甄宗標(biāo)

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部,南京 210042)

引言

主纜錨固系統(tǒng)是懸索橋最重要的組成部分之一，承擔(dān)著主纜的巨大拉力，施工精度要求高；同時(shí)，錨固系統(tǒng)施工是控制工期的關(guān)鍵工序。錨固系統(tǒng)一般采用錨桿式型鋼錨固體系和預(yù)應(yīng)力錨固體系，型鋼錨固體系雖然用鋼量大，制作安裝和施工精度要求高，工程量大，但該系統(tǒng)不需要后期養(yǎng)護(hù)，屬于一次性投入，永久使用類型，因此，從橋梁全壽命角度考慮，型鋼錨固系統(tǒng)相對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[1-3]。錨桿式型鋼錨固體系的定位支架一般采用鋼結(jié)構(gòu)，依次安裝到位，然而，在錨固系統(tǒng)安裝過程中，鋼結(jié)構(gòu)定位支架被不斷接高，導(dǎo)致整體支架柔性增大，隨著支架受力不斷增加，累積變形增大，致使錨固系統(tǒng)安裝過程中完成部分精度多次發(fā)生變化，需重復(fù)調(diào)整，極大影響安裝進(jìn)度，耗費(fèi)大量人力物力。如何高精度、低投入地快速施工錨固系統(tǒng)，是懸索橋建設(shè)的重點(diǎn)。為此，不少學(xué)者和工程技術(shù)人員做了相關(guān)的研究工作：許紅勝等[1]以洞庭湖大橋岳陽(yáng)側(cè)錨錠為例，采用平面框架式施工定位支架代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空間框架式施工定位支架，有效降低型鋼錨桿安裝施工難度并提高定位精度。周可夫等[2]針對(duì)洞庭湖大橋錨固系統(tǒng)型鋼的防護(hù)問題，依托試驗(yàn)結(jié)果提出硫化型橡膠密封劑結(jié)合PEF材料進(jìn)行防護(hù)的方案，實(shí)現(xiàn)了錨固系統(tǒng)型鋼的長(zhǎng)期防護(hù)效果并滿足受力變形需要。賈立峰，肖仕周等[3]系統(tǒng)介紹海外大型懸索橋型鋼錨固系統(tǒng)施工及精確定位的方法，并詳細(xì)介紹了馬普托大橋南錨錠型鋼錨固系統(tǒng)安裝定位的具體方法與控制精度等。王子相[4]系統(tǒng)研究了分布傳力式懸索橋主纜錨固系統(tǒng)，并結(jié)合南京長(zhǎng)江第四大橋等橋例系統(tǒng)介紹該錨固系統(tǒng)的組成及優(yōu)點(diǎn)。王宇等[5]依托某大橋南錨碇的預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)，采用有限元計(jì)算分析的方法系統(tǒng)研究錨碇預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的受力狀況，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在荷載作用下受力均滿足設(shè)計(jì)要求。馬碧波等[6]以舟山秀山大橋的重力式錨碇、分布傳力式錨固系統(tǒng)為工程依托，系統(tǒng)介紹錨體及錨固系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化分組及現(xiàn)場(chǎng)螺栓組拼技術(shù)，并介紹了相關(guān)有限元分析結(jié)果。目前相關(guān)研究工作基本基于公路懸索橋，而針對(duì)鐵路懸索橋等超大型主纜錨固系統(tǒng)的研究尚少。新建連鎮(zhèn)鐵路五峰山長(zhǎng)江特大橋是世界首座超千米級(jí)高速、重載、公鐵兩用懸索橋，本文通過對(duì)該橋兩岸錨固系統(tǒng)施工技術(shù)方案對(duì)比分析研究，提出“V”形混凝土臺(tái)階+型鋼混合型定位支架結(jié)構(gòu)和逐層安裝錨桿逐層跟進(jìn)澆筑混凝土新理念，并用于工程實(shí)踐，取得了較好的效果，同時(shí)提出了進(jìn)一步優(yōu)化的建議，可供類似工程參考借鑒。

1 工程概況

新建五峰山長(zhǎng)江特大橋是連鎮(zhèn)鐵路控制性和重難點(diǎn)工程，大橋位于泰州長(zhǎng)江大橋和潤(rùn)揚(yáng)大橋之間，主橋?yàn)?84+84+1 092+84+84) m雙塔五跨鋼桁梁懸索橋，設(shè)雙層橋面，下層四線鐵路為客運(yùn)專線，其中，連鎮(zhèn)鐵路設(shè)計(jì)行車速度250 km/h，預(yù)留鐵路設(shè)計(jì)行車速度200 km/h；上層為雙向八車道高速公路，設(shè)計(jì)行車速度100 km/h。主橋立面布置見圖1。

圖1 五峰山長(zhǎng)江特大橋主橋立面布置(單位：m)

(1)主纜。全橋共設(shè)兩根主纜，上下游主纜橫橋向中心距為43.0 m，主纜緊圓后直徑1 300 mm，其兩端分別與南北錨碇錨固系統(tǒng)相連，主纜采用預(yù)制平行高強(qiáng)鋼絲索股結(jié)構(gòu)(PPWS)，每根主纜由352根索股組成，每股由127根φ5.5 mm鍍鋅鋁高強(qiáng)鋼絲組成，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa。

(2)錨碇。大橋設(shè)南、北兩個(gè)重力式錨碇。錨碇由基礎(chǔ)、錨體、主纜錨固系統(tǒng)及其附屬結(jié)構(gòu)組成，錨體從結(jié)構(gòu)受力和功能上分為錨塊、鞍部、前錨室及壓重塊。北錨碇采用沉井基礎(chǔ)，整個(gè)錨體呈“U”形，尾部橫向?qū)?0.2 m，前端分離，每側(cè)橫向?qū)挒?0 m，錨體順橋向全長(zhǎng)83.3 m，錨體高56.6 m，具體結(jié)構(gòu)見圖2。南錨碇采用地連墻圍護(hù)現(xiàn)澆圓形擴(kuò)大基礎(chǔ)，整個(gè)錨體在平面前部呈圓端形、尾部矩形，橫向?qū)?1.0 m，順橋向全長(zhǎng)88.0 m，錨塊高度31 m，具體結(jié)構(gòu)見圖3。主纜型鋼錨固系統(tǒng)是錨固主纜的結(jié)構(gòu)體系，是實(shí)現(xiàn)主纜力由主纜轉(zhuǎn)換至錨碇的重要結(jié)構(gòu)，由后錨梁和錨桿組成，后錨梁埋于錨體混凝土內(nèi)，錨桿一端連接在后錨梁上，另一端伸出錨體前錨面與主纜索股相連。

圖2 北錨碇構(gòu)造(單位：高程m，其余cm)

圖3 南錨碇構(gòu)造(單位：高程m，其余cm)

2 主纜型鋼錨固系統(tǒng)工程特點(diǎn)分析

2.1 工程特點(diǎn)

新建五峰山長(zhǎng)江特大橋承載4線鐵路及8車道公路荷載，單根主纜直徑達(dá)1.3 m，作為主纜力至錨碇轉(zhuǎn)換的重要結(jié)構(gòu)，主纜錨固系統(tǒng)具有構(gòu)件數(shù)量大、空間尺寸大、安裝精度要求高等技術(shù)特點(diǎn)。且錨塊混凝土澆筑量大。

(1)錨桿、錨梁數(shù)量多，質(zhì)量大。全橋共設(shè)錨梁44根；錨桿768根，其中雙束錨桿640根、單束錨桿128根。全橋錨梁、錨桿總重約14 000 t(含聚硫防腐密封膠、連接螺栓等)，其中最大單重錨梁42.425 t、雙束錨桿16.346 t、單束錨桿9.390 t(不含聚硫防腐密封膠、連接螺栓等)。錨固系統(tǒng)的錨桿及后錨梁一岸合計(jì)6 721.153 t，兩岸合計(jì)13 442.306 t。

(2)錨固系統(tǒng)空間尺寸大。每根主纜對(duì)應(yīng)的錨體上一端共布置錨梁11根，錨桿192根、22層，其中單束錨桿32根，雙束錨桿160根。后錨梁長(zhǎng)度最長(zhǎng)為32.871 m，單根錨桿長(zhǎng)度為34.8 m。后錨梁與水平面夾角為54°，主纜主心線與水平面夾角為36°，最下層錨桿與水平面夾角為58.44°。每個(gè)錨體單側(cè)錨固系統(tǒng)整體在橫向24 m、縱向44 m、豎向41 m的空間范圍內(nèi)。

(3)安裝精度要求高。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，錨桿及后錨梁制造安裝質(zhì)量須滿足如下要求：錨桿長(zhǎng)、寬、高制造允許偏差為±3 mm；錨桿安裝在X軸允許偏差為±10 mm，在Y、Z軸允許偏差為±5 mm；定位支架安裝的中心線偏位為10 mm，橫向安裝錨桿之平聯(lián)高差為-2～+5 mm；后錨梁安裝中心偏位允許偏差為5 mm，偏角誤差為0.15°。

(4)錨塊混凝土澆筑量大。南錨碇錨塊混凝土103 279 m3，北錨碇錨塊混凝土135 347 m3。由于均為大體積混凝土，南、北錨碇使用冷卻水管分別為199.620 t和261.602 t。

2.2 施工難點(diǎn)

主纜錨固系統(tǒng)施工主要難點(diǎn)如下。

(1)定位支架變形控制要求高：根據(jù)大橋錨固系統(tǒng)錨桿錨梁數(shù)量多、質(zhì)量大、空間尺寸大的特點(diǎn)，定位支架除必須滿足規(guī)定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性外，對(duì)變形控制提出了更高的要求。

(2)錨桿錨梁安裝精度控制難度大：錨桿錨梁最終安裝精度受制造精度、存放運(yùn)輸?shù)跹b、支架變形、安裝調(diào)整等因素影響，特別是受支架變形和安裝調(diào)整頻次影響較大。

(3)高空和有限空間作業(yè)質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)大：定位支架安裝接高、錨固系統(tǒng)安裝調(diào)整均在高空作業(yè)，支架接高焊接作業(yè)質(zhì)量不易控制與檢查，鋼筋運(yùn)輸綁扎、冷卻水管安裝、錨桿吊裝精調(diào)、混凝土澆筑等工序均在有限作業(yè)空間完成，質(zhì)量安全控制風(fēng)險(xiǎn)大。

(4)工期緊：北錨碇基礎(chǔ)為目前最大陸地沉井，前期施工遇到了下沉慢、下沉同步性控制等方面的困難，經(jīng)技術(shù)攻關(guān)取得突破，最終精準(zhǔn)下沉到位，但工期受到一定影響；南錨碇基礎(chǔ)為地連墻圍護(hù)明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，以微風(fēng)化的巖層為持力層，由于開挖的巖層硬度高，且采用爆破開挖需控制對(duì)毗鄰化工廠的影響，施工進(jìn)度同樣較計(jì)劃有所延長(zhǎng)。在確?？偣て诘那闆r下，給錨固系統(tǒng)施工帶來一定壓力。

3 錨固系統(tǒng)施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 錨固系統(tǒng)常規(guī)施工工藝及其改進(jìn)思路

錨固系統(tǒng)常規(guī)施工工藝主要采用先安裝全型鋼定位支架(圖4)、后澆筑混凝土的方式，即：在錨碇基礎(chǔ)上設(shè)置支架預(yù)埋件→安裝后錨梁及錨桿支架→安裝錨梁及全部錨桿→粗調(diào)錨桿→綁扎鋼筋→精調(diào)錨桿→分層澆筑混凝土→綁扎鋼筋→精調(diào)錨桿→分層澆筑混凝土→循環(huán)往復(fù)直至錨塊混凝土澆筑完成，該施工工藝在南京長(zhǎng)江四橋、馬鞍山長(zhǎng)江大橋等公路懸索橋上得到應(yīng)用[7-8]。錨固系統(tǒng)常規(guī)施工工藝適用于錨固系統(tǒng)數(shù)量少、質(zhì)量小、空間尺寸小的公路懸索橋，而對(duì)于超大型錨桿式錨固系統(tǒng)，支架的變形量難以滿足錨梁錨桿的安裝控制的精度要求，更難以實(shí)現(xiàn)錨固系統(tǒng)錨梁錨桿安裝中少調(diào)整、快速施工的需求。

圖4 常規(guī)工藝定位支架結(jié)構(gòu)立面

鑒于常規(guī)定位支架的局限性，為滿足桿件安裝精度和快速施工的需求，針對(duì)定位支架的作用和錨桿全部安裝完成再分層澆筑混凝土的合理性，在深入分析思考的基礎(chǔ)上，提出新的施工工藝?yán)砟钆c方法——“V”形混凝土臺(tái)階+型鋼混合型定位支架結(jié)構(gòu)和逐層安裝錨桿逐層跟進(jìn)澆筑混凝土施工新工藝(以下簡(jiǎn)稱“新工藝”)，見圖5。新工藝的理念與方法，得到了設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等參建單位相關(guān)人員的一致認(rèn)可。

圖5 新工藝錨塊分層及錨固系統(tǒng)支架布置

3.2 錨固系統(tǒng)施工新工藝

主纜錨固系統(tǒng)施工過程中，定位支架的作用僅僅在于施工過程中為錨梁及錨桿提供支撐及定位，在運(yùn)營(yíng)階段的錨體受力中未考慮其作用。常規(guī)錨固系統(tǒng)施工工藝是錨桿全部安裝完成再分層澆筑混凝土，在大型錨固系統(tǒng)施工中，為減小定位支架變形并增加承載力，必須加大支架鋼材用量，顯然不經(jīng)濟(jì)。

新工藝依據(jù)后錨梁及最下層錨桿與水平面夾角，先施工“V”形混凝土臺(tái)階，設(shè)置預(yù)埋件，再安裝錨梁、錨桿支架，錨梁分1次安裝成型，錨桿分批次安裝，每安裝一批錨桿分別澆筑對(duì)應(yīng)層混凝土。新工藝施工流程如圖6所示。新工藝充分利用錨體混凝土結(jié)構(gòu)的作用，將其“V”形混凝土臺(tái)階與型鋼支架組成混合型定位支架結(jié)構(gòu)，并逐層安裝錨桿逐層跟進(jìn)澆筑混凝土。一方面，由于混合型定位支架結(jié)構(gòu)比純型鋼結(jié)構(gòu)支架的剛度大，該方法在減小支架變形從而提高安裝精度的同時(shí)，使型鋼結(jié)構(gòu)支架從體量上最大程度減小。另一方面，因錨體屬于大體積混凝土，分層地澆筑混凝土既滿足每次澆筑高度的控制，使施工組織、質(zhì)量控制和經(jīng)濟(jì)效益更合理；又起到共同受力作用，每澆筑一層，均可提高已安裝錨梁、錨桿和定位支架的穩(wěn)定性。

圖6 新工藝施工流程

4 南北錨碇錨固系統(tǒng)施工對(duì)比分析

五峰山長(zhǎng)江特大橋南北錨碇錨固系統(tǒng)原施工方案均擬采用常規(guī)施工工藝。南錨碇錨固系統(tǒng)先施工，采用常規(guī)施工工藝；北錨碇錨固系統(tǒng)后施工，通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和工藝優(yōu)化，創(chuàng)新性地提出了新型施工工藝?，F(xiàn)從支架受力、支架用鋼量、施工工效、錨桿安裝精度等方面進(jìn)行兩種工藝的對(duì)比。

4.1 定位支架變形

南錨碇錨梁支架和前后錨桿支架均由8組桁架組成，定位支架主要采用了5種寬翼緣H型鋼，分別為HW150×150、HW200×200、HW250×250、HW300×300、HW400×400(部分腹板處貼10 mm厚加勁板)。北錨碇錨梁支架由6組桁架組成，桁架采用HN400×200型鋼及I25a型鋼組成，錨梁支撐梁采用HN400×200型鋼，桁架之間聯(lián)系撐采用I25a型鋼；錨桿支架1和支架2均由10組桁架組成，桁架采用HN600×200、HN400×200、HN300×150及I25a型鋼組成，桁架之間聯(lián)系撐采用I25a、I14型鋼。

南北錨碇定位支架結(jié)構(gòu)計(jì)算均采用MIDAS/Civil有限元軟件，計(jì)算結(jié)果表明：所有支架最大組合應(yīng)力均滿足規(guī)范要求；南錨碇定位支架結(jié)構(gòu)最大變形量20 mm，見圖7；北錨碇定位支架結(jié)構(gòu)變形2.43 mm，見圖8；采用新工藝的北錨碇混合型定位支架結(jié)構(gòu)變形較小，具有較大的支撐剛度。

圖7 南錨碇定位支架結(jié)構(gòu)變形云圖(單位：mm)

圖8 北錨碇定位支架結(jié)構(gòu)變形云圖(單位：mm)

4.2 工期及精度等對(duì)比分析4.2.1 工期對(duì)比

采用常規(guī)工藝的南錨碇錨塊及錨固系統(tǒng)，自2017年9月13日開始安裝定位支架，經(jīng)安裝錨固系統(tǒng)并反復(fù)調(diào)整，至2018年10月20日錨塊混凝土澆筑完成，總用時(shí)402 d。采用新工藝的北錨碇錨塊及錨固系統(tǒng)，自2018年4月29日開始“V”形混凝土臺(tái)階施工，經(jīng)安裝型鋼支架、分層安裝錨桿、分層澆筑混凝土，至2019年1月15日完成錨塊混凝土澆筑，總用時(shí)261 d，提升效率35.1%。

4.2.2 支架用鋼量對(duì)比

南錨碇錨固系統(tǒng)定位支架總用鋼量為1 869 t，北錨碇960 t，采用新工藝節(jié)約48.6%的支架鋼材。

4.2.3 精度對(duì)比

錨桿制造、定位支架安裝、后錨梁安裝精度均滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)僅對(duì)錨桿安裝精度進(jìn)行比較，見表1，其中X、Z、Y分別為理論散索中心線方向、橫橋向及與上述兩者垂直的三維方向。從表1可見，采用新工藝的北錨碇的上下游兩側(cè)錨固系統(tǒng)錨桿安裝精度高于采用常規(guī)工藝的南錨碇錨固系統(tǒng)錨桿安裝精度。

表1 南北錨碇錨固系統(tǒng)錨桿安裝精度測(cè)量統(tǒng)計(jì)mm

4.3 施工工藝的進(jìn)一步優(yōu)化討論

結(jié)合五峰山長(zhǎng)江特大橋南北錨碇錨固系統(tǒng)施工工藝實(shí)際情況，對(duì)新工藝的進(jìn)一步優(yōu)化討論如下。

(1)錨桿支架混凝土臺(tái)階高度可進(jìn)一步優(yōu)化，該混凝土臺(tái)階與后錨梁支架臺(tái)階均按3 m高度設(shè)置，一方面可減小前錨面支架的高度，增加前錨面支架的穩(wěn)定性；另一方面，便于形成便捷的施工作業(yè)通道，可進(jìn)一步提高施工作業(yè)效率。

(2)錨桿支架桁片采取工廠模塊化制作，模塊間連接采用栓焊結(jié)合方式。目前的錨桿支架桁片采用整體設(shè)計(jì)制作，分塊切割，再現(xiàn)場(chǎng)吊裝焊接，該方法的缺點(diǎn)：一是分塊偏多；二是現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊定位難度大；三是現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大。若采取模塊化工廠制作，模塊間連接采用先栓接再焊接相結(jié)合的方式，則具有較大的優(yōu)點(diǎn)：一是模塊的整體穩(wěn)定性好于切割分塊；二是先栓接定位準(zhǔn)且快；三是工地現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量少；四是可進(jìn)一步提高安裝效率。

(3)錨桿支架桁片兩側(cè)設(shè)置橫向三角桁架：錨桿支架由多個(gè)桁片組成，在底層錨桿以下部分，桁片間縱橫向連接為整體；而底層錨桿以上部分，則相對(duì)“獨(dú)立”，桁片間雖然有錨桿的支撐桿件連接，但整體上屬于四邊形結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性稍差。增設(shè)橫向三角桁架，則能較好地增強(qiáng)支架穩(wěn)定性。

(4)錨桿制造、定位支架安裝、后錨梁安裝精度均屬于可控范圍，且上述測(cè)量隨著混凝土的施工而導(dǎo)致不可測(cè)量，而錨桿前端安裝精度永久可測(cè)，是最終控制的關(guān)鍵。另外，在錨桿前端安裝精度標(biāo)準(zhǔn)上既應(yīng)考慮單根桿件的安裝精度，更應(yīng)該考慮整體平均精度指標(biāo)。

5 結(jié)論

針對(duì)大型懸索橋主纜錨固系統(tǒng)的施工工藝問題，以五峰山長(zhǎng)江特大橋南、北錨碇錨固系統(tǒng)安裝施工對(duì)比分析得到如下結(jié)論。

(1)針對(duì)錨固系統(tǒng)常規(guī)施工工藝先安裝全型鋼定位支架和錨固系統(tǒng)后澆筑混凝土的局限性，創(chuàng)新性地提出“V”形混凝土臺(tái)階+型鋼混合型定位支架結(jié)構(gòu)和逐層安裝錨桿逐層跟進(jìn)澆筑混凝土施工新工藝，充分利用混凝土的支撐作用，極大提高施工效率，減少定位支架型鋼的使用量，降低支架累積變形效應(yīng)影響，進(jìn)一步保障了錨固系統(tǒng)安裝精度。

(2)五峰山長(zhǎng)江特大橋南、北錨碇錨固系統(tǒng)施工分別采用常規(guī)施工工藝和新工藝，對(duì)比表明：最大組合應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，南錨碇定位支架結(jié)構(gòu)最大變形量20 mm，北錨碇定位支架結(jié)構(gòu)變形2.43 mm，新工藝減小了支架變形87.8%；南錨碇錨固系統(tǒng)施工總用時(shí)402 d，采用新工藝的北錨碇錨固系統(tǒng)施工總用時(shí)261 d，提升效率35.1%；南錨碇錨固系統(tǒng)定位支架總用鋼量為1 869 t，北錨碇960 t，新工藝節(jié)約了48.6%的支架鋼材；錨固系統(tǒng)安裝最終精度，新工藝高于常規(guī)工藝。

(3)在分析既有大型懸索橋主纜錨固系統(tǒng)施工工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論了錨桿支架混凝土臺(tái)階高度、錨桿支架桁片采取工廠模塊化制作、錨桿支架桁片兩側(cè)設(shè)置橫向三角桁架、錨梁與錨桿施工精度控制的優(yōu)化建議。

(4)新工藝雖然是基于五峰山長(zhǎng)江特大橋建設(shè)平臺(tái)，針對(duì)超大型錨桿式懸索橋主纜錨固系統(tǒng)施工關(guān)鍵技術(shù)而提出，但也適用于其它類型懸索橋錨固系統(tǒng)施工，通用性較強(qiáng)，可為類似項(xiàng)目提供參考、借鑒。