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悬索桥隧道锚设计朱玉廖朝华彭元诚(中交第二公路勘察设计研究院有限公司 430056)摘要：隧道锚具有环境扰动小、性价比高的特点，是悬索桥较理想的锚碇形式，但受地质条件、人们对岩体性质的认识水平等条件的限制，目前在大跨径悬索桥中应用不多，相关文献也不多见。
本文结合进行我国首座采用隧道锚的大跨径悬索桥—四渡河特大桥隧道锚的设计及取得的成果，系统介绍了悬索桥隧道锚锚址的基本特点、锚体尺寸拟定、锚固系统选择以及数值分析、模型试验应注意的问题，便于隧道锚的进一步应用。
关键字：悬索桥隧道锚尺寸拟定锚固系统选择岩体力学参数初始应力场数值分析模型试验1、引言近年来，随着我国西部大开发政策和可持续发展战略的实施，高速公路迅速在祖国西部的崇山峻岭中延伸，环境扰动小的结构型式倍受关注。
悬索桥具有跨越能力强和加劲梁高基本不随跨径增加而增高的特点，可有效避免高墩而达到跨越深谷的目的，是符合这种理念的理想桥型。
锚碇作为悬索桥的四大部分之一，其土方量占悬索桥总开挖量的绝大部分，是最大限度减少环境扰动的关键所在。
隧道锚可有效减少开挖量和混凝土用量，是理想的锚碇型式，如美国的华盛顿桥[1]，其新泽西岸隧道锚与纽约岸重力锚混凝土用量比1：4.8，我国四渡河桥[2]宜昌岸隧道锚与恩施重力锚混凝土用量比1：4，土石方开挖量之比1：5。
因而，隧道锚的使用对有效保护自然环境、避免大规模开挖、节约投资方面具有重要意义。
由于隧道锚把岩体作为锚体的一部分共同承受大缆拉力，因而不但对地质条件要求较高，而且要求设计者对岩体性能要有深入的认识。
它不仅涉及岩体的开挖问题（这在隧道工程中经常遇到），更主要的是需要确定开挖后岩体的二次承受巨大的大缆荷载问题，这在其它岩土工程中是很少见的。
隧道锚的应用较少，相关的文献尚不多见，从目前的文献看，隧道锚的应用尚处于起步阶段[1~6]。
四渡河特大桥（图1）沪蓉国道主干线湖北榔坪～高坪段的一座特大桥，其宜昌岸采用隧道锚。
一、概述四渡河特大桥是我国西部地区重要的交通工程之一，位于青海省果洛藏族自治州玛沁县和玉树藏族自治州治多县之间。
该特大桥是连接青藏高原东部与西部的重要枢纽，对于促进当地经济发展、加强地区通联有着重要的意义。
施工过程中，需要克服许多困难和挑战，确保桥梁的安全性和稳定性。
二、桥梁设计1. 桥梁类型：四渡河特大桥采用了悬索桥设计，桥面长度达到了2000米，总长度为2356米，主跨1320米，是世界上跨度最大的悬索桥之一。
2. 结构材料：悬索桥主要使用高强度钢材和预应力混凝土，确保桥梁的稳固和耐久性。
三、施工方法1. 起重设备：由于四渡河特大桥的跨度巨大，施工中需要大型起重设备来进行吊装。
施工单位选择了国内外知名的起重设备厂家提供设备，确保了施工的质量和效率。
2. 钻孔爆破：在桥墩基础施工时，需要进行大量的钻孔爆破作业，确保桥墩的牢固和稳定。
3. 钢结构制造：桥梁的钢结构采用了先进的加工工艺，利用数控设备进行制造，确保了桥梁的精准度和质量。
4. 悬索拉设：悬索桥的悬索采用了预应力钢丝绳，需要精确的拉伸和调整。
施工单位采用了先进的悬索拉设设备，确保了悬索的正常使用。
四、施工过程1. 前期准备：施工单位对施工现场进行了彻底的勘察和设计，制定了详细的施工方案，并开始了相关设备和材料的采购工作。
2. 基础施工：首先进行桥墩的基础施工，包括桩基造成、钻孔爆破、桩基浇筑等工程。
3. 钢结构安装：桥面钢结构的安装需要精准的测量和吊装，施工单位采用了先进的安装工艺和设备，确保了桥梁结构的完整和稳固。
4. 悬索拉设：悬索拉设包括了悬索索面的对接、预应力调整和张拉，施工单位严格按照设计要求进行操作，保证了悬索的正常使用。
五、质量控制1. 施工技术监管：四渡河特大桥的施工过程中，施工单位严格遵守设计要求和施工规范，设立了专门的技术监管团队，对施工过程进行全程监控。
2. 材料检测：施工过程中采用了严格的材料检测措施，确保了钢结构、混凝土等材料的质量符合设计要求。
四渡河特大桥主缆缠丝施工方案一、概述主缆是悬索桥的重要受力构件，为使主缆在桥梁设计营运年限内的利用平安和维持美观外形，采纳在主缆上密匝缠绕一层镀锌钢丝对主缆进行防护。
四渡河特大桥每根主缆除锚跨内、散索鞍、主索鞍前后各必然的距离内的主缆不进行缠丝外（采取其它爱惜方法），其余凡外露的表面均需缠丝。
主缆防护工作内容有主缆缠丝操作和主缆涂装工作，两项操作内容密不可分，在施工中需要紧密配合，在知足涂装和防腐技术要求的前提下，应以缠丝操作为主。
二、缠丝机械性能特点介绍一、缠丝机械的结构组成图1－缠丝机整体示用意（1）主机：包括机架、主机夹紧系统，主传动系统，快、慢速走行传动系统、张力形成系统、缠丝系统及端部缠丝附件、液压泵站系统、电气操纵箱、电气操作箱等。
（2）前夹持架：它包括框架、夹紧机构、液压自动跨越索夹系统、配重等。
（3）后夹持架：大体结构与前夹持架相同。
（4）导向梁：用其联结前、后夹持架。
主机走行时导向轮沿导向梁转动，反之当夹持架走行时导向轮为其导向。
二、机械的要紧性能（1）适应缠丝的主缆直径范围：φ650～φ900mm；（2）适应缠丝主缆最大水平倾斜角35°；（3）缠绕的钢丝：φ4镀锌软钢丝，稍改良可缠“S”形断面钢丝；（4）缠丝头数：2；（5）缠丝张紧力：0～（可调）；（6）缠丝线速度：～1.1m/s，可无级调速；（7）缠丝慢速机构走行速度：0.4m/min，可无级调速；（8）快速走行速度：14.56 m/min；（9）主电动机功率：15KW，调频电机；（10）最大件重量：；（11）机械外形尺寸：长×宽×高=××（m）。
3、缠丝机特点（1）主机和夹持架可沿主缆交替自行，作业范围可达主缆全程，不需要外部机构牵引。
（2）碰到索夹和吊索，液压驱动，传感器操纵，自动跨越，持续行走（只是当大齿圈跨越吊索时需停止旋转，开启活动门）。
（3）旋转部份转速与走行速度自动匹配，做到缠丝一圈紧扣一圈，通过微调装置，可适应缠丝节距或直径公差的转变范围。
特大悬索桥锚固系统施工技术作者：田雨金董雁来来源：《建筑建材装饰》2015年第06期摘要：锚固系统是一个悬索桥的关键施工部位，本文以南京长江第四大桥南锚碇的锚固系统为背景，介绍悬索桥锚固系统的施工技术。
关键词：悬索桥；锚固系统；施工技术前言悬索桥，又名吊桥（suspension bridge）指的是以通过索塔悬挂并且锚固于两岸（或桥两端）的缆索（或钢链）作为上部结构主要承重构件的桥梁。
按其锚固形式分为：自锚式和重力式悬索桥。
1工程概况南京长江第四大桥为主跨1418m双塔三跨重力式悬索桥，与同类型桥梁相比，居国内第一，世界第三。
锚固钢板单件体型大，重量重，其运输及吊装难度大。
锚固钢板分层安装次数多，安装精度要求高，现场精确定位难度大。
钢筋混凝土榫为锚固系统的关键受力部位，对钢筋的绑扎及混凝土的浇筑工艺与质量要求高。
2传统梁锚固系统与悬索桥锚固系统相比较与传统锚梁锚固系统相比，钢筋混凝土榫锚固系统的锚固钢板应力较低，混凝土受力均匀，且锚固钢板被锚体混凝土包裹，抗腐蚀能力增强，提高了锚固系统的耐久性，延长了大桥使用寿命。
在特大跨度悬索桥锚碇锚固系统中，钢筋混凝土榫锚固系统在国内外尚属首例，该锚固系统结构新颖、受力明确，锚固钢板具有尺寸大，重量重，定位难度大，安装精度要求高等特点。
3施工工艺流程3.1工艺原理钢筋混凝土榫锚固系统由多片锚固钢板组成，单片锚固钢板在工厂分块制作，运输工地后根据混凝土浇注高度分层进行安装。
锚固钢板采用空间叠加定位方法进行精度控制，即锚固钢板在工厂进行预拼装、并布置测点，通过测量各测点的平面坐标修正安装状态下空间坐标，锚固钢板采用钢支架进行定位，先精确控制底层锚固钢板的精度，叠加层锚固钢板以底层锚固钢板为基准，只需调整其倾角和平面位置便可达到精度要求。
剪力钢筋通过定位桁架居中，用细骨料混凝土与分区浇注工艺确保钢筋混凝土榫区质量，使锚固钢板能有效将主缆拉力均匀传递至锚体混凝土。
3.2施工工艺流程悬索桥锚碇钢筋混凝土榫锚固系统安装施工工艺流程如下图1所示。
隧道锚散索鞍基础开挖及砼浇筑方案一、工程简介四渡河特大桥为主跨900米的悬索桥，宜昌岸锚碇采用隧道式锚碇。
左锚碇全长为68.85米，右锚碇全长为64米，锚塞体长均为40米。
散索鞍基础宽为8.7m，两侧距初衬各40cm，高为8m，总长为13m。
散索鞍基础的前端设计为防滑台阶，台阶宽为80cm，下面4级高150cm，最上一阶高200cm。
左右锚散索鞍基础开挖石方总方量为1223m3，混凝土方量为1223m3，钢筋用量为7.5T。
散索鞍基础的开挖在锚塞体开挖完后进行，散索鞍基础开挖完成后先进行一期砼的浇筑，二期砼将根据实际情况而定浇筑时间。
二、施工方案1.施工流程2．施工工艺概述2.1测量放样在锚塞体开挖完成后，即进行散索鞍基础位置放样。
先将散索鞍的整体位置放出来，并在四个角上布设控制点。
散索鞍的每次爆破进尺为1m，在每次孔眼开钻之前先对该次开挖部分进行测量，确定钻孔深度，使开挖逐渐形成楼梯型。
2.2散索鞍开挖施工在散索鞍开挖时，先将锚体出渣矿车轨道拆除。
散索鞍基础开挖完成后，再用钢管或型钢将轨道架设起来。
2.2.1开挖施工示意图散索鞍开挖采用爆破开挖，挖机出渣。
在散索鞍开挖时先开挖靠近洞口的前半部分，形成一个平台作为挖机的操作平台。
在挖机操作平台形成后再开挖后半部分。
开挖顺序示意图如下：（单位：cm）步骤1 步骤2步骤3 步骤4挖机操作平台开挖高度根据实际情况而定，以保证方便挖机行走及出渣为前提。
2.2.2爆破施工由于散索鞍位置处于洞口，爆破飞石将影响十五标隧道的施工及我部索塔的施工。
同时爆破位置两侧为鞍室直墙，对鞍室的初衬有一定的影响。
为了将这些影响降低到最底，在开挖施工时采用松动爆破（松动爆破：爆破后，介质不会被抛出，仅使介质表面隆起）及预裂爆破。
在爆破施工时，先爆破左半部分或右半部分。
同时为了防止爆破时爆破地震动波相叠加，将选择合适段号的连结雷管，确保爆破震动降低至最低。
（1）循环进尺散索鞍开挖施工拟定以1m为一循环进尺。
现代科学技术在悬索桥隧道式锚碇施工中的应用（路桥华南工程有限公司）摘要：本文介绍湖北沪蓉西高速公路四渡河特大悬索桥隧道式锚碇开挖及支护施工技术，重点阐述了拉拔模型试验、地质探测等现代科学技术在隧道式锚碇开挖施工中的运用，为隧道式锚碇在以后的施工中提供借鉴。
关键词：科学技术隧道式锚碇运用1．概述四渡河特大桥是湖北沪蓉西主干道湖北宜昌至湖北恩施段中的一座特大悬索桥，所处位置为深切峡谷，地势陡峭，坡度达80°。
该桥的桥面至谷底高差（达500多米）、单向纵坡及锚碇的单根可换式锚固系统等居世界第一。
桥位布置图见图1.1图1.1 四渡河特大桥桥位布置图该桥宜昌岸锚碇设计为隧道式锚碇，恩施岸为重力式锚碇。
在宜昌岸隧道式锚碇（见图1.2）的正下方约23米处为八字岭公路隧道，该区域地质围岩发育皆为与桥轴线呈25°竖向发育，岩层厚为30～50cm不等，裂隙较发育，为典型的岩溶地质，围岩一般为Ⅲ～Ⅳ。
图1.2四渡河特大桥宜昌岸锚碇设鞍室、锚体及后锚室三部分。
锚碇开挖最小断面为9.8×10.9m，最大开挖断面为14×14m，洞轴线水平方向倾角为35°，洞斜向长度左锚为71.14m，右锚为66.2m，锚体都为40m，锚体后面设2.2m的后锚室。
整个锚碇开挖方量约为2.1m3，砼方量约为1.6万 m3。
为了增大锚塞体与围岩的锚固应力，原设计较普通隧道的洞周增设了反向齿坎，每4m一道，一个锚塞体设置10道。
齿坎尺寸为350cm×87.5㎝，由于围岩裂隙发育，施工时无法确保齿坎的形成，后设计变更取消反向齿坎增设了Φ32结构锚杆。
2．开挖支护施工在隧道式锚碇开挖施工中采取了“短进尺、强支护、快封闭、勤观测”的基本工艺，施工工序严格遵守“安全施工、爱护围岩、内实外美、重视环境、动态施工”的原则。
四渡河特大桥宜昌岸隧道式锚碇开挖在开始阶段分上、中、下三个台阶开挖，施工过程中，由于该锚碇正处于公路隧道的正上方且竖向距离仅约23m，考虑到开挖爆破的相互影响，惟恐对结构间围岩造成扰动，将中下台阶合并成一个台阶开挖，以减少爆破次数，并形成一个10～15长的水平工作平台。
整个拱圈部分为一个上台阶，开挖过程中先对上台阶超前引进，下台阶落后4.5M跟进，开挖时采用短进尺钢拱架和锚网喷支护紧跟随的形式进行施工。
工作面布置形式如图2.1所示。
图2.1锚碇开挖工作面示意图锚碇的整个开挖均采用微台阶光面爆破开挖法，以尽量保护锚碇围岩整体结构的完好性。
根据地质资料及施工过程中所积累的一些经验，结合围岩为Ⅲ～Ⅳ类围岩的实际，在施工过程中采用了如下一些参数：炮孔直径：38mm，深度1.6～1.8m，花边眼间距为30～50cm（一般采用40cm），花边眼往里40cm为周边眼，周边眼间距与花边眼相同，周边眼与花边眼呈梅花型布置，装药集中度：0.10～0.45Kg/m（根据岩层情况进行变化），起爆方式：段发电毫秒雷管；雷管连接方式：分组多头并联。
每个循环爆破后，立即进行危石及松动围石的清理，然后进行下一断面的控制测量，一为检测本次循环爆破的效果，二为下一循环的施爆布孔进行指导。
在测量后，辅助风镐对个别未达到开挖尺寸的位置进行修整，以保证开挖尺寸。
在保证了开挖尺寸后，即进行初喷5cm砼封闭围岩，防止围岩的进一步风化及保证施工安全。
并开始钢拱架和间距为1.2m（横向）x1.0m（纵向）间距的Ф22钢筋锚杆的钻孔安装及I10Ф8钢筋网的安装，再进行复喷完成初衬施工，保证整个初衬厚度不小于15㎝。
初衬后对未能及时落地的上台阶钢拱架增设两根3m长的Ф22钢筋锁脚锚杆，以作为钢架的承力点。
锚碇开挖施工过程中，对裂隙较发育、夹泥较多及溶洞断层处，采取锚杆加密加长，钢筋网增加连接钢筋的方法及时加固处理。
锚杆间距最密处为0.5mx0.5m，最长增加至5m。
钢筋网外增设Ф12的连接钢筋。
在处理完毕后，进行观测一段时间，在连续观测几次中均无明显变化后，可视该部位为已处理安全。
由于锚碇开挖的特殊性，开挖空顶时间不能过长，且锚碇开挖出渣工程量较大，故在开挖初期采用大挖机出渣；在锚碇掘进较深后，由于倾斜坡度较大，且大挖机在洞内无自由旋转移动空间后，改为：小挖机装渣，窄轨道（轨距70cm，钢轨22Kg/m、枕木120x20x20cm）、绞车（25T，每个绞车容量为0.8m3）提升运输的方法出渣。
3．现代科学技术的运用由于四渡河特大桥所处区域地质为典型的岩溶地质，为了更好地将现代科学技术与工程实践有机结合，在隧道式锚碇开挖施工过程中成功地完成了国内目前规模最大，检测数据较全面的拉拔模型试验，为优化设计变更提供了数据依据；同时，也是第一次较完善地采用了物探方法，对隧道式锚碇开挖断面周围围岩进行探测，为围岩加固提供了科学依据；为了长期监测该桥的健康营运情况，对隧道式锚碇还增设了健康监测设备，该部分设备正在随施工的进展而同步进行安装。
3．1现代科学技术检测3．1．1 1：12模型拉拔试验鉴于如此高载荷作用下的隧道锚碇设计及施工工作在国内外开展很少，无现成的经验可供借鉴，为了验证设计方案的可靠性并为其他类似工程提供研究资料。
在实体隧道锚碇附近与其工程地质条件、岩体结构和岩性接近处进行了模型试验，依据弹性力学相似原理，按1∶12 比例制作隧道锚模型，对模型开展在不同设计载荷水平以及在不同的恒定载荷下的张拉、超张拉及流变试验。
该试验先于实体锚体开挖之前已完成。
该试验模型布置见图3.1。
该试验模型的反力系统由南北钢筋混凝土反力支座、支墩及反力梁等组成。
反力梁设计可承受荷载不小于2400kN。
试验锚碇的制作过程采用与实体隧道锚碇相同的设计标准及施工工艺。
锚体建造采用与实体锚体相同等级强度的C30 级微膨胀混凝土。
每个锚碇内埋设4束（每束由16 根Φ15.24mm 钢绞线组成）锚索，通过钢绞线的加载，来模拟施加实桥的张拉荷载。
在分层浇筑锚碇混凝土前，采用专用P 型锚具事先将每束钢绞线按设计位置预先固定在锚洞内，最后一次性浇筑锚碇混凝土。
设计采用的实体隧道锚碇中双缆载荷为420,000kN，试验锚碇的设计荷载Pm 应为： 2916.67 kN，又因为试验时的张拉荷载是同时通过8 台千斤顶来施加，因此在1 倍设计荷载作用(1Pm)下每台千斤顶出力p 为： 364.58 kN。
为监测拉拔试验期间试验锚碇周边岩体变形及荷载变化规律，共布置了4类监测仪器：多点位移计、测缝计、应变计、锚索测力计。
通过试验监测表明：1）在2.6p 设计荷载作用下，所有监测仪器均没有观测到有岩体流变现象出现。
依据相似原理，可推论实桥隧道锚碇的长期安全系数不小于2.6。
2）较短时间内，试验锚模型超载试验的承载力达7.6p，没有出现岩体及结构破坏现象。
这表明短期内，隧道锚碇的极限承载能力可达到7.6p，桥梁的短期极限承载力较高。
测试也表明：尽管在短期，高承载力下整个锚碇系统没有破坏，但其周边岩体的流变变形特征明显，整个系统并不安全。
根据试验的结果，同时结合实际开挖无法形成原设计的反向齿坎的情况，设计变更为现在的整个锚碇锚塞体范围内增设结构锚杆。
3．1．2 物探检测在锚塞体开挖过施工程中，由于所揭露的围岩裂隙较发育，小溶洞较集中等不良地质情况，为了进一步掌握锚体的围岩情况，以确保围岩与锚体的锚固应力。
在锚体开挖完成后，对锚体进行了地质雷达探测，并辅以地震CT及地震面波检测。
通过地质物探检测，以查明锚洞洞周5～10m范围内有无较大溶洞、夹层、裂隙等地质缺陷及其分布位置，并对锚洞周岩岩体结构完整性作出评价，为后续施工提供了科学依据。
地质雷达外业使用美国地球物理公司SIR—2型彩色显示地质雷达仪采集数据，专用软件处理数据，具有工作效率高，分辨率高，现场实时处理效果好等多种优点。
洞内以100MHz天线逐测线连续扫描, 窗口长度250ns,多次迭加技术；地面以低频组合天线迭加点测。
地质雷达现场工作示意如图3.2、图3.3。
图3.2 锚洞底板地质雷达工作示意图图3.3 锚洞侧壁和拱顶地质雷达工作示意图地震CT采用地震纵波直达波透射技术，直达波路径为左锚洞—右锚洞 2 对（其一为试验对），锚洞—地表1对，锚洞洞口段1对。
仪器设备：美国NZ24型浅层地震仪采集数据，具有分辨率高、浮点增益、噪声实时监控、现场实时分析及数据处理等先进功能和良好工作性能。
重庆地质仪器厂38Hz检波器拾震，炸药爆炸激震。
地震CT透射探测工作示意如图3.4、图3.5。
图3.4 地震CT现场布置断面示意图图3.5 地震CT炮点和检波点布置平面示意图地震面波采用瞬态面波勘探，目的是对地质雷达异常区进行验证和提供波速量化，反演异常区面波值。
仪器设备:北京华水物探研究所SWS系列面波仪，面波专用低频检波器。
工作道数12道，道间距2m，记录长度250ms，采样间隔125μs，偏移距6～10m,重锤锤击激震。
FKSWSA软件处理数据。
地震面波探测工作示意如图3.6。
图3.6 地震面波工作示意图通过对三种物探方法探测的情况统计表明：左右锚洞围岩均普遍存在1～3m厚的松弛圈，松弛程度由表及里渐弱。
左锚洞围岩为连续的层状结构岩体，整体完整性好，岩体稳定。
部分层段裂隙发育并被溶蚀改造充填泥质夹层，呈现层状碎裂结构特征；局部岩层中发育溶孔、小型溶洞。
但上述缺陷对围岩整体稳定性影响不大，裂隙溶隙夹泥、溶孔溶洞等缺陷多分布在锚体后段以及后锚室围岩中，相应对锚体的抗拔安全影响较小。
右锚洞围岩总体为连续的层状结构岩体，岩体稳定，整体结构完整性较好。
但其中局部岩体发育裂隙并溶蚀充填夹泥，属层状碎裂结构岩层，溶孔、小型溶洞集中组合发育的岩段属局部结构缺陷岩体。
局部地质缺陷对围岩整体稳定性影响不大，但锚体中～后段围岩中分布较多的裂隙溶隙夹泥、溶孔溶洞等缺陷，对锚体的抗拔稳定不利，需进行必要的加固处理。
因此，根据三种物探检测的结果，对岩层较破碎、裂隙较发育及溶洞发育的位置进行了结构锚杆的加密加长处理。
同时在进行围岩压浆时，在这些位置压浆孔间距也相应减小。
3．1．3桥梁健康监测由于悬索桥为一种新兴的桥梁，其设计及施工技术都有待完善及创新。
四渡河悬索桥为深切峡谷桥，其设计及施工技术更有待完善及论证。
给予此原因四渡河悬索桥增设了健康监测。
对四渡河桥隧道锚健康监测采用多点位移计及压力盒。
对隧道锚散索鞍，健康监测主要在散索鞍底面埋设2个压力盒及布设一个多点位移计。
压力盒底座为一个斜面，斜面与散索鞍底面平行，确保散索鞍压力能垂直作用在压力盒上。
多点位移计为倾斜，倾斜角度为62°，与散索鞍底面垂直，多点位移计植入岩层20m。
通过监测散索鞍的受力情况及散索鞍与岩层的相对位移来监测桥梁的健康情况。
对隧道锚锚塞体，在每个锚塞体后锚室埋设一个多点位移计，多点位移计植入岩层20m，倾斜角度为35°，与洞轴线平行。
