現(xiàn)代科學技術(shù)在懸索橋隧道式錨碇施工中的應用
1． 概述
四渡河特大橋是湖北滬蓉西主干道湖北宜昌至湖北恩施段中的一座特大懸索橋，所處位置為深切峽谷，地勢陡峭，坡度達80°。該橋的橋面至谷底高差（達500多米）、單向縱坡及錨碇的單根可換式錨固系統(tǒng)等居世界第一。橋位布置圖見圖1.1
圖1.1 四渡河特大橋橋位布置圖
該橋宜昌岸錨碇設(shè)計為隧道式錨碇，恩施岸為重力式錨碇。在宜昌岸隧道式錨碇（見圖1.2）的正下方約23米處為八字嶺公路隧道，該區(qū)域地質(zhì)圍巖發(fā)育皆為與橋軸線呈25°豎向發(fā)育，巖層厚為30～50cm不等，裂隙較發(fā)育，為典型的巖溶地質(zhì)，圍巖一般為Ⅲ～Ⅳ。
圖1.2
四渡河特大橋宜昌岸錨碇設(shè)鞍室、錨體及后錨室三部分。錨碇開挖最小斷面為9.8×10.9m，最大開挖斷面為14×14m，洞軸線水平方向傾角為35°，洞斜向長度左錨為71.14m，右錨為66.2m，錨體都為40m，錨體后面設(shè)2.2m的后錨室。整個錨碇開挖方量約為2.1m3，砼方量約為1.6萬 m3。
為了增大錨塞體與圍巖的錨固應力，原設(shè)計較普通隧道的洞周增設(shè)了反向齒坎，每4m一道，一個錨塞體設(shè)置10道。齒坎尺寸為350cm×87.5㎝，由于圍巖裂隙發(fā)育，施工時無法確保齒坎的形成，后設(shè)計變更取消反向齒坎增設(shè)了Φ32結(jié)構(gòu)錨桿。
2． 開挖支護施工
在隧道式錨碇開挖施工中采取了“短進尺、強支護、快封閉、勤觀測”的基本工藝，施工工序嚴格遵守“安全施工、愛護圍巖、內(nèi)實外美、重視環(huán)境、動態(tài)施工”的原則。
四渡河特大橋宜昌岸隧道式錨碇開挖在開始階段分上、中、下三個臺階開挖，施工過程中，由于該錨碇正處于公路隧道的正上方且豎向距離僅約23m，考慮到開挖爆破的相互影響，惟恐對結(jié)構(gòu)間圍巖造成擾動，將中下臺階合并成一個臺階開挖，以減少爆破次數(shù)，并形成一個10～15長的水平工作平臺。整個拱圈部分為一個上臺階，開挖過程中先對上臺階超前引進，下臺階落后4.5M跟進，開挖時采用短進尺鋼拱架和錨網(wǎng)噴支護緊跟隨的形式進行施工。工作面布置形式如圖2.1所示。
圖2.1錨碇開挖工作面示意圖
錨碇的整個開挖均采用微臺階光面爆破開挖法，以盡量保護錨碇圍巖整體結(jié)構(gòu)的完好性。根據(jù)地質(zhì)資料及施工過程中所積累的一些經(jīng)驗，結(jié)合圍巖為Ⅲ～Ⅳ類圍巖的實際，在施工過程中采用了如下一些參數(shù)：炮孔直徑：38mm，深度1.6～1.8m，花邊眼間距為30～50cm（一般采用40cm），花邊眼往里40cm為周邊眼，周邊眼間距與花邊眼相同，周邊眼與花邊眼呈梅花型布置，裝藥集中度：0.10～0.45Kg/m（根據(jù)巖層情況進行變化），起爆方式：段發(fā)電毫秒雷管；雷管連接方式：分組多頭并聯(lián)。
每個循環(huán)爆破后，立即進行危石及松動圍石的清理，然后進行下一斷面的控制測量，一為檢測本次循環(huán)爆破的效果，二為下一循環(huán)的施爆布孔進行指導。在測量后，輔助風鎬對個別未達到開挖尺寸的位置進行修整，以保證開挖尺寸。在保證了開挖尺寸后，即進行初噴5cm砼封閉圍巖，防止圍巖的進一步風化及保證施工安全。并開始間距為1.2m（橫向）x1.0m（縱向）間距的Ф22鋼筋錨桿的鉆孔安裝及I10鋼拱架和Ф8鋼筋網(wǎng)的安裝，再進行復噴完成初襯施工，保證整個初襯厚度不小于15㎝。初襯后對未能及時落地的上臺階鋼拱架增設(shè)兩根3m長的Ф22鋼筋鎖腳錨桿，以作為鋼架的承力點。
錨碇開挖施工過程中，對裂隙較發(fā)育、夾泥較多及溶洞斷層處，采取錨桿加密加長，鋼筋網(wǎng)增加連接鋼筋的方法及時加固處理。錨桿間距最密處為0.5mx0.5m，最長增加至5m。鋼筋網(wǎng)外增設(shè)Ф12的連接鋼筋。在處理完畢后，進行觀測一段時間，在連續(xù)觀測幾次中均無明顯變化后，可視該部位為已處理安全。
由于錨碇開挖的特殊性，開挖空頂時間不能過長，且錨碇開挖出渣工程量較大，故在開挖初期采用大挖機出渣；在錨碇掘進較深后，由于傾斜坡度較大，且大挖機在洞內(nèi)無自由旋轉(zhuǎn)移動空間后，改為：小挖機裝渣，窄軌道（軌距70cm，鋼軌22Kg/m、枕木120x20x20cm）、絞車（25T，每個絞車容量為0.8m3）提升運輸?shù)姆椒ǔ鲈?
3． 現(xiàn)代科學技術(shù)的運用
由于四渡河特大橋所處區(qū)域地質(zhì)為典型的巖溶地質(zhì)，為了更好地將現(xiàn)代科學技術(shù)與工程實踐有機結(jié)合，在隧道式錨碇開挖施工過程中成功地完成了國內(nèi)目前規(guī)模最大，檢測數(shù)據(jù)較全面的拉拔模型試驗，為優(yōu)化設(shè)計變更提供了數(shù)據(jù)依據(jù)；同時，也是第一次較完善地采用了物探方法，對隧道式錨碇開挖斷面周圍圍巖進行探測，為圍巖加固提供了科學依據(jù)；為了長期監(jiān)測該橋的健康營運情況，對隧道式錨碇還增設(shè)了健康監(jiān)測設(shè)備，該部分設(shè)備正在隨施工的進展而同步進行安裝。
3．1現(xiàn)代科學技術(shù)檢測
3．1．1 1：12模型拉拔試驗
鑒于如此高載荷作用下的隧道錨碇設(shè)計及施工工作在國內(nèi)外開展很少，無現(xiàn)成的經(jīng)驗可供借鑒，為了驗證設(shè)計方案的可靠性并為其他類似工程提供研究資料。在實體隧道錨碇附近與其工程地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)和巖性接近處進行了模型試驗，依據(jù)彈性力學相似原理，按1∶12 比例制作隧道錨模型，對模型開展在不同設(shè)計載荷水平以及在不同的恒定載荷下的張拉、超張拉及流變試驗。該試驗先于實體錨體開挖之前已完成。該試驗模型布置見圖3.1。
該試驗模型的反力系統(tǒng)由南北鋼筋混凝土反力支座、支墩及反力梁等組成。反力梁設(shè)計可承受荷載不小于2400kN。試驗錨碇的制作過程采用與實體隧道錨碇相同的設(shè)計標準及施工工藝。錨體建造采用與實體錨體相同等級強度的C30 級微膨脹混凝土。每個錨碇內(nèi)埋設(shè)4束（每束由16 根Φ15.24mm 鋼絞線組成）錨索，通過鋼絞線的加載，來模擬施加實橋的張拉荷載。在分層澆筑錨碇混凝土前，采用專用P 型錨具事先將每束鋼絞線按設(shè)計位置預先固定在錨洞內(nèi)，最后一次性澆筑錨碇混凝土。
設(shè)計采用的實體隧道錨碇中雙纜載荷為420,000kN，試驗錨碇的設(shè)計荷載Pm 應為： 2916 . 67 kN， 又因為試驗時的張拉荷載是同時通過8 臺千斤頂來施加，因此在1 倍設(shè)計荷載作用(1Pm)下每臺千斤頂出力p 為： 364. 58 kN。
為監(jiān)測拉拔試驗期間試驗錨碇周邊巖體變形及荷載變化規(guī)律，共布置了4類監(jiān)測儀器：多點位移計、測縫計、應變計、錨索測力計。通過試驗監(jiān)測表明：
1）在2.6p 設(shè)計荷載作用下，所有監(jiān)測儀器均沒有觀測到有巖體流變現(xiàn)象出現(xiàn)。依據(jù)相似原理，可推論實橋隧道錨碇的長期安全系數(shù)不小于2.6。
2）較短時間內(nèi)，試驗錨模型超載試驗的承載力達7.6p，沒有出現(xiàn)巖體及結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象。這表明短期內(nèi)，隧道錨碇的極限承載能力可達到7.6p，橋梁的短期極限承載力較高。
測試也表明：盡管在短期，高承載力下整個錨碇系統(tǒng)沒有破壞，但其周邊巖體的流變變形特征明顯，整個系統(tǒng)并不安全。根據(jù)試驗的結(jié)果，同時結(jié)合實際開挖無法形成原設(shè)計的反向齒坎的情況，設(shè)計變更為現(xiàn)在的整個錨碇錨塞體范圍內(nèi)增設(shè)結(jié)構(gòu)錨桿。
3．1．2 物探檢測
在錨塞體開挖過施工程中，由于所揭露的圍巖裂隙較發(fā)育，小溶洞較集中等不良地質(zhì)情況，為了進一步掌握錨體的圍巖情況，以確保圍巖與錨體的錨固應力。在錨體開挖完成后，對錨體進行了地質(zhì)雷達探測，并輔以地震CT及地震面波檢測。通過地質(zhì)物探檢測，以查明錨洞洞周5～10m范圍內(nèi)有無較大溶洞、夾層、裂隙等地質(zhì)缺陷及其分布位置，并對錨洞周巖巖體結(jié)構(gòu)完整性作出評價，為后續(xù)施工提供了科學依據(jù)。
地質(zhì)雷達外業(yè)使用美國地球物理公司SIR—2型彩色顯示地質(zhì)雷達儀采集數(shù)據(jù)，專用軟件處理數(shù)據(jù)，具有工作效率高，分辨率高，現(xiàn)場實時處理效果好等多種優(yōu)點。洞內(nèi)以100MHz天線逐測線連續(xù)掃描, 窗口長度250ns,多次迭加技術(shù)；地面以低頻組合天線迭加點測。地質(zhì)雷達現(xiàn)場工作示意如圖3.2、圖3.3。
圖3.2 錨洞底板地質(zhì)雷達工作示意圖 圖3.3 錨洞側(cè)壁和拱頂?shù)刭|(zhì)雷達工作示意圖
地震CT采用地震縱波直達波透射技術(shù)，直達波路徑為左錨洞—右錨洞 2 對（其一為試驗對），錨洞—地表1對，錨洞洞口段1對。儀器設(shè)備：美國NZ24型淺層地震儀采集數(shù)據(jù)，具有分辨率高、浮點增益、噪聲實時監(jiān)控、現(xiàn)場實時分析及數(shù)據(jù)處理等先進功能和良好工作性能。重慶地質(zhì)儀器廠38Hz檢波器拾震，炸藥爆炸激震。地震CT透射探測工作示意如圖3.4、圖3.5。
圖3.4 地震CT現(xiàn)場布置斷面示意圖 圖3.5 地震CT炮點和檢波點布置平面示意圖
地震面波采用瞬態(tài)面波勘探，目的是對地質(zhì)雷達異常區(qū)進行驗證和提供波速量化，反演異常區(qū)面波值。儀器設(shè)備:北京華水物探研究所SWS系列面波儀，面波專用低頻檢波器。工作道數(shù)12道，道間距2m，記錄長度250ms，采樣間隔125μs，偏移距6～10m,重錘錘擊激震。FKSWSA軟件處理數(shù)據(jù)。
地震面波探測工作示意如圖3.6。
圖3.6 地震面波工作示意圖
通過對三種物探方法探測的情況統(tǒng)計表明：左右錨洞圍巖均普遍存在1～3m厚的松弛圈，松弛程度由表及里漸弱。
左錨洞圍巖為連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)巖體，整體完整性好，巖體穩(wěn)定。部分層段裂隙發(fā)育并被溶蝕改造充填泥質(zhì)夾層，呈現(xiàn)層狀碎裂結(jié)構(gòu)特征；局部巖層中發(fā)育溶孔、小型溶洞。但上述缺陷對圍巖整體穩(wěn)定性影響不大，裂隙溶隙夾泥、溶孔溶洞等缺陷多分布在錨體后段以及后錨室圍巖中，相應對錨體的抗拔安全影響較小。
右錨洞圍巖總體為連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)巖體，巖體穩(wěn)定，整體結(jié)構(gòu)完整性較好。但其中局部巖體發(fā)育裂隙并溶蝕充填夾泥，屬層狀碎裂結(jié)構(gòu)巖層，溶孔、小型溶洞集中組合發(fā)育的巖段屬局部結(jié)構(gòu)缺陷巖體。局部地質(zhì)缺陷對圍巖整體穩(wěn)定性影響不大，但錨體中～后段圍巖中分布較多的裂隙溶隙夾泥、溶孔溶洞等缺陷，對錨體的抗拔穩(wěn)定不利，需進行必要的加固處理。
因此，根據(jù)三種物探檢測的結(jié)果，對巖層較破碎、裂隙較發(fā)育及溶洞發(fā)育的位置進行了結(jié)構(gòu)錨桿的加密加長處理。同時在進行圍巖壓漿時，在這些位置壓漿孔間距也相應減小。
3．1．3橋梁健康監(jiān)測
由于懸索橋為一種新興的橋梁，其設(shè)計及施工技術(shù)都有待完善及創(chuàng)新。四渡河懸索橋為深切峽谷橋，其設(shè)計及施工技術(shù)更有待完善及論證。給予此原因四渡河懸索橋增設(shè)了健康監(jiān)測。對四渡河橋隧道錨健康監(jiān)測采用多點位移計及壓力盒。
對隧道錨散索鞍，健康監(jiān)測主要在散索鞍底面埋設(shè)2個壓力盒及布設(shè)一個多點位移計。壓力盒底座為一個斜面，斜面與散索鞍底面平行，確保散索鞍壓力能垂直作用在壓力盒上。多點位移計為傾斜，傾斜角度為62°，與散索鞍底面垂直，多點位移計植入巖層20m。通過監(jiān)測散索鞍的受力情況及散索鞍與巖層的相對位移來監(jiān)測橋梁的健康情況。
對隧道錨錨塞體，在每個錨塞體后錨室埋設(shè)一個多點位移計，多點位移計植入巖層20m，傾斜角度為35°，與洞軸線平行。錨塞體選定9束預應力束埋設(shè)測力計，15-37型預應力束8根，15-19型預應力束1根。通過監(jiān)測預應力應力及錨塞體與后錨室?guī)r層的相對位移來監(jiān)測橋梁的健康情況。
此外，還在兩個錨塞體的中間位置埋設(shè)一個多點位移計，多點位移計與洞軸線平行，從后錨室橫洞往上植入巖層45m，往下植入巖層20m。用于監(jiān)測橋梁在運營階段巖層的相對位移。
3．2 現(xiàn)代科學技術(shù)成果的運用
結(jié)合拉拔試驗及物探成果，為了增強圍巖整體性，對圍巖采取了增設(shè)結(jié)構(gòu)錨桿和圍巖注漿等加固辦法。
3．2．1 結(jié)構(gòu)錨桿
由于圍巖裂隙較發(fā)育，原設(shè)計的反向齒坎無法形成，同時根據(jù)模型試驗錨的結(jié)果，為了增加圍巖與錨塞體的錨固應力，將原設(shè)計的反向齒坎變更為用Φ32結(jié)構(gòu)錨桿。
結(jié)構(gòu)錨桿的間距根據(jù)圍巖物探檢測結(jié)果，在圍巖裂隙較發(fā)育的位置為80cm×80cm, 錨桿長為750cm，錨桿伸入錨塞體50cm；在一般位置為120cm×120cm，錨桿長為450cm，錨桿伸入錨塞體50cm。
結(jié)構(gòu)錨桿在錨碇主體開挖完成后進行安裝，在錨塞體位置搭設(shè)滿堂鋼管腳手架，采用潛孔鉆成孔，孔徑為100mm。成批進行錨桿安裝，兩環(huán)一批。錨桿兩米設(shè)置一個對中裝置，確保結(jié)構(gòu)錨桿居中?？卓诓捎蒙皾{封堵，砂漿配比為1：1，封堵段長度為30cm，砂漿封堵段前端采用圓形鋼板及棉紗封堵。封堵孔口時預埋兩根塑料管，一根為壓漿管，一根為出氣管，壓漿管伸入孔底，距孔底20cm ,出氣管長45cm，外露5～10cm。
錨桿壓漿采用C30砂漿，水灰比為0.4，摻加水泥用量10%的膨脹劑及0.8%的減水劑，壓力控制在1MPa。壓漿時，先壓至出氣孔出漿，然后將出氣孔封堵，再繼續(xù)壓漿，至壓力達到1MPa。由于該隧道式錨碇的圍巖走向為豎向，在進行錨桿注漿時，出現(xiàn)了孔間串漿的現(xiàn)象。在出現(xiàn)串漿后，則停止該孔的注漿，并將該孔的注漿管封堵，先進行串漿孔的注漿，在串漿孔注漿壓力達到1MPa時，在回頭對前一孔進行注漿至壓力達到1MPa。
3．2．2 圍巖注漿加固
由于錨碇圍巖裂隙較發(fā)育，且在開挖爆破中，爆破對圍巖存在一定的影響。為了增加圍巖的整體性，在結(jié)構(gòu)錨桿安裝完畢后，對整個圍巖進行了注漿加固。
圍巖注漿孔為50mm，在結(jié)構(gòu)錨桿4.5m的區(qū)域，間距為240cm×240cm，孔深為5m；在結(jié)構(gòu)錨桿7.5m的區(qū)域，間距為200cm×200cm，孔深為8m。
圍巖注漿采用4分鍍鋅管，鍍鋅管伸入孔底，距孔底20cm，孔口采用砂漿封堵，封堵長度為50cm。圍巖注漿漿液水灰比為1：1，摻加水泥用量5%的水玻璃，注漿壓力控制在2～2.5MPa。注漿在壓力達到2.5MPa時，停止注漿，穩(wěn)定10分鐘，10分鐘后如壓力無變化則停止該孔的注漿，如壓力有下降則繼續(xù)該孔的注漿，至再次達到2.5MPa。
圍巖注漿采用進漿量及壓力雙控。在1：1的漿液進漿量達到0.18m時，如壓力還未達到2MPa以上，則改注水灰比為0.7的漿液，如進漿量還是過大，則改壓水灰比為0.5的漿液。
4結(jié)束語
目前，對于隧道式錨碇的設(shè)計及施工在國內(nèi)尚未有一套成型的方案，在施工過程中我們在設(shè)計及施工技術(shù)上運用現(xiàn)代科學試驗及檢測技術(shù)，對原有施工技術(shù)進行了完善，為隧道式錨碇的施工方案的趨成熟提供了科學依據(jù)。但還有待提高及完善之處。
參考文獻：
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?。?）《電阻率測深法技術(shù)規(guī)程》（DZ/T0072—93）（國土資源部）
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?。?）《隧道工程施工要點集》 （關(guān)寶樹 編 人民交通出版社）
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