西江特大橋纜索吊機錨碇方案研究

尹 祿 修

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

西江特大橋纜索吊機錨碇方案研究

尹 祿 修

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

結合西江特大橋的工程實況，對該橋拱肋采用節段懸臂拼裝施工中扣纜塔后錨設置錨碇的方案進行了研究，提出了預應力巖錨與隧道式錨碇兩種方案，并對比分析了兩種方案的優缺點，著重闡述了巖錨方案的設置要點，以供參考。

錨碇，巖錨，邊坡，穩定性

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應力錨索。預應力錨索大致可以分成兩類,第一類是斜向預應力錨索,第二類是豎向預應力錨索。而斜向預應力錨索采用壓力分散型錨索。

2 錨碇方案比選

2.1 地質情況

通過對錨碇區勘探及表層開挖分析，其地質情況如下：

1)南寧側錨碇區。從現場已經開挖揭露斷面來看，表層全風化層厚度在2 m左右。在一、二級邊坡上全風化層的層厚大約是5 m，而強風化層的層厚約等于10 m。強風化和中風化界限深度大致在8 m～10 m，中風化和微風化界限在45 m～60 m左右，巖體風化節理面一般都呈黃褐色，部分被鐵錳質渲染。

2)廣州側錨碇區。表層為絹云母泥質頁巖、泥質粉砂巖，其中全風化厚度約1 m，強風化層與中風化界限深度約18.8 m，到孔口以下28.2 m開始，巖層進入微風化巖層，巖性以紫紅色變質粉砂巖和棕灰色變質石英砂巖為主。

2.2 方案比選

根據現場地理地形條件，錨碇可采用預應力巖錨施工方案或隧道式錨碇施工方案。

1)預應力巖錨施工方案見圖1。預應力巖錨方案是將預應力錨索錨固于微風化巖層中，從而通過預應力錨索群提供強大抗拔力。錨碇施工時按規范地基承載力需不小于500 kPa；預應力錨索以120 t進行，嚴格按照先后的順序對豎向預應力錨索和斜預應力錨索進行張拉。預應力巖錨主要由30 m～70 m的斜向預應力錨索、豎向預應力錨索、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的山體抗拔力，錨塞體位于中風化碎石土層中，不必嵌固于微風化巖層中。單個錨索錨碇承受拉力2 500 t，隧洞按噴錨構筑法進行施工，初期支護采用噴射混凝土鋼筋網、錨桿和格柵鋼架組成支護體系；對于隧洞過特殊地段如砂層、孤石、淤泥層地段時，對隧洞外輪廓線外擴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、洞口組成。其中：錨塞體長度為4 m、隧洞長度約為50 m。

3)綜述。兩種錨碇施工方案優缺點如下：

預應力巖錨優點：a.施工簡便，工藝成熟；b.每根錨索受力明確，可應力監測；c.施工方法常規，安全風險較小；d.施工工期相對縮短。缺點：a.占地面積大，對山體坡面影響大；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，從而導致預應力損失。

隧道式錨碇優點：可直接掌握山體地質情況，對錨塊嵌固位置的土層性質要求較低；單個錨碇造價比預應力巖錨低。缺點：a.隧道錨室開挖難度大，需進行支護；b.隧道施工風險大；c.工期較長；d.深隧道施工對整個山體破壞較大，錨碇作用后對整個山體的穩定影響較大。

綜上所述，隧道式錨碇相較于預應力巖錨施工工期長，安全風險高，雖單價要低，預應力巖錨更能滿足施工需要。

3 巖錨方案研究

由于在兩側的岸邊邊坡土質的巖性較為不好，尤其在南寧一側的岸邊邊坡的穩定性非常不好，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定系數對大橋的施工起著至關重要的作用，因此需對錨碇及邊坡進行穩定性分析，以尋求合適的預應力錨索的各項參數。

3.1 錨碇區邊坡地質條件

本工程運用了一些研究方法例如地質調繪、鉆孔攝像、鉆探等對西江特大橋錨碇區邊坡的工程地質條件進行了詳細地調查。

在橋址區所處區域內，構造線走向總體上呈北東、北東東向展布。由北向南，依次發育四個褶皺構造，以及五條斷裂。橋址區泥盆系地層廣泛發育，地層巖性比較復雜。場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。橋址區兩岸巖體層面產狀總體比較穩定，基本都傾向NNE。

3.2 南寧岸錨碇與邊坡穩定性數值分析

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

分別運用強度折減法與極限平衡法進行穩定性計算，計算的結果顯示，各個不同的工況下邊坡穩定性計算的結果是安全系數均不小于1.20，即邊坡整體處于穩定的狀態。分析的各項數據表示，如果錨固段的范圍布置在潛在的滑動體的范圍外，大橋的施工過程中邊坡穩定系數沒有降低，建議把設置在中風化巖體中的錨索錨固段改設在微風化巖體中。各工況下穩定性安全系數見表1。

表1 各工況下穩定性安全系數

邊坡的彈塑性計算顯示，錨固的過程所產生的預應力造成位移的變化峰值約等于1.30 mm，位移的方向為坡內，位于錨碇平臺上。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。以上的分析表明，計算結果收斂，對邊坡與錨碇穩定是有益的。

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

錨固施加預應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定。

在此采用超載法分析錨碇穩定性，分析結果表明，在NS3錨碇錨索錨固段周圍巖體首先出現剪切屈服，錨碇穩定性安全系數大于2.0，錨碇群錨穩定。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定性數值分析

廣州側設置6個錨碇(4個扣塔錨碇和2個纜吊錨碇)，錨碇總設計荷載為16 000 t。基于大橋施工與312國道運行安全考慮，對錨碇荷載的安全性以及大橋施工作業下邊坡的穩定性進行評價。

本次數值計算擬采用國際巖土工程界通用軟件FLAC3D 3.0作為工具，對西江特大橋工程錨碇的受力及邊坡穩定性進行分析研究：在邊坡地質力學模型的基礎上，建立巖錨受荷分析模型，模擬分析預應力張拉鎖定后和拉拔荷載下巖體變形、塑性區分布與應力場發展規律，評價群錨效應對邊坡局部和整體穩定性的影響；研究不同工況下的錨索受力機理，分析其軸力和剪力的分布規律，考慮錨固失效的可能影響因素，評價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施工扣塔和纜塔錨碇的重要參考。

對廣州岸錨碇及邊坡穩定性進行了全面細致的分析研究，主要得到以下結論：

1)錨索施加預應力張拉鎖定后拉錨區局部巖體與邊坡整體處于穩定狀態。此時預應力錨索實質上起到了加固邊坡的作用，預應力鎖固于巖體中，增加了巖體的抗滑力和穩定性。

2)錨碇施加預應力后單根錨索軸力在錨固段呈快速下降趨勢，錨固圈剪應力在錨固段內成冪指數分布形態，峰值在近自由端，其分布規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大，錨拉區坡面位移減小而錨索錨固段的邊坡內部巖體位移增大，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，邊坡總體和錨拉區局部坡體仍處于穩定狀態。

4)錨碇施加施工荷載后單根錨索軸力在錨固段有所增加，錨固圈剪應力有較大增加，錨索的錨固作用得到進一步發揮。但其分布形態沒有改變，符合當前學術界對預應力錨索錨固段剪應力分布的研究成果。

5)采取強度折減法和極限荷載法兩種方法評定錨碇在施加施工荷載后的安全儲備情況，經計算分析，在現有施工荷載作用下，廣州側六個錨碇具有較大的安全儲備，安全系數為1.8，錨碇能夠提供設計的施工荷載且邊坡整體及拉錨區局部穩定。

4 結語

1)南寧岸錨碇方案可行和邊坡穩定。各個不同的工況下邊坡穩定性計算的結果是安全系數均不小于1.20，即邊坡整體處于穩定的狀態。潛在的滑動面主要發生在強風化巖體和中風化巖體中，邊坡整體穩定。分析的各項數據表示，如果錨固段的范圍布置在潛在的滑動體的范圍外，大橋的施工過程中邊坡穩定系數沒有降低，建議把設置在中風化巖體中的NX2和NS3錨索錨固段改設在未風化巖體中。

錨碇施加預應力引起位移峰值約等于1.30 mm，位移的方向向坡內，位于錨碇平臺上。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。錨碇施加預應力和大橋施工引起應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定。

采用超載法分析錨碇穩定性結果表明，在NS3錨碇錨索錨固段周圍巖體首先出現剪切屈服，錨碇穩定性安全系數大于2.0，錨碇群錨穩定。

2)廣州岸錨碇方案可行和邊坡穩定。錨索施加預應力張拉鎖定后，拉錨區局部巖體與邊坡整體處于穩定狀態，預應力錨索增加了巖體的抗滑力和穩定性。錨索軸力在錨固段呈快速下降趨勢，錨固圈剪應力在錨固段成冪指數分布形態，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大，錨拉區坡面位移減小而錨索錨固段的邊坡內部巖體位移增大，但在量值上沒有大的變化，最大位移仍為0.55 mm，邊坡總體和錨拉區局部坡體仍處于穩定狀態。錨索軸力在錨固段有所增加，錨固圈剪應力有較大增加，錨索的錨固作用得到進一步發揮。但其分布形態沒有改變。

采取強度折減法和極限荷載法兩種方法評定錨碇在施加施工荷載后的安全儲備情況，在現有施工荷載作用下，廣州側六個錨碇具有較大的安全儲備，安全系數為1.8。

[1] CECS 22∶2005，巖土錨桿(索)技術規程[S].

[2] GB/T 5224—2003,預應力混凝土用鋼絞線[S].

[3] TZ 213—2005，客運專線鐵路橋涵工程施工技術指南[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，高級工程師

1009-6825(2015)06-0150-03

U445

A