云南龍江大橋錨碇選型研究
2017-10-17
0 引言
懸索橋是以承受拉力的纜索作為主要承重構(gòu)件的橋梁，由主纜、吊索、索塔、錨碇、加勁梁及橋面系等部分組成。其受力特征是：作用在橋面上的荷載由吊索傳至主纜，再傳至索塔和錨碇，傳力途徑明確[2]。懸索橋以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確、跨越能力大、造型美觀等優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)了近年來(lái)日益增多的大跨度橋梁建設(shè)的需要，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)及現(xiàn)代化交通運(yùn)輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展，得到了廣泛應(yīng)用。懸索橋主纜索股錨固形式分為自錨式和地錨式兩種，自錨式是將主纜索股直接錨于加勁梁上，無(wú)需錨碇結(jié)構(gòu)，一般僅適用于中小跨徑懸索橋。地錨式則將主纜索股錨于錨碇或堅(jiān)固的巖體中。錨碇是將主纜的拉力傳遞給地基的構(gòu)件，通常有重力式錨碇和隧道錨碇。重力式錨碇依靠巨大的自重來(lái)抵抗主纜豎向分力，水平分力則有錨固體與地基之間的摩阻力或嵌固阻力來(lái)抵抗，隧道錨則直接將主纜拉力傳遞給圍巖[2]。錨碇作為懸索橋的基礎(chǔ)，對(duì)整座橋梁的安全有著重要的作用。由于每座懸索橋地形地質(zhì)都不一樣，錨碇也必然有所不同，本文針對(duì)云南保騰高速公路龍江大橋的熔巖臺(tái)地和河谷陡坡地形以及全風(fēng)化巖層的地質(zhì)情況，選擇適合的錨碇型式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方案比選，確定最優(yōu)的錨碇方案，以期給類似地形地質(zhì)條件下的懸索橋錨碇設(shè)計(jì)提供參考。
1 工程概況
保騰高速公路項(xiàng)目起于在建保龍高速小田壩，止點(diǎn)接已建騰沖-猴橋公路。路線全長(zhǎng)63.94145公里。龍江大橋位于保騰高速公路K20+260～K21+850處跨越龍江，是保騰高速公路控制性工程。主橋?yàn)橹骺?196m的單跨簡(jiǎn)支鋼箱梁懸索橋，跨徑組成為320m+1196m+320m。在設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)下，中跨理論矢跨比為1/10.5。全橋共設(shè)兩根主纜，主纜橫向中心距為25.5m。橋面采用1.0%的單向縱坡[1]?？傮w布置圖如圖1。
2 錨碇區(qū)域地形地質(zhì)條件
龍江大橋近垂直跨越龍江，處于熔巖臺(tái)地和河谷陡坡地形區(qū)，橋位設(shè)計(jì)線距離谷底約280米，山頂錐狀，河谷呈“V”型。東岸錨碇區(qū)域?yàn)橐恍∩角?，錨碇坐落于山丘后坡上，西岸錨碇區(qū)域?yàn)橐蛔蠛髠?cè)被山圍繞的臺(tái)地，錨碇坐落在相對(duì)平坦的臺(tái)地上。
東岸及西岸錨碇范圍內(nèi)地質(zhì)情況：東岸地面以下約10m是亞粘土，地勘提供的地基容許承載力是220KPa；10～40m是全風(fēng)化玄武巖，地勘提供的地基容許承載力是300KPa；40～60m是全風(fēng)化礫砂巖，地勘提供的地基容許承載力是280KPa；弱風(fēng)化玄武巖深度在70m以下。橫橋向地表及地層巖性劃分比較均勻。西岸地面以下約5m是亞粘土，5～35m是全風(fēng)化礫砂巖，地勘提供的地基容許承載力是280KPa；深度35～50m是全、強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，地勘提供的全風(fēng)化玄武巖地基容許承載力是300KPa，強(qiáng)風(fēng)化玄武巖地基容許承載力是650KPa；弱風(fēng)化基巖深度不均勻，在45m～60m以下。兩側(cè)比較，東岸基巖埋置深度更深。
3 備選的錨碇方案
根據(jù)以上地形地質(zhì)情況看，由于基巖埋置較深，全風(fēng)化巖層覆蓋層較厚，不適宜隧道錨，擬研究采用重力式錨碇方案。重力錨碇首先要選擇基礎(chǔ)類型，常用的基礎(chǔ)主要有擴(kuò)大基礎(chǔ)、地下連續(xù)墻基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等。
沉井基礎(chǔ)一般適用于基巖埋置較深且覆蓋層軟弱的水里或岸邊，遇到堅(jiān)硬的地層則下沉困難，下沉過(guò)程中遇到的大孤石或井底巖層表面傾斜過(guò)大，也將給施工帶來(lái)一定的困難，對(duì)粉砂、細(xì)砂類土在井內(nèi)抽水時(shí)易發(fā)生流砂現(xiàn)象，造成沉井傾斜。本橋錨碇區(qū)位于遠(yuǎn)離龍江的山頂臺(tái)地，覆蓋層為全風(fēng)化巖層，基巖面傾斜，沉井施工困難，故未采用。
地下連續(xù)墻基礎(chǔ)既是施工的臨時(shí)支撐、擋土、擋水的圍堰結(jié)構(gòu)， 又是后期永久性結(jié)構(gòu)的組成部分。結(jié)構(gòu)整體剛度大， 施工時(shí)基本不擾動(dòng)周圍土體[4]。但由于錨碇區(qū)弱風(fēng)化層基巖埋置太深，連續(xù)墻基底持力層若放置在弱風(fēng)化層上，將導(dǎo)致錨碇開(kāi)挖量大，造價(jià)不經(jīng)濟(jì)，故未采用。
樁基礎(chǔ)適用于基巖埋置較深的情況，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，對(duì)本橋錨碇區(qū)的地形地質(zhì)也適用。重力錨基礎(chǔ)主要承受巨大水平拉力，此水平力可以通過(guò)設(shè)置斜樁基礎(chǔ)來(lái)承受，但由于其特殊的施工工藝，在基底大規(guī)模采用施工極為困難。普通直徑的豎直樁基礎(chǔ)抵抗水平力的能力較差，剛度也較差，在主纜拉力下錨碇散索點(diǎn)的水平位移超過(guò)了允許值，所以東錨碇采用了大直徑的剛性樁，嵌入弱風(fēng)化巖層中，既能滿足水平抗力要求，又能滿足變形的要求。
擴(kuò)大基礎(chǔ)通過(guò)增大基底面積的方式減少基底應(yīng)力和基底變形，可將錨碇基底持力層放置在厚度較厚的全風(fēng)化層上，但必須解決基底允許承載力及地基允許沉降位移是否足夠的問(wèn)題。另外，結(jié)合主纜邊纜的傾斜角度與兩岸地形條件，若采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的重力式錨碇成立，則面臨著邊纜散索錨固是通過(guò)散索鞍還是散索套方式更節(jié)省錨碇甚至全橋的造價(jià)的問(wèn)題。因?yàn)樵O(shè)置散索鞍后錨跨索股就必須偏轉(zhuǎn)到足夠的角度，這直接導(dǎo)致錨體要埋置到更深的風(fēng)化巖層，增加錨碇基坑開(kāi)挖量或錨碇混凝土量。若采用散索套方案，主纜束股散索后無(wú)須向下整體轉(zhuǎn)向錨固，可使錨塊基底埋置深度放淺，減少了錨碇基坑開(kāi)挖量或錨碇混凝土量。如采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，西錨碇基底距離基巖層相對(duì)較近，可多開(kāi)挖一些在基底下方設(shè)置混凝土基礎(chǔ)墊塊，以便將基礎(chǔ)持力層完全放置到弱風(fēng)化基巖面上，形成嵌巖錨形式。
因此，根據(jù)地形地質(zhì)條件，在錨碇整體結(jié)構(gòu)完全滿足抗滑移安全性、滿足各工況基底允許承載力、允許豎向與水平位移等要求的前提下，兩岸錨碇各提出了三個(gè)錨碇設(shè)計(jì)方案： 東岸：方案一：采用散索鞍擴(kuò)大基礎(chǔ)重力式錨碇，持力層為全風(fēng)化巖；
方案二：采用散索鞍剛性樁基礎(chǔ)重力式錨碇，持力層為弱風(fēng)化巖；
方案三：采用散索套擴(kuò)大基礎(chǔ)重力式錨碇，持力層為全風(fēng)化巖。
西岸：方案一：采用散索鞍擴(kuò)大基礎(chǔ)重力式錨碇，持力層為全風(fēng)化巖；
方案二：采用散索鞍擴(kuò)大基礎(chǔ)嵌巖重力式錨碇，持力層為弱風(fēng)化巖；
方案三：采用散索套擴(kuò)大基礎(chǔ)重力式錨碇，持力層為全風(fēng)化巖。
各方案詳見(jiàn)圖2～7，各錨碇方案主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。
4 錨碇方案結(jié)構(gòu)分析
4.1 錨碇基底應(yīng)力驗(yàn)算
根據(jù)錨碇分塊施工的特點(diǎn)，施工期間分塊計(jì)算各塊前后的基底應(yīng)力；后澆段完成后，錨碇形成整體，回填土、壓重、主纜拉力由錨碇整體承擔(dān)。正常荷載下分以下三個(gè)工況計(jì)算基底壓應(yīng)力：
?、馘^塊、支墩基礎(chǔ)各自施工完成
?、诤鬂捕问┕?，完成回填、壓重并施加恒載纜力（成橋狀態(tài)）
③常荷載最大纜力
地震力作用下分以下2個(gè)工況計(jì)算基底壓應(yīng)力：
?、茇Q向向下地震力+水平向錨后地震力+（恒載纜力-地震纜力）
⑤豎向向上地震力+水平向錨前地震力+（恒載纜力+地震纜力）
以上各階段錨碇各點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表（僅列出兩岸方案一計(jì)算結(jié)果）（表2，表3）。
東岸方案一、三和西岸方案一、三錨碇持力層為全風(fēng)化層，西岸方案二錨碇持力層為弱風(fēng)化玄武巖，按規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)的地基承載力寬度、深度修正。地震力組合時(shí)容許承載力提高50%。故地基承載力驗(yàn)算滿足要求。
東岸錨碇方案二采用了剛性樁基礎(chǔ)，樁基為嵌巖樁，嵌入弱風(fēng)化巖層8～10米，同上按三個(gè)正常荷載工況和2個(gè)地震力荷載工況驗(yàn)算其樁基承載力。結(jié)果見(jiàn)表4。
根據(jù)地質(zhì)資料，持力層為弱風(fēng)化玄武巖，樁基的軸向受壓承載力按嵌巖樁計(jì)算。地震力組合時(shí)容許承載力提高25%。故樁基承載力驗(yàn)算滿足要求。
4.2 錨碇整體抗滑驗(yàn)算
抗滑穩(wěn)定分以下幾個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算：
1恒載纜力，2最大纜力，3 恒載纜力+豎向向上地震力+水平向錨前地震力+地震纜力
抗滑計(jì)算荷載：錨碇混凝土重力、錨碇底面之上回填土重力、纜力；計(jì)算地震力下抗滑穩(wěn)定時(shí)，考慮錨前回填土的靜土壓力。
抗滑系數(shù)μ取0.4，參考日本本州四國(guó)聯(lián)絡(luò)線《重力式直接基礎(chǔ)錨碇設(shè)計(jì)要領(lǐng)・同解說(shuō)》錨碇基底位于陸地、地震時(shí)抗滑安全系數(shù)要求Ka？叟1.2?？够踩禂?shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5（僅列出兩岸錨碇方案一結(jié)果）。
由表5可知，錨碇的抗滑穩(wěn)定滿足要求。
東岸錨碇方案二采用了剛性樁基礎(chǔ)，樁基為嵌巖樁，在水平力的作用下，錨碇的薄弱抗剪面為樁與錨體的連接面，現(xiàn)對(duì)該剪切面進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見(jiàn)表6。
4.3 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算
基底應(yīng)力驗(yàn)算要求基底前后不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，本橋的錨碇方案在施工和運(yùn)營(yíng)期間及地震荷載下均未出現(xiàn)基底拉應(yīng)力，故抗傾覆不再驗(yàn)算。
4.4 錨碇的位移驗(yàn)算
錨碇位移計(jì)算采用Flac3D程序，根據(jù)錨碇分塊施工的特點(diǎn)，施工期間分塊計(jì)算各塊的豎向沉降和水平位移；后澆段完成后，錨碇形成整體，回填土、壓重、主纜拉力由錨碇整體承擔(dān)。散索鞍轉(zhuǎn)點(diǎn)位移計(jì)算扣除了錨碇施工期間的自重位移。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。
東岸方案二錨碇采用剛性樁基礎(chǔ)直接嵌入弱風(fēng)化巖層，錨碇沉降可以忽略不計(jì)；錨體及樁基礎(chǔ)剛度極大，在水平力的作用下水平位移也可忽略不計(jì)。
西岸方案二錨碇采用混凝土墊層直接把基礎(chǔ)落到弱風(fēng)化玄武巖持力層上，持力層地基容許承載力較高，彈模較大，可以忽略錨碇的沉降和水平位移。
故散索鞍轉(zhuǎn)點(diǎn)的水平位移滿足規(guī)范要求。
5 錨碇方案比選
5.1 東岸錨碇方案比選
根據(jù)設(shè)計(jì)分析結(jié)果表明，三種方案設(shè)計(jì)施工技術(shù)均是可行的；在控制錨碇總體設(shè)計(jì)的三項(xiàng)指標(biāo)（抗滑移安全系數(shù)、滿足地基允許承載力及允許位移值）均基本滿足的條件下，單從錨碇造價(jià)看，方案三造價(jià)最低，其次是方案一（與方案三相差不大），方案二造價(jià)最高。方案二剛性樁基礎(chǔ)形式在我國(guó)大跨徑懸索橋錨碇基礎(chǔ)中尚未見(jiàn)實(shí)例，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。方案一與方案三最大的共同優(yōu)點(diǎn)是錨碇基坑較淺，開(kāi)挖及防護(hù)工程量小，邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)小，工期也相對(duì)較短，造價(jià)相對(duì)低。但方案三所對(duì)應(yīng)的主纜散索方案采用散索套，其主纜架設(shè)錨固工藝與散索鞍方案有些不同，國(guó)內(nèi)特大跨徑懸索橋施工還沒(méi)有這方面的直接經(jīng)驗(yàn)，需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的研究試驗(yàn)成功后才好實(shí)際應(yīng)用，這就可能增加不少研究時(shí)間和費(fèi)用。
綜合比較，東岸錨碇方案一（散索鞍淺埋擴(kuò)大基礎(chǔ)錨碇方案）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)明顯設(shè)計(jì)與施工技術(shù)缺陷，造價(jià)合理較低，予以推薦。（表8）
5.2 西岸錨碇方案比選
西岸錨碇也根據(jù)地形地質(zhì)條件提出了三種方案進(jìn)行同深度技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。在此需要特別說(shuō)明的是，由于西岸弱風(fēng)化基巖頂面標(biāo)高在錨碇平面布置范圍內(nèi)高低不平。橫方向看，高邊坡一側(cè)基巖埋置淺，低邊坡一側(cè)基巖埋置深度低8m左右；縱向看，錨碇前部散索鞍支墩附近基巖埋置比錨塊尾部深約13m左右。因此，方案一與方案二比較，主要不同點(diǎn)是方案二錨碇相當(dāng)于在方案一錨體基底下方設(shè)置了混凝土基礎(chǔ)墊塊，以便將基礎(chǔ)持力層完全放置到弱風(fēng)化基巖面上。三個(gè)方案綜合比較見(jiàn)表9。
根據(jù)設(shè)計(jì)分析結(jié)果表明，三種方案設(shè)計(jì)施工技術(shù)均是可行的；從錨碇造價(jià)看，方案三造價(jià)最低，其次是方案一（與方案三相差不大），方案二造價(jià)最高。方案二開(kāi)挖深度最大，開(kāi)挖工程量最大，基坑防護(hù)工程量最大。方案一與方案三最大的共同優(yōu)點(diǎn)是錨碇基坑較淺，開(kāi)挖及防護(hù)工程量小，邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)小，工期也相對(duì)較短，造價(jià)相對(duì)低。但方案三所對(duì)應(yīng)的主纜散索方案采用散索套，論述同東錨碇。
綜合比較，西岸錨碇方案一（散索鞍淺埋擴(kuò)大基礎(chǔ)錨碇方案）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)明顯設(shè)計(jì)與施工技術(shù)缺陷，造價(jià)合理較低，基底以下全、強(qiáng)風(fēng)化層厚度不均勻可能導(dǎo)致的錨體各部位沉降位移不均勻的問(wèn)題不是很明顯，予以推薦。
6 結(jié)論與建議
作為懸索橋的基礎(chǔ)，錨碇型式選擇非常重要。由于每座懸索橋地形地質(zhì)都不一樣，錨碇也必然有所不同，錨碇方案的優(yōu)劣、造價(jià)的高低將直接影響大跨懸索橋方案的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，常用的錨碇有重力式錨碇和隧道錨碇，并且重力式錨碇的基礎(chǔ)有很多種，但無(wú)論錨碇或錨碇基礎(chǔ)形式如何，錨碇方案的取舍，最終取決于設(shè)計(jì)的合理性、施工的可行性、工程的經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)周圍環(huán)境的影響等。本文針對(duì)云南龍江大橋的熔巖臺(tái)地和河谷陡坡地形以及全風(fēng)化巖層的地質(zhì)情況，選擇適合的重力錨碇型式，采用合理可行、安全經(jīng)濟(jì)的錨碇?jǐn)U大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方案比選，確定最優(yōu)的散索鞍淺埋擴(kuò)大基礎(chǔ)重力錨碇方案，以
期給類似地形地質(zhì)條件下的懸索橋錨碇設(shè)計(jì)提供參考。
參考文獻(xiàn)：
[1]云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院&中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.龍江大橋施工圖設(shè)計(jì)[Z].昆明：2013.
[2]孟凡超.懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2011：5-6，295-300.
[3]劉明虎.懸索橋重力式錨碇設(shè)計(jì)的基本思路[J].公路，1999（7）：16-23.
[4]彭德運(yùn).大跨懸索橋錨碇基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003（1）：19-23.
