悬索桥复合式隧道锚碇施工工法1．前言悬索桥是特大跨径桥梁中最主要的桥梁型式,一般来说其经济跨径为500m以上,适用于宽阔的海湾、水深流急的江河和大跨度的山区山谷、峡谷等。

锚碇是悬索桥的主要承重结构,要抵抗来自主缆的拉力,并传递给地基基础。

锚碇按结构形式可分为重力式锚碇和隧道式锚碇。

重力式锚碇依靠其巨大自重来抵抗主缆的垂直拉力,一般要求地基具有较大的承载力,水平分力则由锚碇与地基间的摩擦力或嵌固力来抵抗；隧道式锚碇则是将主缆中的拉力直接传递给周围的基岩,只适合在基岩坚实完整的地区。

为了在地质条件较差的桥位处也能采用隧道式锚碇,近年来在我国悬索桥设计中,出现了一种在隧道式锚碇的锚体后方增加一定数量岩锚的隧道式锚碇,这些附加的岩锚进一步将主缆的拉力传递给更深层的基岩,分担了主缆部分拉力,从而提高了在地质条件较差的桥位处隧道式锚碇的锚固能力,扩大了隧道式锚碇的应用范围。

这种在锚体后方增加岩锚的隧道式锚碇,称之为复合式隧道锚碇。

复合式隧道锚碇是一种新型的悬索桥锚固方式,由于其结构型式的变化,使这种锚碇的施工过程更加复杂化,出现了许多新的施工工艺、技术和方法。

《一种隧道式锚碇洞室的开挖爆破方法》获国家发明专利、《悬索桥复合式隧道锚碇施工技术》获20__年度XX省XX市科学技术进步二等奖及XX省科技三等奖、中国路桥集团科技进步二等奖、20__年第三届西安丝绸之路国际科技论坛优秀论文,《减少斜式隧道锚超挖》获20__年全国“金圣杯”QC成果发表赛二等奖、《确保锚塞体混凝土不产生裂缝》获20__年全国“玉柴杯”QC成果发表赛一等奖及20__年“全国优秀质量管理小组”奖、《提高悬索桥预应力锚固系统形成精度》获20__年“全国工程建设优秀质量管理小组”奖、万州二桥获20__年度国家优质工程银质奖。

2．工法特点2.1工法使用功能简介隧道式锚碇相对于重力式锚碇有巨大的经济效益,主要适用于地质情况良好的地方。

复合式隧道锚由于岩锚存在分担了主缆部分拉力,能适用于基岩情况较差的地方,能克服不良地质的影响。

2.2施工方法上的特点2.2.1地质条件较差的隧道锚开挖选用微台阶开挖法,整个开挖均采用光面爆破,非电毫秒差控制爆破技术,能够很好地控制开挖断面尺寸。

2.2.2洞口软弱围岩地段及洞身岩溶强发育地段,采用超前锚杆加固拱部软弱岩体,能确保围岩稳定和施工安全。

2.2.3初期支护伴随着锚碇开挖的进度进行,开挖一段支护一段。

2.2.4洞室二衬施工在初衬完工后进行,采用支架法施工。

2.2.5岩锚采用拉压分散型锚索,能有效提高抗拔力。

2.2.6预应力系统安装是隧道式锚碇施工中精度要求最高的一项工作,大体积混凝土施工是其中难度较大的一道工序。

3．适用范围本工法适用于岩体整体稳定性好的山区悬索桥隧道式锚碇,尤其是地质条件较差的复合式隧道锚碇的施工。

4．工艺原理4.1复合式隧道锚碇的工作原理悬索桥复合式隧道锚碇的锚体嵌入基岩内,锚体后方增加一定数量的岩锚,将主缆中的拉力传递给锚体周边围岩和锚后更深层岩体,从而提高了在地质情况较差的桥位处隧道式锚碇的锚固能力。

复合式隧道锚的传力途径为:→周边围岩主缆索股→调节拉杆→锚固连接→锚体―→岩锚→更深层岩体4.2预应力锚固系统的构造预应力锚固系统包括岩锚、定位钢支架、锚塞体预应力锚固体系。

锚塞体预应力锚固系统由拉杆、索股锚固连接器和P型预应力锚等组成,锚塞体预应力锚固体系通过联结器和岩锚连接,如图4.2所示。

图4.2 锚固系统示意图4.2.1岩锚施工1、岩锚概念岩锚,即岩土锚固,是一种将受拉锚杆埋入地层,利用锚杆周边岩体强度,进而加固岩面或者使结构物在岩面上牢固生根的技术。

将岩锚应用于隧道式锚碇中是一种创新。

2、岩锚的分类预应力岩锚的锚固方式按锚杆周边灌浆体和岩体的传力形式可分为:受拉型、受压型、拉压分散型,如图4.2.1所示。

拉力型锚索压力型锚索拉压分散性锚索图4.2.1 岩锚的锚固方式1)受拉型岩锚锚索周围灌浆体处于受拉状态,整个锚固段的应力分布很不均匀,锚固段顶部应力最大,其峰值剪应力可达到平均剪应力的4～8倍,向下逐步减小,因而拉伸裂缝和剥离现象首先出现在顶端。

2)在受压型岩锚中,荷载是通过承载板传递压应力,在这种情况下,水泥砂浆体处在受压状态,但锚固段内的应力分布仍不均匀,承载板处压应力最大,向上逐步减小。

3)将以上两种锚固型式的缺点进行改进,发展成拉压分散型锚索,或称为复合型岩锚锚索。

在这种岩锚锚索结构中,锚固段受力最为均匀,当锚索承受荷载后,在锚固段拉应力依靠锚索和水泥砂浆体之间的粘结分段传递,压应力由承载板分段向水泥砂浆体传递,并将荷载传递给周围的岩体。

复合型岩锚使荷载分散作用于整个锚固段长度上,而不是集中作用于其上部或下部,因此改善了锚固段的受力状态,使应力分布趋向均匀,并使最大应力值显著减小。

这样在使用荷载条件下,可以防止岩锚中水泥砂浆体和周围岩体内产生裂缝或发生剥离现象。

研究表明,就岩锚发生塑性滑移前的抗拔能力而言,采用压力型岩锚比拉力型岩锚可提高21.5%,而采用拉压分散型岩锚,则可使抗拔能力提高57.0%。

4.2.2锚塞体定位钢支架安装锚塞体定位钢支架主要用于准确定位各根预应力管道的空间位置,同时又作为劲性骨架加固锚体。

为保证预应力管道空间位置的精确性,其安装精度要求也较高。

4.2.3锚塞体预应力锚固体系施工锚塞体预应力体系是整个悬索桥的生命线,精度要求十分严格,必须采用三维空间坐标精确逐个定位,并进行认真的检查核对。

4.3锚塞体混凝土浇筑4.3.1锚塞体大体积混凝土需采取温控措施一般单个锚塞体的混凝土方量都比较大,故应采取严格的温控措施以防止混凝土温度裂缝的产生。

4.3.2需对混凝土收缩进行补偿隧道锚的锚塞体要求与周围基岩紧密结合,以便将悬索桥主缆的巨大拉力传递到基岩,为了防止混凝土收缩使锚体与基岩产生分离,在隧道锚碇内锚体混凝土施工时,应在混凝土中掺入适量的膨胀剂,对混凝土收缩进行补偿,增强锚体混凝土与周围基岩的紧密联系。

4.3.3混凝土抗渗要求高为防止预应力体系受到腐蚀,锚塞体混凝土对抗渗有特殊要求。

4.4隧道锚碇中的防水为减少洞内积水和空气湿度,使索股及锚具在大桥使用周期内不发生锈蚀、锚体周边围岩不被软化,对洞身内地质条件较差、岩层裂隙发育部位进行围岩压浆施工。

5．施工工艺流程及操作要求5.1施工工序隧道锚碇开挖→初期支护→围岩压浆→二衬支护→岩锚施工→锚塞体预应力体系安装→锚塞体混凝土施工→锚固体系成型。

5.2隧道锚碇的开挖5.2.1开挖方案1、洞口段开挖在进行隧道锚施工时,洞口段施工是一项很关键的工作；因为岩体的表面岩层存在着不同程度的风化,使洞口段的围岩很不稳定,大断面的开挖容易出现冒顶或塌方。

通常锚碇洞口段采用短段掘进、紧随支撑和尽快衬砌的施工方法。

在洞口段开挖前,首先要做好洞口上方露天边坡和洞口周围的排水工程；如果在雨季施工还应搭设遮雨棚,以免地表水进入锚碇,影响洞身的掘进；同时还应做好洞内排水的准备工作。

短段挖掘衬砌法的优点是在地表围岩条件差的情况下,能够安全地进行开挖作业。

这种方法就是把洞口段分成若干短段先掘后砌,每个短段的长度根据表面围岩的稳定情况定为2～4m。

每开挖一个短段后,应及时进行初期支护；随着掘进工作向前推进,最靠近洞口处的几个短段,应尽快进行永久支护施工。

通常情况下,洞口段的支护应进入稳定围岩中5m以上,具体长度视围岩情况而定。

2、洞身开挖锚碇洞身开挖施工程序:测量放线→超前锚杆施工→炮眼布置→钻孔爆破→出渣→钻孔安装锚杆→架设钢拱架→安装钢筋网→喷射混凝土→下一轮爆破施工。

隧道锚洞身开挖施工在地质条件较好位置采用上拱部全断面超前掘进,下部10～20°斜面分层掘进方案；在地质条件较差位置采用微台阶开挖法,根据地质情况分三个或多个台阶进行,前一台阶超前后一台阶3～4.5m。

锚碇开挖如图 5.2.1-1、5.2.1-2所示。

图5.2.1-1 锚碇分层掘进开挖示意图侧面图立面图②③图5.2.1-2 锚碇分台阶开挖示意图在洞口软弱围岩地段及洞身岩溶强发育地段,在开挖前施工超前锚杆用于加固拱部软弱岩体,确保围岩稳定和施工安全。

超前锚杆布置如图5.2.1-3所示。

在局部地质条件极易坍塌处先布设压浆小导管,压浆待岩体稍稳固后再开挖,开挖一段、支护一段、封闭一段；开挖施工程序采用“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的基本工艺。

立面图A-A剖面1、超前锚杆一般用于Ⅲ类围岩地段，特别适用于洞口软弱围岩地段及洞身岩溶强发育地段拱部加固。

2、超前锚杆与衬砌中线平行以8～15°仰角打入拱部围岩，环向间距不小于0.4m，前后两排锚杆搭接长度不小于1.0m，锚杆尾端焊接于钢拱架或系统锚杆的尾端。

图5.2.1-3 超前锚杆布置示意图5.2.2钻爆施工锚碇开挖爆破均采用光面爆破法,非电毫秒差控制爆破技术。

根据断面大小、围岩性质和施工条件等确定掏槽眼、辅助眼和周边眼的布置形式和间距、总炮孔数目和装药量。

为取得良好的掏槽爆破效果,在装药掏槽眼间设置空眼,空眼和装药眼间隔布置,眼距为(1～2)d(d为空眼直径),以3～7个炮眼为一组,按药眼与空眼距离,由近及远依次起爆,结合雷管段别时间间隔,确定依次起爆延期时间:孔深2m时,取50～75ms,孔深4～5m时,取75～110ms；第一次起爆炮孔线装药密度为0.55～0.8kg/m,而后依次起爆的炮孔,线装药密度逐渐增加,但不超过 1.2kg/m,；根据岩性和裂隙发育程度,辅助眼间距取0.4～0.8m,周边眼间距取0.4～0.8m；为在地质条件较差位置取得良好的爆破效果,保证开挖断面尺寸,在开挖轮廓线布置一排不装药的周边眼,间距取0.4～0.7m。

5.2.3出渣出渣采用无轨运输,采用卷扬机拖拉轮式翻斗车出渣,装渣采用人工。

5.2.4通风排烟起爆后,采用压入式通风排烟15min,作业人员方可进入工作面。

5.3锚碇的初期支护锚碇每开挖完成一段后,首先进行锚杆的布孔、钻孔、压浆和杆体安装,接着架设钢支架,然后进行钢支架后部的钢筋网安装,最后进行喷射混凝土施工。

钢支架通常为钢拱架,锚杆孔垂直于围岩面,喷射混凝土通常采用干喷法,一般进行数次喷射才能完成。

由于锚碇的开挖顺序为先上拱、后侧墙、最后为仰拱,因此初期支护的施工顺序也与开挖顺序一样。

5.3.1锚杆施工锚杆孔垂直于围岩面,锚杆和钢支架焊接牢固,锚杆后端的垫板紧贴围岩并焊接在锚杆上,钻好锚杆孔后,应及时进行注浆,防止局部围岩因地质较差与地下渗水较多,从而导致岩层坍落,堵塞锚杆孔,每一个锚杆孔的注浆必须饱满,这样才能达到设计要求,才能保证锚杆与围岩之间的粘结力。

对于注浆作业必须注意以下几点:注浆开始或中途停止超过30min时,应用水或水泥浆润滑注浆管及其管路；往锚杆孔中注浆时,注浆管应插至距孔底50～100mm处,随着砂浆的注入,将注浆管缓慢匀速拔出；锚杆孔注浆饱满后,随即迅速将锚杆插入,锚杆杆体插入孔内的长度不得短于设计长度的95%；锚杆杆体插入后,若锚杆孔内无砂浆流出,则应将锚杆拔出重新注浆。