石门水库特大桥位于宝(鸡)汉(中)高速公路石门段,桥梁两岸山体陡峭,汉中岸山体自然斜坡坡度为40°~55°。宝鸡岸覆盖层为土质地质,以下为灰岩,汉中岸锚碇处表面覆盖强风化片麻岩,以下为中风化片麻岩地质。汉中岸总体施工布置如图1所示。

桥梁设计为中承式钢管混凝土拱桥结构,左、右幅主跨跨径为262m,单幅桥梁主拱圈由12个吊装段及1个合龙段组成,主拱钢管直径为950mm,单节段最重为60t,施工采用无支架缆索式起重机系统起吊、扣挂法安装施工;左、右幅桥梁采用2套大跨度缆索式起重机进行安装施工,单套缆索式起重机由2组60t起重系统组成(最大试吊载重75t)。

大桥两岸紧接牛头山特长隧道与石门特长隧道,汉中岸引桥桥台紧接牛头山隧道明洞,宝鸡岸桥台距石门隧道出口20m,地形条件有限,可用工作平台较少,设计考虑缆索式起重机施工对场地要求高的实际情况,对两岸相邻隧道口均采用横洞进洞的开挖方式,待缆索式起重机塔架拆除、扣索解除后,反向出洞的施工顺序,减少隧道施工爆破对缆索式起重机系统的影响;根据地形条件,宝鸡岸在左、右幅桥各设置1套索塔系统,单套采用门式结构连接左、右侧塔架,扣、吊塔合一的结构形式(见图2),针对汉中岸提出了3种缆索式起重机建设方案。

该方案参考设计图纸建议方案,对塔架高度适当调整,两岸均设扣塔,宝鸡岸设吊塔使用吊扣合一的贝雷索塔结构形式,吊扣塔铰接连接,主锚、扣锚锚碇均采用桩基加挡土板锚碇;汉中岸主索直接采用桩基承台式锚碇固定在山体上方,扣塔采用贝雷索塔结构布置在拱桥2号拱座上,地锚系统向后上方布置在坡面上,采用桩基承台式锚碇。如图3a所示。

该方案两岸均采用传统扣挂施工,工艺成熟,扣索、锚索受力较有利。2号扣塔受力明确,扣锚和主锚在隧道洞口之上,有利于施工安全,主索汉中岸锚固于山坡基岩上,安装范围无吊装盲区,受力明确。但该方案中2号扣塔需拱座施工完成后方可开始拼装,施工工期较长,塔架高76m,安全风险高。

同样采取两岸均设扣塔的方式,宝鸡岸相对于方案1不做调整。在方案1基础上重点对汉中岸进行优化。将汉中岸扣塔布设于牛头山隧道洞口,降低塔架高度,1号扣索直接锚固于塔架基础承台上,预留张拉孔道,2~6号扣索使用扣塔扣挂,锚碇位置相应抬高,如图3b所示。

该方案优势在于降低塔架高度,减少缆索吊装系统临时工程量,利于隧道明洞、塔架位置变动,使得塔架拼装和拱座施工可同步进行,大大节省工期,降低工期控制难度,但该方案对隧道施工同样构成影响,隧道需待扣、锚索解除完成后方可出洞。

宝鸡岸与方案1、方案2相同。汉中岸根据地质条件,选择不设扣塔的隧道式锚碇,主索锚碇与扣索锚碇合二为一,在隧道式锚碇前方设置桩基承台转向基础,主索、扣索通过转向后,进入缆索工作角度,隧道式锚碇同时承担扣索及主索荷载及吊装时所有荷载,1号扣索因山体干扰,布置在引桥桥台,其余扣索均穿过隧道式锚碇预留孔道,在后部预埋钢板上进行张拉,如图3c所示。

该方案优点在于汉中岸不设塔架,节省临时工程的成本,且锚碇远离隧道洞口,隧道工程可由主洞进洞施工,爆破施工对锚碇影响较小,可提高施工效率;但该方案由于隧道式锚碇受力大,对锚碇设计要求高,又处于高达160m的陡坡上,大型机械无法到达,需大量人工。综合以上情况分析可得:

宝鸡岸塔架结构形式相同,汉中岸塔架高度越高,需要的各项措施相应增加,安全风险也越高,方案3不设塔架,适当增加隧道式锚碇洞室长度以提高安全系数较容易,安全风险较低。

方案3使用隧道式锚碇在成本控制方面有较大优势。

考虑了施工难度造成的影响,以方案1为基准,进行比较:方案3较方案1节省工期150d,较方案2节省工期120d。

主要考虑贝雷索塔、桩基锚碇、隧道式锚碇在设计、施工方面的技术难度,方案1所使用的索塔基础均布置在2号拱座上,拱座作为承载基础,布置预埋件,栓销相连,拱座承载可靠,塔身需贝雷片拼装76m塔架;方案2索塔基础需使用桩基承台式基础,结构常规,工艺成熟;方案3采用的隧道式锚碇在缆索式起重机上应用较少,且同步承载扣挂系统,受力较大,设计较复杂。

综合几方面分析,方案1,2采用的索塔、索鞍及塔身可使用塔式起重机或拔杆安装,桩基承台锚碇均为常规结构,工艺成熟,技术难度相对于方案3的隧道式锚碇较小,隧道式锚碇设计较复杂,用于扣挂施工中的和缆索式起重机更在同类型锚碇中较少见。方案3从安全、施工难度、工期、经济性等各方面具有较大优势,汉中岸锚碇系统采用方案3实施,即缆索式起重机主锚及扣挂施工中的扣锚采用合二为一的隧道式锚碇结构形式。

根据地形条件和缆索式起重机系统总体设计方案,隧道锚洞入口处转向索鞍高程与对岸索塔索鞍高程一致,转向基础设置在临坡边缘3m内,锚洞顺缆索方向设置在转向基础正后方。在洞口施作防护工程后,开始锚洞开挖掘进施工,洞室通道在计算和设计中长度采用25m,可满足受力要求,施工中可视实际地质情况进行适当调整;整个锚洞通道采用向下6°的俯角设计,将部分主索、扣索水平力分解为转向基础下压力,改善主锚碇受力性能。立面布置如图4所示。

汉中岸土质覆盖层约2m,以下分别为强风化、中风化片麻岩。为保证施工安全,在洞门外设施工平台,平台宽度4~7m,将进洞位置选择在强风化/中风化围岩内,仰坡高度6~8m,在坡顶设置截水沟及碎落台;洞门使用砖砌门洞防护,洞门及施工平台设计如图5所示。围岩为中风化至微风化片麻岩,岩石样本抗压强度可达25.5~47MPa,设计锚洞内洞壁采用挂网锚喷处理,喷射混凝土厚度5cm,地面铺设5cm厚小石子混凝土硬化,锚洞长度按25m设计和验算,并可根据实际施工中的地质情况适当调整,隧道式锚碇进入洞室后逐渐扩大至洞室设计尺寸。锚洞断面如图6所示。

锚固梁设计为C30钢筋混凝土结构,主索通过预转向滑轮连接锚固墙,扣索通过预留孔道穿过锚固墙后,在垫板上进行张拉;锚固墙设计受力体系为:将主索、扣索的荷载通过预埋钢梁、锚固墙均匀传递给周围山体围岩。综合分析,确定最大扩挖断面尺寸为6m×3.9m;锚洞开挖完成后,分别向上、下、左、右扩挖形成锚固墙及锚室,张拉洞室长2m。锚固墙下部主墙同侧衬、顶衬闭合成环,中部预留工作通道高1m,宽2m,闭合有利于混凝土结构整体受力,锚固墙总厚度为2m,宽6m,高3.9m,其中下部主墙高2.5m内部埋设主索转向滑轮预埋件。

为使地锚所受力均匀有效地传递给周边围岩,抵抗锚固墙与岩体卸岩面间的抗剪切力,锚固墙与斜岩面间设置25抗剪钢筋锚杆,长2m,入岩1.5m,单个锚碇共设置200根,布置如图7所示。

锚固墙是荷载的核心传递结构,进行预埋件及预留孔道设计(见图8)。主桥的6个扣挂安装段共设扣索预留孔道7对14个(2个作为备用孔),牵引、起重索转向绳预留孔各1个,所有预留孔直径均为100mm;主索牵引至锚洞内,经转向滑轮转向后使用绳夹固定,通过转向滑轮预埋件将主索荷载传递给锚固墙,转向滑轮组预埋钢板与后方工字钢梁焊接连接,相邻预埋钢板间增加150mm×150mm钢板与工字钢梁补强焊接连接,为加强预埋件与锚固墙共同受力性能,在预埋板上开孔,设Ф25通长钢筋3排×3层,排间距为200mm,层间距为100mm。如图9所示。

锚固墙为C30钢筋混凝土结构,选用钢材HPB300,采用受压混凝土受力特性进行配筋设计;最小配筋率取ρ_min=0.2%,根据锚固墙主墙截面尺寸2.5m(高)×2m(宽)。钢筋设计如图10所示。

锚碇采用C30钢筋混凝土结构,根据缆索式起重机系统受力体系,经计算锚碇所受的总下压力最大为1 723k N,水平拉力最大为7 965k N。

在荷载作用下,混凝土垫层与斜岩面间将产生3 435k N剪力,单根25锚杆能够承受的剪力为50k N,100根锚杆共抵抗的剪力为5 000k N>3 435k N,满足要求。

为简化计算,明确受力体系,使用锚梁形式建模,锚梁采用Q345B钢梁,容许应力为200MPa,主索锚梁受到的主索拉力为4472k N,锚梁截面为450mm×600mm,建立有限元模型,经计算,主索锚梁应力最大组合应力为183MPa,小于Q345B容许应力200MPa,满足要求,偏于安全考虑,本计算未考虑加劲板与刚域对锚梁弯矩的减小效应。

为验证设计合理性,分析受力体系建成后锚碇的受力变化,积累设计经验,在锚碇内部预埋多组传感器,同时也可达到监控锚碇安全状态的目的;传感器预埋按照主要受力点位分配,如图11所示。

施工前准备→洞门施工→洞身施工→洞室扩挖→洞室验收→预埋件、预留孔道安设→锚固墙钢筋施工→安装监测传感器→一次性浇注锚固墙主墙、侧衬→二次浇注顶衬→监测传感器初始状态→安装固定主索→监测锚固系统受力工况→分阶段安设张拉扣索→分阶段监测锚固系统受力工况。

施工准备包括工作索道架设、施工平台开挖、洞门仰坡防护等工程;将坡面碎石土层、强风化层分层清理至设计高程后形成施工平台。仰坡开挖完成后,该平台作为后期施工场地使用,施工中使用人工配合小型机具开挖,岩石采用常规钻爆设计,渣土清理至下方拱座平台运走。洞门仰坡挂网锚喷处理,施工碎落台及截水沟、整个施工平台完成后,开始施作洞门,洞门设计如图5所示。由于仰坡较低且为石质坡面,洞门考虑防落石及进洞安全施工设计,采用拱形骨架回填土作为缓冲。

锚洞开挖施工采取常规岩石隧道施工工艺,人工爆破开挖,每循环进尺1~1.5m,及时进行初期支护;考虑缆索式起重机主索受力对角度的高要求,整个施工过程严格按设计角度、方位开挖,整个开挖施工中,多次对开挖方向进行校准,安设导向桩;所有洞室均开挖至中风化岩层内,根据围岩情况对洞室长度适当加长调整。

锚洞开挖至洞室长度后,先进行主通道开挖,后进行两侧扩挖,顶衬平均向上扩挖50cm,锚墙下部扩挖150cm,两侧扩挖200cm。开挖爆破至扩挖尺寸30cm以内时,减小周边眼间距,控制装药量,避免破坏承载岩面,各部位均分3次以上扩挖完成,最后一次爆破后,使用电镐将表面松散围岩清理干净,整个承载面须全部露出原状围岩。整修完成后,进行锚洞、洞室验收。

钢材、预埋件加工完成后,使用工作索运输至隧道式锚碇施工平台进行绑扎、安装。施工顺序为:施工放样各预埋部位→绑扎底层钢筋网→初步安装预埋件→初步加固预埋件→精确测量定位→调整合格后固定预埋件→穿设25连通钢筋→绑扎锚碇主墙、侧衬钢筋网→安装应力传感器→复核预埋件位置→闭合模板。扣索预留孔道采用10cm PVC管埋设,张拉端布设锚下钢筋、锚垫板,同样采用全站仪进行定位,与主索预埋件同步施工、定位;应力传感器的埋设严格按施工方案图纸定位,监测线顺模板拉出浇注范围,所有监测头均使用橡胶管保护。

混凝土浇筑共分2次完成,锚碇混凝土采用泵送施工,施工顺序为:布设泵送管→安装加固泵送管→泵送润管砂浆→泵送浇注锚碇主墙、侧衬→二次安装顶衬钢筋、模板→浇注顶衬混凝土完成锚碇浇注施工。

隧道锚在扩挖时必须严加控制装药量、炮眼间距、炮眼深度等关键参数,确保不扰动承载围岩面,施工中可采取布设减震孔及电镐开凿最后接触面等措施来保证。

主索、扣索预埋件的施工定位需要完善的测量方案并进行精确控制,并在安装模板、混凝土浇筑施工中严加控制,过程中如产生偏位,立即进行调整,保证各预埋件的预埋精度。

锚杆角度对剪力有重要影响,按照方案设计要求,必须垂直岩面打设,但实际施工中,在上、下缘等难以打设到位的情况下,可适当调整锚杆间距,保证锚杆角度;锚杆伸入锚固墙长度与入岩长度同样重要,对剪切受力影响较大,不可一味增加入岩长度,必须同时保证锚固端长度。

扣索张拉垫板角度及锚墙角度、平整度在张拉前进行测量、修正,保证垫板紧贴锚固墙,张拉方向垂直于垫板,预防钢绞线因靠紧预埋锚垫板或预留孔道而发生弯折现象。施工中可采取打磨锚固墙的方式修正平整度、调整张拉垫板角度。

钢筋布设不可切断主筋,由于锚洞狭小,主筋长度较长,安装困难,尽可能采取大半径弯折后进入、洞室内人工调整的方法安装。前缘主筋及箍筋的受力复杂,为保证施工质量,尽可能在整个前缘不产生主筋接头,更不可随意切断,二次焊接。

锚碇受力变形监测在混凝土浇注施工后开始进行,首先测定各传感器初始状态,安装数据采集、发射装置。每0.5h自动发送1次数据至服务器,锚碇在主索牵引前启动电源进行数据采集,分析如下。

单个锚碇主索全部挂设完成后,进行初次数据采集分析,此时主索为空索状态,记录仪显示各部位传感器工作正常,各应力监测值间相差微小,计算拉力应变值均未超过0.2MPa,锚碇表面混凝土未发现有裂缝等损伤。

在缆索式起重机系统全部调试完成,满载试吊时,同步进行数据采集分析,此时主索为满载受力工况,记录仪显示各部位传感器工作正常,预埋件左、中、右共32个应力监测值间相差较小,计算拉应力均未超过0.4MPa,锚碇混凝土表面未发现有裂缝等损伤。

隧道式锚碇最大受力工况在所有6个钢管拱肋节段扣挂安装完成后出现。第1节段安装扣挂施工后,监测拉应力未超过0.4MPa,锚碇混凝土表面未发现有裂缝等损伤。

隧道式锚碇在石门水库特大桥缆索式起重机系统及钢管拱扣挂安装施工中的成功应用,节省了成本,缩短了大桥的建设工期,并通过应用积累了设计、施工、应用经验。