西江特大桥缆索吊机锚碇方案研究

尹 禄 修

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

西江特大桥缆索吊机锚碇方案研究

尹 禄 修

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

结合西江特大桥的工程实况，对该桥拱肋采用节段悬臂拼装施工中扣缆塔后锚设置锚碇的方案进行了研究，提出了预应力岩锚与隧道式锚碇两种方案，并对比分析了两种方案的优缺点，着重阐述了岩锚方案的设置要点，以供参考。

锚碇，岩锚，边坡，稳定性

1 概况

西江特大桥扣缆的塔后锚碇是岩锚，其大部分的成分是混凝土锚碇体与预应力锚索。预应力锚索大致可以分成两类,第一类是斜向预应力锚索,第二类是竖向预应力锚索。而斜向预应力锚索采用压力分散型锚索。

2 锚碇方案比选

2.1 地质情况

通过对锚碇区勘探及表层开挖分析，其地质情况如下：

1)南宁侧锚碇区。从现场已经开挖揭露断面来看，表层全风化层厚度在2 m左右。在一、二级边坡上全风化层的层厚大约是5 m，而强风化层的层厚约等于10 m。强风化和中风化界限深度大致在8 m～10 m，中风化和微风化界限在45 m～60 m左右，岩体风化节理面一般都呈黄褐色，部分被铁锰质渲染。

2)广州侧锚碇区。表层为绢云母泥质页岩、泥质粉砂岩，其中全风化厚度约1 m，强风化层与中风化界限深度约18.8 m，到孔口以下28.2 m开始，岩层进入微风化岩层，岩性以紫红色变质粉砂岩和棕灰色变质石英砂岩为主。

2.2 方案比选

根据现场地理地形条件，锚碇可采用预应力岩锚施工方案或隧道式锚碇施工方案。

1)预应力岩锚施工方案见图1。预应力岩锚方案是将预应力锚索锚固于微风化岩层中，从而通过预应力锚索群提供强大抗拔力。锚碇施工时按规范地基承载力需不小于500 kPa；预应力锚索以120 t进行，严格按照先后的顺序对竖向预应力锚索和斜预应力锚索进行张拉。预应力岩锚主要由30 m～70 m的斜向预应力锚索、竖向预应力锚索、岩锚锚块组成。

2)隧道式锚碇施工方案见图2。隧道式锚碇是利用锚塞体前侧的山体抗拔力，锚塞体位于中风化碎石土层中，不必嵌固于微风化岩层中。单个锚索锚碇承受拉力2 500 t，隧洞按喷锚构筑法进行施工，初期支护采用喷射混凝土钢筋网、锚杆和格栅钢架组成支护体系；对于隧洞过特殊地段如砂层、孤石、淤泥层地段时，对隧洞外轮廓线外扩2 m的范围采取全断面注浆。

隧道式锚碇由锚塞体、隧洞、散索鞍及基础、洞口组成。其中：锚塞体长度为4 m、隧洞长度约为50 m。

3)综述。两种锚碇施工方案优缺点如下：

预应力岩锚优点：a.施工简便，工艺成熟；b.每根锚索受力明确，可应力监测；c.施工方法常规，安全风险较小；d.施工工期相对缩短。缺点：a.占地面积大，对山体坡面影响大；b.锚索锚固端成孔要求高，其岩性不易掌握；c.土层压缩量不明确，从而导致预应力损失。

隧道式锚碇优点：可直接掌握山体地质情况，对锚块嵌固位置的土层性质要求较低；单个锚碇造价比预应力岩锚低。缺点：a.隧道锚室开挖难度大，需进行支护；b.隧道施工风险大；c.工期较长；d.深隧道施工对整个山体破坏较大，锚碇作用后对整个山体的稳定影响较大。

综上所述，隧道式锚碇相较于预应力岩锚施工工期长，安全风险高，虽单价要低，预应力岩锚更能满足施工需要。

3 岩锚方案研究

由于在两侧的岸边边坡土质的岩性较为不好，尤其在南宁一侧的岸边边坡的稳定性非常不好，但是锚碇尤其需较大的拉拔载荷，所以锚碇的安全以及边坡土体的稳定系数对大桥的施工起着至关重要的作用，因此需对锚碇及边坡进行稳定性分析，以寻求合适的预应力锚索的各项参数。

3.1 锚碇区边坡地质条件

本工程运用了一些研究方法例如地质调绘、钻孔摄像、钻探等对西江特大桥锚碇区边坡的工程地质条件进行了详细地调查。

在桥址区所处区域内，构造线走向总体上呈北东、北东东向展布。由北向南，依次发育四个褶皱构造，以及五条断裂。桥址区泥盆系地层广泛发育，地层岩性比较复杂。场地地下水按赋存条件主要分为松散层孔隙水和基岩裂隙水。桥址区两岸岩体层面产状总体比较稳定，基本都倾向NNE。

3.2 南宁岸锚碇与边坡稳定性数值分析

为了使得大桥施工安全有序的进行，必须保证施工场地和提供施工荷载的基础——边坡稳定，为此进行边坡三维稳定性分析。稳定性分析分为两个部分，一部分是边坡整体的稳定性分析，而另一部分是局部的稳定性分析(也就是弹塑性分析)。

分别运用强度折减法与极限平衡法进行稳定性计算，计算的结果显示，各个不同的工况下边坡稳定性计算的结果是安全系数均不小于1.20，即边坡整体处于稳定的状态。分析的各项数据表示，如果锚固段的范围布置在潜在的滑动体的范围外，大桥的施工过程中边坡稳定系数没有降低，建议把设置在中风化岩体中的锚索锚固段改设在微风化岩体中。各工况下稳定性安全系数见表1。

表1 各工况下稳定性安全系数

边坡的弹塑性计算显示，锚固的过程所产生的预应力造成位移的变化峰值约等于1.30 mm，位移的方向为坡内，位于锚碇平台上。大桥在施工后位移的变化峰值约等于0.42 mm，位移的方向向坡外，位移位于NX2锚碇锚索锚固段附近的岩体内。以上的分析表明，计算结果收敛，对边坡与锚碇稳定是有益的。

天然情况下计算模型范围内最大主应力最大值大约为5.212 0 MPa，锚固工况下计算模型范围内最大主应力最大值大约为5.211 7 MPa，大桥施工工况下计算模型范围内最大主应力最大值大约为5.208 8 MPa。天然情况下计算模型范围内最小主应力最大值大约为1.756 1 MPa，锚固工况下计算模型范围内最小主应力最大值大约为1.756 0 MPa，大桥施工工况下计算模型范围内最小主应力最大值大约为1.755 1 MPa。以上的分析结果表明，锚固和大桥施工的过程所造成应力的重新分布较小，对边坡与锚碇稳定也是有益的。

锚固施加预应力和大桥施工都不引起剪切屈服和拉伸屈服，边坡和锚碇锚索锚固段附近岩体稳定。

在此采用超载法分析锚碇稳定性，分析结果表明，在NS3锚碇锚索锚固段周围岩体首先出现剪切屈服，锚碇稳定性安全系数大于2.0，锚碇群锚稳定。各工况特征量值表见表2。

表2 各工况特征量值表

3.3 广州岸锚碇及边坡稳定性数值分析

广州侧设置6个锚碇(4个扣塔锚碇和2个缆吊锚碇)，锚碇总设计荷载为16 000 t。基于大桥施工与312国道运行安全考虑，对锚碇荷载的安全性以及大桥施工作业下边坡的稳定性进行评价。

本次数值计算拟采用国际岩土工程界通用软件FLAC3D 3.0作为工具，对西江特大桥工程锚碇的受力及边坡稳定性进行分析研究：在边坡地质力学模型的基础上，建立岩锚受荷分析模型，模拟分析预应力张拉锁定后和拉拔荷载下岩体变形、塑性区分布与应力场发展规律，评价群锚效应对边坡局部和整体稳定性的影响；研究不同工况下的锚索受力机理，分析其轴力和剪力的分布规律，考虑锚固失效的可能影响因素，评价施工荷载下锚碇的安全性。所得研究成果可作为西江特大桥工程广州台施工扣塔和缆塔锚碇的重要参考。

对广州岸锚碇及边坡稳定性进行了全面细致的分析研究，主要得到以下结论：

1)锚索施加预应力张拉锁定后拉锚区局部岩体与边坡整体处于稳定状态。此时预应力锚索实质上起到了加固边坡的作用，预应力锁固于岩体中，增加了岩体的抗滑力和稳定性。

2)锚碇施加预应力后单根锚索轴力在锚固段呈快速下降趋势，锚固圈剪应力在锚固段内成幂指数分布形态，峰值在近自由端，其分布规律符合建立于弹性理论空间模型上的解析解。

3)锚碇施加施工荷载后边坡的局部变形范围扩大，锚拉区坡面位移减小而锚索锚固段的边坡内部岩体位移增大，这是施工荷载由边坡岩体提供而引起的相应岩体变形，但总体位移在量值上没有大的变化，最大位移仍为0.55 mm，边坡总体和锚拉区局部坡体仍处于稳定状态。

4)锚碇施加施工荷载后单根锚索轴力在锚固段有所增加，锚固圈剪应力有较大增加，锚索的锚固作用得到进一步发挥。但其分布形态没有改变，符合当前学术界对预应力锚索锚固段剪应力分布的研究成果。

5)采取强度折减法和极限荷载法两种方法评定锚碇在施加施工荷载后的安全储备情况，经计算分析，在现有施工荷载作用下，广州侧六个锚碇具有较大的安全储备，安全系数为1.8，锚碇能够提供设计的施工荷载且边坡整体及拉锚区局部稳定。

4 结语

1)南宁岸锚碇方案可行和边坡稳定。各个不同的工况下边坡稳定性计算的结果是安全系数均不小于1.20，即边坡整体处于稳定的状态。潜在的滑动面主要发生在强风化岩体和中风化岩体中，边坡整体稳定。分析的各项数据表示，如果锚固段的范围布置在潜在的滑动体的范围外，大桥的施工过程中边坡稳定系数没有降低，建议把设置在中风化岩体中的NX2和NS3锚索锚固段改设在未风化岩体中。

锚碇施加预应力引起位移峰值约等于1.30 mm，位移的方向向坡内，位于锚碇平台上。大桥在施工后位移的变化峰值约等于0.42 mm，位移的方向向坡外，位移位于NX2锚碇锚索锚固段附近的岩体内。锚碇施加预应力和大桥施工引起应力重新分布变化量不大，都不引起剪切屈服和拉伸屈服，边坡和锚碇锚索锚固段附近岩体稳定。

采用超载法分析锚碇稳定性结果表明，在NS3锚碇锚索锚固段周围岩体首先出现剪切屈服，锚碇稳定性安全系数大于2.0，锚碇群锚稳定。

2)广州岸锚碇方案可行和边坡稳定。锚索施加预应力张拉锁定后，拉锚区局部岩体与边坡整体处于稳定状态，预应力锚索增加了岩体的抗滑力和稳定性。锚索轴力在锚固段呈快速下降趋势，锚固圈剪应力在锚固段成幂指数分布形态，峰值在近自由端。

锚碇施加施工荷载后，边坡的局部变形范围扩大，锚拉区坡面位移减小而锚索锚固段的边坡内部岩体位移增大，但在量值上没有大的变化，最大位移仍为0.55 mm，边坡总体和锚拉区局部坡体仍处于稳定状态。锚索轴力在锚固段有所增加，锚固圈剪应力有较大增加，锚索的锚固作用得到进一步发挥。但其分布形态没有改变。

采取强度折减法和极限荷载法两种方法评定锚碇在施加施工荷载后的安全储备情况，在现有施工荷载作用下，广州侧六个锚碇具有较大的安全储备，安全系数为1.8。

[1] CECS 22∶2005，岩土锚杆(索)技术规程[S].

[2] GB/T 5224—2003,预应力混凝土用钢绞线[S].

[3] TZ 213—2005，客运专线铁路桥涵工程施工技术指南[S].

Research on anchorage scheme of cable crane at Xijiang super-large bridge

Yin Luxiu

(ChinaRailwayNo.5SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Beijing102600,China)

Combining with the engineering survey of Xijiang super-large bridge, the paper researches the anchorage at fastening cable tower, points out the prestressed rock anchorage and tunnel anchorage, compares and analyzes the advantages and disadvantages of the two schemes, and mainly illustrates the allocation points for the rock anchor scheme, so as to provide some scheme.

anchorage, rock anchor, slope, stability

2014-12-14

尹禄修(1972- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)06-0150-03

U445

A