川藏铁路大渡河特大桥锚洞对隧道安全影响评价

　　摘要：为进一步解决川藏铁路在复杂条件下的施工难题，以川藏铁路大渡河特大桥为工程依托，通过数值分析得到大桥锚洞与隧道的合理施工方案并对其安全性进行分析评价。结果表明：大渡河特大桥采取先施工锚洞再施工隧道的施工方案能够更好的保证安全性，在施工过程中需注意软弱破碎带的围岩加固、支护与监测;结合隧道锚变形、隧道锚与岩体间的剪应力和塑性区分布等计算结果，发现隧道锚极限抗拔主要由隧道锚与岩体间的剪应力控制，隧道先施工时，拉萨侧锚洞施工对靠近洞口的隧道影响最大，需加强对相邻段近接隧道的位移监测。

　　关键词：川藏铁路;锚洞;隧道;数值模拟;安全性研究

　　川藏铁路地形环境极其艰险、不良地质发育，给工程建设带来了极大的风险和挑战。因此，探究适用于川藏铁路的施工方案并进行安全性评价显得极为迫切和需要。隧道锚具有工程量小、承载能力大和对周围环境影响小的特点[2，且随着科学技术的发展，智能化模型和设备正逐步应用于隧道锚施工[3，因此，隧道锚常作为悬索桥锚碇形式。目前，对隧道锚的研究主要集中于特殊地层的隧道锚特性研究[5、边坡和滑坡对隧道锚的影响[8、隧道锚承载特性及破坏模式1013以及隧道锚力学模型的建立等1416。

　　此外，颜冠峰等17对隧道锚的动力响应进行分析，研究结果对于隧道锚在地震动作用下的受力特性具有借鉴作用;杨懋偲等18采用改进的灰色模型对隧道锚的极限承载力进行预测，并验证了该方法的合理性;杨星宇，杨忠平等1920分别研究了重力相似条件和几何尺寸对隧道锚的影响;文丽娜等[21对隧道锚蠕变特性进行分析，结果表明锚碇蠕变不会影响悬索桥的长期稳定性。综上所述，目前对于隧道锚的研究主要集中于其自身承载特性和破坏模式以及外界环境对其影响，鲜有对隧道锚与隧道间的合理施工方案及其安全性进行分析。依托川藏铁路大渡河特大桥对隧道锚的施工方案进行分析并进行安全性评价，研究结果对于大渡河特大桥及类似工程的施工和设计具有一定的借鉴和参考作用。

　　1工程概况

　　大渡河特大桥位于川藏铁路雅安至康定段，该段由雅安市进入甘孜州境内，线路于天全县新沟乡穿二郎山，在泸定县城附近跨大渡河，再沿川藏公路G318、瓦斯沟穿大雪山至康定。考虑到大渡河两岸地形地貌条件以及桥梁超大跨等因素影响，大渡河特大桥采用悬索桥形式，锚碇采用隧道锚。主塔采用形钢筋混凝土结构，成都侧高塔高262m，拉萨侧矮塔高135m，墩身采用C60混凝土，两主塔均采用直径2.5m、3.0m钻孔群桩基础。隧道锚与铁路隧道均穿越多条软弱夹层，且受主缆横向角度影响，最小净距仅16.76m，施工交叉程度高。

　　2计算模型及参数

　　大渡河特大桥成都侧地质条件较为复杂，岩层中分布大量软弱夹层，岩体破碎，且左岸隧道锚尺寸较大(受主缆高强钢丝散开面积影响，隧道锚前锚面尺寸较大，决定了隧道锚整体尺寸较大)，锚塞体部分穿过软弱夹层，因此，选取成都侧对隧道锚和铁路隧道施工方案及安全性进行研究。

　　而拉萨侧隧道锚与铁路隧道净距较小，隧道锚散索鞍支墩、前锚室、锚塞体及后锚室和铁路隧道洞口段、洞口边坡防护工程空间上叠加并存，施工交叉程度高，且隧道为变截面隧道(车站隧道)，因此，选取拉萨侧研究隧道锚施工对近距离变截面隧道的影响。其中，成都侧模型整体尺寸为550m×0m×40(长×宽×高)，拉萨侧模型整体尺寸为550m×00×80m(长×宽×高)。岩土体采用摩尔库伦准则，模型底边固定约束，四周法向约束，顶端自由。

　　3施工方案比选

　　通过设置先施工铁路隧道后施工隧道锚、先施工隧道锚后施工铁路隧道和二者同时施工种工况对隧道模型最大变形进行研究。不同施工工况下隧道模型变形曲线及其最大值：(1)采用种工况的隧道最大变形值均发生在离隧道洞口210~240m软弱夹层破碎段，因此，在施工过程中应该加强该段施工措施，并加强监控量测，确保施工安全。(2)采用种工况开挖隧道锚洞室时，最大变形的产生部位均位于两侧隧道锚穿过的软弱夹层段(左侧隧道锚洞室开挖深度为160~205m处，右侧开挖深度约为147~192m处)。建议在隧道锚开挖至此段时采取缩短开挖进程、加强施工监测等措施，密切关注隧道锚洞室及上方隧道的变形，做好应急预案。(3)采用先隧后锚、先锚后隧和隧锚同步种工况施工过程中，模型最大变形值均在18mm左右，产生于隧道锚剖面。铁路隧道剖面产生最大变形的工况由小到大为先锚后隧、先隧后锚、隧锚同步，分别为8.92，8.95，9.64mm。

　　4隧道锚极限抗拔安全系数分析

　　为探究隧道锚的极限抗拔安全系数，对隧道锚的变形、隧道锚与围岩间的剪应力变化及塑性点分布进行研究。大渡河特大桥单根主缆采用217根索股，单根索股由91根φ5.77mm的镀锌铝合金镀层高强钢丝组成。本次有限元计算采用后推荷载模拟主缆力荷载，以主附工况下最大拉力431267kN为倍工况荷载取值。成都侧隧道锚后锚面尺寸为16.52mm×24.00m。(1)同理可得其他后推荷载(2~10倍工作荷载)的计算结果。(2)随着主缆力荷载的增大，隧道竖向位移表现为线性增大趋势，表明隧道锚施加主缆力荷载对隧道的变形影响较大，且在10倍工作荷载内，隧道锚周围岩土体仍处于弹性变形阶段。当工作荷载由倍增加至10倍时，隧道锚最大位移由2.54mm增加至31.62mm，隧道剖面最大位移由1.16mm增加至13.53mm。

　　(3)隧道锚与岩体间剪应力变化规律表明1~6倍主缆力工作荷载作用下隧道锚与岩体间剪应力变化幅度较小，当后推荷载大于倍主缆力荷载后，隧道锚与岩体间剪应力变化百分比发生急剧上升，隧道锚与岩体水平剪应力变化百分比由0.23%上升至20.64%。倍主缆力荷载是隧道锚与岩体间剪应力发生较大变化的特征点。

　　(4)塑形点分布图表明，隧道锚在1~8倍主缆力工作荷载作用下界面塑性区未出现贯通或只出现少量贯通现象，可认为尚未达到抗拔极限承载力状态。当对隧道锚锚塞体施加主缆力荷载至10倍工作荷载时，隧道锚锚塞体界面出现大面积塑性区，说明隧道锚达到抗拔极限承载力状态。(5)综合不同倍数主缆力工作荷载作用下隧道锚变形曲线、隧道锚与围岩间剪应力变化百分比曲线以及塑性点，可知隧道锚的抗拔安全系数由隧道锚与岩体间的界面剪应力所控制，推断大渡河特大桥成都侧隧道锚的极限抗拔安全系数为.0。

　　5锚洞施工对隧道的影响研究考虑到隧道锚施工周期较长，现场很难做到先锚后隧施工方案，同时，为探明隧道锚施工对铁路隧道的影响，选取拉萨侧研究隧道锚施工对车站隧道的影响。默认为在隧道锚开挖前，铁路隧道已施工完毕，拉萨岸隧道锚长180m，上下游同时开挖，第至第阶段，每阶段开挖隧道锚20，完成锚洞洞身开挖。第10阶段施工隧道锚锚塞体，第11阶段至第16阶段施加后推荷载。隧道锚及铁路隧道开挖均采用控爆形式，爆破振速应控制在.0cm/以下。

　　铁路隧道论文： 复理石隧道防排水施工关键技术和质量控制

　　6结论

　　(1)隧道锚对铁路隧道安全影响的主要因素为两洞先后施工顺序、两洞之间距离及爆破开挖振速。(2)先锚洞后隧道施工方案的安全性相对较好，建议采用先锚后隧施工方案。最大变形均处于软弱夹层破碎带，在隧道开挖至软弱夹层处时应密切关注锚洞的变形，采取缩短开挖进程、加强施工监测等措施。(3)隧道锚抗拔安全系数由隧道锚与岩体界面间的剪应力所控制，成都侧隧道锚抗拔安全系数。(4)隧道锚洞施工对隧道洞口段影响最大，最大位移为2.22mm。隧道施工超前时，在拉萨侧锚洞开挖至120~180m时应加强对相邻段近接隧道的位移监测。

　　参考文献：

　　[1]杨德宏川藏铁路昌都至林芝段主要工程地质问题分析[J].铁道标准设计,2019,63(9):1622，27.

　　[2]颜冠峰王明年李睿峰等大渡河桥隧道锚力学响应研究及承载力判定[J].地下空间与工程学报,2019,15(4):11491155.

　　[3]王中豪郭喜峰杨星宇基于人工智能算法的隧道锚承载能力评价[J].西南交通大学学报,2021,56(3):534540

　　[4]李维树王中豪李栋等隧道锚现场缩尺模型试验中的伺服控制与采集系统[J].地下空间与工程学报,2018,14(S1):98102.

　　[5]杨星宇周火明王中豪等层状泥岩隧道锚围岩滑动破坏特性研究[J].地下空间与工程学报,2019,15(3):755761.

　　[6]王鹏宇软岩地区悬索桥隧道锚设计研究[J].铁道工程学报,2019,36(8):5155.

　　[7]吴相超刘新荣李栋梁等软岩泡水隧道锚变形破坏模型试验[J].岩土力学,2016,37(4):10231030.

　　作者：马云飞