基建狂魔搭桥穿隧背后的科学：破解千米级大跨度悬索桥隧道锚安全评价难题

来源：科学出版社

隧道锚是悬索桥主要锚固形式之一，依靠在山体中开挖建造的倒楔形混凝土塞形体，带动大范围岩体共同承担悬索桥主缆数万吨级荷载。相比主要靠重量提供抗力的重力锚，隧道锚在性价比、保护环境等方面有显著优势。隧道锚设计思想最早应用于1932 年的美国乔治·华盛顿大桥，随后在美国、英国、瑞典及日本等国家有若干桥梁建设选用此项技术。但文献检索表明，国外基于综合试验条件下的隧道锚承载能力研究成果鲜有报道。 

国内大型隧道锚始于1998 年鹅公岩大桥的建设。隧道锚围岩力学特性、隧道锚承载机制及在数万吨荷载下的安全裕度、变形量、长期稳定是悬索桥隧道锚建设时迫切需要解决的关键科学问题，国内外无系统研究思路与成熟手段可供借鉴。

长江水利委员会长江科学院邬爱清团队将水工岩石力学思想应用于悬索桥隧道锚承载特性的研究，历时二十年，围绕锚址区岩体特性、隧道锚承载机制、隧道锚超载特性及隧道锚长期安全性等问题开展了系统研究，提出了千米级大跨度悬索桥隧道锚安全评价综合研究方法，解决了悬索桥隧道锚承载特性评价难题。在隧道锚围岩特性精细评价、大比尺现场缩尺模型试验、隧道锚承载特性多尺度模拟等方面形成了隧道锚岩石力学关键技术。

作者团队隧道锚研究历程和思路

历时20年，系统研究

隧道锚安全性难题 

1998 年起，长江科学院承担了“重庆长江鹅公岩大桥工程隧道锚碇设计、施工及工艺研究”课题，通过现场岩体物理力学特性试验、1∶12.5 隧道锚结构现场模型试验、理论计算和监测等手段，对隧道锚的设计、施工及工艺进行了系统研究，研究成果为鹅公岩大桥东锚碇设计与施工提供了支撑，也为后续工程隧道锚方案论证提供了借鉴。重庆鹅公岩大桥2000 年建成，是国内首个将隧道锚作为独立承载结构的大跨度悬索桥。 

2003～2008 年，以四渡河大桥工程为依托，承担了西部交通建设科技项目“四渡河深切峡谷悬索桥关键技术研究”中的隧道锚试验及数值分析专题研究，具体包括：隧道锚围岩力学性质试验研究、隧道锚试验及模型数值反演研究、实桥隧道锚与围岩结构体系三维数值模拟、隧道锚施工张拉工作性状原位观测。通过四渡河大桥隧道锚专题研究工作，建立了隧道锚缩尺模型试验技术体系，提出了基于岩石力学的隧道锚系统性研究方法，其系统性体现在三个阶段：以锚址区勘探洞（斜洞/平洞）为研究对象的岩体力学特性研究阶段，基于现场隧洞锚缩尺试验的隧道锚缩尺模型尺度承载特性研究阶段，以原型锚尺度为对象的承载特性研究阶段。相关成果为《公路悬索桥设计规范》（JTG/TD65—05—2015）的编制提供了支撑。

▲ 四渡河大桥隧道锚模型试验反力梁加载法现场照片 

2004～2011 年，针对矮寨大桥茶洞岸隧道锚、吉首岸重力锚承载特性问题，开展了系统的专题研究工作。茶洞岸隧道锚专题研究工作内容包括现场工程地质调研、现场平洞勘测及岩体质量评价、室内外岩石力学试验、隧道锚及岸坡稳定性分析、隧道锚施工及运营期全过程监控等。其研究成果为矮寨大桥隧道锚方案论证、安全运行提供了重要支撑。湖南矮寨大桥是目前国内已建跨度最大的悬索桥。 

2009～2010 年，以云南普立大桥隧道锚专题研究为依托，提出沿实体锚轴线方向开挖勘探斜洞的综合勘探方法，直观揭示隧道锚沿线地层岩性条件及隧道锚围岩原位性状特征。在解决工程实际问题的同时，结合云南省交通运输厅科技计划项目“高山峡谷地区悬索桥隧道锚设计施工关键技术研究”，重点就隧道锚承载机制开展了理论研究和现场试验验证，揭示了隧道锚围岩承载的“夹持效应”，建立了隧道锚承载能力计算方法。2010 年，依托浙江舟山大陆连岛工程官山大桥隧道锚专题研究工作，研发了隧道锚缩尺模型大吨位千斤顶自平衡加载技术，提升了模型试验加载能力，为通过模型试验直观揭示隧道锚受力、变形、破坏全过程提供了条件，并首次在隧道锚模型试验中采用声发射技术开展了模型试验破坏过程研究。 

2013～2015 年，针对重庆几江长江大桥软岩区涉水隧道锚开展了深入、细致研究。研发了恒温水循环大跨度外部测量支架温控技术，实现了隧道锚模型试验外观变形精细测试；研发了大型野外伺服控制系统及无极变速伺服电机与滚轴丝杆联合运作压力控制技术，实现了压力的精确控制。在现场对比开展了不同比尺、不同含水状态模型试验，获得了软岩隧道锚变形、破坏全过程特征，定量揭示了隧道锚缩尺模型承载特征的尺度效应和遇水软化效应，并通过正交设计和数值模拟试验对隧道锚几何参数进行优化分析，为几江长江大桥隧道锚结构设计提供了依据。

▲ 重庆几江长江大桥地表缩尺模型试验方案布置

2014 年，依托水布垭清江大桥隧道锚研究专题，针对卸荷溶蚀等复杂地质条件，研究了不同埋深条件、不同岩体结构特征下隧道锚失稳模式的差异，深入开展了溶蚀区隧道锚加固措施对比研究，并对复杂地质条件隧道锚勘测要求和勘测手段进行了总结。 

近年来，在前期研究工作基础上，依托重庆太洪长江大桥、宜昌伍家岗长江大桥、雅康高速泸定大渡河大桥、虎跳峡金沙江大桥等项目隧道锚专题研究工作，同时结合其他基础科研项目，围绕隧道锚承载机制、超载及变形特性、长期安全性等问题，持续开展隧道锚综合试验、数值模拟、理论分析、工程监测等方面关键技术研究，形成了隧道锚安全评价系统研究方法，推动了大跨度悬索桥工程建设技术的发展。 

悬索桥隧道锚岩石力学关键技术及应用

主要内容 

《悬索桥隧道锚岩石力学关键技术及应用》（邬爱清等.著. 北京：科学出版社，2019.8）一书总结和提炼了作者团队二十余年来在隧道锚岩石力学研究方法及其工程应用方面取得的成果。主要包括以下四个方面内容： 

▌隧道锚围岩工程特性精细评价方法研究

突破交通领域以室内岩石试验、钻孔勘探为主的常规勘察手段，提出以勘探（斜）洞岩体结构调查、室内外岩石力学试验、物探检测、岩体质量分级与评价等手段的隧道锚围岩工程特性精细评价方法。应用于四渡河大桥、矮寨大桥、云南普立大桥、宜昌伍家岗长江大桥等千米级大跨度悬索桥隧道锚工程，深入揭示了隧道锚围岩结构、变形强度特征等工程特性，解决了隧道锚围岩性状评价关键技术问题，为隧道锚工程设计、施工提供了基础支撑，发展了隧道锚勘测技术方法。 

▌隧道锚大比尺现场缩尺模型试验技术研究

由于隧道锚围岩的复杂性，大比尺现场缩尺模型试验是勘察设计阶段认识隧道锚受力变形特征及承载能力的主要手段。通过研究隧道锚缩尺试验理论，以及模型制备、试验加载、受力变形量测、不同应力路径综合试验等技术，形成了隧道锚大比尺现场缩尺模型试验和室内地质力学模型试验成套技术。成果应用于十余座大跨度悬索桥隧道锚专题研究，构成隧道锚承载能力评价的主要研究手段。 

▌隧道锚承载机制研究

基于现场专项试验，提出了隧道锚围岩的“夹持效应”，研究了“夹持效应”的力学机制。通过对十余个隧道锚模型试验结果及数值分析结果的综合分析，探讨了不同类型隧道锚的变形破坏模式及其主控因素。 

▌隧道锚承载能力综合研究方法及应用

以隧道锚承载机制为基础，研究了隧道锚单块体、多块体极限平衡力学模型，提出了隧道锚承载力计算方法，结合大比尺现场缩尺模型试验、多尺度数值模拟、工程类比，构建了隧道锚承载力研究方法。应用该系统方法对十余个隧道锚的变形特征、承载能力进行分析和总结，对依托工程隧道锚变形特性进行工程监测验证。