CN111535177A - 一种由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇及其施工方法，包括锚索围岩、现浇于锚索围岩的边坡开挖的平台上的钢筋混凝土锚墩，钢筋混凝土锚墩和锚索围岩之间设有斜向预应力锚索群和竖向预应力锚索群；钢筋混凝土锚墩内设有锚固钢筋，锚固钢筋的端头与位于钢筋混凝土锚墩前端的钢结构传力梁连接，主缆拉力通过钢结构传力梁作用于岩锚锚碇。本发明通过锚碇的预压应力状态将主缆拉力转换为岩体压力和剪力，从而借助于岩体抗压和抗剪强度高的特点带动山体提供强大的抗拔力，本发明岩锚锚碇结构承载能力强、安全性高、岩土体挖方量小、工程造价低，为桥梁、土木工程建设缆索吊装系统提供一种全新的锚碇结构方式，具有良好的经济环保效益。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程以及土木建筑工程的技术领域，尤其涉及一种由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇及其施工方法，主要适用于悬索桥巨大主缆拉力承载，也适用于大型钢箱拱桥的施工建设承载，或者适用于建构筑物的缆索吊装系统承载。
背景技术
近年来，西部地区大力发展交通基础设施建设，桥梁建设的重点从平原转向山区，由于悬索桥跨越能力强，所以在山区桥梁选型中备受青睐。悬索桥传递荷载的路径为加劲梁所承受的恒载、车辆荷载等作用通过吊杆传至主缆，再由主缆传递到锚碇，锚碇是悬索桥重要的组成部分，锚碇的安全关系到大桥建设的成败，目前主要的结构形式有重力式锚碇和隧道式锚碇两种。
在平原地区，一般采用重力式锚碇，通过大体积混凝土的强大吨位及摩擦力抵抗悬索桥荷载拉力。在高山峡谷区，由于地形和施工环境的限制，没有广阔平坦的空间来修建重力式锚碇，所以多采用借助山体提供承载力的隧道式锚碇。然而，隧道式锚碇施工需开挖变截面长深隧道，开挖难度大、施工工期长，且需要对洞室及时支护，爆破挖洞等施工作业对整个山体破坏较大，隧道锚承载后更进一步降低了整个山体的稳定性。这些缺点，甚至导致因为山体结构不适于修建隧道锚而被迫放弃悬索桥结构形式。
发明内容
基于上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是在于提供一种由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇，结构可靠度高，工程量小造价低，解决了隧道锚洞室开挖难度高、对环境干扰大以及部分山体结构因不适于修建隧道锚而被迫改变悬索桥形式的问题。
相应的，本发明还提供了一种由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇的施工方法，方法易行，利用斜向预应力锚索群和竖向预应力锚索群对锚索围岩进行预压，通过锚碇的预压应力状态将主缆拉力转换为岩体压力和剪力，从而借助于岩体抗压和抗剪强度高的特点带动山体提供强大的抗拔力。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇，包括锚索围岩、现浇于锚索围岩的边坡开挖的平台上的钢筋混凝土锚墩，所述钢筋混凝土锚墩和锚索围岩之间设有斜向预应力锚索群和竖向预应力锚索群；所述斜向预应力锚索群和竖向预应力锚索群的一端锚固于锚索围岩的边坡深部基岩中，其另一端与钢筋混凝土锚墩连接；所述钢筋混凝土锚墩内设有与所述斜向预应力锚索群和竖向预应力锚索群交错布置的锚固钢筋，所述锚固钢筋的端头与位于钢筋混凝土锚墩前端的钢结构传力梁连接，主缆拉力通过所述钢结构传力梁作用于岩锚锚碇。
其中，钢结构传力梁的主材采用Q345B钢板焊接而成，锚固钢筋可采用精轧螺纹钢筋，并与预应力锚索在钢筋混凝土锚墩内交错布置。锚固钢筋也可采用角钢代替，角钢现浇于混凝土锚墩内，其端头与钢结构传力梁焊接，可进一步增强岩锚锚碇结构的整体性。
优选的，所述钢筋混凝土锚墩采用实体钢筋混凝土结构，其前端设计成台阶式，其底部水平设置，其背部与水平面成65°～70°夹角。
由上，钢筋混凝土锚墩与既有山体表面坡线基本平行，以减少山体土石的开挖量。
进一步的，所述斜向预应力锚索群的方向与钢筋混凝土锚墩的背部垂直，并与水平面成20°～25°夹角；所述斜向预应力锚索群的总体受力方向与主缆拉力方向的夹角小于5°。
由上，有利于锚碇处于最佳受力状态。
进一步的，所述斜向预应力锚索群和竖向预应力锚索群均采用矩阵排列分布方式；所述斜向预应力锚索群的锚索之间的间距为2m～4m，其相邻锚索的锚固段的长度相同，相邻锚索的自由段相差一个锚固段的长度，并在岩体深部长短交错呈梅花型布置。
由上，斜向预应力锚索群采用矩阵排列分布方式，每根锚索的锚固段锚固于锚索围岩的边坡深部基岩，其锚固段的长度为12m，相邻锚索的锚固段埋深相差12m，从而形成锚索群长短交错的梅花型布置，以避免在锚固段围岩中形成拉应力集中带。
优选的，所述斜向预应力锚索群采用压力分散型锚索，所述竖向预应力锚索群采用拉力集中型预应力锚索，锚索的预张拉值为其锁定值的1.2倍，锚索的锁定值与锚索的承载设计值相等。
其中，斜向预应力锚索群的每根锚索选用15～18股Φ15.24的钢绞线，钢绞线的屈服强度为1860MPa。竖向预应力锚索群用于抵抗主缆拉力方向轻微波动时对锚碇产生的倾覆力矩，竖向锚索的数量少于斜向锚索的数量，竖向预应力锚索群的每根锚索选用6～9股Φ15.24的钢绞线，钢绞线屈服强度为1860MPa，竖向锚索的锚固段深入边坡深部基岩，锚固长度为10m。
进一步的，所述斜向预应力锚索群和竖向预应力锚索群的锚头端部安装有测力装置，用于监测预应力锚索在张拉锁定后及运营承载时的受力状态。
其中，斜向预应力锚索群为主要的传力构件，其可靠性及耐久性至关重要，因此在预应力锚索外的锚头端部需安装测力装置，及时监测预应力锚索在张拉锁定后及运营承载时的受力状态，便于锚固力损失情况下的补偿张拉，以及在单根预应力锚索失效时及时更换。
由上，本发明的设计思路是：利用斜向预应力锚索群和竖向预应力锚索群对锚索围岩进行预压，预应力锚索群和围岩组成复合预应力锚碇，当主缆拉力传至岩锚锚碇时，其预压弹性能得到释放，从而将主缆拉力转换为岩体的压力和剪力，从而带动整个山体承载，实现完全利用天然岩体边坡承担外部拉力荷载的目的。
本发明的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇的施工方法，其步骤为：
(1)钢筋混凝土锚墩平台开挖：根据边坡地形特点和工程地质条件，进行钢筋混凝土锚墩平台选址，钢筋混凝土锚墩平台开挖时除去坡表浮土，直至碎石层，地基承载力不小于500kPa，钢筋混凝土锚墩的背部与削坡紧密贴合；
(2)预应力锚索施工：每一个锚孔进行3次钻孔，每一次钻孔的方位、角度一致；下完锚索后马上开始注浆，注浆采用二次劈裂注浆，第一次注浆灰砂为1∶0.75的水泥砂浆，注到水泥浆溢出孔口为止，第二次注浆在第一次注浆结束后12h进行，水灰比为0.5∶1的纯水泥浆，注浆压力1.5-2.0MPa，持压15min；
(3)钢筋混凝土锚墩及钢结构传力梁施工：锚索施工完成后，首先吊放钢筋混凝土墩台的骨架，并确保所有锚固钢筋和钢结构传力梁预埋件的安装位置及安装数量，而后分层分块浇筑混凝土；
(4)预应力锚索张拉锁定：当钢筋混凝土锚墩的混凝土强度达到要求后，进行锚索的预应力张拉；先张拉竖向预应力锚索群，后张拉斜向预应力锚索群，全部锚索张拉完成后，对钢结构传力梁位置与初始位置进行观测对比，确保没有位移迹象；
(5)岩锚锚碇试拉：在整套岩锚锚碇系统施工完成后，且在岩锚锚碇正式承载前，进行锚碇安全性试拉作业。
另外，在岩锚锚碇安全性试拉作业中，按50％、75％、100％、120％设计承载力进行加载，在每个级别的荷载作用下，对锚碇位移和锚索轴力进行全过程观测，确保锚碇位移量在计算控制范围内、锚索轴力波动幅度小于10％。
本发明基于成熟的预应力技术，通过预应力锚索群的张拉锁定对锚索围岩产生预压应力，将锚索群与山体紧密结合形成复合预应力锚碇体，以取代隧道式锚碇的洞室开挖和大型混凝土塞体浇筑，避免了山体爆破开挖、简化施工程序并充分利用自然山体边坡承载，且通过锚索力监控可实时掌握锚碇工作状态，从而极大地提高了工程可靠度，本发明在桥梁工程以及土木建筑工程技术领域具有广阔的应用前景。
本发明的锚碇结构承载能力强、结构简单安全性高、岩土体挖方工程量小，为桥梁建设、土木工程建设缆索吊装系统提供了一种全新的锚碇结构方式，可有效节约工程成本，具有良好的经济环保效益。与现有技术相比，本发明至少具有以下优点和有益效果：
1、通过大吨位预应力锚索群将主缆拉力传至边坡深部岩体，不依赖锚碇结构自身的重量，大幅度降低了混凝土用量、降低了工程造价，据估算，在承担同样主缆拉力的情况下，本发明较隧道式锚碇可平均节省投资30％～50％，同时，锚索围岩带动山体边坡受力，有效的扩大了锚碇结构的承力范围。
2、预应力锚索群通过预先张拉锁定，在锚索围岩中形成压应力区，储存一定量的弹性势能，当主缆拉力作用于岩锚锚碇，预压弹性势能得到释放，有效的缓解了岩体的变形程度，相比依靠混凝土塞体带动围岩受力的隧道式锚碇，可极大地减小围岩位移量，整个锚碇边坡的稳定性得到大幅度提升。
3、利用预应力锚索群作为传力构件，现阶段预应力锚索技术已经非常成熟，从钻孔注浆施工到锁定张拉都有成功的技术经验和施工装备，并有配套的索力监测装置实时监控每根预应力锚索的工作状态，还可对锚索的长期预应力损失进行补偿张拉、对失效锚索及时更换新锚索替代，从而有效提高了锚碇结构的整体安全性。
4、采用本发明的岩锚锚碇不需大开挖，对周围环境干扰小，达到人与自然和谐相处的目的。在隧道式锚碇建设中，需要开挖倾斜的变截面的大型隧道锚硐室，穿越不良地层时开挖难度非常大且需要及时支护，本发明采用分散锚固于深部岩体的预应力锚索群，可直接穿越不良地层，避免了岩体开挖，极大地降低了施工难度。
5、采用钢筋混凝土锚墩承接主缆拉力，钢筋混凝土墩台结构简单、施工技术比较成熟，与浇筑巨大的隧道锚塞体相比，不仅施工难度大幅度降低而且施工速度快，有效的缩短了锚碇施工周期。
附图说明
图1为本发明的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇的侧视图，图中箭头表示主缆拉力方向。
图2为本发明的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇的正视图。
图3为本发明的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇的俯视图。
图4为本发明的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇的钢结构传力梁的结构示意图。
其中：1-锚索围岩、2-钢筋混凝土锚墩、3-斜向预应力锚索群、4-竖向预应力锚索群、5-锚固钢筋、6-钢结构传力梁。
具体实施方式
如图1-图4所示，本发明实施例提供的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇包括锚索围岩1、钢筋混凝土锚墩2、斜向预应力锚索群3、竖向预应力锚索群4、锚固钢筋5、钢结构传力梁6，其中，斜向预应力锚索群3和竖向预应力锚索群4的一端锚固于锚索围岩1的边坡深部基岩，另一端与钢筋混凝土锚墩2连接。其中，钢筋混凝土锚墩2采用实体钢筋混凝土结构，其前端设计成台阶式，其底部水平设置，其背部与水平面成65°～70°夹角。斜向预应力锚索群3的方向与钢筋混凝土锚墩2的背部垂直，并与水平面成20°～25°夹角，所述斜向预应力锚索群3的总体受力方向与主缆拉力方向的夹角小于5°。
另外，斜向预应力锚索群3和竖向预应力锚索群4均采用矩阵排列分布方式，所述斜向预应力锚索群3的锚索之间的间距为2m～4m，其相邻锚索的锚固段的长度相同，相邻锚索的自由段相差一个锚固段的长度，并在岩体深部长短交错呈梅花型布置。
斜向预应力锚索群3采用压力分散型锚索，所述竖向预应力锚索群4采用拉力集中型预应力锚索，在岩锚锚碇承载前，先进行锚索群预应力张拉，锚索的张拉值为其锁定值的1.2倍，从而在锚索及锚索围岩1中形成预压应力，以消减主缆拉力作用并带动边坡承载。其中，斜向预应力锚索3总体受力方向与荷载拉力方向的夹角小于5°，设计计算中近似为斜向预应力锚索群3承担全部主缆拉力。
实施例1：
单个岩锚锚碇设计荷载拉力2550吨：斜向预应力锚索群3与水平方向夹角25°，采用28根压力分散型锚索，呈4×7矩阵排列，锚索间距2m，单根锚索配15股Φ15.24的钢绞线，预张拉力110吨，锚固段嵌入微风化岩体12m，相邻锚索长度相差12m，长短相间呈梅花型布置；竖向预应力锚索群4采用拉力集中型锚索，单根锚索配9股Φ15.24的钢绞线，预张拉力90吨，锚固段嵌入中微风化岩体10m。
实施例2：
单个岩锚锚碇设计荷载拉力1300吨：斜向预应力锚索群3与水平方向夹角20°，采用21根压力分散型锚索，呈3×7矩阵排列，锚索间距2m，单根锚索配15股Φ15.24的钢绞线，预张拉力75吨，锚固段嵌入微风化岩体12m，相邻锚索长度相差12m，长短相间呈梅花型布置；竖向预应力锚索群4采用拉力集中型锚索，单根锚索配6股Φ15.2钢绞线，预张拉力60吨，锚固段嵌入中微风化岩体10m。
相应的，本发明的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇的施工方法，其步骤是：
1、钢筋混凝土锚墩平台开挖：根据边坡地形特点和工程地质条件，进行锚碇平台选址，锚碇平台开挖时必须除去坡表浮土，直至碎石层，要求地基承载力不小于500kPa；锚墩背部与70°削坡紧密贴合，修坡找平后进行坡表防护，谨防落石伤人。
2、预应力锚索施工：每一个锚孔需进行3次钻孔，每一次钻孔的方位、角度务求一致；根据锚孔的高度、方位及倾角，分别架设YG-80型钻机钻孔、XY-1型钻机在后高压旋喷注浆护壁，钻进时采用低压力、慢钻进的施工方法，以防止偏孔，并要反复来回提升钻具，以免石碴堵孔造成埋钻；锚索在钻孔前按设计图纸加工好，成孔后马上下锚索，防止时间过长造成塌孔；下完锚索后马上开始注浆，注浆采用二次劈裂注浆，第一次注浆灰砂比为1∶0.75的水泥砂浆，注到水泥浆溢出孔口为止，第二次注浆在第一次注浆结束后12h进行，选用水灰比为0.5∶1的纯水泥浆，注浆压力1.5-2.0MPa，持压15min。
3、钢筋混凝土锚墩及钢结构传力梁施工：锚索施工完成后，首先吊放钢筋混凝土墩台的骨架，并确保所有锚固钢筋和钢结构传力梁预埋件的安装位置及安装数量，而后分层分块浇筑混凝土。
4、预应力锚索张拉锁定：当锚墩的混凝土强度达到要求后，进行锚索的预应力张拉。张拉时先进行必要的技术准备，根据下料长度、锚固长度、张拉值等计算有效的钢绞线伸长量，对钢结构传力梁的位置用全站仪进行观测，并记录初始位置；先张拉竖向预应力锚索群，后张拉斜向预应力锚索群，全部锚索张拉完成后，对钢结构传力梁位置与初始位置进行观测对比，确保没有位移迹象。
5、岩锚锚碇试拉：在整套岩锚锚碇系统施工完成后，且在锚碇正式承载前，必须进行锚碇安全性试拉作业。锚碇试拉时按50％、75％、100％、120％设计承载力进行加载，在每个级别的荷载作用下，对锚碇位移和锚索轴力进行全过程观测，确保锚碇位移量在计算控制范围内、锚索轴力波动幅度小于10％，以验证该岩锚锚碇体系承载的安全性和可行性。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (8)
1.一种由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇，包括锚索围岩(1)、现浇于锚索围岩(1)的边坡开挖的平台上的钢筋混凝土锚墩(2)，其特征在于，所述钢筋混凝土锚墩(2)和锚索围岩(1)之间设有斜向预应力锚索群(3)和竖向预应力锚索群(4)；
所述斜向预应力锚索群(3)和竖向预应力锚索群(4)的一端锚固于锚索围岩(1)的边坡深部基岩中，其另一端与钢筋混凝土锚墩(2)连接；
所述钢筋混凝土锚墩(2)内设有与所述斜向预应力锚索群(3)和竖向预应力锚索群(4)交错布置的锚固钢筋(5)，所述锚固钢筋(5)的端头与位于钢筋混凝土锚墩(2)前端的钢结构传力梁(6)连接，主缆拉力通过所述钢结构传力梁(6)作用于岩锚锚碇。
2.根据权利要求1所述的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇，其特征在于，所述钢筋混凝土锚墩(2)采用实体钢筋混凝土结构，其前端设计成台阶式，其底部水平设置，其背部与水平面成65°～70°夹角。
3.根据权利要求2所述的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇，其特征在于，所述斜向预应力锚索群(3)的方向与钢筋混凝土锚墩(2)的背部垂直，并与水平面成20°～25°夹角；
所述斜向预应力锚索群(3)的总体受力方向与主缆拉力方向的夹角小于5°。
4.根据权利要求1所述的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇，其特征在于，所述斜向预应力锚索群(3)和竖向预应力锚索群(4)均采用矩阵排列分布方式；
所述斜向预应力锚索群(3)的锚索之间的间距为2m～4m，其相邻锚索的锚固段的长度相同，相邻锚索的自由段相差一个锚固段的长度，并在岩体深部长短交错呈梅花型布置。
5.根据权利要求1所述的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇，其特征在于，所述斜向预应力锚索群(3)采用压力分散型锚索，所述竖向预应力锚索群(4)采用拉力集中型预应力锚索，锚索的预张拉值为其锁定值的1.2倍，锚索的锁定值与锚索的承载设计值相等。
6.根据权利要求1所述的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇，其特征在于，所述斜向预应力锚索群(3)和竖向预应力锚索群(4)的锚头端部安装有测力装置，用于监测预应力锚索在张拉锁定后及运营承载时的受力状态。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇的施工方法，其特征在于，其步骤为：
(1)钢筋混凝土锚墩平台开挖：根据边坡地形特点和工程地质条件，进行钢筋混凝土锚墩平台选址，钢筋混凝土锚墩平台开挖时除去坡表浮土，直至碎石层，地基承载力不小于500kPa，钢筋混凝土锚墩(2)的背部与削坡紧密贴合；
(2)预应力锚索施工：每一个锚孔进行3次钻孔，每一次钻孔的方位、角度一致；下完锚索后马上开始注浆，注浆采用二次劈裂注浆，第一次注浆灰砂比为1∶0.75的水泥砂浆，注到水泥浆溢出孔口为止，第二次注浆在第一次注浆结束后12h进行，水灰比为0.5∶1的纯水泥浆，注浆压力1.5-2.0MPa，持压15min；
(3)钢筋混凝土锚墩及钢结构传力梁施工：锚索施工完成后，首先吊放钢筋混凝土墩台的骨架，并确保所有锚固钢筋和钢结构传力梁预埋件的安装位置及安装数量，而后分层分块浇筑混凝土；
(4)预应力锚索张拉锁定：当钢筋混凝土锚墩(2)的混凝土强度达到要求后，进行锚索的预应力张拉；先张拉竖向预应力锚索群，后张拉斜向预应力锚索群，全部锚索张拉完成后，对钢结构传力梁位置与初始位置进行观测对比，确保没有位移迹象；
(5)岩锚锚碇试拉：在整套岩锚锚碇系统施工完成后，且在岩锚锚碇正式承载前，进行锚碇安全性试拉作业。
8.根据权利要求7所述的由预应力群锚和围岩组成的岩锚锚碇的施工方法，其特征在于，在岩锚锚碇的安全性试拉作业中，按照50％、75％、100％、120％设计承载力进行加载，在每个级别的荷载作用下，对锚碇位移和锚索轴力进行全过程观测，确保锚碇位移量在计算控制范围内、锚索轴力波动幅度小于10％。
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