纜索吊裝施工新型組合錨碇在陡峭山區(qū)的應(yīng)用

摘要：文章針對陡峭山區(qū)橋梁纜索吊裝施工受到的限制，提出了新型無塔索鞍一體、抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索組合式錨碇的設(shè)計方案，并結(jié)合G4216線屏山新市至金陽段高速公路溜筒河特大橋施工項(xiàng)目，運(yùn)用有限元方法，對纜索吊裝索鞍一體組合式錨碇在陡峭山區(qū)的適用性和相關(guān)設(shè)計問題進(jìn)行了分析。同時，通過現(xiàn)場監(jiān)測分析，驗(yàn)證了該新型組合式錨碇的可行性，為該型組合式錨碇設(shè)計和施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；纜索吊裝；組合式錨碇；陡峭山區(qū)

中文分類號：443.24A602004

0引言

纜索結(jié)構(gòu)不論在大跨永久性橋梁結(jié)構(gòu)還是在橋梁施工階段均發(fā)揮著不可替代的作用，而其中錨固纜索的錨碇是保證結(jié)構(gòu)安全最重要的組成部分。錨碇分為重力式、隧道式和巖錨錨碇等三大類［1］，各自具有不同承載能力和適用條件。重力式錨碇利用其龐大噸位及摩擦抵抗主纜拉力，具有受力明確、地質(zhì)適用性好等優(yōu)點(diǎn)，是平原地區(qū)超大跨懸索橋的最常見的錨碇形式。重力式錨碇在山區(qū)受地形和施工條件限制，常讓位于隧道式錨碇。隧道式錨碇體量僅為重力式錨碇的1/4～1/5［2］，其提供抵抗主纜的抗力由隧道式錨碇重量、錨塞體與圍巖的摩擦以及圍巖對錨塞體的“夾持效應(yīng)”三部分組成［3］，在山區(qū)錨碇選型時具有較好的經(jīng)濟(jì)性［4］。近年來，為了減少重力式錨碇的重量帶來的不利影響，人們還提出了嵌樁式重力錨結(jié)構(gòu)形式［5］，通過嵌巖樁增大錨碇抗滑力，其錨碇基底摩阻力和嵌巖樁抗滑力的分配機(jī)理還尚待研究。重力式錨碇和隧道式錨碇錨固噸位大，是國內(nèi)外大跨度橋梁永久性主纜錨碇應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)形式。巖錨錨碇對圍巖質(zhì)量要求較高，在邊坡加固、纜索吊裝臨時錨固等錨固噸位較低時應(yīng)用較多。隨著預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)的不斷發(fā)展，采用多層次、壓力分散性錨索的錨固效果更好［6］。

本文在梳理上述各種錨碇基礎(chǔ)上，為解決陡峭山區(qū)纜索吊裝施工帶來的技術(shù)問題，結(jié)合溜筒河特大橋纜索吊裝施工主錨碇設(shè)計，探討一種索鞍一體組合式錨碇。纜索吊裝施工時主纜通常采用主纜索塔和地錨分離的三跨布置。在陡峭山區(qū)受地形和施工條件限制，這種索塔和地錨分離布置受到很大限制。若將索塔和地錨集中布置，即主纜由較大的邊跨成為近乎無的短邊跨，可解決陡峭邊坡場地受限的問題［7］。由于采用無索塔布置，主纜索轉(zhuǎn)向塊直接采用索鞍布置在錨碇承臺上，其下采用樁基抗滑，輔以錨索抵抗施工期間纜索及其他扣索產(chǎn)生的部分水平力，形成一種新型組合式錨碇。不同于單一的重力式或預(yù)應(yīng)力巖錨［8］，新型組合式錨碇承臺及抗滑樁、巖錨索等共同抵抗纜索拉力，各部分受力復(fù)雜，對錨碇穩(wěn)定性提出了較高要求。本文基于巴頓巖體質(zhì)量分類方法，探討了索鞍一體組合式錨碇在陡峭山區(qū)的適用性，并對該形式的組合式錨碇設(shè)計若干問題進(jìn)行了分析，最后結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該型組合式錨碇的可行性。

1新型組合錨碇的提出

近年來在橋梁建設(shè)中，材料費(fèi)用在工程造價中僅占30%～40%，而施工費(fèi)用如制造費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)、安裝架設(shè)費(fèi)等則占60%～70%，此費(fèi)用在山區(qū)橋梁中的比例更高。依照國際地理學(xué)聯(lián)合會地貌調(diào)查與地貌制圖委員對坡地分類的劃分等級，15°～35°為陡坡，35°～55°為峭坡［9］。在此類巖質(zhì)陡坡地形地質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行橋梁建設(shè)，施工作業(yè)面狹小，纜索吊裝施工往往是較優(yōu)的施工組織方案。如圖1所示為溜筒河特大橋施工項(xiàng)目常規(guī)三跨纜索吊裝系統(tǒng)布置方案。由于兩岸陡峭，不具備主墩和纜索塔架施工所需的起重運(yùn)輸條件，經(jīng)多方研究，提出利用陡峭巖壁，采用無塔架索鞍一體組合式地錨作為主纜索的錨固結(jié)構(gòu)（見圖2）。雖然增加了一定量錨碇材料用量，但減少了近60 m高纜索塔架費(fèi)用，綜合經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。

組合式錨碇不同于以往單一的重力式、巖錨等，其由承臺、抗滑樁和預(yù)應(yīng)力巖錨索組成，其中抗滑樁和預(yù)應(yīng)力巖錨索共同抵抗施工過程中主纜和扣索產(chǎn)生的水平力，混凝土承臺重量提高抗傾覆能力。承臺設(shè)置主纜錨固系統(tǒng)，即在承臺前端頂面設(shè)置主纜轉(zhuǎn)向鞍座，后部采用鋼管混凝土錨固主纜，圖3為組合式錨碇的布置圖。

2組合式錨碇的適用性

邊坡的穩(wěn)定性直接決定了組合式巖錨在纜索吊裝過程中的合理性以及安全性。按照巴頓巖體［10］質(zhì)量Q值分類方法，參考文獻(xiàn)［11］中關(guān)于Q值與圍巖分級的關(guān)系，選取Q=0.1、Q=4、Q=10、Q=20、Q=70五類巖體質(zhì)量，對整體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)合《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）中Q值所對應(yīng)的巖體參數(shù)，確定每個巖體等級的詳細(xì)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

三維整體邊坡穩(wěn)定性分析常采用強(qiáng)度折減法（SRM），該方法自19世紀(jì)80年代提出以來被廣泛運(yùn)用在工程實(shí)踐中［12］。本文利用Midas GTS NX中邊坡穩(wěn)定性分析模塊，計入開挖、組合式地錨建造和施工過程中主纜及扣索等外荷載作用等工況，對整體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。圖4為最不利工況下可能形成的滑動面剪應(yīng)力云圖，可見對于Q=10的圍巖等級，整體邊坡穩(wěn)定性是滿足要求的，實(shí)際項(xiàng)目邊坡巖體參數(shù)也基本等同于該類圍巖，施工期間表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

3組合式錨碇設(shè)計探討

組合式錨碇由預(yù)應(yīng)力巖錨索、抗滑樁及承臺各部分摩阻力共同抵抗水平外荷載，其中抗滑樁、承臺與巖體之間的作用力較為復(fù)雜，包括樁基與巖體的側(cè)壓力、樁基自身抗剪以及承臺與巖體之間的摩阻力等。本文通過巖錨索力變化，探討組合式錨碇有關(guān)設(shè)計問題，特別是錨索索力和樁長兩部分在分擔(dān)水平外荷載的作用大小，為今后組合式錨碇的設(shè)計提供參考。

3.1錨索初張力

作為組合式錨碇抵抗水平抗滑力的一部分，預(yù)應(yīng)力巖錨索用于抵抗施工期間主纜和扣索力，其初始張拉力的取值可考慮為主纜和扣索力之和。該項(xiàng)目錨碇承受主纜拉力和懸臂施工過程中的錨扣索力，最大吊重下兩者最大水平合力為15 449 kN。錨索按永久性工程考慮2倍以上安全系數(shù)對應(yīng)前、后排布置共12根錨索，每根錨索初張力為1 200 kN。

對施工荷載加載前后、不同圍巖等級條件下的索力變化進(jìn)行了對比。以不同巖體體系條件下的初始索力為基準(zhǔn)，施加纜索水平荷載后，各預(yù)應(yīng)力錨索索力發(fā)生變化。其索力增量與總的外荷載水平分量之比，可以衡量預(yù)應(yīng)力錨索抵抗水平抗滑力的貢獻(xiàn)大小，見表2。

隨著圍巖等級的提高，外荷載作用下組合式錨碇的水平位移減小，預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)力增量也隨之減小。由于主纜錨固位置靠后，后排錨索應(yīng)力增量較前排錨索大?？梢婎A(yù)應(yīng)力錨索分擔(dān)外荷載的貢獻(xiàn)較小，水平外荷載主要由抗滑樁和承臺承擔(dān)。經(jīng)綜合考慮每根錨索設(shè)計初張力取為1 000 kN。

3.2抗滑錨樁長度

在整體邊坡穩(wěn)定的條件下，抗滑樁的深度設(shè)計對組合式錨碇至關(guān)重要。在相同條件下，本文取15 m和20 m兩種樁基深度分別進(jìn)行了分析（見圖5）。

計算結(jié)果表明對比20 m和15 m樁長得到的索力變化極小，采用15 m的樁基長度在承擔(dān)主纜荷載時能夠提供足夠的水平抗力，考慮邊坡較陡，實(shí)際邊坡前排樁取為20 m，坡后排樁設(shè)計為15 m深度。組合式錨碇整體抗滑安全系數(shù)為2.09，抗傾覆安全系數(shù)為2.10，滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T3650-2020）要求。

4組合式錨碇受力監(jiān)測

為了保證施工過程安全，對該項(xiàng)目邊坡表面、組合式錨碇樁基位移和錨索索力進(jìn)行了長期觀測，其中組合式錨碇樁基位移監(jiān)測采用了基于傾角傳感器的多點(diǎn)串聯(lián)式全向位移計，能夠監(jiān)測樁基在不同深度上水平位移變化，索力采用錨索計進(jìn)行測量。圖6為主纜吊裝初始階段樁基不同深度處水平實(shí)測位移與理論模擬計算對比曲線?？梢娫谘貥蚩v向水平外荷載作用下，順坡向位移較橫橋向位移大；橫向位移量級較小，呈現(xiàn)不典型變形分布，疑似與測量精度導(dǎo)致的誤差有關(guān)。隨著時間推移，變形緩慢增加，邊坡基巖受力呈現(xiàn)蠕變特性，圖7為近一年施工期間樁頂位移變化曲線圖，圖8為施工期間索力變化情況曲線圖。

索力在主纜荷載施加后有10～20 kN微小增加，之后隨施工荷載和季節(jié)溫度影響產(chǎn)生較小波動，進(jìn)入夏季邊坡受日照影響，索力呈現(xiàn)15 kN波動，全年索力變化幅度在85 kN以內(nèi)。實(shí)測索力較初始張拉索力較低，一定程度上驗(yàn)證了前述錨索理論分析的合理性，即預(yù)應(yīng)力錨索對組合式錨碇共同工作參與度相對較低，但為組合式錨碇穩(wěn)定性提供了安全富裕度。

總體監(jiān)測結(jié)果表明，邊坡和組合式錨碇處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5結(jié)語

結(jié)合某實(shí)際工程背景，對纜索吊裝索鞍一體組合式錨碇在陡峭山區(qū)的應(yīng)用做了探討，得到如下初步結(jié)論：

（1）在較好的圍巖等級條件下，該纜索吊裝索鞍一體組合式錨碇是可行的。

（2）由預(yù)應(yīng)力巖錨索和樁基組成的抗滑系統(tǒng)中，樁基的作用占主導(dǎo)地位，錨索用來增大穩(wěn)定性富裕度。

（3）預(yù)應(yīng)力錨索的初張力可以適當(dāng)降低。

由于巖土力學(xué)性能本身的復(fù)雜性，本文工作是初步的，僅模擬了理想勻質(zhì)狀態(tài)的邊坡和組合式錨碇的受力情況，未計入隨時間變化和氣候條件的影響，后續(xù)工作尚有待深入開展。

參考文獻(xiàn)：

［1］汪海濱，高波，孫振.懸索橋隧道式錨碇系統(tǒng)力學(xué)行為研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005（15）：8-9.

［2］Lim H，Seo S，Lee S，et al. Analysis of the passive earth pressure on a gravity-type anchorage for a suspension bridge［J］.International Journal of Geoengineering，2020，11（1）：13.

［3］楊國俊，田騏瑋，呂明航，等.大跨度懸索橋隧道式錨碇力學(xué)特性研究綜述［J］.吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)報），2022，52（6）：1 245-1 263.

［4］JTG/T D65-05-2015，公路懸索橋設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］武守信，李小剛，馮君.大跨度懸索橋嵌樁式重力錨碇承載機(jī)理和穩(wěn)定性分析［J］.鐵道建筑技術(shù)，2023（9）：55-58，153.

［6］芮瑞，夏元友，顧金才.壓力分散型錨索錨固段受力特性試驗(yàn)分析［J］.巖土工程學(xué)報，2012（5）：917-923.

［7］岳秀斌，龍平，翁浩，等.適用于山區(qū)橋梁巖質(zhì)坡面的索鞍一體組合式巖錨［P］.中國：CN216190535U，2022-04-05.

［8］續(xù)培東.錨固巖體力學(xué)行為及巖錨作用機(jī)制研究［D］.邯鄲：河北工程大學(xué)，2021.

［9］劉元保，唐克麗.國內(nèi)外坡度分級和王東溝試驗(yàn)區(qū)的坡度組成［J］.水土保持通報，1987，7（8）：59-65.

［10］Tugrul A.The application of rock mass classification systems to underground excavation in weak lime stone，Ataturk dam，Turkey［J］.Engineering Geology，1998，50（3）：337-45.

［11］蔡斌，喻勇，吳曉銘.《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》與Q分類法、RMR分類法的關(guān)系及變形參數(shù)估算［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20（增刊）：1 679-1 681.

［12］Zienkiewicz O C，Taylor R L.The Finite Element Method［M］.4thed. New York：Mc Graw-Hill，1989.

作者簡介：翁浩（1985—），高級工程師，主要從事特大型橋梁施工工作。