西堠门公铁大桥金塘岛侧锚碇方案研究.pdf

JOURNALOFRAILWAY ENGINEERINGSOCIETYAug32023NO.8(Ser.299)程报学道铁2023年8 月第8 期（总2 9 9)文章编号：1 0 0 6-2 1 0 6(2 0 2 3)0 8-0 0 6 7-0 5西埃门公铁大桥金塘岛侧锚方案研究严爱国米米王鹏宇刘振标王志平（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430 0 6 3）摘要：研究目的：西埃门公铁大桥主桥采用主跨1 48 8 m斜拉悬索协作体系桥方案。金塘岛侧锚锭位于低山丘陵区，基础持力层为弱透水性、承载力高的微风化英安岩。通过对锚锭方案、后锚室断面形式、施工通道形式等进行方案比选研究，选择经济合理的适用于硬质岩的锚锭结构形式，供今后类似工程参考。研究结论：（1)对重力式锚、隧道式锚、岩锚锚进行了比选，岩锚锚锭在结构受力特性、经济性、对环境影响等方面均优于其他锚形式，推荐采用岩锚锚；（2)对倾斜式、竖直式两种后锚室断面形式进行了比选，竖直式后锚室施工简便且质量容易保证，推荐采用竖直式后锚室；（3）对竖井、斜井两种施工通道形式进行了比选，斜井在施工期间无需升降设备，施工简便，推荐采用斜井形式；（4）本研究成果可为悬索桥岩锚锚碳设计提供参考或借鉴关键词：悬索桥；锚锭；岩锚锚锭；隧道式锚锭；重力式锚锭；锚固系统中图分类号：U448文献标识码：AStudy on the Side Anchor Block of Jintang Island of Xihoumen Rail-roadBridgeYAN Aiguo,WANG Pengyu,LIU Zhenbiao,WANG Zhiping(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.Ltd,Wuhan,Hubei 430063,China)Abstract:Research purposes:The main bridge of Xihoumen Rail-road bridge is a combined cable-stayed andsuspension structure with a main span of 1 488 m.The anchor block of Jintang island is located in the low mountain andhilly area.The supporting layer of the foundation is slightly weathered dacite with weak permeability and high bearingcapacity.Through the comparison and selection of the anchorage schemes,the section form of the rear anchoragechamber,the form of the construction passage,etc.,an economical and reasonable anchorage structure suitable for hardrock is selected as a reference for similar projects.Research conclusions:(1)The gravity anchor,tunnel anchor and rock anchor were compared and selected.The rockanchor was superior to other anchor types in terms of structural stress characteristics,economy and environment.Therock anchor was recommended.(2)The vertical rear anchor chamber was recommended for its simple construction andeasy quality assurance.The two construction access forms of vertical shaft and inclined shaft were compared andselected.(3)The inclined shaft did not need lifting equipment during the construction,and the construction process wassimple.The inclined shaft form was recommended.(4)The research results can provide reference for rock anchoragedesign of suspension bridges.Key words:suspension bridge;anchor block;rock anchorage;tunnel anchorage;gravity anchorage;anchorage system米1收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 3基金项目：中国铁建股份有限公司科技研究计划课题（2 0 2 0 A01）*作者简介：严爱国，1 9 7 1 年出生，男，教授级高级工程师。2023年8 月程报学道铁681概述1.1工程概况西埃门公铁大桥是甬（宁波）舟（舟山）铁路跨海大桥的关键工程，也是甬舟高速公路复线共同跨越西埃门水道的工程。大桥位于浙江省舟山市境内，西岸位于金塘岛，东岸位于册子岛；大桥位于既有西埃门公路大桥以北2.8 km处。西埃门公铁大桥主桥采用主跨1 48 8 m斜拉悬索协作体系桥 1 ，公铁同层布置。甬舟铁路按双线客运专线标准设计，设计速度2 50 km/h，线间距4.6 m，有轨道结构形式；甬舟高速公路复线为双向6 车道高速公路，设计速度1 0 0 km/h。甬舟铁路西埃门公铁大桥主桥立面布置示意如图1 所示。金塘岛册子岛一6831488677x-DZ07-3图1甬舟铁路西埃门公铁大桥主桥立面布置示意图（单位：m）1.2建设条件1.2.1地形地貌金塘岛侧锚位于金塘岛东北端，位于剥蚀低山丘陵区，自然山坡属斜坡，自然坡角一般为1 52 5。近海域处基岩裸露，金塘岸山体陡峭，坡角近垂直；基岩受海蚀作用较严重，海蚀地貌较为发育，主要为海蚀沟槽。1.2.2水文地质锚范围内陆域无地表水，地下水主要为潜水，地下水以基岩裂隙水为主，锚锭周边围岩透水性大部分较弱，锚锭地区地层的渗透系数及透水性如表1所示。表1地层渗透系数及透水性岩土层名称渗透系数/(md-l)透水性弱风化英安岩25中等透水微风化英安岩0.1 0.5弱透水1.2.3工程地质锚锭区下伏基岩为英安岩，基岩中局部发育有节理密集带，带内岩体破碎；全风化层厚度一般小于5m;强风化层厚度一般小于5m；弱 微风化层岩面埋深一般小于1 5m。弱微风化岩体基本质量等级为I类，承载力高，工程性能较好。锚处上层主要为弱风化英安岩，下层主要为微风化英安岩，有少许覆盖层。各岩土层设计参数如表2 所示。表2金塘侧锚主要地层设计参数岩土施工工程分级抗剪断峰值强度等效内摩擦角基本承载力单轴抗压岩土名称围岩分级内摩擦角黏聚力分类分级标准值/()/kPa强度/MPa$/()c/MPa弱风化英安岩次坚石VIV526227 390.2 0.72.00030微风化英安岩坚石VI627250601.52.13500702方案比选2.1锚锭形式结合桥址处地形、地质等条件，对重力式锚、隧道式锚锭、岩锚锚锭3种锚方案进行比选。2.1.1重力式锚锭金塘侧锚锭区覆盖层较薄，其下有承载力较好的微风化英安岩，因此选择重力式锚是适宜的，为提高抗滑效果，锚体基底设2 级台阶，采用嵌岩式重力锚。主缆在锚锭的入射角为2 1.4，根据入射角及散索鞍主缆平面稳定性的要求，确定前锚室主缆中心线的水平角为37。锚理论散索IP点至前锚面距离为26m;前锚面至后锚面距离为2 4m；锚体总高度44m，顺桥尺寸为7 0 m，横桥向尺寸为50 m；单个支墩顺桥向尺寸为9 m，横桥向尺寸为1 2 m。支墩采用C50混凝土。锚锭基底标高+5.0 m，位于1 0 0 年一遇潮水位以上。重力式锚方案立面如图2 所示。2.1.2隧道式锚旋与重力式锚锭相比，隧道式锚锭具有环境扰动少与性价比高的优势。公路悬索桥采用隧道锚较多，如四渡河桥、云南金安金沙江大桥、泸定大渡河特大桥、王鹏宇严爱国第8 期刘振标等：西埃门公铁大桥金塘岛侧锚方案研究6900100S1009+00826500图2重力式锚锭方案立面图（单位：cm）云南普立特大桥、重庆几江长江大桥2-6 等。铁路悬索桥采用隧道锚较少，目前国内只有丽香铁路金沙江大桥 7 采用隧道锚。金塘岛侧锚锭处地质条件较好，适宜采用隧道锚。金塘侧隧道锚锚塞体纵断面设计为前小后大的楔形，锚体长40 m，锚锭轴线与水平线的夹角为37横断面顶部采用圆弧形，侧壁和底部采用直线形，前锚面尺寸为1 2 m14m，顶部圆弧半径6 m，后锚面尺寸为2 0 m25m，顶部圆弧半径1 0 m，左右隧洞最小净距1 1.57 5m。左右锚锭散索点距线路中线1 4.7 51 m，锚锭平面角度0.9 9。散索鞍支墩为实体混凝土结构，采用扩大基础。隧洞开挖支护参数根据围岩类别、工程地质、结构埋深及结构跨度等因素确定。围岩等级级,开挖时能够在一定程度上形成拱，前锚室初期支护采用D25中空注浆锚杆、C30喷射混凝土、钢筋网以及工字钢支架等与围岩共同组成支护体系；前锚室二次衬砌采用C40钢筋混凝土结构；锚塞体与后锚室初期支护采用普通钢筋锚杆、C30喷射混凝土、钢筋网以及格栅支架等与围岩共同组成支护体系。锚塞体采用C30微膨胀混凝土，为了抑制混凝土的收缩与开裂、提高抗渗能力，锚塞体混凝土掺人聚丙烯纤维网。开挖支护衬砌厚度合计7 5cm，二次衬砌采用现浇钢筋混凝土结构,厚50 cm。隧道式锚方案立面如图3所示2.1.3岩锚锚旋岩锚的作用是利用高质量的岩体,将主缆拉力分散在单个岩孔中锚固，取消锚塞体混凝体用量，可节约工程材料。金塘侧锚处岩石的饱和单轴抗压强度主要集中在7 0 MPa以上，处中等水平。据此可划分岩石为硬岩-较硬岩。岩体节理裂隙较发育，结构面结合好,综合判断岩石较完整，因此对岩锚锚方案进行研究。前锚面垂直于主缆理论散索中心线，后锚面横向3500400030图3隧道式锚锭方案立面图（单位：cm）垂直于线路中心线，从散索鞍理论IP点到前锚面距离为30 m，与后锚面交点中心处距离为7 0 m。锚块均采用钢筋混凝土结构。前锚面每个锚块尺寸为1 3m14m，厚度4m，预应力在该段实现转向后，顺接到岩孔中。后锚面两锚块连为整体，锚块尺寸为58 m14.9 m,厚度2.5 m。理论散索点到支墩顶面(混凝土面)的距离为2.3m。散索鞍支墩锚块均采用钢筋混凝土结构，支墩斜长约22m，与竖直面夹角为2 7.8 7 4。支墩断面尺寸9 m（横向）9 m（纵向），支墩基础底面平面尺寸1 3m（横向）1 5m（纵向）,基础厚度4m。为了确保主缆锚固预应力钢绞线的耐久性，岩锚预应力孔道内钢绞线采用可更换成品索钢绞线。成品索钢绞线可实现单根逐根更换，确保结构耐久性。预应力锚固构造由管道、分丝管、环氧钢绞线及锚具、锚头防护帽等组成。岩锚体主要承受预应力锚固系统传递的主缆索股拉力。锚体位于微风化英安岩，采用高精度钻孔在岩体中形成预应力锚固孔道，每侧岩锚钻孔34个，钻孔直径有350 mm及30 0 mm两种规格。岩锚锚方案立面如图4所示。300010001900400050000937500250图4岩锚锚锭方案立面图（单位：cm）2023年8 月报程道铁学702.1.4综合比较金塘侧锚方案综合比较如表3所示。表3金塘侧锚方案综合比较项目重力式锚锭隧道式锚碳岩锚锚锭适用于基岩埋深较浅、地基承适用于基岩埋深较浅，基岩强度适用于基岩强度高，基岩完整性适用条件载力较高的地方，一般需开挖高且完整性较好的地方，对环境好，无地下水腐蚀，充分利用岩体大基坑，对地表有一定破坏影响小，开挖方量较小强度，工程开挖量小依靠锚锭底面与基岩的摩擦力锚塞体与岩体结合为整体，靠岩在岩体中钻孔，穿过预应力束，通结构受力特点抗滑，受力明确体抗剪来承担主缆拉力过后锚面承压传递主缆拉力混凝土/m580233407911540开挖量/m3132.81558 47947 271经济性经济性较差（0 万元）经济性较好（-1 47 3万元）经济性好（-30 31 万元）重力式锚技术成熟，但基坑较深，开挖量大，造成山体刷方量大，对环境破坏较大，工程造价高。隧道式锚受地质条件的影响较大，要求锚址区的地质条件稳定、岩体具有较强的整体性及较高的强度，但隧道锚断面尺寸大，斜洞开挖具有一定的难度，洞室内施工空间狭小，锚固系统安装不便，锚体大体积混凝土浇筑水化热控制要求高。岩锚锚为承压型受力结构，结构受力明确，开挖量小，工程投资最省，同时岩锚施工工艺较简单，施工方便，对自然环境影响较小。从结构受力特性、工程造价、工期、施工难易程度等各方面综合考虑，金塘侧锚推荐采用岩锚锚。2.2后锚室后锚室结构形式主要有倾斜式和竖直式两种形式，下面对两种形式进行比选2.2.1倾斜式后锚室断面采用曲面三角形,断面宽1 1.1 m,高12.68m。后锚室开挖支护衬砌厚度合计7 5cm，初期支护采用长3.5m、纵环向间距1 m1m梅花形布置的25中空注浆锚杆和2 5cm厚的挂网喷射C25混凝土。二次衬砌采用现浇钢筋混凝土结构，厚50 cm。该结构形式后锚面与岩体之间受力明确，结构尺寸相对较小，经济性好，但后锚室结构本身受力复杂，施工难度大，尤其是后锚面为倾斜结构，锚体混凝土与岩体结合面施工质量不易保证。岩锚锚锭倾斜式后锚室立面如图5所示2.2.2竖直式后锚室断面采用圆拱形，断面宽7.5m，高1 5.0 m。竖直式后锚室方案立面布置如图4所示。后锚室锚锭侧利用后锚面混凝土作为支护结构，锚室内其他位置采用复合式衬砌。复合式衬砌由初期支护、防水隔离层与二次衬砌组成，初期支护采用喷射混凝土，二次衬砌采用模筑混凝土。该结构形式后锚面与岩体之间受力相对复杂，结构尺寸相对较大，但结构本身受力合理，施工简便，后锚面为竖直结构，锚体30001000190040005002008971110图5岩锚锚锭倾斜式后锚室立面图（单位：cm）混凝土与岩体结合面施工质量容易保证。经综合比选可知：竖直式后锚室结构后锚面与岩体之间受力虽相对复杂，经济性稍差，但后锚室结构受力合理，施工质量可控。因此,后锚室结构形式采用竖直式。2.3施工通道施工通道结构形式主要有竖井和斜井两种形式，下面对两种形式进行比选2.3.1竖井竖井直径7 m，高45m。竖井开挖支护衬砌厚度75cm，初期支护采用2 5cm厚的挂网喷射C25混凝土，二次衬砌采用现浇钢筋混凝土结构，厚50 cm。铁路运营期间，竖井内设置电梯，作为锚锭的检修通道使用。竖井结构形式构造简单，受力明确，但施工难度大，施工期间需要提升设备，工作量大。岩锚锚锭竖井立面如图6 所示2.3.2斜井后锚室标高-1 2.1 36 m，锚锭前端为地面道路，路面标高1 3.8 9 m，后锚室标高在地面以下，通过斜井连通到地面。斜井按无轨运输单车道断面设计，斜井洞身段设置半径40 m的圆曲线，斜井平面长2 6 1 m，最大纵坡为1 1.5%，斜井采用单车道无轨运输断面，井To P.79)下转第7 9 页王鹏宇严爱国刘振标等：西埃创锚旋方案研究第8 期71500竖井3000100000S1900540001500O0S500250图6岩锚锚锭竖井立面图（单位：cm）口处接既有地面道路。为防止洞外水倒灌，出井口后路面做成3%的反坡，并在洞口外2 m处设横向截水沟一道。斜井结构形式构造相对复杂，长度相对较长，但施工简单，施工期间不需要特殊设备。岩锚锚锭斜井平面布置如图7 所示。集水井R40870.0道路60.01斜井50.040030.020.0图7岩锚锚锭斜井平面布置图（单位：m）经综合比选可知：斜井结构形式构造虽相对复杂，经济性稍差，但施工简单。因此，施工通道结构形式采用斜井结构。3施工方法岩锚锚锭施工主要包括基坑及锚室开挖、斜钻预应力孔道、穿张预应力筋、预应力管道与孔壁之间压浆等关键内容。具体如下：(1)前锚面及支墩基坑开挖，前锚面1 m以内采用机械开挖和人工修整。（2)斜井、后锚室开挖及支护，采用水磨钻开挖后锚面竖墙，同时施工初期衬砌。（3）在岩体内钻置预应力管道孔，采用扶正器、同心回转钻头等，确保钻孔倾斜度不大于0.5%，每隔5m需测斜一次。（4)穿预应力筋管道，并精确定位管道位置；穿张预应力筋，并浇筑前后锚面锚垫板（5）施工支墩及前锚室混凝土底板；张拉预应力钢绞线；安装散索鞍，架设主缆索股并张拉；预应力管道与孔壁之间压浆。(6)待主梁吊装完成后，施工剩余部分锚室。岩锚锚锭施工示意如图8 所示。回填支墩钢绞线预应力索股后锚室图8岩锚锚施工示意图4结论甬舟铁路西埃门公铁大桥结合桥址地形特点，采用主跨1 48 8 m斜拉悬索协作体系桥。金塘岛侧锚锭位于弱透水性、承载力高、工程性能好的微风化英安岩地层。从结构受力、施工、经济性等方面对重力锚、隧道猫、岩锚锚方案进行比选。岩锚锚锭结构受力明确、开挖量小、工程投资最省，同时岩锚施工工艺较简单，施工方便，对自然环境影响较小，推荐采用该方案。岩锚锚锭为国内首次采用，该结构形式具有经济性好、对环境影响小等优点，必将推动国内悬索桥技术的发展。该桥于2 0 2 2 年1 1 月开工建设。参考文献：1严爱国,文望青，刘振标，等.甬舟铁路西埃门公铁两用大桥金塘侧桥塔深水基础方案研究J.世界桥梁，2 0 2 0(S1):34-39.Yan Aiguo,Wen Wangqing,Liu Zhenbiao,etc.Study ofDeep-water Foundation Schemes for Jintang-sideTower of Xihoumen Rail-cum-Road Bridge onNingbo-Zhoushan Railway J.World Bridges,2020(S1):34-39.2朱玉，廖朝华，彭元诚，等.大跨径悬索桥隧道锚设计及结构性能评价 J.桥梁建设,2 0 0 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