新建南广铁路西江特大桥临时锚碇设计与施工

摘 要：新建南广铁路西江特大桥为主跨450m的中承式钢箱提篮拱桥，采用“缆索吊机+扣挂法”悬臂施工。一岸需要设置总荷载达128000kN的施工临时锚碇。锚碇所在区域地形复杂、地质条件差，经比选采用了分散式布置方式和预应力岩锚结构方案。针对地质破碎的情况，采用高压注浆加固辅佐成孔工艺等顺利完成了预应力锚索的施工。建成的临时锚碇系统在本桥悬臂施工过程中锚固效果良好。

关键词：桥梁施工；拱桥；锚碇；预应力锚索

1 工程概况

西江特大桥是新建南广铁路的标志性和控制性工程。大桥承载客货共线、双线铁路，设计行车速度250km/h；全长618.3m，主跨为450m的中承式钢箱提篮拱桥。其中拱肋为钢箱结构，总重量达180000kN。西江特大桥桥式布置见图1。

主桥拱肋经比选采用“缆索吊机+扣挂法”悬臂拼装，跨中合龙的总体施工方案。在两岸拱座上各设一座扣塔辅助拱肋的悬臂拼装，每拼装一个拱肋节段即挂设并张拉相应的扣索、锚索以平衡拱肋的悬臂力矩。跨两岸设一台主跨476m，额定吊重3200kN的横移式缆索吊机作为拱肋节段的吊装设备。总体施工方案示意见图2。在拱肋悬臂拼装及缆索吊机工作过程中，需要在两岸山坡设置临时锚碇以锚固扣塔的锚索及缆索吊机的缆索。计算表明，一岸扣塔需要的锚固力为102000kN，缆索吊机需要的锚固力为2600kN，一岸锚碇承受的拉力总和达128000kN。

地质勘察显示大桥地处四个褶皱五条断裂区域，锚碇选址围绕大桥所在区域，处于地形陡峭（山体坡度35°～55°）、锚碇区域正好位于三条断层的相交地带，岩层破碎、裂隙发育；覆盖层很厚，全风化层厚度大约为2～5m，强风化层厚度约10m，强风化和中风化界限深度大致在8～10m，中风化和微风化界限大致在45～60m。两岸地质剖面如图3、图4所示。

2 锚碇总体布置

针对本桥地形陡、地质差、锚碇荷载大等特点，锚碇布置需遵循以下原则：（1）使锚索上、下游角度基本对称，使扣塔以受压为主，尽可能避免受弯扭。（2）顺应山势、确定合适的位置，尽可能减少开挖并注意与新建上山便道的互相影响（见图7）。（3）锚碇既不能布置得太集中，以降低风险；也不宜太分散，以免管理难度过大。

根据上述原则，锚碇总体布置确定如下：全桥共设置锚碇12个，一岸设扣塔锚碇4个，主要承受锚索力和扣塔后风缆索力，单个受力为25500kN；设缆塔锚碇2个，主要承受缆索吊机主索索力和缆塔后风缆索力，单个锚碇受力为13000kN。锚碇布置如图2及图8所示。

3 锚碇结构方案比选

参考国内、国际上拱桥施工临时锚碇以及悬索桥锚碇的经验，针对本桥锚碇的荷载规模和地质地形条件，有重力式锚碇、隧道式锚碇和预应力岩锚三种可能的锚碇方案，如图5所示。

（1）重力式锚碇：利用锚碇的自重及与地基的摩擦力来平衡斜向拔力。锚碇需满足抗滑移、抗倾覆、抗上拔稳定要求。锚碇基础位于边坡开挖后的强风化岩层上。

（2）隧道式锚碇：在山体内开挖一条进入微风化岩层的隧道，然后在隧道末端浇筑一个混凝土锚塞体，利用锚塞体前侧的山体提供抗力。扣塔锚索或缆索吊机缆索锚固于锚塞体中并从隧道引出，经散索鞍转向后接至扣塔。

（3）预应力岩锚：利用多束预应力锚索将锚碇体预压在坡面上，扣塔锚索或缆索吊机的缆索连接在锚碇体上。预应力锚索分锚固段和自由段，其中锚固段进入微风化岩层。

三种方案的优缺点如表1所示。通过对安全、技术、工期、环保等方面进行综合比选，决定采用预应力岩锚方案。

4 锚碇结构设计

根据受力计算，每个扣塔（缆索吊机）锚碇的锚碇体采用28（21）束斜向预应力锚索及12束竖向预应力锚索锚固在山体中。斜向预应力锚索采用压力分散型，单束配15根Φs15.2钢绞线，预张拉力1350kN。竖向预应力锚索采用拉力型，单束配6根Φs15.2钢绞线，预张拉力900kN。锚索锚固段长度为10～12m，嵌入微风化岩层，自由段长度为20～60m。如图5所示。

锚碇体采用实体钢筋混凝土结构，预应力锚索和固定锚固梁的精轧螺纹钢筋在锚碇体内交错锚固，可充分利用混凝土的受压能力来传递荷载。锚索或缆索吊机的缆索固定于锚固梁上。锚碇体构造如图6所示。

5 边坡整体稳定分析

由于锚碇区边坡陡峭，地质条件差，在承受如此大外荷载情况，需要对边坡的整体稳定进行分析和评价，以确保施工安全。采用毕肖普法对锚碇处边坡整体稳定性进行分析。岩体参数采用表2的节理面强度参数。外荷载通过预应力锚索作用于山体内部，在锚固段处用线力荷载模拟。结果表明在拱桥施工过程产生的拔拉力作用下，边坡稳定安全系数为1.359，满足规范要求。滑动面见图7。

6 不良地质条件下预应力岩锚施工

锚碇施工顺序为：施工准备→锚碇基坑开挖→边坡支护→修坡找平→锚索施工（钻孔、锚索制安及注浆）→地基加固→混凝土锚碇体施工→锚索施工（张拉）→验收。

本桥锚碇区地质条件复杂，锚索按常规方法施工时成孔相当困难。锚碇处于断裂带之间、岩体破碎、风化深程度深，钻进过程常出现中坍孔、埋钻、卡钻等现象。钻进过程中还出现透水现象，加上岩石中的夹泥，形成泥浆，造成糊钻，无法成孔。

后针对上述情况，采取先高压注水泥浆加固破碎地层的方法，增强地层整体性。每相邻两个锚索孔中间上方设置一个注浆孔，孔径为120mm，孔深比锚索孔深4m，注浆水灰比为1：1，持压时水灰比采用0.7：1。注浆压力达到20MPa～30MPa，保证岩层裂隙被水泥浆填满。经注浆加固后钻进比较顺利，未再出现卡钻、塌孔等现象。孔底渗水情况也得到很大改善，钻进时吹出的都是粉尘而不是原先的泥浆。

7 应用效果

本桥临时锚碇按上述方案于2010年建造完成，实施照片如图8所示。2011年11月，新建南广铁路西江特大桥主拱顺利合龙。主拱悬臂拼装及缆索吊机吊装施工期间，两岸锚碇及周围岩体稳定，达到了设计目的。监测量结果表明：预应力锚索受力基本均匀，最大索力波动不超过5%。

8 结束语

本桥施工中，在复杂地形、不良地质条件成功设计和施工了单侧总荷载达128000kN的临时锚碇。采用的分散式布置方式、预应力岩锚结构方案以及高压注浆加固辅佐成孔的预应力锚索施工工艺可为今后类似山区大跨度拱桥梁施工参考。

参考文献

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[2]卫军，等.悬索桥隧道式锚碇设计及结构性能分析[J].城市桥梁与防洪，2005，（6）：49-53.

[3]李宁，张鹏，于冲.边坡预应力锚索加固的数值模拟方法研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（2）：254-261.

作者简介：王令侠（1983，5-），男，汉族，籍贯：四川广汉，职称：工程师，学历：大学本科，研究方向：道路与桥梁工程。