[发明专利]超大直径空心群桩锚碇的施工方法碇

说明书

技术领域

本发明涉及悬索桥锚碇，具体地，涉及一种超大直径空心群桩锚碇的施工方法。

背景技术

悬索桥的承重构件主要由主缆、桥塔和锚碇三部分组成。其中桥体结构的自重和主要荷载通过主缆传导至桥塔，而主缆两端仅由锚碇结构锚固，其内力通过锚碇传递到地基中，因此锚碇结构的承载能力是决定悬索桥的整体稳定性的关键构件。

中国公路悬索桥重力式锚碇基础现状：国内最常用的锚碇承载方案是重力式锚碇，其承载原理是通过锚碇结构的自重来平衡锚索的竖向拉向，通过锚碇底部与地基之间摩擦力来平衡锚索的水平拉力。悬索桥锚碇的施工方案包括地下连续墙、沉井等方案，其特点包括：

(1)地下连续墙锚碇施工方案

这种方案最为常用，适用于多种地质条件。该方案首先进行地下连续墙围堰施工，在围堰施工完毕后在基坑中下放钢筋网，分层浇注混凝土，最后形成钢筋混凝土锚碇结构。其中地下连续墙的外包范围远大于锚碇结构的受力范围，与其他支护体系一样，其功能仅仅是挡土止水，并不参与分担主缆的荷载，造成了材料的极大浪费。同时地下连续墙施工需要采用铣槽机等专用机械，在地下水较丰富的地层施工时，还需要注意墙幅之间的咬合止水，对施工要求较高，因此造价比较昂贵。

(2)沉井锚碇施工方案

该方案是通过在大体积井筒内取土，井筒结构在自重作用下同步下沉形成基础结构。这种井筒结构体积巨大，整体性好，其承载能力可达数万吨级。然而受施工方法制约，井筒下沉过程中不可避免地切削了筒周土体，造成过大的相对位移，破坏了筒周土摩阻力，导致沉井基础竖向承载能力损失严重。且在施工过程，沉井下沉所需自重常超出结构强度限值，在地质不均匀土层中施工容易倾斜，极难纠正。因此近来年沉井方案在悬索桥锚碇施工中的应用不多。

从上述两种方案可以看到，重力式锚碇的普遍体积巨大，决定了其开挖量大，混凝土用量多，工期长，造价高的特点。以湖南在建某大型悬索桥为例(图10)，其主缆拉力高达8.75×10⁵kN，一侧锚碇地处于粘性土风化岩地层，采用传统的地下连续墙重力式锚碇基础。该重力式锚碇混凝土用量高达 16万方，占全桥混凝土总用量的90％，造价1.37亿，两岸锚碇总造价为全桥总造价的15％，可见其重要性。

尽管重力式锚碇结构承载方案应用最广，然而其根本缺陷在于全面抛弃的土抗力和过大的自重。重力式锚碇承载原理是依靠其自身的巨大配重来平衡主缆的竖向分力，通过锚碇基础与基底面产生的摩阻力(f＝0.2G)或嵌固力来平衡主缆的水平分力，其中水平分力是主缆荷载的主要部分。在重力式锚碇方案设计中另一个非常重要的水平承载因素——锚碇受拉面土体的被动抗力被完全忽略了，因此为达到增大基底摩擦力的目的，锚碇体积必须要设计得非常大，不仅材料上造成过大浪费，而且过大的自重对基底持力层土体的承载能力要求非常高，这一缺陷是导致重力式锚碇结构造价居高不下的最主要原因，阻碍了悬索桥的大范围推广。

(3)群桩锚碇方案

群桩基础由桩和承台两部分组成，适用于抗剪强度较高的地质条件，可充分发挥桩侧土抗力来抵抗水平荷载，是常用的水平承载方案。其荷载传递路线是上部荷载通过承台分配给各桩，基桩再把荷载传递到深层地基中，这一过程中桩身强度和桩周土抗力是决定水平承载能力的关键因素，桩身直径越大，则桩身强度越强。目前国内大直径桩钻机成孔直径极限为3～5m，不足以抵抗锚碇所受的数万吨主缆水平拉力，因此锚碇采用群桩基础承载方案需要桩径达10米以上的超大直径桩。

根据结构力学原理，当承受均布荷载的基桩结构两端采用一端固支一端铰支方案时，桩身最大弯矩约为两端采用固支方案的1.5倍，因此水平承载的群桩基础必须尽量达到两端固支，以减小桩身内力。一般桩底通过嵌入基岩中可达到固支条件，而桩顶只有增大承台刚度才能满足固支条件，然而对于直径达10米以上的超大直径桩而言，满足桩顶固支连接要求的承台高度将达到数十米，这将大大增大承台体积，不利于结构优化。如采用空心桩构造，则满足固支条件的承台厚度可大大减小，空心桩方案不但减小了基础自重，节约了造价，而且相比实心桩而言其抗弯性能并未有较大降低。由此可见，基桩空心构造是锚碇基础超大直径群桩方案的必由之路。