巖體工程地質(zhì)力學(xué)研究論文

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摘要：針對(duì)施工圖設(shè)計(jì)階段，提出壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇及其邊坡的巖體工程地質(zhì)力學(xué)研究建議，包括：錨碇圍巖工程地質(zhì)條件研究、錨碇圍巖工程力學(xué)特性研究、錨碇圍巖滲透及抗溶蝕特性研究、錨碇及其圍巖相互作用三維數(shù)值模擬研究、錨碇隧道鉆爆開挖及支護(hù)的施工技術(shù)試驗(yàn)、錨碇錨固系統(tǒng)試驗(yàn)和大體積混凝土澆筑防裂的施工技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞：懸索橋隧道式錨碇施工圖設(shè)計(jì)階段巖體工程地質(zhì)力學(xué)研究建議

1前言

壩陵河大橋離擬建貴州省鎮(zhèn)寧至勝境關(guān)高速公路起點(diǎn)約21km，地處黔中山原地帶。高速公路在關(guān)嶺縣東北跨越壩陵河峽谷，峽谷兩岸地勢(shì)陡峭，地形變化急劇，高差起伏大，河谷深切達(dá)400～600m。橋址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕、溶蝕中低山河谷地貌。巖石建造類型以碳酸鹽巖與陸源碎屑巖互層，以碳酸鹽巖構(gòu)成峽谷谷坡，以碎屑巖互層構(gòu)成谷底及緩坡為基本特征。壩陵河流向與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造線方向(NW)基本一致。河谷西岸地形較陡，地形坡度40～70°，近河谷一帶為陡崖。橋位區(qū)西岸（關(guān)嶺岸）錨碇地段處于斜坡中部，出露的巖層有三疊系中統(tǒng)竹桿坡組第一段（T2z1）中厚層狀泥晶灰?guī)r和楊柳井組（T2y）中厚層狀白云巖[1,2]。弱風(fēng)化巖體直接出露于地表，微新巖體埋深30～50m。

壩陵河懸索橋主跨1068m，橋面總寬度24.5m，東岸錨碇采用重力式錨，西岸錨碇采用隧道式錨。西岸隧道式錨碇在技術(shù)設(shè)計(jì)中全長(zhǎng)74.7m，最大埋深78m，主要由散索鞍支墩、錨室（34.7m）和錨塞體（40m）三部分組成，兩錨體相距18～6.36m。錨塞體和錨室為一傾斜、變截面結(jié)構(gòu)，上緣為圓形，下緣為矩形，縱向呈楔形棱臺(tái)，矩形截面尺寸為10m×5.8m～21m×14.5m。西岸每根主纜纜力（P）約為270MN，水平夾角約26°。錨體中設(shè)預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)，主纜索股通過索股錨固連接器與錨體中的預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)連接。

懸索橋錨碇在承受來自主纜的豎向反力的同時(shí)，主要還承受主纜的水平拉力，是懸索橋的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)之一，其總體穩(wěn)定性和受力狀態(tài)直接影響到大橋的安全和長(zhǎng)期使用的可靠性。壩陵河懸索橋是鎮(zhèn)寧－勝境關(guān)高速公路的重要節(jié)點(diǎn)，針對(duì)該大橋施工圖設(shè)計(jì)階段，本文提出壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇及其邊坡的工程地質(zhì)力學(xué)研究建議。鑒于錨碇型式受到地形、地質(zhì)條件的限制，國內(nèi)外采用隧道式錨碇的大跨懸索橋?yàn)閿?shù)較少[3－7]，見諸文獻(xiàn)報(bào)道的更少，本研究建議有不適當(dāng)之處，請(qǐng)專家批評(píng)指正。

2巖體工程地質(zhì)力學(xué)研究建議

2.1錨碇圍巖工程地質(zhì)條件研究

西岸隧道式錨碇坐落于邊坡淺表弱風(fēng)化～微新巖體中，弱風(fēng)化～微新巖體的工程地質(zhì)條件關(guān)系到錨碇隧洞的成洞條件及錨碇體系在主纜拉力荷載作用下的整體穩(wěn)定狀態(tài)。

邊坡淺表部中存在卸荷巖體。巖體卸荷帶是伴隨河谷下切過程或邊坡開挖過程中，由于應(yīng)力釋放，巖體向臨空面方向發(fā)生卸荷回彈變形，能量的釋放導(dǎo)致斜坡淺表一定范圍巖體內(nèi)應(yīng)力的調(diào)整，淺表部位應(yīng)力降低，而坡體更深部位產(chǎn)生更大程度的應(yīng)力集中。由于表部應(yīng)力降低導(dǎo)致巖體回彈膨脹、結(jié)構(gòu)松弛，破壞巖體的完整性，并在集中應(yīng)力和殘余應(yīng)力作用下產(chǎn)生卸荷裂隙。巖體應(yīng)力的降低最直觀的表現(xiàn)是導(dǎo)致巖體松弛和原有的裂隙發(fā)生各種變化，形成新環(huán)境下的裂隙網(wǎng)絡(luò)。這些裂隙一部分是遷就原有構(gòu)造裂隙引張擴(kuò)大經(jīng)改造形成[8]，有一些是微裂隙擴(kuò)展后的顯式裂隙，也有在新的應(yīng)力環(huán)境和外動(dòng)力環(huán)境下形成的裂隙。在巖體卸荷、應(yīng)力降低的過程中，隨著新的裂隙系統(tǒng)的形成，也為外動(dòng)力或風(fēng)化營(yíng)力提供了通道，加速巖體的風(fēng)化和應(yīng)力的進(jìn)一步降低。風(fēng)化巖體裂隙的增多，是巖體卸荷和風(fēng)化共同造就的。

西岸錨碇邊坡巖體在淺部節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體透水性較好，滲透系數(shù)高；隨著深度的增加，透水性逐漸減弱。深部的巖溶發(fā)育情況有待研究。

據(jù)初步設(shè)計(jì)階段工程勘察資料，西岸錨碇邊坡出露的灰?guī)r和白云巖的產(chǎn)狀為：傾向50～80°，傾角48～87°。主要發(fā)育三組優(yōu)勢(shì)節(jié)理：①155°∠57°；②220°∠34°；③333°∠46°。在巖層層面、不利結(jié)構(gòu)面組合切割和深部巖溶發(fā)育情況下，在主纜巨大拉力下，不能夠排除存在深部拉裂滑移面威脅西岸錨碇邊坡整體穩(wěn)定性的可能性。

錨碇圍巖工程地質(zhì)條件研究?jī)?nèi)容包括：

（1）研究從邊坡表部至深部巖體中裂隙的分布密度及張開度變化，揭示巖體的卸荷程度，為錨碇施工期和運(yùn)行期邊坡巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)以及巖體質(zhì)量變化趨勢(shì)提供可靠基礎(chǔ)資料；

（2）在巖層層面和不利結(jié)構(gòu)面組合切割下，由于錨碇工程荷載，研究巖體中形成的潛在不穩(wěn)定塊體的安全度以及西岸錨碇邊坡的整體穩(wěn)定性；

（3）采用地球物理勘探方法，研究邊坡深部溶蝕裂隙與溶蝕洞穴的分布規(guī)律及其發(fā)育特征。

2.2錨碇圍巖工程力學(xué)特性研究

主懸索的巨大拉力通過索股、錨桿傳人隧道中填充的（預(yù)應(yīng)力）混凝土，再通過（錨塞體）混凝土與隧道巖體的摩阻力和粘結(jié)力傳遞給周圍的巖體。隧道式錨碇在巨大主纜拉力荷載作用下，不僅要維持自身的抗拔穩(wěn)定，同時(shí)還要將自身承受的主纜拉力傳遞到錨碇圍巖中，以充分利用圍巖的承載能力，使錨碇和圍巖共同作用形成一個(gè)整體的承載體系。

錨碇圍巖工程力學(xué)特性研究包括三個(gè)方面：

（1）錨塞體與巖體之間的抗剪摩擦力學(xué)性能[9，10]和粘結(jié)特性試驗(yàn)研究；

（2）錨碇下部及兩錨體之間的巖體處于復(fù)雜的拉剪應(yīng)力狀態(tài)，研究錨碇圍巖在拉剪應(yīng)力下的變形及強(qiáng)度特性，尤其是弱風(fēng)化～微新圍巖在拉剪復(fù)雜應(yīng)力下的變形、強(qiáng)度及疲勞試驗(yàn)研究，模擬其破壞現(xiàn)象和破壞過程，從而掌握其破壞機(jī)制；

（3）巖體在中度～輕度工程爆破開挖擾動(dòng)下的力學(xué)性能研究。

錨碇圍巖工程力學(xué)試驗(yàn)?zāi)康氖谴_定錨碇邊坡巖體力學(xué)參數(shù)建議值，供設(shè)計(jì)和三維數(shù)值仿真采用。建議在設(shè)計(jì)錨碇區(qū)域附近開挖一試驗(yàn)斜硐，采取巖樣，并在硐壁打適量鉆孔，進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)和原位巖石力學(xué)性質(zhì)及配套的各項(xiàng)試驗(yàn)研究工作。主要包括室內(nèi)巖石力學(xué)三軸剪切試驗(yàn)、節(jié)理（裂隙）測(cè)量、巖體變形特性（靜載）試驗(yàn)、巖體抗剪（抗剪斷）試驗(yàn)、巖體抗拉試驗(yàn)、混凝土與基巖膠結(jié)面抗剪和摩擦等試驗(yàn)和硐室聲波普測(cè)、硐室地球物理勘探、含水量測(cè)試、鉆孔聲波測(cè)試、鉆孔壓水試驗(yàn)等試驗(yàn)研究工作。錨碇系統(tǒng)的摩阻力由基巖與錨碇系統(tǒng)接觸面的正應(yīng)力與摩擦系數(shù)來決定，摩擦系數(shù)一般由相似原理進(jìn)行模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到。硐室地球物理勘探是查明錨碇圍巖（主要是錨碇下部及兩錨體之間的巖體）中的巖溶發(fā)育情況。

試驗(yàn)資料的整理應(yīng)通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析，結(jié)合現(xiàn)行有關(guān)行業(yè)規(guī)范（規(guī)程）和工程經(jīng)驗(yàn)的類比，提出西岸隧道式錨碇邊坡區(qū)域巖體力學(xué)參數(shù)建議值，供設(shè)計(jì)采用。

2.3錨碇圍巖滲透及抗溶蝕特性研究

壩陵河懸索橋西岸錨碇圍巖為弱風(fēng)化～微新的灰?guī)r和白云巖，屬于易溶蝕化巖體。錨碇邊坡地段地下水主要為（節(jié)理）裂隙水、巖溶裂隙水和巖溶孔（洞）穴水。西岸隧道式錨碇錨體混凝土澆筑后，在邊坡巖體中形成不透水體（阻滲體），從而改變錨碇邊坡的地下水滲流場(chǎng)。可以預(yù)見，地下水將從錨塞體混凝土邊緣繞滲，因此錨塞體與圍巖的交界部位巖體更易遭到溶蝕，削弱錨塞體混凝土與圍巖之間的摩阻力和粘結(jié)力。錨碇圍巖滲透特性的研究應(yīng)著重錨塞體與圍巖的交界部位巖體的滲透性能與抵抗溶蝕的能力的試驗(yàn)研究。

為防治錨塞體與圍巖交界部位巖體的溶蝕危害采取的工程措施，主要是加強(qiáng)錨碇邊坡坡面的排水工程。

2.4錨碇及其圍巖相互作用三維數(shù)值模擬研究

由于懸索橋安全是依靠錨碇固定橋的體系，錨碇發(fā)生移動(dòng)將嚴(yán)重影響橋梁體系，甚至導(dǎo)致橋體破壞，因此研究西岸隧道式錨碇的錨塊及其圍巖在主動(dòng)拉力作用下的穩(wěn)定性、瞬時(shí)變位與長(zhǎng)期變位是相當(dāng)重要的。應(yīng)建立真實(shí)反映隧道式錨碇錨體和圍巖二者相互作用、考慮施工過程非線性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)面影響等的三維數(shù)值仿真模型，對(duì)錨碇穩(wěn)定性及變位進(jìn)行預(yù)測(cè)[11]。

2.5錨碇隧道鉆爆開挖及支護(hù)的施工技術(shù)試驗(yàn)

根據(jù)西岸隧道式錨碇為傾斜、變截面的工程特點(diǎn)，需研究錨碇隧道的鉆爆開挖以及支護(hù)的施工技術(shù)[12－14]。在隧道式錨碇施工過程中，自始至終都要注意嚴(yán)格控制圍巖的完整性，盡量避免對(duì)圍巖產(chǎn)生過大的擾動(dòng)。為保證主纜等硐內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命，錨碇的防水按GB50108－2001二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，要求較高。施工開挖后應(yīng)對(duì)圍巖中的塑性變形帶進(jìn)行擠密壓漿處理，以使錨塞體混凝土與圍巖緊密結(jié)合。

2.6錨碇錨固系統(tǒng)試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證用于壩陵河大橋錨碇錨固系統(tǒng)的各產(chǎn)品力學(xué)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)內(nèi)容包括錨拉桿組件靜載試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)及錨具組裝件靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)[15]等。

2.7大體積混凝土澆筑防裂的施工技術(shù)研究

壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇錨塞體混凝土澆筑量約2×12143.322m3。錨碇結(jié)構(gòu)混凝土澆筑量大，強(qiáng)度高，對(duì)施工工藝及養(yǎng)護(hù)維修提出了更高的要求；而大體積混凝土澆注施工由于受多種因素影響，若措施不當(dāng)，很容易出現(xiàn)裂縫，影響到錨塞體混凝土的整體性強(qiáng)度以及鋼筋的耐久性和實(shí)用性。西岸隧道式錨碇錨塞體大體積混凝土澆筑防裂技術(shù)從混凝土原材料選取和配合比的選擇、降低原材料溫度和控制混凝土拌和物溫度、合理選擇澆筑工藝和保證整體質(zhì)量、有效控制混凝土內(nèi)外溫差到對(duì)混凝土溫度進(jìn)行監(jiān)控及時(shí)掌握混凝土溫度變化動(dòng)態(tài)等一系列技術(shù)措施[16－22]，都可借鑒汕頭海灣懸索橋、宜昌長(zhǎng)江公路大橋和重慶鵝公巖大橋的做法。

3結(jié)語

針對(duì)施工圖設(shè)計(jì)階段，提出壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇及其邊坡的巖體工程地質(zhì)力學(xué)研究建議，包括：錨碇圍巖工程地質(zhì)條件研究、錨碇圍巖工程力學(xué)特性研究、錨碇圍巖滲透及抗溶蝕特性研究、錨碇及其圍巖相互作用數(shù)值模擬研究、錨碇隧道鉆爆開挖及支護(hù)的施工技術(shù)試驗(yàn)、錨碇錨固系統(tǒng)試驗(yàn)和大體積混凝土澆筑防裂的施工技術(shù)研究。