大尺寸圓矩咬合樁結構力學行為研究及施工關鍵技術

摘要：某在建主跨1 098 m懸索橋的錨定基礎采用“大直徑圓樁+矩形二期槽咬合樁”的支護方案，為國內橋梁工程行業的首次應用。文章利用GTS NX（巖土有限元分析軟件）對大尺寸圓矩咬合樁施工過程中的力學行為進行研究，在仿真分析的基礎上，根據施工難點，提出大尺寸圓矩咬合樁成孔施工方案；同時，詳細介紹圓矩咬合樁異形鋼筋籠加工的關鍵技術以及大直徑鋼筋籠和二期槽安裝的關鍵技術。研究結果表明：圓矩咬合樁的剪應力和彎矩分布在“直立高度”內較小，在開挖面處達到最大；咬合樁和二期槽受力較平均，協同效果較好。

關鍵詞：圓矩咬合樁；懸索橋；錨碇；異形鋼筋籠；施工技術

中圖分類號：U448.22""""""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1674-0688（2024）03-0114-05

0 引言

懸索橋因具備強大的跨越能力，不斷應用于跨越大峽谷及跨海工程中。國內在建或擬建的特大橋中僅有重慶鵝公巖長江大橋、壩陵河懸索橋、四渡河特大懸索橋、矮寨懸索橋等幾座橋梁采用隧道式錨碇，其他絕大多數采用重力式錨碇。重力式錨碇依靠自重平衡主纜拉力的豎向分力，水平分力則由錨碇與地基之間的摩阻力平衡。現有重力式錨碇基礎多采用地下連續墻的結構形式，而地下連續墻的施工存在工期長、造價高等缺點，因此需要研究一種新的錨碇基礎結構形式。目前，已有學者對錨碇設計的主要內容、考慮因素和結構尺寸進行了經驗總結。張杰等［1］結合錨碇受力特點和基底承載力，用計算機仿真法計算并修訂了錨碇及基礎的構造尺寸；李志明等［2］從基礎埋置深度的確定和基礎的驗算內容兩個方面進行明挖擴大基礎的設計與計算；李海等［3］比較國內大跨徑懸索橋主要采用的2種錨固系統，研究錨固系統的耐久性、可靠性及經濟性等特點；葉文海等［4］總結幾種錨碇基礎形式的特性和應用，介紹錨碇基礎設計需要考慮的因素、基礎計算的內容和方法; 周健等［5］以單跨680 m懸索橋——莫桑比克馬普托大橋為依托，從經濟性、技術可行性等方面對比分析地下連續墻基礎和沉井基礎。綜上，現有的錨碇基礎研究成果主要是圍繞地下連續墻基礎、沉井基礎和擴大基礎等形式開展分析，對大尺寸咬合樁基礎支護形式進行的研究較少。咬合樁支護［6］施工具有經濟性好、止水效果好等優點。某特大跨懸索橋錨碇基礎采用圓—矩咬合樁支護形式，支護樁的樁徑達3.5 m，為國內首次采用的結構形式。在基坑開挖過程中，該咬合樁圍護結構缺乏受力變形特性、施工工藝等方面的參考資料，施工難度大，因此需要對該結構的力學規律和施工工藝進行研究。本文以該特大跨懸索橋為工程背景，利用GTS NX軟件對錨定基礎施工過程中的力學行為進行研究，同時介紹施工過程中所用到的一些關鍵技術，以供同類型工程借鑒和參考。

1 工程概況

工程橋梁的主橋為主跨1 098 m的單跨吊懸索橋，橋寬33 m，塔高176.8 m。由于大橋橋址處于半島半海區域，受現場地質條件的限制，錨碇區采用重力式錨碇，錨碇基礎為國內橋梁工程行業首次采用的“大直徑圓樁+矩形二期槽咬合樁”方案。錨碇四周采用直徑3.5 m的咬合樁和2.8 m×1.5 m的二期槽圍成直徑90 m的圓形基礎，單個錨碇大直徑樁基總計52根，平均樁長33.7 m，最大樁長43.3 m，樁基和二期槽搭接長度為0.43 m，大橋錨碇基礎布置示意圖見圖1。

2 圓矩咬合樁施工仿真分析

2.1 幾何模型的建立

利用GTS NX軟件對大橋錨碇施工過程進行模擬分析，模型尺寸大于開挖半徑的3倍，取150 m×150 m。圓矩咬合樁、冠梁及土體均采用3D實體單元模擬，其中土體采用各向同性的修正莫爾-庫倫本構模型，土層參數按照現場實際鉆孔資料取值，排水類型設置為排水，錨碇基礎土體參數見表1；圓矩咬合樁及冠梁的混凝土結構采用彈性模型，排水類型設置為非多孔，圓矩咬合樁結構參數見表2。模型邊界設置時需考慮結構的對稱性，上表面設置為自由，不設置約束；下表面設置為固定；四周設置為法向固定，添加x及y方向的約束。計劃將大橋錨碇基礎有限元模型網格分為97 534個單元、40 556個節點，錨碇基礎有限元模型見圖2。

2.2 圓矩咬合樁支護結構內力分析

為了確保圓矩咬合樁在施工過程中的安全性及可靠性，需要對其施工全過程進行結構力學分析，圓矩咬合樁剪應力分布圖見圖3，圓矩咬合樁彎矩分布圖見圖4。

大橋錨碇基礎為圓形對稱結構，其各樁和地墻內力分布情況基本一致。由圖3和圖4可知，在開挖面以上，巖質地基條件下的基坑圍護墻存在較大的“直立高度”，而剪應力的分布在“直立高度”內很小，在開挖面處逐漸達到最大；彎矩分布情況與剪應力類似，都在開挖面處達到最大。因大直徑樁的截面積約為二期地墻的2倍，從內力分布圖中可以看出，樁的內力約為槽的4倍，由此可見，二者受力相對均衡，大直徑樁和二期槽抵抗土壓力時的協同效果較好。

2.3 圓矩咬合樁支護結構徑向位移分析

圓矩咬合樁的徑向位移圖見圖5，大直徑樁和二期槽的徑向位移曲線基本一致，并且徑向變形均很小，最大值僅為7.2 mm。大直徑樁與槽及圓形的變形模式相近，在上部并沒有呈懸臂式變形，而是朝坑內彎起。這是因為上部圍護所受的土壓力較小，其因下部結構的旋轉而朝坑內變形的趨勢被圍護結構的整體剛度（環向效應）限制。

3 大尺寸圓矩咬合樁成孔施工方案

3.1 施工難點

大橋錨碇基礎采用“大直徑圓樁+矩形二期槽咬合樁”方案，樁基之間采用二期槽與樁基搭接，形成錨碇基礎的支護結構。圓矩咬合樁成孔施工主要面臨以下幾個方面的挑戰。

（1）成孔質量控制難度大。一方面，錨碇大直徑樁的基樁直徑達3.5 m，在地質條件復雜的半海半島區域施工，樁基成孔難度大；另一方面，二期槽為后施工段，需與大直徑樁進行咬合，成槽垂直度的控制難度大。

（2）大橋錨碇施工區域為半海半島海域，地質情況復雜，需要保證施工作業過程中成孔的穩定性。

（3）大橋建設環保要求高，施工過程需要嚴格避免對海域造成污染。

3.2 成孔設備的選擇

在現場咬合樁施工過程中，需重點考慮的因素有進度、造價及機械操作的難易程度。在確保咬合樁施工質量的前提下，可以從成孔速度、工程造價和施工難度等方面對幾種大直徑樁成孔方式進行評價。

由于本項目錨碇基礎施工處于關鍵線路，并且主塔施工進行設計優化后縮短了施工工期，因此為保證錨碇與主塔的整體進度協調，不影響后續上部結構的施工，需要考慮成孔施工的進度和工程造價問題。因此，成孔速度權重占50%，工程造價權重占30%，施工難度占20%，這3個評價指標的最高得分均設為10分。經過專家對大直徑樁成孔方案進行打分評價（結果見表3），最終確定的最優方案為“旋挖鉆+沖擊鉆”結合成孔。

由于二期槽需與大直徑樁進行咬合，因此二期槽施工不采用抓斗形式施工，擬采用銑槽機進行施工。

3.3 半島半海施工場地處理

對于島上施工部分，施工場地需將原山體開挖，平整至錨碇基礎的頂部。對于海上施工部分，可在該區域搭設鋼平臺，但平臺搭設用鋼量大，并且圓矩咬合樁施工完成后會受到海水潮汐作用及腐蝕作用的影響，不利于咬合樁的運營使用，如果在咬合樁施工過程中出現漏漿等情況，還會嚴重影響咬合樁的質量。因此，在得到用海和用島的許可后，項目采用石方填海的方式進行筑島圍堰，以滿足錨碇基礎施工過程中平臺搭設的要求。

4 大尺寸圓矩咬合樁鋼筋籠加工關鍵技術

4.1 加工難點

由于大直徑樁鋼筋籠為圓角矩形的異形結構（見圖6），并且鋼筋籠的尺寸大，異形箍筋的加工往往需要較大型的加工裝置。目前，異形鋼筋籠的加工方式一般是分別對主筋和箍筋進行加工，然后在胎架上將主筋與箍筋組拼成異形鋼筋籠。而對于大直徑樁的異形鋼筋籠來說，目前的加工設備無法通過彎曲及彎折的功能完成異形箍筋的加工，即無法采用現有的機械設備進行批量加工制作。

4.2 加工技術

根據咬合樁異形鋼筋籠的結構特點，本項目創新采用一套異形箍筋的加工系統、加工方法和信息采集方法。加工系統包括驅動裝置（用于帶動目標鋼筋移動）、折彎裝置（與驅動裝置間隔設置，用于將目標鋼筋折彎）、壓彎裝置（與折彎裝置和驅動裝置配合后，將目標鋼筋壓彎成弧段）。通過加工系統制作的異形箍筋，可以減少異形箍筋上的焊接點，而且整根異形箍筋是一體加工完成的，整體性能更好，因此箍筋配合主筋完成的異形鋼筋籠的整體性能更強。異形鋼筋籠加工控制系統原理圖見圖7。

5 大尺寸圓矩咬合樁鋼筋籠和二期槽鋼筋安裝關鍵技術

5.1 大直徑異形鋼筋籠安裝關鍵技術

5.1.1 起吊安裝

鋼筋籠采用14 m長平板車分節段運輸至現場，采取主、副吊雙機抬吊，為防止鋼筋籠變形，主吊通過吊架吊住鋼筋籠頂部，副吊直接吊住鋼筋籠底部。主、副吊同時工作，鋼筋籠緩慢吊離地面一段距離后，檢查鋼筋籠是否平穩。鋼筋籠起吊后主、副吊在指揮員的指揮下擺臂，使鋼筋籠尾部位于副吊正前方，主吊的大臂固定提升后，副吊開始行走，配合主吊起吊，直至鋼筋籠垂直于地面。

5.1.2 定位控制

一期樁成孔后安裝孔口定位支架，保證鋼筋籠下放后能在定位支架上定位牢靠，避免拼裝過程出現較大位置偏差，從而保證鋼筋籠拼接的垂直度。

下放鋼筋籠時，采用經緯儀實時監測垂直度，確保鋼筋籠順直，從而提高鋼筋籠下放過程中的垂直度。鋼筋籠從上至下焊接定位槽鋼，作為限位及防扭轉的裝置，為防止型鋼穿入孔壁，兩端焊接法蘭，增大接觸面積。鋼筋籠定位兼防扭轉裝置見圖8。

鋼筋籠側面的銑接頭位置安裝PVC管（見圖9），PVC管長1.2 m，每5 m設置一道管，用于限位鋼筋籠，并作為保護層確保鋼筋籠的垂直度，也方便后續銑槽機進行二期槽的施工。

5.2 二期槽鋼筋安裝關鍵技術

5.2.1 起吊安裝

二期槽鋼筋籠采用2臺履帶吊整節段吊裝，履帶吊的型號根據最重的鋼筋籠起吊時的最不利工況確定。沿鋼筋籠的寬度布置2道“一”字形鋼筋籠橫向吊點，主吊和副吊分別設置不少于4個吊點。二期槽鋼筋籠吊裝布置示意圖見圖10。

二期槽鋼筋籠采用1臺主吊和1臺副吊共同吊裝，起吊、翻轉和運輸的注意事項如下。

（1）逐一檢查扁擔梁、鋼絲繩、卸扣，確認合格后才能安裝。

（2）將鋼筋籠吊離地面一段距離后，需停機檢查吊點的可靠性、鋼筋籠的平衡情況以及吊車的工作狀態。

（3）主吊向上提升，同時向副吊方向旋轉，副吊保持吊點高度不變并向主吊方向旋轉，待鋼筋籠翻轉成豎直狀態后，保持吊點不動；副吊點向下放至松弛狀態，待鋼筋籠離地面足夠近時，拆除副吊點的吊具，完成鋼筋籠的翻轉。

5.2.2 定位控制

（1）在鋼筋籠下放前，采用超聲波測壁儀對槽形進行加密測試，分析槽形，確保槽形滿足要求后才能下放鋼筋籠，避免鋼筋籠出現無法下放或刮槽的現象。

（2）鋼筋籠中心對準槽段的中心軸線，保持平穩和垂直，緩慢下沉，避免碰撞孔壁。

（3）當鋼筋籠接近預定高程時，檢查籠體的平面位置，如果超出標準，則需進行調整。

（4）鋼筋籠在下放至底部的過程中遇到鋼絲繩錨固點時，應轉換鋼絲繩受力點，并復核鋼筋籠的高程及平面位置后才繼續下放。

6 結語

本文以某跨海懸索橋半島半海圓—矩咬合樁基礎支護結構工程為依托，采用GTS NX軟件對施工全過程進行計算和仿真分析。計算結果表明，大尺寸圓—矩咬合樁支護結構受力性能好，大直徑樁和二期槽能夠協同受力，施工安全性良好。本文重點介紹了大直徑樁和二期槽的成孔工藝、鋼筋籠加工安裝等關鍵技術，相關成果顯著提高了大尺寸圓—矩咬合樁的施工質量和施工效率，保障了施工安全，節約了施工成本。后續可進一步研究咬合樁支護結構樁徑、二期槽的尺寸、樁長、樁距、咬合量、樁身垂直度、施工順序、各荷載工況等要素對結構體系內力及變形的影響規律，以及咬合樁支護結構的合理設計參數，對施工過程中的薄弱環節提出相關改進措施，提高施工的安全性。

7 參考文獻

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*廣西科技重大專項“超千米級懸索橋纜索體系制造與智能施工裝備關鍵技術研究及產業化”（AA22068066）。

【作者簡介】王若宇，男，廣西南寧人，助理工程師，研究方向：高速公路建設安全管理；鄭健（通信作者），男，湖南衡陽人，高級工程師，研究方向：大跨橋梁施工技術。

【引用本文】王若宇，鄭健.大尺寸圓矩咬合樁結構力學行為研究及施工關鍵技術［J］.企業科技與發展，2024（3）：114-118.