云南龙江大桥锚碇选型研究
2017-10-17
0 引言
悬索桥是以承受拉力的缆索作为主要承重构件的桥梁，由主缆、吊索、索塔、锚碇、加劲梁及桥面系等部分组成。其受力特征是：作用在桥面上的荷载由吊索传至主缆，再传至索塔和锚碇，传力途径明确[2]。悬索桥以其构造简单、受力明确、跨越能力大、造型美观等优势，适应了近年来日益增多的大跨度桥梁建设的需要，随着国民经济及现代化交通运输事业的蓬勃发展，得到了广泛应用。悬索桥主缆索股锚固形式分为自锚式和地锚式两种，自锚式是将主缆索股直接锚于加劲梁上，无需锚碇结构，一般仅适用于中小跨径悬索桥。地锚式则将主缆索股锚于锚碇或坚固的岩体中。锚碇是将主缆的拉力传递给地基的构件，通常有重力式锚碇和隧道锚碇。重力式锚碇依靠巨大的自重来抵抗主缆竖向分力，水平分力则有锚固体与地基之间的摩阻力或嵌固阻力来抵抗，隧道锚则直接将主缆拉力传递给围岩[2]。锚碇作为悬索桥的基础，对整座桥梁的安全有着重要的作用。由于每座悬索桥地形地质都不一样，锚碇也必然有所不同，本文针对云南保腾高速公路龙江大桥的熔岩台地和河谷陡坡地形以及全风化岩层的地质情况，选择适合的锚碇型式，进行结构设计和方案比选，确定最优的锚碇方案，以期给类似地形地质条件下的悬索桥锚碇设计提供参考。
1 工程概况
保腾高速公路项目起于在建保龙高速小田坝，止点接已建腾冲-猴桥公路。路线全长63.94145公里。龙江大桥位于保腾高速公路K20+260～K21+850处跨越龙江，是保腾高速公路控制性工程。主桥为主跨1196m的单跨简支钢箱梁悬索桥，跨径组成为320m+1196m+320m。在设计成桥状态下，中跨理论矢跨比为1/10.5。全桥共设两根主缆，主缆横向中心距为25.5m。桥面采用1.0%的单向纵坡[1]。总体布置图如图1。
2 锚碇区域地形地质条件
龙江大桥近垂直跨越龙江，处于熔岩台地和河谷陡坡地形区，桥位设计线距离谷底约280米，山顶锥状，河谷呈“V”型。东岸锚碇区域为一小山丘，锚碇坐落于山丘后坡上，西岸锚碇区域为一左后侧被山围绕的台地，锚碇坐落在相对平坦的台地上。
东岸及西岸锚碇范围内地质情况：东岸地面以下约10m是亚粘土，地勘提供的地基容许承载力是220KPa；10～40m是全风化玄武岩，地勘提供的地基容许承载力是300KPa；40～60m是全风化砾砂岩，地勘提供的地基容许承载力是280KPa；弱风化玄武岩深度在70m以下。横桥向地表及地层岩性划分比较均匀。西岸地面以下约5m是亚粘土，5～35m是全风化砾砂岩，地勘提供的地基容许承载力是280KPa；深度35～50m是全、强风化玄武岩，地勘提供的全风化玄武岩地基容许承载力是300KPa，强风化玄武岩地基容许承载力是650KPa；弱风化基岩深度不均匀，在45m～60m以下。两侧比较，东岸基岩埋置深度更深。
3 备选的锚碇方案
根据以上地形地质情况看，由于基岩埋置较深，全风化岩层覆盖层较厚，不适宜隧道锚，拟研究采用重力式锚碇方案。重力锚碇首先要选择基础类型，常用的基础主要有扩大基础、地下连续墙基础、沉井基础、桩基础等。
沉井基础一般适用于基岩埋置较深且覆盖层软弱的水里或岸边，遇到坚硬的地层则下沉困难，下沉过程中遇到的大孤石或井底岩层表面倾斜过大，也将给施工带来一定的困难，对粉砂、细砂类土在井内抽水时易发生流砂现象，造成沉井倾斜。本桥锚碇区位于远离龙江的山顶台地，覆盖层为全风化岩层，基岩面倾斜，沉井施工困难，故未采用。
地下连续墙基础既是施工的临时支撑、挡土、挡水的围堰结构， 又是后期永久性结构的组成部分。结构整体刚度大， 施工时基本不扰动周围土体[4]。但由于锚碇区弱风化层基岩埋置太深，连续墙基底持力层若放置在弱风化层上，将导致锚碇开挖量大，造价不经济，故未采用。
桩基础适用于基岩埋置较深的情况，技术成熟，应用广泛，对本桥锚碇区的地形地质也适用。重力锚基础主要承受巨大水平拉力，此水平力可以通过设置斜桩基础来承受，但由于其特殊的施工工艺，在基底大规模采用施工极为困难。普通直径的竖直桩基础抵抗水平力的能力较差，刚度也较差，在主缆拉力下锚碇散索点的水平位移超过了允许值，所以东锚碇采用了大直径的刚性桩，嵌入弱风化岩层中，既能满足水平抗力要求，又能满足变形的要求。
扩大基础通过增大基底面积的方式减少基底应力和基底变形，可将锚碇基底持力层放置在厚度较厚的全风化层上，但必须解决基底允许承载力及地基允许沉降位移是否足够的问题。另外，结合主缆边缆的倾斜角度与两岸地形条件，若采用扩大基础的重力式锚碇成立，则面临着边缆散索锚固是通过散索鞍还是散索套方式更节省锚碇甚至全桥的造价的问题。因为设置散索鞍后锚跨索股就必须偏转到足够的角度，这直接导致锚体要埋置到更深的风化岩层，增加锚碇基坑开挖量或锚碇混凝土量。若采用散索套方案，主缆束股散索后无须向下整体转向锚固，可使锚块基底埋置深度放浅，减少了锚碇基坑开挖量或锚碇混凝土量。如采用扩大基础，西锚碇基底距离基岩层相对较近，可多开挖一些在基底下方设置混凝土基础垫块，以便将基础持力层完全放置到弱风化基岩面上，形成嵌岩锚形式。
因此，根据地形地质条件，在锚碇整体结构完全满足抗滑移安全性、满足各工况基底允许承载力、允许竖向与水平位移等要求的前提下，两岸锚碇各提出了三个锚碇设计方案： 东岸：方案一：采用散索鞍扩大基础重力式锚碇，持力层为全风化岩；
方案二：采用散索鞍刚性桩基础重力式锚碇，持力层为弱风化岩；
方案三：采用散索套扩大基础重力式锚碇，持力层为全风化岩。
西岸：方案一：采用散索鞍扩大基础重力式锚碇，持力层为全风化岩；
方案二：采用散索鞍扩大基础嵌岩重力式锚碇，持力层为弱风化岩；
方案三：采用散索套扩大基础重力式锚碇，持力层为全风化岩。
各方案详见图2～7，各锚碇方案主要设计参数见表1。
4 锚碇方案结构分析
4.1 锚碇基底应力验算
根据锚碇分块施工的特点，施工期间分块计算各块前后的基底应力；后浇段完成后，锚碇形成整体，回填土、压重、主缆拉力由锚碇整体承担。正常荷载下分以下三个工况计算基底压应力：
①锚块、支墩基础各自施工完成
②后浇段施工，完成回填、压重并施加恒载缆力（成桥状态）
③常荷载最大缆力
地震力作用下分以下2个工况计算基底压应力：
④竖向向下地震力+水平向锚后地震力+（恒载缆力-地震缆力）
⑤竖向向上地震力+水平向锚前地震力+（恒载缆力+地震缆力）
以上各阶段锚碇各点的应力计算结果见下表（仅列出两岸方案一计算结果）（表2，表3）。
东岸方案一、三和西岸方案一、三锚碇持力层为全风化层，西岸方案二锚碇持力层为弱风化玄武岩，按规范进行相应的地基承载力宽度、深度修正。地震力组合时容许承载力提高50%。故地基承载力验算满足要求。
东岸锚碇方案二采用了刚性桩基础，桩基为嵌岩桩，嵌入弱风化岩层8～10米，同上按三个正常荷载工况和2个地震力荷载工况验算其桩基承载力。结果见表4。
根据地质资料，持力层为弱风化玄武岩，桩基的轴向受压承载力按嵌岩桩计算。地震力组合时容许承载力提高25%。故桩基承载力验算满足要求。
4.2 锚碇整体抗滑验算
抗滑稳定分以下几个工况进行计算：
1恒载缆力，2最大缆力，3 恒载缆力+竖向向上地震力+水平向锚前地震力+地震缆力
抗滑计算荷载：锚碇混凝土重力、锚碇底面之上回填土重力、缆力；计算地震力下抗滑稳定时，考虑锚前回填土的静土压力。
抗滑系数μ取0.4，参考日本本州四国联络线《重力式直接基础锚碇设计要领・同解说》锚碇基底位于陆地、地震时抗滑安全系数要求Ka？叟1.2。抗滑安全系数计算结果见表5（仅列出两岸锚碇方案一结果）。
由表5可知，锚碇的抗滑稳定满足要求。
东岸锚碇方案二采用了刚性桩基础，桩基为嵌岩桩，在水平力的作用下，锚碇的薄弱抗剪面为桩与锚体的连接面，现对该剪切面进行验算，结果见表6。
4.3 抗倾覆稳定性验算
基底应力验算要求基底前后不允许出现拉应力，本桥的锚碇方案在施工和运营期间及地震荷载下均未出现基底拉应力，故抗倾覆不再验算。
4.4 锚碇的位移验算
锚碇位移计算采用Flac3D程序，根据锚碇分块施工的特点，施工期间分块计算各块的竖向沉降和水平位移；后浇段完成后，锚碇形成整体，回填土、压重、主缆拉力由锚碇整体承担。散索鞍转点位移计算扣除了锚碇施工期间的自重位移。计算结果见表7。
东岸方案二锚碇采用刚性桩基础直接嵌入弱风化岩层，锚碇沉降可以忽略不计；锚体及桩基础刚度极大，在水平力的作用下水平位移也可忽略不计。
西岸方案二锚碇采用混凝土垫层直接把基础落到弱风化玄武岩持力层上，持力层地基容许承载力较高，弹模较大，可以忽略锚碇的沉降和水平位移。
故散索鞍转点的水平位移满足规范要求。
5 锚碇方案比选
5.1 东岸锚碇方案比选
根据设计分析结果表明，三种方案设计施工技术均是可行的；在控制锚碇总体设计的三项指标（抗滑移安全系数、满足地基允许承载力及允许位移值）均基本满足的条件下，单从锚碇造价看，方案三造价最低，其次是方案一（与方案三相差不大），方案二造价最高。方案二刚性桩基础形式在我国大跨径悬索桥锚碇基础中尚未见实例，存在一定风险。方案一与方案三最大的共同优点是锚碇基坑较浅，开挖及防护工程量小，边坡稳定性风险小，工期也相对较短，造价相对低。但方案三所对应的主缆散索方案采用散索套，其主缆架设锚固工艺与散索鞍方案有些不同，国内特大跨径悬索桥施工还没有这方面的直接经验，需经过严格的研究试验成功后才好实际应用，这就可能增加不少研究时间和费用。
综合比较，东岸锚碇方案一（散索鞍浅埋扩大基础锚碇方案）结构简单，无明显设计与施工技术缺陷，造价合理较低，予以推荐。（表8）
5.2 西岸锚碇方案比选
西岸锚碇也根据地形地质条件提出了三种方案进行同深度技术经济比较。在此需要特别说明的是，由于西岸弱风化基岩顶面标高在锚碇平面布置范围内高低不平。横方向看，高边坡一侧基岩埋置浅，低边坡一侧基岩埋置深度低8m左右；纵向看，锚碇前部散索鞍支墩附近基岩埋置比锚块尾部深约13m左右。因此，方案一与方案二比较，主要不同点是方案二锚碇相当于在方案一锚体基底下方设置了混凝土基础垫块，以便将基础持力层完全放置到弱风化基岩面上。三个方案综合比较见表9。
根据设计分析结果表明，三种方案设计施工技术均是可行的；从锚碇造价看，方案三造价最低，其次是方案一（与方案三相差不大），方案二造价最高。方案二开挖深度最大，开挖工程量最大，基坑防护工程量最大。方案一与方案三最大的共同优点是锚碇基坑较浅，开挖及防护工程量小，边坡稳定性风险小，工期也相对较短，造价相对低。但方案三所对应的主缆散索方案采用散索套，论述同东锚碇。
综合比较，西岸锚碇方案一（散索鞍浅埋扩大基础锚碇方案）结构简单，无明显设计与施工技术缺陷，造价合理较低，基底以下全、强风化层厚度不均匀可能导致的锚体各部位沉降位移不均匀的问题不是很明显，予以推荐。
6 结论与建议
作为悬索桥的基础，锚碇型式选择非常重要。由于每座悬索桥地形地质都不一样，锚碇也必然有所不同，锚碇方案的优劣、造价的高低将直接影响大跨悬索桥方案的竞争力。目前，常用的锚碇有重力式锚碇和隧道锚碇，并且重力式锚碇的基础有很多种，但无论锚碇或锚碇基础形式如何，锚碇方案的取舍，最终取决于设计的合理性、施工的可行性、工程的经济性以及对周围环境的影响等。本文针对云南龙江大桥的熔岩台地和河谷陡坡地形以及全风化岩层的地质情况，选择适合的重力锚碇型式，采用合理可行、安全经济的锚碇扩大基础和桩基础，通过结构设计和方案比选，确定最优的散索鞍浅埋扩大基础重力锚碇方案，以
期给类似地形地质条件下的悬索桥锚碇设计提供参考。
参考文献：
[1]云南省交通规划设计研究院&中交公路规划设计院.龙江大桥施工图设计[Z].昆明：2013.
[2]孟凡超.悬索桥[M].北京：人民交通出版社，2011：5-6，295-300.
[3]刘明虎.悬索桥重力式锚碇设计的基本思路[J].公路，1999（7）：16-23.
[4]彭德运.大跨悬索桥锚碇基础的设计与施工[J].铁道标准设计，2003（1）：19-23.
