超大型錨桿式懸索橋錨碇錨固系統(tǒng)施工關(guān)鍵技術(shù)

甄宗標

(中國鐵路上海局集團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，承擔著主纜的巨大拉力，施工精度要求高；同時，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，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)相對于預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)具有較強的優(yōu)勢[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，極大影響安裝進度，耗費大量人力物力。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。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]針對洞庭湖大橋錨固系統(tǒng)型鋼的防護問題，依托試驗結(jié)果提出硫化型橡膠密封劑結(jié)合PEF材料進行防護的方案，實現(xiàn)了錨固系統(tǒng)型鋼的長期防護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。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，驗證了該系統(tǒng)在荷載作用下受力均滿足設(shè)計要求。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)標準化設(shè)計、模塊化分組及現(xiàn)場螺栓組拼技術(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)鐵路五峰山長江特大橋是世界首座超千米級高速、重載、公鐵兩用懸索橋，本文通過對該橋兩岸錨固系統(tǒng)施工技術(shù)方案對比分析研究，提出“V”形混凝土臺階+型鋼混合型定位支架結(jié)構(gòu)和逐層安裝錨桿逐層跟進澆筑混凝土新理念，并用于工程實踐，取得了較好的效果，同時提出了進一步優(yōu)化的建議，可供類似工程參考借鑒。

1 工程概況

新建五峰山長江特大橋是連鎮(zhèn)鐵路控制性和重難點工程，大橋位于泰州長江大橋和潤揚大橋之間，主橋為(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專線，其中，連鎮(zhèn)鐵路設(shè)計行車速度250 km/h，預(yù)留鐵路設(shè)計行車速度200 km/h；上層為雙向八車道高速公路，設(shè)計行車速度100 km/h。主橋立面布置見圖1。

圖1 五峰山長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鍍鋅鋁高強鋼絲組成，鋼絲標準強度為1 860 MPa。

(2)錨碇。大橋設(shè)南、北兩個重力式錨碇。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現(xiàn)澆圓形擴大基礎(chǔ)，整個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)工程特點分析

2.1 工程特點

新建五峰山長江特大橋承載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。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6 721.153 t，兩岸合計13 442.306 t。

(2)錨固系統(tǒng)空間尺寸大。每根主纜對應(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。后錨梁長度最長為32.871 m，單根錨桿長度為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、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

主纜錨固系統(tǒng)施工主要難點如下。

(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，定位支架除必須滿足規(guī)定的強度和穩(wěn)定性外，對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)量安全風險大：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)量安全控制風險大。

(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)為地連墻圍護明挖擴大基礎(chǔ)，以微風化的巖層為持力層，由于開挖的巖層硬度高，且采用爆破開挖需控制對毗鄰化工廠的影響，施工進度同樣較計劃有所延長。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江四橋、馬鞍山長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，提出新的施工工藝理念與方法——“V”形混凝土臺階+型鋼混合型定位支架結(jié)構(gòu)和逐層安裝錨桿逐層跟進澆筑混凝土施工新工藝(以下簡稱“新工藝”)，見圖5。新工藝的理念與方法，得到了設(shè)計、施工、監(jiān)理等參建單位相關(guān)人員的一致認可。

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，在運營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。

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，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)施工對比分析

五峰山長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)驗總結(jié)和工藝優(yōu)化，創(chuàng)新性地提出了新型施工工藝。現(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行兩種工藝的對比。

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)計算均采用MIDAS/Civil有限元軟件，計算結(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 工期及精度等對比分析4.2.1 工期對比

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261 d，提升效率35.1%。

4.2.2 支架用鋼量對比

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 精度對比

錨桿制造、定位支架安裝、后錨梁安裝精度均滿足設(shè)計要求，現(xiàn)僅對錨桿安裝精度進行比較，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)錨桿安裝精度測量統(tǒng)計mm

4.3 施工工藝的進一步優(yōu)化討論

結(jié)合五峰山長江特大橋南北錨碇錨固系統(tǒng)施工工藝實際情況，對新工藝的進一步優(yōu)化討論如下。

(1)錨桿支架混凝土臺階高度可進一步優(yōu)化，該混凝土臺階與后錨梁支架臺階均按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)計制作，分塊切割，再現(xiàn)場吊裝焊接，該方法的缺點：一是分塊偏多；二是現(xiàn)場對接焊定位難度大；三是現(xiàn)場焊接工作量大。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：一是模塊的整體穩(wěn)定性好于切割分塊；二是先栓接定位準且快；三是工地現(xiàn)場焊接工作量少；四是可進一步提高安裝效率。

(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“獨立”，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，且上述測量隨著混凝土的施工而導(dǎo)致不可測量，而錨桿前端安裝精度永久可測，是最終控制的關(guān)鍵。另外，在錨桿前端安裝精度標準上既應(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。

5 結(jié)論

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

(1)針對錨固系統(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，進一步保障了錨固系統(tǒng)安裝精度。

(2)五峰山長江特大橋南、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402 d，采用新工藝的北錨碇錨固系統(tǒng)施工總用時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，進一步討論了錨桿支架混凝土臺階高度、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江特大橋建設(shè)平臺，針對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，可為類似項目提供參考、借鑒。