隧道锚组成及其功能

隧道锚主体部分主要包括：鞍室、混凝土锚体、系统锚杆、锚固系统、后锚室、散鞍基础等。此外还有门洞、步梯、防、排水构造，检修通道等附属设施，不参与结构的受力。

(1)鞍室。鞍室的主要功能是容纳大缆的散鞍，并有足够的长度便于大缆散开锚固，同时提供进行锚碇锚固系统、大缆散鞍等防护、维护的空间。根据具体情况，鞍室截面可采用等截面或变截面。由于隧道锚的鞍室一般均需开挖山体，故需要采取初期开挖支护措施和以后保持开挖后山体稳定长期支护构造（二次衬砌）。

(2)锚体。锚体的主要功能是容纳锚碇的锚固系统、传递大缆拉力到岩体，是隧道锚的主要结构。根据锚体的功能，锚体设计应考虑对锚碇锚固系统的保护作用，自身要有足够的强度承受缆力和锚固系统的压力。

(3)系统锚杆。系统锚杆的主要作用是作为开挖的初期支护、加强锚体、岩体间的连接、提高锚洞周围开挖扰动带的强度，同时利用锚杆孔完成对锚体围岩的灌浆。其设置应根据锚洞围岩整体结构连续性状况及锚洞围岩普遍存在的松弛圈厚度范围，并结合隧道锚力学分析的结果综合确定。

(4)锚固系统。锚固系统一般由索股锚固拉杆和预应力钢束锚固构造（有的也采用型钢等型式，已很少使用）组成。这里所说的锚固系统主要是预应力钢束锚固构造，其主要功能是把大缆拉力传递给锚体。根据着力点的不同可分为前锚式和后锚式。

(5)后锚室。后锚室的主要功能是提供进行锚碇锚固系统防护、维护的空间。有的隧道锚不设后锚室或者虽有后锚室但在锚碇修建完成后进行了回填封堵，这对锚体可换式无粘结预应力体系是不可行的。

(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。

锚碇作为悬索桥的四大部分之一，其土方量占悬索桥总开挖量的绝大部分，是最大限度减少环境扰动的关键所在。隧道锚可有效减少开挖量和混凝土用量，是理想的锚碇型式，如美国的华盛顿桥，其新泽西岸隧道锚与纽约岸重力锚混凝土用量比1:4.8，我国四渡河特大桥宜昌岸隧道锚与恩施岸重力锚混凝土用量比1:4，土石方开挖量之比1:5。因而，隧道锚的使用对有效保护自然环境、避免大规模开挖、节约投资方面具有重要意义。

隧道锚把岩体作为锚体的一部分共同承受大缆拉力，因而从宏观上看，即所谓从概念设计的角度而言，适合建造隧道锚的锚址地质条件应具有以下特点。

(1)锚址区的地质条件应是区域稳定的。锚址区不应有滑坡、崩塌、倾倒体及层间滑动等区域性地质灾害存在，不应有深大断裂带通过。

(2)锚址区的岩体应具有较强的整体性。锚址区的岩体不应存在较多的裂隙、层理等地质构造，这些构造降低了岩体的整体性，对控制隧道锚的变位极为不利。

(3)锚址区的岩体应具有较高的强度。由于隧道锚的承载能力与岩体的强度密切相关，故要求锚址区的岩体应具有较高的强度以达到隧道锚的承载要求。

据锚固系统采用结构材料的不同，可分为无预加力的预埋型钢式和有预加力的预应力钢束锚固型式。锚碇型钢型式的锚固系统已很少使用，预应力钢束锚固型式已成为主要的型式。从锚固系统着力点位置的不同又可分为前锚式和后锚式。

一般而言，越是靠近岩体深部，岩体的强度越高，相应的承载能力越高，故相同的锚体长度，锚固系统的着力点放置在锚体后锚面附近有利于提高隧道锚的承载力。此外，考虑到后期维护和长期使用的需要，锚固系统采用无粘结预应力钢束还具有可换性的优势。具体选用时还需结合施工条件、施工方法综合考虑。2100433B

第1章 概述 1

1.1 悬索桥隧道锚发展概况 2

1.2 隧道锚研究现状 3

1.2.1 隧道锚围岩工程特性研究现状 3

1.2.2 隧道锚现场模型试验研究现状 4

1.2.3 隧道锚数值仿真模拟研究现状 6

1.2.4 隧道锚承载力计算方法研究现状 7

1.3 作者团队隧道锚研究历程和思路 9

1.4 本书主要内容 11

第2章 隧道锚围岩工程特性精细评价方法 12

2.1 隧道锚围岩特性精细评价方法的提出 13

2.2 洞室围岩性状探洞勘测 13

2.2.1 四渡河大桥勘探平洞勘察 14

2.2.2 云南普立大桥勘探斜洞勘察 14

2.2.3 宜昌伍家岗长江大桥勘探斜洞勘察 17

2.3 基于勘探平洞的风化卸荷带划分 20

2.3.1 勘探平洞布置 20

2.3.2 茶洞岸勘探平洞地质描述 21

2.3.3 吉首岸勘探平洞地质描述 22

2.3.4 平洞波速测试及卸荷带划分 23

2.3.5 构建三维地质概化模型 25

2.4 岩体力学特性现场试验 26

2.4.1 试验布置 26

2.4.2 岩体变形试验 27

2.4.3 混凝土与基岩接触面直剪试验 29

2.4.4 岩体直剪试验 31

2.4.5 结构面直剪试验 32

2.4.6 承压板流变试验 34

2.4.7 直剪流变试验 35

2.4.8 三轴流变试验 43

2.5 隧道锚围岩质量分级 47

2.5.1 国标BQ分级 47

2.5.2 RMR岩体分类 53

2.5.3 基于工程岩体质量分级的岩体力学参数 54

2.5.4 基于霍克-布朗经验强度准则的岩体力学参数 55

第3章 隧道锚大比尺现场缩尺模型试验 57

3.1 隧道锚大比尺现场缩尺模型试验思想的提出 58

3.2 理论依据 59

3.3 模型试验建造方法 60

3.3.1 试验洞布置 60

3.3.2 模型尺度选择 63

3.3.3 试验洞成洞方法 65

3.4 模型试验加载方法 67

3.4.1 反力梁加载法 67

3.4.2 千斤顶自平衡加载法 67

3.4.3 伺服加载系统 69

3.5 模型试验监控技术 70

3.5.1 表面变形监测 70

3.5.2 深部变形监测 72

3.5.3 锚碇与围岩接触面变形监测 74

3.5.4 锚碇内部应变特征测试 74

3.5.5 模型试验破坏过程监测 75

3.6 试验流程 80

3.6.1 超张拉试验 81

3.6.2 张拉流变试验 81

3.6.3 极限超张拉试验 82

3.7 基于模型试验的反演分析方法 82

3.7.1 反演计算方法 82

3.7.2 应用实例 82

第4章 室内地质力学模型试验方法 89

4.1 相似比设计 90

4.2 模型材料 91

4.3 模型构筑 92

4.4 加载与量测 94

4.5 试验结果分析 96

4.5.1 设计荷载试验（1P） 96

4.5.2 超载试验 98

第5章 隧道锚“夹持效应”力学机制和变形破坏机制 103

5.1 “夹持效应”现场缩尺模型试验 104

5.1.1 专项模型试验 104

5.1.2 专项模型试验数值重现 112

5.2 现场缩尺模型试验变形破坏模式分析 118

5.2.1 伍家岗长江大桥隧道锚模型试验结果 118

5.2.2 太洪长江大桥隧道锚模型试验结果 120

5.2.3 水布垭清江大桥隧道锚模型试验结果 123

5.3 基于连续介质数值方法的隧道锚超载破坏分析 126

5.3.1 伍家岗长江大桥隧道锚承载特性数值模拟 126

5.3.2 太洪长江大桥隧道锚承载特性数值模拟 131

5.3.3 水布垭清江大桥隧道锚承载特性数值模拟 135

5.4 基于非连续介质分析方法的隧道锚超载破坏分析 139

5.4.1 非连续变形分析数值模型 140

5.4.2 模拟结果 140

第6章 隧道锚承载能力综合研究方法 143

6.1 模型试验方法 144

6.2 多尺度非线性数值分析方法 150

6.2.1 模型尺度 150

6.2.2 原型尺度 152

6.3 极限平衡分析方法 157

6.3.1 隧道锚多块体极限平衡分析方法 158

6.3.2 基于“夹持效应”的极限平衡分析方法 160

6.3.3 极限平衡分析方法小结 162

6.4 经验类比法 162

6.4.1 方法原理及应用条件 162

6.4.2 应用实例 163

6.5 综合方法应用成果 164

第7章 实桥隧道锚承载能力监控验证 167

7.1 隧道锚综合监控技术 168

7.2 隧道锚承载能力验证 168

7.2.1 四渡河大桥隧道锚变形监测成果及分析 168

7.2.2 矮寨大桥茶洞岸隧道锚监测成果及分析 170

参考文献 173 2100433B

本书结合重庆鹅公岩大桥、湖北四渡河大桥、湖南矮寨大桥等十余座悬索桥隧道锚岩石力学研究实践，系统总结悬索桥隧道锚岩石力学关键技术及其应用效果，提出以勘探平（斜）洞综合测试与试验为基础的隧道锚围岩工程特性精细评价方法，研发隧道锚大比尺现场缩尺模型试验成套技术，揭示隧道锚围岩“夹持效应”力学机制和变形破坏机制。基于隧道锚承载特性的综合研究，获得隧道锚在数万吨级荷载下变形为毫米级，流变效应不明显的重要结论，并为工程实践所证实。