CN113700513A - 一种复合式隧道锚碇结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式隧道锚结构，包括主缆接入洞，散索室、楔形室，主缆接入洞内安装有散索鞍，散索室靠近主缆接入洞的一端设有导向件，散索室和楔形室的交界面设有转向件，楔形室的基底面设有锚具，散索室内设有前锚块，楔形室内设有后锚块，散索室与主缆接入洞的中心轴线重合，楔形室的中心轴线与水平面的夹角大于主缆的入射角，主缆从主缆接入洞经过散索鞍分散成钢绞线，所有钢绞线通过导向件平均分散至散索室的截面内并穿过前锚块，再通过转向件转向并平均分散至楔形室的截面内，最后穿过后锚块后分别通过锚具固定在楔形室的基底面。本发明有效克服围岩岩土强度不足导致的锚碇设计和施工难度大增，大幅度降低了建设成本。

Description

一种复合式隧道锚碇结构

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，更具体涉及一种复合式隧道锚碇结构，适用于软岩和松散堆积体类边坡等各类极易受工程扰动不满足承载设计要求的围岩条件，设计时需考虑岩土初始状态和变形软化后物理力学参数下降程度，评估隧道锚承载前后边坡稳定性，而且，采取复合式隧道锚碇可大幅减少工程量和工程费用。

背景技术

我国三分之二国土为山地区域。由于山区地质构造复杂、岩性多变，大部分高速公路/铁路的桥隧比例较高，尤其是西部山区高达70％～80％，桥梁建设成为交通建设的重中之重。悬索桥因其卓越的跨越能力，常成为山区桥型的首选。悬索桥主要由锚碇、加劲梁、主缆、桥塔四大结构组成，其中锚碇是承载悬索桥主缆力的关键。锚碇一般又分为重力式(简称重力锚)和隧道式(简称隧道锚)，其力学模型及可能的破坏模式如图1所示。

重力锚的原理是利用其基底面与地面的基底摩擦力平衡主缆拉力的水平分量，因此重力锚体量巨大，在陆地上一般采用放坡、垂直围护、沉井等方式施工，需要很大的施工场地，而当桥址处山区，地面坡度陡峭时，就需要大规模开挖山体，设置高边坡防护，这种情况不但工程量和工程难度大，而且破坏生态环境。

隧道锚能较好结合锚址区的工程地质条件，利用楔形锚碇带动周边岩体共同承载，隧道锚的工程规模一般远小于承载力相同的重力锚，是一种体积小、避免大规模开挖、节约投资、对周边环境影响小的锚碇结构形式。但已有的隧道锚一般都只适合设置在围岩条件较好的硬质岩体中，这些隧道锚所处的岩体整体性好，能充分利用围岩的“夹持效应”所提供的巨大抗拔力。而当岩体节理构造发育属于破碎岩，甚至为碎屑岩时，围岩难以为锚碇提供有效的“夹持效应”。若围岩条件较差时即便采用隧道锚，其设计长度也将大幅增加，以某悬索桥的长达159米的世界最长隧道锚即为例证。由于超长变截面锚室暗挖施工难度极大、施工安全难以保证，且施工效率极低，因此这种情况不宜采用隧道锚。

针对现有两种锚碇技术中的缺陷，本专利提出构建一种新型悬索桥锚碇，即重力式隧道锚，其力学模型如下图2。重力式隧道锚，结构概念设计为两段锚碇，上部锚碇为散索段，下部锚碇为楔形段。散索段拟替代原隧道锚的散索鞍功能，将主缆钢索平均分散至锚碇截面；楔形段中心轴线与水平线呈大角度相交，其重力可抵抗主缆力部分竖向分量，其楔形体外观可形成对围岩的夹持效应抵抗主缆力剩余竖向分量，主缆力的水平分力则由锚碇底部围岩的水平抗剪承载力抵抗，可借鉴重力锚的基底摩擦滑移破坏模式进行抗滑设计；再者，若考虑沿主缆力方向的锚碇被拔出的破坏模式，可调整锚碇埋深直至满足抗拔设计要求。这一新型锚碇同时结合了重力锚和隧道锚的优点，适用于陡峭坡地及岩体破碎的地段。

查阅诸多学者对隧道锚破坏模式的相关研究成果，可知隧道锚承载至极限时其潜在破裂面为图1中虚线①代表的方向。基于上述对重力式隧道锚的基本力学分析，可预测隧道锚发生整体倾覆和水平滑移两种可能破坏模式时，在围岩体内可能产生图2中虚线②代表的破裂面。

经中国专利网与相关论文网站检索，目前尚无采用复合式隧道锚承载悬索桥主缆的专利。对于破碎和强风化的较差围岩条件，通常都是采用重力锚，或采用超长隧道锚形式进行设计，由于受限于锚碇自身力学缺陷，不能满足主缆承载设计的需要，进而增大工程设计和施工难度，极大增加了工程量，且有引发边坡失稳的风险。因此，设计一种经济可靠安全的新型隧道锚就显得尤为紧迫。

发明内容

针对当前重力锚和隧道锚工程应用中各有缺陷的现状，一种复合式隧道锚碇结构，可有效解决此类碎屑或破碎的软弱边坡不易承载主缆，以及承载后易导致边坡失稳问题，很好的改善了目前锚碇设计方法单一、工程措施保守的现状，切实提高了在工程实践中工程结构设计水平，并可大幅降低工程成本。

一种复合式隧道锚碇结构，设于边坡滑动面的岩层内，包括与主缆入射方向平行的主缆接入洞，通过主缆接入洞依次开挖形成的散索室、楔形室，散索室的平均截面积为A而散索室下端到上端的长度为a，楔形室的基底面积为B而高度为b，所述主缆接入洞内安装有散索鞍，散索室靠近主缆接入洞的一端设有导向件，散索室和楔形室的交界面设有转向件，楔形室的基底面设有锚具，所述散索室内设有前锚块，所述楔形室内设有后锚块，散索室与主缆接入洞的中心轴线方向重合，楔形室的中心轴线靠近边坡滑动面一侧与水平面的夹角β大于主缆的入射角δ，主缆从主缆接入洞经过散索鞍分散成数量与主缆数量相同的间隔并排设置的钢绞线，所有钢绞线通过导向件平均分散至散索室的截面内并穿过前锚块，再通过转向件转向并平均分散至楔形室的截面内，最后穿过后锚块后分别通过锚具固定在楔形室的基底面；

所述锚具包括锚入楔形室基底面的抗剪切结构和与每根钢绞线连接的锚固连接器，所述抗剪切结构包括锚入楔形室基底面下方的抗拔桩和抗剪桩/抗剪墙，所述抗剪桩/抗剪墙布置在楔形室底部或在楔形室底部靠边坡滑动面的一侧；

当主缆被设计承受的力P，并布置n根抗拔力为F_k的抗拔桩，和布置的抗剪强度为J的抗剪桩/抗剪墙的面积为s时，散索室和楔形室设计参数满足以下条件：

nF_k+Aaρ+Bbρ≥Psinδ；

sJ≥Pcosδ；

ρ为散索室和楔形室内浇筑的混凝土的密度。

进一步地，所述前锚块和后锚块的截面呈圆形、或椭圆形、或矩形、或多边形、或上述形状的组合，其截面面积从前锚面向后锚面逐渐增大，所述主缆接入洞、散索室和楔形室均包括贴设于前锚块和后锚块表面的支护层，所述前锚块和后锚块与周围的支护层在主缆的作用下组成包裹在岩层内的隧道/重力锚。

优选地，所述夹角的范围为179°-10°。

优选地，所述导向件包括由多根套管组成的蜂窝结构、或密布孔洞的刚性垫板，所述转向件包括密布孔洞的刚性垫板。

进一步地，所述锚具包括锚入楔形室基底面的抗剪切结构和与每根钢绞线连接的锚固连接器。

进一步地，所述抗剪切结构包括锚入楔形室基底面下方的抗拔桩、和抗剪桩或抗剪墙，所述抗剪桩或抗剪墙布置在楔形室底部或楔形室底部靠边坡滑动面的一侧。

进一步地，所述抗剪切结构还包括锯齿状刚性底板，该锯齿状刚性底板的齿槽与边坡滑动面平行。

本发明的锚碇集成了重力锚、隧道锚等多种技术手段，考虑了工程开挖前后岩土物理力学参数的变化，是一种锚固悬索桥主缆的新型复合式隧道锚结构及其施工方法。该方法通过现场调查及室内实验获取边坡的基本几何形态、初始状态和变形软化后岩土物理力学参数等，采用集合重力锚和隧道锚优点的新型锚碇结构，承载悬索桥主缆力。

本发明建立了一个结构简明、力学原理清晰的新型锚碇结构承载悬索桥主缆力，与现有技术相比其有益效果是：本发明的隧道/重力锚包括前锚块的隧道锚和后锚块的重力锚，既利用了重力锚基底面与地面的基底摩擦力平衡主缆拉力的水平分量，又利用了隧道锚周围围岩的“夹持效应”所提供的巨大抗拔力，基于力学分析，可预测隧道/重力锚承载至极限时发生水平滑移和整体倾覆的潜在破裂面与后锚块的基底面平行，和与后锚块的基底面相对主缆接入洞的中心轴线对称。

要使隧道/重力锚水平滑移，需克服三项分力：一、锚碇和锚碇靠近边坡面一侧与破裂面之间的岩体区域的总重量产生的静摩檫力的水平分力；二、锚碇底部抗剪结构的剪切力；三、围岩与前锚块表面的摩擦力的水平分力，因此使本发明的隧道/重力锚水平滑移所需要的水平破坏力大于近在边坡设置重力锚碇的方案中所需要的破坏力(没有围岩与锚碇的摩擦力)。

要使隧道/重力锚整体倾覆，需克服三项分力：一、锚碇和锚碇靠近边坡面一侧与破裂面之间的岩体区域的总重量产生的静摩檫力的水平分力，及前锚块上表面岩体区域的总重量；二、锚碇底部抗剪结构的拔桩力；三、围岩与前锚块上表面的挤压力，因此使本发明的隧道/重力锚整体倾覆所需要的破坏力大于近在边坡设置重力锚碇的方案中所需要的破坏力(锚碇上方岩体的总重力和锚碇的重力)。

因此本发明中锚碇总体的体积小于纯重力锚碇，减小了锚室的开挖量和避免了重力锚碇自重对碎屑或破碎的软弱边坡造成的结构失稳的问题。

而纯隧道锚要扩大虚线①中覆盖的破坏面的区域中围岩的总体积至，与本发明中倾覆破坏和滑移破坏的破裂面之间的区域中围岩的总体积相等才能达到同样的抗倾覆和抗滑移能力，故需要开挖的隧道的长度极长，工程量大于本发明。

附图说明

图1为纯重力锚的破坏模式原理图；

图2为纯隧道锚的破坏模式原理图；

图3为实施例1中复合式隧道锚结构布置图；

图4为实施例1中复合式隧道锚结构的前锚块、后锚块的中轴线与水平面的夹角图；

图5为实施例1中复合式隧道锚结构的破坏模式原理图；

图6-(a)(b)为常规隧道锚计算结果图；

图7-(c)(d)为复合式隧道锚结构计算结果图。

具体实施方式：

下面结合工程实例对本发明方法做进一步的详细说明，目的在于使本领域技术人员对本发明方法有更详尽的理解和认识，以下实施例不应在任何程度上被理解为对本发明请求保护范围的限制。

实施例1：

如图3，一种复合式隧道锚碇结构，设于边坡滑动面1的岩层14内，包括与主缆11入射方向平行的主缆接入洞2，通过主缆接入洞2依次开挖形成的散索室3、楔形室4，散索室3的平均截面积为A＝30m²而散索室3下端到上端的长度为a＝10m，楔形室4的基底面积为B＝50m²而高度为b＝20m，主缆接入洞2、散索室3、楔形室4开挖完成后采用锚喷等方式做好硐室围岩支护层13，主缆接入洞2内安装有散索鞍5，散索室3靠近主缆接入洞2的一端设有导向件6，导向件6包括由多根套管组成的蜂窝结构、或密布孔洞的刚性垫板，散索室3和楔形室4的交界面设有转向件7，转向件7包括密布孔洞的刚性垫板，楔形室4的基底面设有锚具8，散索室3内设有前锚块9，楔形室4内设有后锚块10，散索室3与主缆接入洞2的中心轴线方向重合，主缆接入洞2的中心轴线与水平面的夹角为δ，楔形室4的中心轴线靠近边坡滑动面1一侧与水平面的夹角为β，β＝60°大于主缆11的入射角δ＝30°，，前锚块9和后锚块10的截面呈圆形、或椭圆形、或矩形、或多边形、或上述形状的组合，其截面面积从前锚面向后锚面逐渐增大，主缆接入洞2、散索室3和楔形室4的支护层13贴设于前锚块9和后锚块10表面，前锚块9和后锚块10与周围的支护层13在主缆11的拉应力作用下组成包裹在岩层14内的隧道/重力锚，主缆11从主缆接入洞2经过散索鞍5分散成数量与主缆11数量相同的间隔并排设置的钢绞线12，所有钢绞线12通过导向件6平均分散至散索室3的截面内并穿过前锚块9，再通过转向件7转向并平均分散至楔形室4的截面内，最后穿过后锚块10后分别通过锚具8固定在楔形室4的基底面。

如图4，夹角β的范围为179°-30°，本实施例中β＝60°，前锚块9和后锚块10均为钢筋混凝土结构。锚具8包括锚入楔形室4基底面的抗剪切结构和与每根钢绞线12连接的锚固连接器，具体地作为一种选择，抗剪切结构包括锚入楔形室4基底面下方的抗拔桩15、和抗剪桩或抗剪墙16，抗剪桩或抗剪墙16布置在楔形室4底部或在楔形室4底部靠边坡滑动面1的一侧。

主缆11被设计承受的力P＝10000吨，并布置n根抗拔力为F_k的抗拔桩15，和布置的抗剪强度为2Mpa的抗剪桩/抗剪墙16的面积为s时，散索室3和楔形室4设计参数满足以下条件：

nF_k+Aaρ+Bbρ≥Psinδ；

sJ≥Pcosδ；

ρ为散索室3和楔形室4内浇筑的混凝土的密度，ρ＝2.5吨/m³；

根据计算n＝(Psinδ-Aaρ-Bbρ)÷F_k＝(5000-750-2500)÷150＝11.6≈12根；

S＝Pcosδ÷J＝8660÷2＝43.3m²；

由上可知，采用本发明的方案散索室3和楔形室4的浇筑体积体积达到1300m³时，通过布置抗拔桩和剪力墙，便可满足设计主缆应力到达10000吨的要求。

作为另一种选择，抗剪切结构还包括锯齿状刚性底板，该锯齿状刚性底板的齿槽与边坡滑动面1平行。

(1)若假设前锚块9和后锚块10均为素混凝土不设置抗剪切结构时，本发明的复合式隧道锚结构和纯隧道锚模型的截面均为半圆与矩形组合且面积相等，在围岩类别、主缆力、埋深等主要设计参数相同条件下，其他计算参数和计算结果见表1，计算结果云图见下图6，破坏原理图如图5。

表1：复合式隧道锚结构与纯隧道锚的数值模拟计算参数和计算结果(尺寸：米；应力：MPa)

如图5，本发明的隧道/重力锚包括前锚块的隧道锚和后锚块的重力锚，既利用了重力锚基底面与地面的基底摩擦力平衡主缆拉力的水平分量，又利用了隧道锚周围围岩的“夹持效应”所提供的巨大抗拔力，基于力学分析，可预测隧道/重力锚承载至极限时发生水平滑移的潜在破裂面②与后锚块的基底面平行，隧道/重力锚承载至极限时发生整体倾覆的潜在破裂面②与后锚块的基底面相对主缆接入洞的中心轴线对称。

要使隧道/重力锚水平滑移，需克服三项分力：一、锚碇和锚碇靠近边坡面一侧与破裂面②之间的岩体区域的总重量产生的静摩檫力的水平分力；二、锚碇底部抗剪结构的剪切力；三、围岩与前锚块表面的摩擦力的水平分力，因此使本发明的隧道/重力锚水平滑移所需要的水平破坏力大于近在边坡设置重力锚碇的方案中所需要的破坏力(没有围岩与锚碇的摩擦力)。

要使隧道/重力锚整体倾覆，需克服三项分力：一、锚碇和锚碇靠近边坡面一侧与破裂面②之间的岩体区域的总重量产生的静摩檫力的水平分力，及前锚块上表面岩体区域的总重量；二、锚碇底部抗剪结构的拔桩力；三、围岩与前锚块上表面的挤压力，因此使本发明的隧道/重力锚整体倾覆所需要的破坏力大于近在边坡设置重力锚碇的方案中所需要的破坏力(锚碇上方岩体的总重力和锚碇的重力)。

因此本发明中通过设置抗剪切结构，使锚碇总体的体积远小于纯重力锚碇，减小了锚室的开挖量和避免了重力锚碇自重对碎屑或破碎的软弱边坡造成的结构失稳的问题，技术效果远远超出预期，效果惊人。

而纯隧道锚要扩大虚线①中覆盖的破坏面的区域中围岩的总体积至，与本发明中倾覆破坏和滑移破坏的破裂面②之间的区域中围岩的总体积相等才能达到同样的抗倾覆和抗滑移能力，故需要开挖的隧道的长度极长，工程量大于本发明。如表1解算的结果，本发明的复合式隧道锚结构的长度、体积均小于纯隧道锚模型的长度、体积。

Claims (5)

1.一种复合式隧道锚碇结构，设于边坡滑动面(1)的岩层(14)内，其特征在于，包括与主缆(11)入射方向平行的主缆接入洞(2)，通过主缆接入洞(2)依次开挖形成的散索室(3)、楔形室(4)，散索室(3)的平均截面积为A而散索室(3)下端到上端的长度为a，楔形室(4)的基底面积为B而高度为b，所述主缆接入洞(2)内安装有散索鞍(5)，散索室(3)靠近主缆接入洞(2)的一端设有导向件(6)，散索室(3)和楔形室(4)的交界面设有转向件(7)，楔形室(4)的基底面设有锚具(8)，所述散索室(3)内设有前锚块(9)，所述楔形室(4)内设有后锚块(10)，散索室(3)与主缆接入洞(2)的中心轴线方向重合，楔形室(4)的中心轴线靠近边坡滑动面(1)一侧与水平面的夹角β大于主缆(11)的入射角δ，主缆(11)从主缆接入洞(2)经过散索鞍(5)分散成数量与主缆(11)数量相同的间隔并排设置的钢绞线(12)，所有钢绞线(12)通过导向件(6)平均分散至散索室(3)的截面内并穿过前锚块(9)，再通过转向件(7)转向并平均分散至楔形室(4)的截面内，最后穿过后锚块(10)后分别通过锚具(8)固定在楔形室(4)的基底面；

所述锚具(8)包括锚入楔形室(4)基底面的抗剪切结构和与每根钢绞线(12)连接的锚固连接器，所述抗剪切结构包括锚入楔形室(4)基底面下方的抗拔桩(15)和抗剪桩/抗剪墙(16)，所述抗剪桩/抗剪墙(16)布置在楔形室(4)底部或在楔形室(4)底部靠边坡滑动面(1)的一侧；

当主缆(11)被设计承受的力P，并布置n根抗拔力为F_k的抗拔桩(15)，和布置的抗剪强度为J的抗剪桩/抗剪墙(16)的面积为s时，散索室(3)和楔形室(4)设计参数满足以下条件：

nF_k+Aaρ+Bbρ≥Psinδ；

sJ≥Pcosδ；

ρ为散索室(3)和楔形室(4)内浇筑的混凝土的密度。

2.根据权利要求1所述的复合式隧道锚碇结构，其特征在于，所述前锚块(9)和后锚块(10)的截面呈圆形、或椭圆形、或矩形、或多边形、或上述形状的组合，其截面面积从前锚面向后锚面逐渐增大，所述主缆接入洞(2)、散索室(3)和楔形室(4)均包括贴设于前锚块(9)和后锚块(10)表面的支护层(13)，所述前锚块(9)和后锚块(10)与周围的支护层(13)在主缆(11)的作用下组成包裹在岩层(14)内的隧道/重力锚。

3.根据权利要求1所述的复合式隧道锚碇结构，其特征在于，所述夹角的范围为179°-10°。

4.根据权利要求1所述的复合式隧道锚碇结构，其特征在于，所述导向件(6)包括由多根套管组成的蜂窝结构、或密布孔洞的刚性垫板，所述转向件(7)包括密布孔洞的刚性垫板。

5.根据权利要求1所述的复合式隧道锚碇结构，其特征在于，所述抗剪切结构还包括锯齿状刚性底板，该锯齿状刚性底板的齿槽与边坡滑动面(1)平行。

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