大跨径悬索桥锚碇基础的选型

大跨径悬索桥锚碇基础的选型

摘要：本文结合工程实例，归纳了目前应用较多的几种锚碇基础型式的特性及应用，对锚碇基础选型时所需考虑的因素进行了分析，以期为同类工程提供有益的参考。

关键词：悬索桥锚碇基础选型

The Selection of Long-span Suspension Bridge’s Anchorage Foundation

Ye Wen-hai

Hubei Communications Technical College，Wuhan 430079，China

Abstract : Combining with the engineering example, summarized the characteristics and application of several kinds of anchorage foundation types used, The factors about foundation selection were analyzed to provide a useful reference for similar projects.

Keywords : suspension bridge；anchorage；foundation；selection

悬索桥是目前跨越能力最大的一种桥型，它的大部分荷载由主缆承受，通过索股与锚碇架分散传到锚碇上，再由锚碇基础传递到地基上。悬索桥锚碇的安全是大桥安全的核心。表1摘录了目前国内外一些特大跨径悬索桥所采用锚碇基础的型式。

锚碇是悬索桥重要的承力部件，体积巨大、构造复杂、造价高。因此不同的地形地质条件下采用悬索桥方案应经过比选，尽可能选择安全合理、经济可行的锚碇基础型式。本文结合工程实例对常用的几种锚碇基础型式进行了归纳，总结了锚碇基础选型时应注意的主要问题，以期为同类工程提供有益的参考。

表1 国内外特大跨径悬索桥锚碇基础型式一览表

1 锚碇基础概述

锚碇通常分为重力式锚碇与隧道式锚碇。

重力式锚碇一般由锚块、散索鞍支墩及基础、前锚室、后锚室四部分组成，主缆索锚固在混凝土锚块上，锚块主要承受主缆索股的拉力。

隧道式锚碇一般由锚塞体、散索鞍支墩及基础、前锚室、后锚室及明洞五部分组成，利用锚碇体及其周围岩体的共同作用，抵抗主缆拉力，大大减小了锚碇混凝土体积，具有显著的技术和经济效益。

重力式锚碇基础型式多样，分为直接基础型式和人工基础型式。直接基础是指锚体直接作用于持力层上，而人工基础则是指采用人工开挖方式将基础作用到持力岩层或土层上。常用的人工基础有沉井基础、地下连续墙基础、桩基础、扩大基础、以及采用排桩围护和冻土墙围护施工的基础。沉井基础刚度大、稳定性好，但下沉过程中会对相邻土层产生扰动，沉井太高不易顺利下到预定标高。近年来施工的大跨悬索桥基础采用地连墙的居多，针对地下岩土层很不平整的情况地下连续墙方案可充分发挥其深度大、适应性强的优点。表2对几种常见的锚碇人工基础的特性进行了比较和说明。

表2 重力式锚碇人工基础特性比较表

2 锚碇基础选型时考虑的问题

2.1锚碇基础的地质条件

锚碇的作用是将主缆拉力传递到地基中。因此锚碇基础的设计需要充分考虑当地的地质条件，发挥各种基础型式的优点，避开其缺点，结合桥位区的地形、地质条件，将锚碇设置在较适当的地基之上。使施工可靠性高、施工难度小，综合效益高，造价经济。锚碇基础一般选择良好的地基作为持力层。从文献[1]所列数据来看，国内外绝大多数锚碇基础是在基岩上的，且大多采用明挖干施工。这样可以在施工过程中能够看得见基底的情况，取得基底实际力学参数以确保设计取用值的可靠。根据实际情况可以进一步采取措施，诸如地基加固或作构造上的处理，可设计成锯齿状、台阶状、倾斜状等。对于放置在非岩石地基上锚碇基础，一般都要进行特殊的地基处理。如丹麦大贝尔特东桥锚碇受到约600 MN的水平力，该锚处粘土层厚20 m，其下为厚层泥灰岩，水深约10 m，采用楔形碎石垫层使大缆拉力和锚碇恒载的合力垂直于倾斜的开挖面。然后，将碎石垫层灌浆，使与沉井底板的接触面安全可靠，如图1所示。

2.2锚碇基础设计的控制条件

（1）地质条件

（2）锚碇沉降和水平位移的限制

（3）锚碇需承受的主缆力，入射角等物理、几何参数

锚碇基础的设计应充分发挥各种基础型式的优点，优先考虑综合效益高的基础型式。以江阴长江大桥为例，北锚碇的地质条件较差，地表以下约20 m范围

内是淤泥质亚粘土与松散亚砂土、粉砂互层，地下水位在地表下1～2 m，呈饱和状态，高压缩性，承载力低。埋深20～40 m范围为亚砂与亚粘土互层和粉细砂，由松散向中密到密实发展。再下10 m范围主要是硬塑或半坚硬的粉质粘土层并夹有粉细砂层。埋深在50 m以下为密实的细砂，含砾中粗砂层并含有少量的结核。到达风化的灰岩面埋深在78～86 m之间。而承压水层分别在-20～-40 m 和-50m以下两层，承压水与长江水是连通的。两层承压水之间由粉质粘土层为隔水层。北锚碇设计时根据自身控制条件，采用浅埋或深埋以及各种基础型式方案进行了比较。对于浅埋的扩大基础，基底在地面以下11~14m，并做了5度左右的倾斜以增大水平抗力，但由于地基为软土，很难控制其沉降和水平位移。采用沉井方案，要到达地下80m左右的岩层非常困难。最终采用的是穿透硬粘土层，以紧密砂砾土层为持力层的沉井方案，这样可以减少最终沉降量和有足够土层抵抗沉井的水平位移。

2.3复合基础的采用

润扬长江公路大桥南汊桥采用跨径1490m双塔单跨双铰钢箱梁悬索桥方案，悬索桥2根主缆68万KN拉力。南锚碇位于镇江市润州区，锚碇基础中心距江边大堤540m，基础尺寸为70.5m×52.5m×29m（长×宽×深）。基坑深度大，穿过土层包括亚黏土、粉砂、粉细砂、中细砂以及风化基岩等，地层既有软弱土层又有岩层，且富含补给水。施工难度大、技术要求高，采用“冻结排桩基坑围护设计方案”（图2所示）。排桩内支撑围护与冻结帷幕止水有机结合，充分利用人工冻结帷幕良好封水性能、灌注桩和内支撑结构力学体系清晰、施工质量可控等优点，充分发挥两种技术优势，成功地解决了围护开挖的难题，是排桩式围护结构与冻结法的复合。围护结构采用直径为1.50 m 钻孔灌注桩排桩，桩长35 m，横桥向间距为1.70 m，纵桥向为1.725 m，嵌入基岩约6 m。排桩外侧布设冻结孔、注浆孔和卸压孔。冻结孔形成等效厚度为1.3 m的冻结帷幕，平均温度为-7℃，距离排桩中心1.4 m，冻结管长40 m。注浆孔布置在冻结孔外侧，距离冻结孔中心0.6 m，注浆段高8.0 m (-32.0～-42.0 m)。卸压孔直径为0.25 m，深度为25 m，距冻结孔中心为1.30 m，每个冻结孔对应布置两个卸压孔，横桥向间距为0.85 m，纵桥向间距为0.86 m，布置在注浆孔外侧，降低冻结帷幕产生的冻胀力。

随着工程建设规模的日渐扩大，基础除了承受竖向荷载，承受的水平力也越来越大，沉井等基础型式应运而生，为进一步提高基础的水平承载能力，又产生了新型的根式沉井基础。

根式基础是以沉井基础为主体，在沉井井壁预留顶推孔，待沉井下沉到设计标高后，将预制好的根键顶入土中，在保证根键与沉井固结后形成的一种仿生基础。由于顶推根键的挤密和应力扩散作用充分调动了基础周边土体的承载潜力，使得抗压时基础底部得以“卸载”，承载力得以提高，同时因根键与周围土体的紧密嵌固作用也使得基础的抗拔承载力和水平承载力得以提高。

复合基础的设计一般比较复杂，考虑因素多，难以预料的情况也多，因此，应用的广泛性受到限制。但随着新材料新工艺的不断涌现和成熟，复合基础的设计和大胆采用将是一个趋势。