摘要：文章針對陡峭山區(qū)橋梁纜索吊裝施工受到的限制，提出了新型無塔索鞍一體、抗滑樁和預應力錨索組合式錨碇的設計方案，并結合G4216線屏山新市至金陽段高速公路溜筒河特大橋施工項目，運用有限元方法，對纜索吊裝索鞍一體組合式錨碇在陡峭山區(qū)的適用性和相關設計問題進行了分析。同時，通過現(xiàn)場監(jiān)測分析，驗證了該新型組合式錨碇的可行性，為該型組合式錨碇設計和施工積累了經(jīng)驗。

關鍵詞：橋梁工程；纜索吊裝；組合式錨碇；陡峭山區(qū)

中文分類號：443.24A602004

0引言

纜索結構不論在大跨永久性橋梁結構還是在橋梁施工階段均發(fā)揮著不可替代的作用，而其中錨固纜索的錨碇是保證結構安全最重要的組成部分。錨碇分為重力式、隧道式和巖錨錨碇等三大類［1］，各自具有不同承載能力和適用條件。重力式錨碇利用其龐大噸位及摩擦抵抗主纜拉力，具有受力明確、地質適用性好等優(yōu)點，是平原地區(qū)超大跨懸索橋的最常見的錨碇形式。重力式錨碇在山區(qū)受地形和施工條件限制，常讓位于隧道式錨碇。隧道式錨碇體量僅為重力式錨碇的1/4～1/5［2］，其提供抵抗主纜的抗力由隧道式錨碇重量、錨塞體與圍巖的摩擦以及圍巖對錨塞體的“夾持效應”三部分組成［3］，在山區(qū)錨碇選型時具有較好的經(jīng)濟性［4］。近年來，為了減少重力式錨碇的重量帶來的不利影響，人們還提出了嵌樁式重力錨結構形式［5］，通過嵌巖樁增大錨碇抗滑力，其錨碇基底摩阻力和嵌巖樁抗滑力的分配機理還尚待研究。重力式錨碇和隧道式錨碇錨固噸位大，是國內外大跨度橋梁永久性主纜錨碇應用最多的結構形式。巖錨錨碇對圍巖質量要求較高，在邊坡加固、纜索吊裝臨時錨固等錨固噸位較低時應用較多。隨著預應力錨索技術的不斷發(fā)展，采用多層次、壓力分散性錨索的錨固效果更好［6］。

本文在梳理上述各種錨碇基礎上，為解決陡峭山區(qū)纜索吊裝施工帶來的技術問題，結合溜筒河特大橋纜索吊裝施工主錨碇設計，探討一種索鞍一體組合式錨碇。纜索吊裝施工時主纜通常采用主纜索塔和地錨分離的三跨布置。在陡峭山區(qū)受地形和施工條件限制，這種索塔和地錨分離布置受到很大限制。若將索塔和地錨集中布置，即主纜由較大的邊跨成為近乎無的短邊跨，可解決陡峭邊坡場地受限的問題［7］。由于采用無索塔布置，主纜索轉向塊直接采用索鞍布置在錨碇承臺上，其下采用樁基抗滑，輔以錨索抵抗施工期間纜索及其他扣索產(chǎn)生的部分水平力，形成一種新型組合式錨碇。不同于單一的重力式或預應力巖錨［8］，新型組合式錨碇承臺及抗滑樁、巖錨索等共同抵抗纜索拉力，各部分受力復雜，對錨碇穩(wěn)定性提出了較高要求。本文基于巴頓巖體質量分類方法，探討了索鞍一體組合式錨碇在陡峭山區(qū)的適用性，并對該形式的組合式錨碇設計若干問題進行了分析，最后結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證了該型組合式錨碇的可行性。

1新型組合錨碇的提出

近年來在橋梁建設中，材料費用在工程造價中僅占30%～40%，而施工費用如制造費、運輸費、安裝架設費等則占60%～70%，此費用在山區(qū)橋梁中的比例更高。依照國際地理學聯(lián)合會地貌調查與地貌制圖委員對坡地分類的劃分等級，15°～35°為陡坡，35°～55°為峭坡［9］。在此類巖質陡坡地形地質環(huán)境下進行橋梁建設，施工作業(yè)面狹小，纜索吊裝施工往往是較優(yōu)的施工組織方案。如圖1所示為溜筒河特大橋施工項目常規(guī)三跨纜索吊裝系統(tǒng)布置方案。由于兩岸陡峭，不具備主墩和纜索塔架施工所需的起重運輸條件，經(jīng)多方研究，提出利用陡峭巖壁，采用無塔架索鞍一體組合式地錨作為主纜索的錨固結構（見圖2）。雖然增加了一定量錨碇材料用量，但減少了近60 m高纜索塔架費用，綜合經(jīng)濟性較優(yōu)。

組合式錨碇不同于以往單一的重力式、巖錨等，其由承臺、抗滑樁和預應力巖錨索組成，其中抗滑樁和預應力巖錨索共同抵抗施工過程中主纜和扣索產(chǎn)生的水平力，混凝土承臺重量提高抗傾覆能力。承臺設置主纜錨固系統(tǒng)，即在承臺前端頂面設置主纜轉向鞍座，后部采用鋼管混凝土錨固主纜，圖3為組合式錨碇的布置圖。

2組合式錨碇的適用性

邊坡的穩(wěn)定性直接決定了組合式巖錨在纜索吊裝過程中的合理性以及安全性。按照巴頓巖體［10］質量Q值分類方法，參考文獻［11］中關于Q值與圍巖分級的關系，選取Q=0.1、Q=4、Q=10、Q=20、Q=70五類巖體質量，對整體邊坡穩(wěn)定性進行分析。結合《公路隧道設計規(guī)范》（JTGD70-2004）中Q值所對應的巖體參數(shù)，確定每個巖體等級的詳細力學參數(shù)如表1所示。

三維整體邊坡穩(wěn)定性分析常采用強度折減法（SRM），該方法自19世紀80年代提出以來被廣泛運用在工程實踐中［12］。本文利用Midas GTS NX中邊坡穩(wěn)定性分析模塊，計入開挖、組合式地錨建造和施工過程中主纜及扣索等外荷載作用等工況，對整體邊坡穩(wěn)定性進行了分析。圖4為最不利工況下可能形成的滑動面剪應力云圖，可見對于Q=10的圍巖等級，整體邊坡穩(wěn)定性是滿足要求的，實際項目邊坡巖體參數(shù)也基本等同于該類圍巖，施工期間表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

3組合式錨碇設計探討

組合式錨碇由預應力巖錨索、抗滑樁及承臺各部分摩阻力共同抵抗水平外荷載，其中抗滑樁、承臺與巖體之間的作用力較為復雜，包括樁基與巖體的側壓力、樁基自身抗剪以及承臺與巖體之間的摩阻力等。本文通過巖錨索力變化，探討組合式錨碇有關設計問題，特別是錨索索力和樁長兩部分在分擔水平外荷載的作用大小，為今后組合式錨碇的設計提供參考。

3.1錨索初張力

作為組合式錨碇抵抗水平抗滑力的一部分，預應力巖錨索用于抵抗施工期間主纜和扣索力，其初始張拉力的取值可考慮為主纜和扣索力之和。該項目錨碇承受主纜拉力和懸臂施工過程中的錨扣索力，最大吊重下兩者最大水平合力為15 449 kN。錨索按永久性工程考慮2倍以上安全系數(shù)對應前、后排布置共12根錨索，每根錨索初張力為1 200 kN。

對施工荷載加載前后、不同圍巖等級條件下的索力變化進行了對比。以不同巖體體系條件下的初始索力為基準，施加纜索水平荷載后，各預應力錨索索力發(fā)生變化。其索力增量與總的外荷載水平分量之比，可以衡量預應力錨索抵抗水平抗滑力的貢獻大小，見表2。

隨著圍巖等級的提高，外荷載作用下組合式錨碇的水平位移減小，預應力錨索的應力增量也隨之減小。由于主纜錨固位置靠后，后排錨索應力增量較前排錨索大。可見預應力錨索分擔外荷載的貢獻較小，水平外荷載主要由抗滑樁和承臺承擔。經(jīng)綜合考慮每根錨索設計初張力取為1 000 kN。

3.2抗滑錨樁長度

在整體邊坡穩(wěn)定的條件下，抗滑樁的深度設計對組合式錨碇至關重要。在相同條件下，本文取15 m和20 m兩種樁基深度分別進行了分析（見圖5）。

計算結果表明對比20 m和15 m樁長得到的索力變化極小，采用15 m的樁基長度在承擔主纜荷載時能夠提供足夠的水平抗力，考慮邊坡較陡，實際邊坡前排樁取為20 m，坡后排樁設計為15 m深度。組合式錨碇整體抗滑安全系數(shù)為2.09，抗傾覆安全系數(shù)為2.10，滿足《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTG/T3650-2020）要求。

4組合式錨碇受力監(jiān)測

為了保證施工過程安全，對該項目邊坡表面、組合式錨碇樁基位移和錨索索力進行了長期觀測，其中組合式錨碇樁基位移監(jiān)測采用了基于傾角傳感器的多點串聯(lián)式全向位移計，能夠監(jiān)測樁基在不同深度上水平位移變化，索力采用錨索計進行測量。圖6為主纜吊裝初始階段樁基不同深度處水平實測位移與理論模擬計算對比曲線?？梢娫谘貥蚩v向水平外荷載作用下，順坡向位移較橫橋向位移大；橫向位移量級較小，呈現(xiàn)不典型變形分布，疑似與測量精度導致的誤差有關。隨著時間推移，變形緩慢增加，邊坡基巖受力呈現(xiàn)蠕變特性，圖7為近一年施工期間樁頂位移變化曲線圖，圖8為施工期間索力變化情況曲線圖。

索力在主纜荷載施加后有10～20 kN微小增加，之后隨施工荷載和季節(jié)溫度影響產(chǎn)生較小波動，進入夏季邊坡受日照影響，索力呈現(xiàn)15 kN波動，全年索力變化幅度在85 kN以內。實測索力較初始張拉索力較低，一定程度上驗證了前述錨索理論分析的合理性，即預應力錨索對組合式錨碇共同工作參與度相對較低，但為組合式錨碇穩(wěn)定性提供了安全富裕度。

總體監(jiān)測結果表明，邊坡和組合式錨碇處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5結語

結合某實際工程背景，對纜索吊裝索鞍一體組合式錨碇在陡峭山區(qū)的應用做了探討，得到如下初步結論：

（1）在較好的圍巖等級條件下，該纜索吊裝索鞍一體組合式錨碇是可行的。

（2）由預應力巖錨索和樁基組成的抗滑系統(tǒng)中，樁基的作用占主導地位，錨索用來增大穩(wěn)定性富裕度。

（3）預應力錨索的初張力可以適當降低。

由于巖土力學性能本身的復雜性，本文工作是初步的，僅模擬了理想勻質狀態(tài)的邊坡和組合式錨碇的受力情況，未計入隨時間變化和氣候條件的影響，后續(xù)工作尚有待深入開展。

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作者簡介：翁浩（1985—），高級工程師，主要從事特大型橋梁施工工作。