西江特大橋纜索吊機(jī)錨碇方案研究

尹 祿 修

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

西江特大橋纜索吊機(jī)錨碇方案研究

尹 祿 修

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

結(jié)合西江特大橋的工程實(shí)況，對(duì)該橋拱肋采用節(jié)段懸臂拼裝施工中扣纜塔后錨設(shè)置錨碇的方案進(jìn)行了研究，提出了預(yù)應(yīng)力巖錨與隧道式錨碇兩種方案，并對(duì)比分析了兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，著重闡述了巖錨方案的設(shè)置要點(diǎn)，以供參考。

錨碇，巖錨，邊坡，穩(wěn)定性

1 概況

西江特大橋扣纜的塔后錨碇是巖錨，其大部分的成分是混凝土錨碇體與預(yù)應(yīng)力錨索。預(yù)應(yīng)力錨索大致可以分成兩類,第一類是斜向預(yù)應(yīng)力錨索,第二類是豎向預(yù)應(yīng)力錨索。而斜向預(yù)應(yīng)力錨索采用壓力分散型錨索。

2 錨碇方案比選

2.1 地質(zhì)情況

通過對(duì)錨碇區(qū)勘探及表層開挖分析，其地質(zhì)情況如下：

1)南寧側(cè)錨碇區(qū)。從現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)開挖揭露斷面來看，表層全風(fēng)化層厚度在2 m左右。在一、二級(jí)邊坡上全風(fēng)化層的層厚大約是5 m，而強(qiáng)風(fēng)化層的層厚約等于10 m。強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化界限深度大致在8 m～10 m，中風(fēng)化和微風(fēng)化界限在45 m～60 m左右，巖體風(fēng)化節(jié)理面一般都呈黃褐色，部分被鐵錳質(zhì)渲染。

2)廣州側(cè)錨碇區(qū)。表層為絹云母泥質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖，其中全風(fēng)化厚度約1 m，強(qiáng)風(fēng)化層與中風(fēng)化界限深度約18.8 m，到孔口以下28.2 m開始，巖層進(jìn)入微風(fēng)化巖層，巖性以紫紅色變質(zhì)粉砂巖和棕灰色變質(zhì)石英砂巖為主。

2.2 方案比選

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地理地形條件，錨碇可采用預(yù)應(yīng)力巖錨施工方案或隧道式錨碇施工方案。

1)預(yù)應(yīng)力巖錨施工方案見圖1。預(yù)應(yīng)力巖錨方案是將預(yù)應(yīng)力錨索錨固于微風(fēng)化巖層中，從而通過預(yù)應(yīng)力錨索群提供強(qiáng)大抗拔力。錨碇施工時(shí)按規(guī)范地基承載力需不小于500 kPa；預(yù)應(yīng)力錨索以120 t進(jìn)行，嚴(yán)格按照先后的順序?qū)ωQ向預(yù)應(yīng)力錨索和斜預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行張拉。預(yù)應(yīng)力巖錨主要由30 m～70 m的斜向預(yù)應(yīng)力錨索、豎向預(yù)應(yīng)力錨索、巖錨錨塊組成。

2)隧道式錨碇施工方案見圖2。隧道式錨碇是利用錨塞體前側(cè)的山體抗拔力，錨塞體位于中風(fēng)化碎石土層中，不必嵌固于微風(fēng)化巖層中。單個(gè)錨索錨碇承受拉力2 500 t，隧洞按噴錨構(gòu)筑法進(jìn)行施工，初期支護(hù)采用噴射混凝土鋼筋網(wǎng)、錨桿和格柵鋼架組成支護(hù)體系；對(duì)于隧洞過特殊地段如砂層、孤石、淤泥層地段時(shí)，對(duì)隧洞外輪廓線外擴(kuò)2 m的范圍采取全斷面注漿。

隧道式錨碇由錨塞體、隧洞、散索鞍及基礎(chǔ)、洞口組成。其中：錨塞體長(zhǎng)度為4 m、隧洞長(zhǎng)度約為50 m。

3)綜述。兩種錨碇施工方案優(yōu)缺點(diǎn)如下：

預(yù)應(yīng)力巖錨優(yōu)點(diǎn)：a.施工簡(jiǎn)便，工藝成熟；b.每根錨索受力明確，可應(yīng)力監(jiān)測(cè)；c.施工方法常規(guī)，安全風(fēng)險(xiǎn)較??；d.施工工期相對(duì)縮短。缺點(diǎn)：a.占地面積大，對(duì)山體坡面影響大；b.錨索錨固端成孔要求高，其巖性不易掌握；c.土層壓縮量不明確，從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失。

隧道式錨碇優(yōu)點(diǎn)：可直接掌握山體地質(zhì)情況，對(duì)錨塊嵌固位置的土層性質(zhì)要求較低；單個(gè)錨碇造價(jià)比預(yù)應(yīng)力巖錨低。缺點(diǎn)：a.隧道錨室開挖難度大，需進(jìn)行支護(hù)；b.隧道施工風(fēng)險(xiǎn)大；c.工期較長(zhǎng)；d.深隧道施工對(duì)整個(gè)山體破壞較大，錨碇作用后對(duì)整個(gè)山體的穩(wěn)定影響較大。

綜上所述，隧道式錨碇相較于預(yù)應(yīng)力巖錨施工工期長(zhǎng)，安全風(fēng)險(xiǎn)高，雖單價(jià)要低，預(yù)應(yīng)力巖錨更能滿足施工需要。

3 巖錨方案研究

由于在兩側(cè)的岸邊邊坡土質(zhì)的巖性較為不好，尤其在南寧一側(cè)的岸邊邊坡的穩(wěn)定性非常不好，但是錨碇尤其需較大的拉拔載荷，所以錨碇的安全以及邊坡土體的穩(wěn)定系數(shù)對(duì)大橋的施工起著至關(guān)重要的作用，因此需對(duì)錨碇及邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以尋求合適的預(yù)應(yīng)力錨索的各項(xiàng)參數(shù)。

3.1 錨碇區(qū)邊坡地質(zhì)條件

本工程運(yùn)用了一些研究方法例如地質(zhì)調(diào)繪、鉆孔攝像、鉆探等對(duì)西江特大橋錨碇區(qū)邊坡的工程地質(zhì)條件進(jìn)行了詳細(xì)地調(diào)查。

在橋址區(qū)所處區(qū)域內(nèi)，構(gòu)造線走向總體上呈北東、北東東向展布。由北向南，依次發(fā)育四個(gè)褶皺構(gòu)造，以及五條斷裂。橋址區(qū)泥盆系地層廣泛發(fā)育，地層巖性比較復(fù)雜。場(chǎng)地地下水按賦存條件主要分為松散層孔隙水和基巖裂隙水。橋址區(qū)兩岸巖體層面產(chǎn)狀總體比較穩(wěn)定，基本都傾向NNE。

3.2 南寧岸錨碇與邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

為了使得大橋施工安全有序的進(jìn)行，必須保證施工場(chǎng)地和提供施工荷載的基礎(chǔ)——邊坡穩(wěn)定，為此進(jìn)行邊坡三維穩(wěn)定性分析。穩(wěn)定性分析分為兩個(gè)部分，一部分是邊坡整體的穩(wěn)定性分析，而另一部分是局部的穩(wěn)定性分析(也就是彈塑性分析)。

分別運(yùn)用強(qiáng)度折減法與極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果顯示，各個(gè)不同的工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的結(jié)果是安全系數(shù)均不小于1.20，即邊坡整體處于穩(wěn)定的狀態(tài)。分析的各項(xiàng)數(shù)據(jù)表示，如果錨固段的范圍布置在潛在的滑動(dòng)體的范圍外，大橋的施工過程中邊坡穩(wěn)定系數(shù)沒有降低，建議把設(shè)置在中風(fēng)化巖體中的錨索錨固段改設(shè)在微風(fēng)化巖體中。各工況下穩(wěn)定性安全系數(shù)見表1。

表1 各工況下穩(wěn)定性安全系數(shù)

邊坡的彈塑性計(jì)算顯示，錨固的過程所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力造成位移的變化峰值約等于1.30 mm，位移的方向?yàn)槠聝?nèi)，位于錨碇平臺(tái)上。大橋在施工后位移的變化峰值約等于0.42 mm，位移的方向向坡外，位移位于NX2錨碇錨索錨固段附近的巖體內(nèi)。以上的分析表明，計(jì)算結(jié)果收斂，對(duì)邊坡與錨碇穩(wěn)定是有益的。

天然情況下計(jì)算模型范圍內(nèi)最大主應(yīng)力最大值大約為5.212 0 MPa，錨固工況下計(jì)算模型范圍內(nèi)最大主應(yīng)力最大值大約為5.211 7 MPa，大橋施工工況下計(jì)算模型范圍內(nèi)最大主應(yīng)力最大值大約為5.208 8 MPa。天然情況下計(jì)算模型范圍內(nèi)最小主應(yīng)力最大值大約為1.756 1 MPa，錨固工況下計(jì)算模型范圍內(nèi)最小主應(yīng)力最大值大約為1.756 0 MPa，大橋施工工況下計(jì)算模型范圍內(nèi)最小主應(yīng)力最大值大約為1.755 1 MPa。以上的分析結(jié)果表明，錨固和大橋施工的過程所造成應(yīng)力的重新分布較小，對(duì)邊坡與錨碇穩(wěn)定也是有益的。

錨固施加預(yù)應(yīng)力和大橋施工都不引起剪切屈服和拉伸屈服，邊坡和錨碇錨索錨固段附近巖體穩(wěn)定。

在此采用超載法分析錨碇穩(wěn)定性，分析結(jié)果表明，在NS3錨碇錨索錨固段周圍巖體首先出現(xiàn)剪切屈服，錨碇穩(wěn)定性安全系數(shù)大于2.0，錨碇群錨穩(wěn)定。各工況特征量值表見表2。

表2 各工況特征量值表

3.3 廣州岸錨碇及邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

廣州側(cè)設(shè)置6個(gè)錨碇(4個(gè)扣塔錨碇和2個(gè)纜吊錨碇)，錨碇總設(shè)計(jì)荷載為16 000 t。基于大橋施工與312國道運(yùn)行安全考慮，對(duì)錨碇荷載的安全性以及大橋施工作業(yè)下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本次數(shù)值計(jì)算擬采用國際巖土工程界通用軟件FLAC3D 3.0作為工具，對(duì)西江特大橋工程錨碇的受力及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究：在邊坡地質(zhì)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立巖錨受荷分析模型，模擬分析預(yù)應(yīng)力張拉鎖定后和拉拔荷載下巖體變形、塑性區(qū)分布與應(yīng)力場(chǎng)發(fā)展規(guī)律，評(píng)價(jià)群錨效應(yīng)對(duì)邊坡局部和整體穩(wěn)定性的影響；研究不同工況下的錨索受力機(jī)理，分析其軸力和剪力的分布規(guī)律，考慮錨固失效的可能影響因素，評(píng)價(jià)施工荷載下錨碇的安全性。所得研究成果可作為西江特大橋工程廣州臺(tái)施工扣塔和纜塔錨碇的重要參考。

對(duì)廣州岸錨碇及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了全面細(xì)致的分析研究，主要得到以下結(jié)論：

1)錨索施加預(yù)應(yīng)力張拉鎖定后拉錨區(qū)局部巖體與邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)預(yù)應(yīng)力錨索實(shí)質(zhì)上起到了加固邊坡的作用，預(yù)應(yīng)力鎖固于巖體中，增加了巖體的抗滑力和穩(wěn)定性。

2)錨碇施加預(yù)應(yīng)力后單根錨索軸力在錨固段呈快速下降趨勢(shì)，錨固圈剪應(yīng)力在錨固段內(nèi)成冪指數(shù)分布形態(tài)，峰值在近自由端，其分布規(guī)律符合建立于彈性理論空間模型上的解析解。

3)錨碇施加施工荷載后邊坡的局部變形范圍擴(kuò)大，錨拉區(qū)坡面位移減小而錨索錨固段的邊坡內(nèi)部巖體位移增大，這是施工荷載由邊坡巖體提供而引起的相應(yīng)巖體變形，但總體位移在量值上沒有大的變化，最大位移仍為0.55 mm，邊坡總體和錨拉區(qū)局部坡體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4)錨碇施加施工荷載后單根錨索軸力在錨固段有所增加，錨固圈剪應(yīng)力有較大增加，錨索的錨固作用得到進(jìn)一步發(fā)揮。但其分布形態(tài)沒有改變，符合當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索錨固段剪應(yīng)力分布的研究成果。

5)采取強(qiáng)度折減法和極限荷載法兩種方法評(píng)定錨碇在施加施工荷載后的安全儲(chǔ)備情況，經(jīng)計(jì)算分析，在現(xiàn)有施工荷載作用下，廣州側(cè)六個(gè)錨碇具有較大的安全儲(chǔ)備，安全系數(shù)為1.8，錨碇能夠提供設(shè)計(jì)的施工荷載且邊坡整體及拉錨區(qū)局部穩(wěn)定。

4 結(jié)語

1)南寧岸錨碇方案可行和邊坡穩(wěn)定。各個(gè)不同的工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的結(jié)果是安全系數(shù)均不小于1.20，即邊坡整體處于穩(wěn)定的狀態(tài)。潛在的滑動(dòng)面主要發(fā)生在強(qiáng)風(fēng)化巖體和中風(fēng)化巖體中，邊坡整體穩(wěn)定。分析的各項(xiàng)數(shù)據(jù)表示，如果錨固段的范圍布置在潛在的滑動(dòng)體的范圍外，大橋的施工過程中邊坡穩(wěn)定系數(shù)沒有降低，建議把設(shè)置在中風(fēng)化巖體中的NX2和NS3錨索錨固段改設(shè)在未風(fēng)化巖體中。

錨碇施加預(yù)應(yīng)力引起位移峰值約等于1.30 mm，位移的方向向坡內(nèi)，位于錨碇平臺(tái)上。大橋在施工后位移的變化峰值約等于0.42 mm，位移的方向向坡外，位移位于NX2錨碇錨索錨固段附近的巖體內(nèi)。錨碇施加預(yù)應(yīng)力和大橋施工引起應(yīng)力重新分布變化量不大，都不引起剪切屈服和拉伸屈服，邊坡和錨碇錨索錨固段附近巖體穩(wěn)定。

采用超載法分析錨碇穩(wěn)定性結(jié)果表明，在NS3錨碇錨索錨固段周圍巖體首先出現(xiàn)剪切屈服，錨碇穩(wěn)定性安全系數(shù)大于2.0，錨碇群錨穩(wěn)定。

2)廣州岸錨碇方案可行和邊坡穩(wěn)定。錨索施加預(yù)應(yīng)力張拉鎖定后，拉錨區(qū)局部巖體與邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力錨索增加了巖體的抗滑力和穩(wěn)定性。錨索軸力在錨固段呈快速下降趨勢(shì)，錨固圈剪應(yīng)力在錨固段成冪指數(shù)分布形態(tài)，峰值在近自由端。

錨碇施加施工荷載后，邊坡的局部變形范圍擴(kuò)大，錨拉區(qū)坡面位移減小而錨索錨固段的邊坡內(nèi)部巖體位移增大，但在量值上沒有大的變化，最大位移仍為0.55 mm，邊坡總體和錨拉區(qū)局部坡體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。錨索軸力在錨固段有所增加，錨固圈剪應(yīng)力有較大增加，錨索的錨固作用得到進(jìn)一步發(fā)揮。但其分布形態(tài)沒有改變。

采取強(qiáng)度折減法和極限荷載法兩種方法評(píng)定錨碇在施加施工荷載后的安全儲(chǔ)備情況，在現(xiàn)有施工荷載作用下，廣州側(cè)六個(gè)錨碇具有較大的安全儲(chǔ)備，安全系數(shù)為1.8。

[1] CECS 22∶2005，巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB/T 5224—2003,預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線[S].

[3] TZ 213—2005，客運(yùn)專線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南[S].

Research on anchorage scheme of cable crane at Xijiang super-large bridge

Yin Luxiu

(ChinaRailwayNo.5SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Beijing102600,China)

Combining with the engineering survey of Xijiang super-large bridge, the paper researches the anchorage at fastening cable tower, points out the prestressed rock anchorage and tunnel anchorage, compares and analyzes the advantages and disadvantages of the two schemes, and mainly illustrates the allocation points for the rock anchor scheme, so as to provide some scheme.

anchorage, rock anchor, slope, stability

2014-12-14

尹祿修(1972- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)06-0150-03

U445

A