黃河特大橋扣塔錨碇的設(shè)計(jì)與施工

程 戈

1 工程概況

黃河特大橋是為朔州至準(zhǔn)格爾新建鐵路上跨黃河而設(shè),橋東西兩岸分別位于山西省河曲縣(朔州岸)與內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)(準(zhǔn)格爾岸)。

主橋?yàn)?1×380m提籃型上承式鋼管混凝土拱,同類(lèi)結(jié)構(gòu)中跨度屬?lài)?guó)內(nèi)第一,矢高 58.73m,矢跨比為 1/6,主拱軸線(xiàn)采用懸鏈線(xiàn),拱軸系數(shù) m=2.5。拱圈由兩條拱肋及橫向連接系組成,拱肋橫向內(nèi)傾角 8°,拱肋中心距拱腳部位為 25.2 m,在拱頂部位為8.3m,其中,鋼管拱總重量 9082 t,單元拱節(jié)最重 412 t。拱肋施工方法為斜拉扣掛法,所以扣塔錨碇的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

錨碇設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),混凝土標(biāo)號(hào)為C40,錨碇中間區(qū)域?yàn)殄^索區(qū)域,兩側(cè)為巖錨區(qū)域。錨碇背面作為錨索的固定端錨固面,錨碇前面作為巖錨的張拉端面。兩岸平均分布,全橋共計(jì) 4個(gè)。

每個(gè)錨碇背面設(shè)置 2道肋墻直頂巖面,寬度為 5m,通過(guò)該2道肋墻設(shè)置 32組巖錨。巖錨錨索結(jié)構(gòu)采用壓力分散型錨索,分為 4種規(guī)格,型號(hào) AY,BY,CY,DY分別為 50m,36m,44m,30m,巖錨俯角 20°。

2 扣塔錨碇設(shè)計(jì)思路

考慮到單單一岸錨索力就達(dá)到了 58004kN,而且現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)起伏場(chǎng)地狹小,采用常規(guī)重力式錨碇體積過(guò)于龐大,顯然不合適。為了降低扣塔錨碇的圬工量,充分利用現(xiàn)場(chǎng)天然的巖層,決定采用帶有預(yù)應(yīng)力錨索的結(jié)構(gòu)物進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 巖錨設(shè)計(jì)

3.1 錨索的選型

扣索后錨根據(jù)黃河特大橋上承式鋼管拱橋扣掛系統(tǒng)施工需要采用剛性基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力錨固。實(shí)際每岸設(shè)置 64/2索錨索,全橋共計(jì) 128根,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為 4種長(zhǎng)度,分別為 30m,36m,44m,50m。每束錨索有 12股 270級(jí)Ф15.24mm強(qiáng)度 1860MPa帶 PE保護(hù)套高強(qiáng)度低松弛無(wú)粘結(jié)鋼絞線(xiàn),采用帶有承載體的膠結(jié)型錨固方式,張拉端錨具采用 OVM15P-12,每束錨索設(shè)計(jì)錨固力 1600kN,張拉安裝力 1840kN。錨索結(jié)構(gòu)采用壓力分散型,它能將無(wú)粘結(jié)鋼絞線(xiàn)的拉力轉(zhuǎn)化為對(duì)漿體的壓力,多個(gè)承載體漿拉力以壓力形式分散作用于不同深度的巖體上,錨固段巖土體的抗拔性能充分均勻發(fā)揮。

3.2 錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)預(yù)應(yīng)力錨索中的錨固段按等強(qiáng)度的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

其中,Lt為錨固段長(zhǎng)度,m;Nt為錨索軸向力設(shè)計(jì)值,kN;D為錨索孔直徑,m;qs為膠結(jié)材料同孔壁的粘結(jié)強(qiáng)度,在硬巖中取qs=1200 kPa～2500 kPa,軟巖中取 qs=1000 kPa～1500 kPa,風(fēng)化巖中取 qs=600 kPa～1000 kPa,根據(jù)黃河特大橋地質(zhì)狀況取qs=700 kPa;K為錨固段長(zhǎng)度的安全系數(shù),取 1.5。

經(jīng)計(jì)算:Lt=6.824m。

單個(gè)承載板錨固段長(zhǎng)(取 4個(gè)承載板):

設(shè)計(jì)上單個(gè)承載板錨固長(zhǎng)度取:2×4=8m＞6.824m。

2)注漿體強(qiáng)度驗(yàn)算(承載板驗(yàn)算)。

承載板承受的強(qiáng)度為:

其中,P為承載板承受的強(qiáng)度,MPa;Td為單個(gè)承載板設(shè)計(jì)荷載,kN;S為承載板凈面積,m2。

M50水泥凈漿(525號(hào)水泥)的強(qiáng)度為 50MPa。

36.1MPa＜50MPa,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3)預(yù)應(yīng)力錨索自由段的確定。

考慮到防止由于錨具的缺陷或移動(dòng)使施加的預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)顯著的衰減以及總體穩(wěn)定及深部破裂面穩(wěn)定,為了向被錨固介質(zhì)提供最佳錨固效果,因此布置長(zhǎng)短相當(dāng)?shù)腻^桿以分散或縮小錨固段附近的拉應(yīng)力,避免錨固介質(zhì)拉張。根據(jù)規(guī)范規(guī)定和經(jīng)驗(yàn)值及現(xiàn)場(chǎng)的巖石情況確定,最長(zhǎng)的錨索(自由段長(zhǎng)度 42m),最短的錨索錨固端相差不得小于10m。東岸錨索自由段長(zhǎng)(設(shè)計(jì)上設(shè)置)為22m,36m,28m,42m,西岸錨索自由段長(zhǎng)為 22m,36m,28m,42m交錯(cuò)布置。

4)錨索傾角的確定。

考慮到有利于抵抗下滑力及灌漿(方便)質(zhì)量,盡可能錨固于較好的巖土層中,根據(jù)工地兩岸的實(shí)際巖石情況和結(jié)合錨索水平夾角 α形成的索力工況確定錨索傾角 a=20°。

4 施工工藝

4.1 開(kāi)挖斷面

扣塔錨碇上口尺寸14m×8m,下口尺寸14m×6m,深度為7m。施工時(shí),為提高錨碇的承載力,應(yīng)使開(kāi)挖面盡量粗糙,從而增加錨碇后面及底面的摩擦力。同時(shí),在錨碇前留50cm的高崁,增加基底的抗滑力(見(jiàn)圖1)。

4.2 混凝土錨碇施工工序

混凝土錨碇施工工序?yàn)?基底處理→綁扎鋼筋骨架→安裝定位鋼管及錨具→安裝降溫水管→澆筑第一次混凝土(4 m高)→澆筑第二次混凝土至頂面。

4.3 錨索鉆孔

在鉆孔之前先清理鋼筋混凝土巖錨梁前緣的浮渣,整平場(chǎng)地并搭設(shè)作業(yè)平臺(tái),作業(yè)平臺(tái)采用鋼管腳手架搭設(shè),在鋼管腳手架上滿(mǎn)鋪厚 5cm木板(跳板)。根據(jù)設(shè)計(jì)孔位布置,搭設(shè)上下兩層工作平臺(tái),其寬度,承受能力和穩(wěn)定性需滿(mǎn)足 yxz-70型液壓潛孔鉆機(jī)鉆孔時(shí)的操作要求。

巖錨正式鉆孔前要進(jìn)行鉆孔取芯試驗(yàn),采用巖芯鉆機(jī)在兩岸各取一孔,鉛芯直徑 90mm,深 50m,取巖芯,以查明錨區(qū)內(nèi)巖層卸荷裂隙分布狀態(tài),有無(wú)不良夾層等,詳細(xì)做下記錄以驗(yàn)證錨索長(zhǎng)度的合理性。

鉛芯取樣并進(jìn)行試驗(yàn)分析確定錨索長(zhǎng)度后正式鉆孔。采用液壓潛孔錨固鉆機(jī)鉆孔(型號(hào):yxz-70型),液壓潛孔錨固鉆機(jī)釬頭直徑 150mm,成孔直徑為 160mm,鉆桿每節(jié)長(zhǎng)度為1.5m。成孔7m/h～7.5m/h。鉆孔之前按設(shè)計(jì)孔位對(duì)準(zhǔn),調(diào)好角度,然后將鉆機(jī)牢固定位。

4.4 錨索制作

錨孔施鉆完畢后,立刻制索安裝。錨索制作工藝如下:

編索通知單→下料→清洗→錨固端擠壓P錨→編索→驗(yàn)收→庫(kù)存。

編索通知單下達(dá)以后,由編索組負(fù)責(zé)組織制索工人按編索通知的要求施工,下料前應(yīng)嚴(yán)格檢查預(yù)應(yīng)力材料是否合格,檢驗(yàn)合格后方可下料進(jìn)行工程施工。

錨索質(zhì)檢、驗(yàn)收要點(diǎn)為:檢查錨索長(zhǎng)度、錨固段長(zhǎng)度、隔離架間距是否符合設(shè)計(jì)要求與控制誤差要求。注漿是否按要求與索體捆扎,注漿管有無(wú)折痕,壓痕。錨索經(jīng)質(zhì)檢、驗(yàn)收合格后掛“合格牌”并記錄在冊(cè),然后進(jìn)行庫(kù)存并妥善保管。

4.5 錨索安裝

鉆孔工作并經(jīng)過(guò)質(zhì)檢合格后開(kāi)始下索。下索時(shí)由專(zhuān)人負(fù)責(zé)下達(dá)口令以使下索過(guò)程協(xié)調(diào)一致,下索時(shí)保持索體平順,嚴(yán)禁扭轉(zhuǎn)。錨索端部伸出混凝土面錨墊板孔口 0.8m為止。

表1 注漿材料用量及配合比

4.6 錨索注漿

下索到位后,應(yīng)盡快注漿。注漿采用孔底返漿的注漿方式,注漿材料為 50號(hào)純水泥漿,水灰比 0.35～0.40,外加高效早強(qiáng)微膨脹復(fù)合型減水劑,具體詳見(jiàn)表1。

注漿采用SNS(UB3)高壓注漿泵進(jìn)行,注漿前注漿管連接緊密,并用 0.1m3清水低壓清通管路。注漿材料施工配合比應(yīng)嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)配合比要求范圍內(nèi),注漿過(guò)程中應(yīng)注意注漿泵壓力表的變化。注漿過(guò)程中緩慢抽離注漿管,以保證漿體的均勻、密實(shí)。

4.7 張拉與錨固

1)張拉工藝。注漿漿體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 75%以上方可進(jìn)行張拉作業(yè)。整體安裝工序?yàn)?按順序安裝工作錨具、限位板、千斤頂、工具錨、油泵上安裝對(duì)應(yīng)的油壓表、連接油泵和千斤頂?shù)挠吐?。一切?zhǔn)備就緒后即可開(kāi)機(jī)張拉。

巖錨錨索時(shí)先使用YDC240Q型千斤頂進(jìn)行單根預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)預(yù)緊(單根鋼絞線(xiàn)預(yù)緊力為張拉控制力值的 0.15倍為 23kN),使錨索各股預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)的應(yīng)力均勻后,再使用 YCW 250B千斤頂進(jìn)行整索張拉。

整索張拉時(shí),設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量大于 15cm的,按最終荷載分為兩個(gè)檔次。在每檔次張拉時(shí),又分級(jí)進(jìn)行,最后一級(jí)穩(wěn)壓 10m in以上,其余各級(jí)穩(wěn)壓5min以上。設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量小于 15cm的,整體張拉按最終荷載可分一個(gè)檔次。在每檔次張拉時(shí),又分級(jí)進(jìn)行,最后一級(jí)穩(wěn)壓 10m in以上,其余各級(jí)穩(wěn)壓 5m in以上。

2)伸長(zhǎng)量計(jì)算。張拉前先根據(jù)千斤頂和油壓表的標(biāo)定方程計(jì)算分級(jí)張拉的張拉力和對(duì)應(yīng)油壓值及鋼絞線(xiàn)的理論伸長(zhǎng)量。

預(yù)應(yīng)力筋的理論伸長(zhǎng)值計(jì)算公式及參數(shù):

其中,Pp為預(yù)應(yīng)力筋平均張拉力,N;l為預(yù)應(yīng)力筋的長(zhǎng)度,mm;Ap為預(yù)應(yīng)力筋的截面面積,mm2;Ep為預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量,N/mm2。

3)錨固。待錨索在張拉控制應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定后慢慢放張,鎖定錨固。

5 封錨

錨索張拉完成,確保張拉質(zhì)量合格之后割掉錨頭多余的鋼絞線(xiàn),嚴(yán)禁用電弧焊切割,必須用砂輪機(jī)切割,鋼絞線(xiàn)錨固后的外露長(zhǎng)度不宜小于 30mm。錨頭用M 30砂漿封裹密實(shí),并保證保護(hù)層厚度大于 30mm。

6 結(jié)語(yǔ)

黃河特大橋充分利用了現(xiàn)場(chǎng)的巖石層,將 32束預(yù)應(yīng)力錨索扣塔錨碇固定于巖層上,平衡錨索力,使得扣塔錨碇的設(shè)計(jì)輕盈、安全,避免了大體積圬工材料的浪費(fèi)和施工難以控制的缺點(diǎn),值得同類(lèi)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的借鑒與應(yīng)用。

[1] 閆莫明,徐禎祥,蘇自約.巖土錨固技術(shù)手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2004.