黄河特大桥扣塔锚碇的设计与施工

程 戈

1 工程概况

黄河特大桥是为朔州至准格尔新建铁路上跨黄河而设,桥东西两岸分别位于山西省河曲县(朔州岸)与内蒙古自治区准格尔旗境内(准格尔岸)。

主桥为 1×380m提篮型上承式钢管混凝土拱,同类结构中跨度属国内第一,矢高 58.73m,矢跨比为 1/6,主拱轴线采用悬链线,拱轴系数 m=2.5。拱圈由两条拱肋及横向连接系组成,拱肋横向内倾角 8°,拱肋中心距拱脚部位为 25.2 m,在拱顶部位为8.3m,其中,钢管拱总重量 9082 t,单元拱节最重 412 t。拱肋施工方法为斜拉扣挂法,所以扣塔锚碇的设计至关重要。

锚碇设计为钢筋混凝土结构,混凝土标号为C40,锚碇中间区域为锚索区域,两侧为岩锚区域。锚碇背面作为锚索的固定端锚固面,锚碇前面作为岩锚的张拉端面。两岸平均分布,全桥共计 4个。

每个锚碇背面设置 2道肋墙直顶岩面,宽度为 5m,通过该2道肋墙设置 32组岩锚。岩锚锚索结构采用压力分散型锚索,分为 4种规格,型号 AY,BY,CY,DY分别为 50m,36m,44m,30m,岩锚俯角 20°。

2 扣塔锚碇设计思路

考虑到单单一岸锚索力就达到了 58004kN,而且现场地势起伏场地狭小,采用常规重力式锚碇体积过于庞大,显然不合适。为了降低扣塔锚碇的圬工量,充分利用现场天然的岩层,决定采用带有预应力锚索的结构物进行设计。

3 岩锚设计

3.1 锚索的选型

扣索后锚根据黄河特大桥上承式钢管拱桥扣挂系统施工需要采用刚性基础预应力锚固。实际每岸设置 64/2索锚索,全桥共计 128根,设计长度为 4种长度,分别为 30m,36m,44m,50m。每束锚索有 12股 270级Ф15.24mm强度 1860MPa带 PE保护套高强度低松弛无粘结钢绞线,采用带有承载体的胶结型锚固方式,张拉端锚具采用 OVM15P-12,每束锚索设计锚固力 1600kN,张拉安装力 1840kN。锚索结构采用压力分散型,它能将无粘结钢绞线的拉力转化为对浆体的压力,多个承载体浆拉力以压力形式分散作用于不同深度的岩体上,锚固段岩土体的抗拔性能充分均匀发挥。

3.2 锚索结构设计

1)预应力锚索中的锚固段按等强度的原则进行设计。

其中,Lt为锚固段长度,m;Nt为锚索轴向力设计值,kN;D为锚索孔直径,m;qs为胶结材料同孔壁的粘结强度,在硬岩中取qs=1200 kPa～2500 kPa,软岩中取 qs=1000 kPa～1500 kPa,风化岩中取 qs=600 kPa～1000 kPa,根据黄河特大桥地质状况取qs=700 kPa;K为锚固段长度的安全系数,取 1.5。

经计算:Lt=6.824m。

单个承载板锚固段长(取 4个承载板):

设计上单个承载板锚固长度取:2×4=8m＞6.824m。

2)注浆体强度验算(承载板验算)。

承载板承受的强度为:

其中,P为承载板承受的强度,MPa;Td为单个承载板设计荷载,kN;S为承载板净面积,m2。

M50水泥净浆(525号水泥)的强度为 50MPa。

36.1MPa＜50MPa,满足设计要求。

3)预应力锚索自由段的确定。

考虑到防止由于锚具的缺陷或移动使施加的预应力出现显著的衰减以及总体稳定及深部破裂面稳定,为了向被锚固介质提供最佳锚固效果,因此布置长短相当的锚杆以分散或缩小锚固段附近的拉应力,避免锚固介质拉张。根据规范规定和经验值及现场的岩石情况确定,最长的锚索(自由段长度 42m),最短的锚索锚固端相差不得小于10m。东岸锚索自由段长(设计上设置)为22m,36m,28m,42m,西岸锚索自由段长为 22m,36m,28m,42m交错布置。

4)锚索倾角的确定。

考虑到有利于抵抗下滑力及灌浆(方便)质量,尽可能锚固于较好的岩土层中,根据工地两岸的实际岩石情况和结合锚索水平夹角 α形成的索力工况确定锚索倾角 a=20°。

4 施工工艺

4.1 开挖断面

扣塔锚碇上口尺寸14m×8m,下口尺寸14m×6m,深度为7m。施工时,为提高锚碇的承载力,应使开挖面尽量粗糙,从而增加锚碇后面及底面的摩擦力。同时,在锚碇前留50cm的高崁,增加基底的抗滑力(见图1)。

4.2 混凝土锚碇施工工序

混凝土锚碇施工工序为:基底处理→绑扎钢筋骨架→安装定位钢管及锚具→安装降温水管→浇筑第一次混凝土(4 m高)→浇筑第二次混凝土至顶面。

4.3 锚索钻孔

在钻孔之前先清理钢筋混凝土岩锚梁前缘的浮渣,整平场地并搭设作业平台,作业平台采用钢管脚手架搭设,在钢管脚手架上满铺厚 5cm木板(跳板)。根据设计孔位布置,搭设上下两层工作平台,其宽度,承受能力和稳定性需满足 yxz-70型液压潜孔钻机钻孔时的操作要求。

岩锚正式钻孔前要进行钻孔取芯试验,采用岩芯钻机在两岸各取一孔,铅芯直径 90mm,深 50m,取岩芯,以查明锚区内岩层卸荷裂隙分布状态,有无不良夹层等,详细做下记录以验证锚索长度的合理性。

铅芯取样并进行试验分析确定锚索长度后正式钻孔。采用液压潜孔锚固钻机钻孔(型号:yxz-70型),液压潜孔锚固钻机钎头直径 150mm,成孔直径为 160mm,钻杆每节长度为1.5m。成孔7m/h～7.5m/h。钻孔之前按设计孔位对准,调好角度,然后将钻机牢固定位。

4.4 锚索制作

锚孔施钻完毕后,立刻制索安装。锚索制作工艺如下:

编索通知单→下料→清洗→锚固端挤压P锚→编索→验收→库存。

编索通知单下达以后,由编索组负责组织制索工人按编索通知的要求施工,下料前应严格检查预应力材料是否合格,检验合格后方可下料进行工程施工。

锚索质检、验收要点为:检查锚索长度、锚固段长度、隔离架间距是否符合设计要求与控制误差要求。注浆是否按要求与索体捆扎,注浆管有无折痕,压痕。锚索经质检、验收合格后挂“合格牌”并记录在册,然后进行库存并妥善保管。

4.5 锚索安装

钻孔工作并经过质检合格后开始下索。下索时由专人负责下达口令以使下索过程协调一致,下索时保持索体平顺,严禁扭转。锚索端部伸出混凝土面锚垫板孔口 0.8m为止。

表1 注浆材料用量及配合比

4.6 锚索注浆

下索到位后,应尽快注浆。注浆采用孔底返浆的注浆方式,注浆材料为 50号纯水泥浆,水灰比 0.35～0.40,外加高效早强微膨胀复合型减水剂,具体详见表1。

注浆采用SNS(UB3)高压注浆泵进行,注浆前注浆管连接紧密,并用 0.1m3清水低压清通管路。注浆材料施工配合比应严格控制在设计配合比要求范围内,注浆过程中应注意注浆泵压力表的变化。注浆过程中缓慢抽离注浆管,以保证浆体的均匀、密实。

4.7 张拉与锚固

1)张拉工艺。注浆浆体强度达到设计强度的 75%以上方可进行张拉作业。整体安装工序为:按顺序安装工作锚具、限位板、千斤顶、工具锚、油泵上安装对应的油压表、连接油泵和千斤顶的油路。一切准备就绪后即可开机张拉。

岩锚锚索时先使用YDC240Q型千斤顶进行单根预应力钢绞线预紧(单根钢绞线预紧力为张拉控制力值的 0.15倍为 23kN),使锚索各股预应力钢绞线的应力均匀后,再使用 YCW 250B千斤顶进行整索张拉。

整索张拉时,设计伸长量大于 15cm的,按最终荷载分为两个档次。在每档次张拉时,又分级进行,最后一级稳压 10m in以上,其余各级稳压5min以上。设计伸长量小于 15cm的,整体张拉按最终荷载可分一个档次。在每档次张拉时,又分级进行,最后一级稳压 10m in以上,其余各级稳压 5m in以上。

2)伸长量计算。张拉前先根据千斤顶和油压表的标定方程计算分级张拉的张拉力和对应油压值及钢绞线的理论伸长量。

预应力筋的理论伸长值计算公式及参数:

其中,Pp为预应力筋平均张拉力,N;l为预应力筋的长度,mm;Ap为预应力筋的截面面积,mm2;Ep为预应力筋的弹性模量,N/mm2。

3)锚固。待锚索在张拉控制应力达到稳定后慢慢放张,锁定锚固。

5 封锚

锚索张拉完成,确保张拉质量合格之后割掉锚头多余的钢绞线,严禁用电弧焊切割,必须用砂轮机切割,钢绞线锚固后的外露长度不宜小于 30mm。锚头用M 30砂浆封裹密实,并保证保护层厚度大于 30mm。

6 结语

黄河特大桥充分利用了现场的岩石层,将 32束预应力锚索扣塔锚碇固定于岩层上,平衡锚索力,使得扣塔锚碇的设计轻盈、安全,避免了大体积圬工材料的浪费和施工难以控制的缺点,值得同类型结构设计的借鉴与应用。

[1] 闫莫明,徐祯祥,苏自约.岩土锚固技术手册[M].北京:人民交通出版社,2004.