目总平面见图2.1-1。

图2.1-1 项目总平面图

2.2 隧道锚工程概况

隧道锚的构成包括洞口、前锚室、锚塞体及后锚室等几部分。隧道锚轴线长度（即理论散索点距离锚室底部长度）90m，在此之中前锚室轴线长度42m，锚塞体轴线长45m，后锚室轴线长度3m（含衬砌层），距离设计路面的最大埋深约80m，锚塞体均设置于微风化岩层。锚体轴线的倾斜角度为40°，锚塞体范围为前小后大的楔形，前锚面尺寸为9.04m×11.44m，后锚面尺寸为16m×20m。上下游隧道锚中心距离37.50m，最小净距约23.42m。锚固系统采用环氧涂层钢绞线、灌浆粘结式锚固体系。隧道洞顶设置C20混凝土截水天沟，尺寸60×60cm，截水沟距离开挖线边缘不小于5m。二级边坡为1:0.75永久边坡，采用锚杆框架植草防护。框架由C25混凝土和钢筋骨架组成；框架内采用拉伸网植草；ϕ25中空注浆锚杆，长8m，间距2×2m。一级边坡为1:0.58临时边坡，采用中空注浆锚杆加挂网喷射混凝土防护。C20喷射混凝土厚10cm；ϕ25中空注浆锚杆，长3.5m，间距1.2×1.2m；ϕ8钢筋网，网格尺寸20×20m。隧道锚山顶为深挖路堑，引桥桥台位于两隧道锚上方附近，其平面及立面位置关系如图2.2-1、图2.2-2所示：

图2.2-1 隧道锚与引桥桥台平面位置关系图（单位：cm）

图2.2-2 隧道锚与引桥桥台立面位置关系图（单位：mm）

隧道锚结构图2.2-3，锚固系统图2.2-4～6，隧道隧洞口平面设计见图2.2-7、图2.2-8，隧道隧洞口立面见图2.2-9、图2.2-10。

图2.2-3 隧道锚结构图

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