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]。懸索橋以其構造簡單、受力明確、跨越能力大、造型美觀等優(yōu)勢，適應了近年來日益增多的大跨度橋梁建設的需要，隨著國民經(jīng)濟及現(xiàn)代化交通運輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展，得到了廣泛應用。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，無需錨碇結構，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固的巖體中。錨碇是將主纜的拉力傳遞給地基的構件，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，對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都不一樣，錨碇也必然有所不同，本文針對云南保騰高速公路龍江大橋的熔巖臺地和河谷陡坡地形以及全風化巖層的地質情況，選擇適合的錨碇型式，進行結構設計和方案比選，確定最優(yōu)的錨碇方案，以期給類似地形地質條件下的懸索橋錨碇設計提供參考。
1 工程概況
保騰高速公路項目起于在建保龍高速小田壩，止點接已建騰沖-猴橋公路。路線全長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。主橋為主跨1196m的單跨簡支鋼箱梁懸索橋，跨徑組成為320m+1196m+320m。在設計成橋狀態(tài)下，中跨理論矢跨比為1/10.5。全橋共設兩根主纜，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)域地形地質條件
龍江大橋近垂直跨越龍江，處于熔巖臺地和河谷陡坡地形區(qū)，橋位設計線距離谷底約280米，山頂錐狀，河谷呈“V”型。東岸錨碇區(qū)域為一小山丘，錨碇坐落于山丘后坡上，西岸錨碇區(qū)域為一左后側被山圍繞的臺地，錨碇坐落在相對平坦的臺地上。
東岸及西岸錨碇范圍內地質情況：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是全風化玄武巖，地勘提供的地基容許承載力是300KPa；40～60m是全風化礫砂巖，地勘提供的地基容許承載力是280KPa；弱風化玄武巖深度在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、強風化玄武巖，地勘提供的全風化玄武巖地基容許承載力是300KPa，強風化玄武巖地基容許承載力是650KPa；弱風化基巖深度不均勻，在45m～60m以下。兩側比較，東岸基巖埋置深度更深。
3 備選的錨碇方案
根據(jù)以上地形地質情況看，由于基巖埋置較深，全風化巖層覆蓋層較厚，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類型，常用的基礎主要有擴大基礎、地下連續(xù)墻基礎、沉井基礎、樁基礎等。
沉井基礎一般適用于基巖埋置較深且覆蓋層軟弱的水里或岸邊，遇到堅硬的地層則下沉困難，下沉過程中遇到的大孤石或井底巖層表面傾斜過大，也將給施工帶來一定的困難，對粉砂、細砂類土在井內抽水時易發(fā)生流砂現(xiàn)象，造成沉井傾斜。本橋錨碇區(qū)位于遠離龍江的山頂臺地，覆蓋層為全風化巖層，基巖面傾斜，沉井施工困難，故未采用。
地下連續(xù)墻基礎既是施工的臨時支撐、擋土、擋水的圍堰結構， 又是后期永久性結構的組成部分。結構整體剛度大， 施工時基本不擾動周圍土體[4]。但由于錨碇區(qū)弱風化層基巖埋置太深，連續(xù)墻基底持力層若放置在弱風化層上，將導致錨碇開挖量大，造價不經(jīng)濟，故未采用。
樁基礎適用于基巖埋置較深的情況，技術成熟，應用廣泛，對本橋錨碇區(qū)的地形地質也適用。重力錨基礎主要承受巨大水平拉力，此水平力可以通過設置斜樁基礎來承受，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的水平位移超過了允許值，所以東錨碇采用了大直徑的剛性樁，嵌入弱風化巖層中，既能滿足水平抗力要求，又能滿足變形的要求。
擴大基礎通過增大基底面積的方式減少基底應力和基底變形，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題。另外，結合主纜邊纜的傾斜角度與兩岸地形條件，若采用擴大基礎的重力式錨碇成立，則面臨著邊纜散索錨固是通過散索鞍還是散索套方式更節(jié)省錨碇甚至全橋的造價的問題。因為設置散索鞍后錨跨索股就必須偏轉到足夠的角度，這直接導致錨體要埋置到更深的風化巖層，增加錨碇基坑開挖量或錨碇混凝土量。若采用散索套方案，主纜束股散索后無須向下整體轉向錨固，可使錨塊基底埋置深度放淺，減少了錨碇基坑開挖量或錨碇混凝土量。如采用擴大基礎，西錨碇基底距離基巖層相對較近，可多開挖一些在基底下方設置混凝土基礎墊塊，以便將基礎持力層完全放置到弱風化基巖面上，形成嵌巖錨形式。
因此，根據(jù)地形地質條件，在錨碇整體結構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錨碇設計方案： 東岸：方案一：采用散索鞍擴大基礎重力式錨碇，持力層為全風化巖；
方案二：采用散索鞍剛性樁基礎重力式錨碇，持力層為弱風化巖；
方案三：采用散索套擴大基礎重力式錨碇，持力層為全風化巖。
西岸：方案一：采用散索鞍擴大基礎重力式錨碇，持力層為全風化巖；
方案二：采用散索鞍擴大基礎嵌巖重力式錨碇，持力層為弱風化巖；
方案三：采用散索套擴大基礎重力式錨碇，持力層為全風化巖。
各方案詳見圖2～7，各錨碇方案主要設計參數(shù)見表1。
4 錨碇方案結構分析
4.1 錨碇基底應力驗算
根據(jù)錨碇分塊施工的特點，施工期間分塊計算各塊前后的基底應力；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。正常荷載下分以下三個工況計算基底壓應力：
①錨塊、支墩基礎各自施工完成
?、诤鬂捕问┕ぃ瓿苫靥?、壓重并施加恒載纜力（成橋狀態(tài)）
?、鄢：奢d最大纜力
地震力作用下分以下2個工況計算基底壓應力：
?、茇Q向向下地震力+水平向錨后地震力+（恒載纜力-地震纜力）
?、葚Q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的應力計算結果見下表（僅列出兩岸方案一計算結果）（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化層，西岸方案二錨碇持力層為弱風化玄武巖，按規(guī)范進行相應的地基承載力寬度、深度修正。地震力組合時容許承載力提高50%。故地基承載力驗算滿足要求。
東岸錨碇方案二采用了剛性樁基礎，樁基為嵌巖樁，嵌入弱風化巖層8～10米，同上按三個正常荷載工況和2個地震力荷載工況驗算其樁基承載力。結果見表4。
根據(jù)地質資料，持力層為弱風化玄武巖，樁基的軸向受壓承載力按嵌巖樁計算。地震力組合時容許承載力提高25%。故樁基承載力驗算滿足要求。
4.2 錨碇整體抗滑驗算
抗滑穩(wěn)定分以下幾個工況進行計算：
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
抗滑計算荷載：錨碇混凝土重力、錨碇底面之上回填土重力、纜力；計算地震力下抗滑穩(wěn)定時，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聯(lián)絡線《重力式直接基礎錨碇設計要領・同解說》錨碇基底位于陸地、地震時抗滑安全系數(shù)要求Ka？叟1.2?？够踩禂?shù)計算結果見表5（僅列出兩岸錨碇方案一結果）。
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，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)對該剪切面進行驗算，結果見表6。
4.3 抗傾覆穩(wěn)定性驗算
基底應力驗算要求基底前后不允許出現(xiàn)拉應力，本橋的錨碇方案在施工和運營期間及地震荷載下均未出現(xiàn)基底拉應力，故抗傾覆不再驗算。
4.4 錨碇的位移驗算
錨碇位移計算采用Flac3D程序，根據(jù)錨碇分塊施工的特點，施工期間分塊計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。散索鞍轉點位移計算扣除了錨碇施工期間的自重位移。計算結果見表7。
東岸方案二錨碇采用剛性樁基礎直接嵌入弱風化巖層，錨碇沉降可以忽略不計；錨體及樁基礎剛度極大，在水平力的作用下水平位移也可忽略不計。
西岸方案二錨碇采用混凝土墊層直接把基礎落到弱風化玄武巖持力層上，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。
故散索鞍轉點的水平位移滿足規(guī)范要求。
5 錨碇方案比選
5.1 東岸錨碇方案比選
根據(jù)設計分析結果表明，三種方案設計施工技術均是可行的；在控制錨碇總體設計的三項指標（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，單從錨碇造價看，方案三造價最低，其次是方案一（與方案三相差不大），方案二造價最高。方案二剛性樁基礎形式在我國大跨徑懸索橋錨碇基礎中尚未見實例，存在一定風險。方案一與方案三最大的共同優(yōu)點是錨碇基坑較淺，開挖及防護工程量小，邊坡穩(wěn)定性風險小，工期也相對較短，造價相對低。但方案三所對應的主纜散索方案采用散索套，其主纜架設錨固工藝與散索鞍方案有些不同，國內特大跨徑懸索橋施工還沒有這方面的直接經(jīng)驗，需經(jīng)過嚴格的研究試驗成功后才好實際應用，這就可能增加不少研究時間和費用。
綜合比較，東岸錨碇方案一（散索鞍淺埋擴大基礎錨碇方案）結構簡單，無明顯設計與施工技術缺陷，造價合理較低，予以推薦。（表8）
5.2 西岸錨碇方案比選
西岸錨碇也根據(jù)地形地質條件提出了三種方案進行同深度技術經(jīng)濟比較。在此需要特別說明的是，由于西岸弱風化基巖頂面標高在錨碇平面布置范圍內高低不平。橫方向看，高邊坡一側基巖埋置淺，低邊坡一側基巖埋置深度低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，主要不同點是方案二錨碇相當于在方案一錨體基底下方設置了混凝土基礎墊塊，以便將基礎持力層完全放置到弱風化基巖面上。三個方案綜合比較見表9。
根據(jù)設計分析結果表明，三種方案設計施工技術均是可行的；從錨碇造價看，方案三造價最低，其次是方案一（與方案三相差不大），方案二造價最高。方案二開挖深度最大，開挖工程量最大，基坑防護工程量最大。方案一與方案三最大的共同優(yōu)點是錨碇基坑較淺，開挖及防護工程量小，邊坡穩(wěn)定性風險小，工期也相對較短，造價相對低。但方案三所對應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（散索鞍淺埋擴大基礎錨碇方案）結構簡單，無明顯設計與施工技術缺陷，造價合理較低，基底以下全、強風化層厚度不均勻可能導致的錨體各部位沉降位移不均勻的問題不是很明顯，予以推薦。
6 結論與建議
作為懸索橋的基礎，錨碇型式選擇非常重要。由于每座懸索橋地形地質都不一樣，錨碇也必然有所不同，錨碇方案的優(yōu)劣、造價的高低將直接影響大跨懸索橋方案的競爭力。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有很多種，但無論錨碇或錨碇基礎形式如何，錨碇方案的取舍，最終取決于設計的合理性、施工的可行性、工程的經(jīng)濟性以及對周圍環(huán)境的影響等。本文針對云南龍江大橋的熔巖臺地和河谷陡坡地形以及全風化巖層的地質情況，選擇適合的重力錨碇型式，采用合理可行、安全經(jīng)濟的錨碇擴大基礎和樁基礎，通過結構設計和方案比選，確定最優(yōu)的散索鞍淺埋擴大基礎重力錨碇方案，以
期給類似地形地質條件下的懸索橋錨碇設計提供參考。
參考文獻：
[1]云南省交通規(guī)劃設計研究院&中交公路規(guī)劃設計院.龍江大橋施工圖設計[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計的基本思路[J].公路，1999（7）：16-23.
[4]彭德運.大跨懸索橋錨碇基礎的設計與施工[J].鐵道標準設計，2003（1）：19-23.
