重力式锚碇系统施工工艺

重力式锚碇系统施工工艺

1 前言

锚碇是悬索桥的主要承重结构，要抵抗来自主缆的拉力，并传递给地基基础。锚碇按结构形式可分为重力式锚碇和隧道式锚碇。重力式锚碇依靠其巨大的重力抵抗主缆拉力，隧道式锚碇的锚体嵌入基岩内，借助基岩抵抗主缆拉力。隧道式锚碇只适合在基岩坚实完整的地区，其它情况下大多采用重力式锚碇。

2 重力式锚碇结构

锚碇一般由锚碇基础、锚块、主缆的锚碇架及固定装置、遮棚等部分组成；当主缆需要改变方向时，锚碇中还应包括主缆支架和锚固鞍座（亦称扩展鞍座）。

重力式锚碇根据主缆在锚块中的锚固位置可分为后锚式和前锚式。前锚式就是索股锚头在锚块前锚固，通过锚固系统将缆力作用到锚体。后锚式即将索股直接穿过锚块，锚固于锚块后面，如图１所示，前锚式因具有主缆锚固容易，检修保养方便等优点而广泛运用于大跨悬索桥中。

前锚式锚固系统分为型钢锚固系统和预应力锚固系统两种类型。型钢锚固系统有直接拉杆式（图１）和前锚梁式（图2）。预应力锚固系统按材料不同有粗钢筋锚固形式和钢绞线锚固形式，如图3所示。

1-主缆；2-索股；3-锚块；4-锚支架；5-锚杆；6-锚梁

图1 重力式主缆锚固系统结构图

1-主缆；2-索股；3-前锚梁；4-锚杆；5-锚支架；6后锚梁

图２前锚梁式锚固系统

a）粗钢筋锚固；b）钢绞线锚固

1-索股；2-螺杆；3-粗钢筋；4-钢绞线

图3 预应力锚固系统

2.1锚碇基础

根据地质、水深和悬索桥结构的规模等，锚碇的基础可以分为直接基础、沉井基础、桩基础、井筒基础、复合基础等。若持力层距地面较浅，适合采用直接基础；当持力层埋置深度大时，采用沉井基础、桩基础等。

2.2 锚块

重力式锚碇的锚块就是重力式锚块,与基础形成整体,以抵抗由主缆拉力产生的锚碇滑动及倾倒。

2.3 主缆的锚固架及固定装置

主缆的锚定架及固定装置将主缆拉力分散传布在锚块内，通常是由前梁、后梁、锚杆、定位构件和支撑结构组成。如图2。

锚杆的数量一般与钢缆的丝束数相同。根据主缆的架设方法，连接束股与锚杆的固定装置分为：用于空中送丝法的钢丝束股支座（或称靴跟）和用于预制钢丝束成缆法的套筒两种。

2.4 遮棚

锚碇的遮棚是覆盖锚块及主缆等并建于锚碇基础上的结构物,一般采用钢筋混凝土或钢结构.如果高程合适,遮棚上面可以构筑路面,内部可以作为输配电,排水等设备的机房。

2.5 主缆支架

当主缆在锚碇处改变方向时,则需设置主缆支架。主缆支架可以独立地分开设置在锚碇之前,也可以设置在锚碇之内,它是主缆的支点。主缆支架顶部设有支承钢缆的鞍座；当主缆支架设在锚碇之内时主缆就从这个鞍座开始分散开成为丝股，这个鞍座就是扩展鞍座或称散索鞍。其主要功能是改变主缆索的方向，并把主缆的钢丝束股在水平和竖直方向分散开来，然后把这些钢丝束股引入各自的锚固位置。

主缆支架主要有三种形式，钢筋混凝土刚性支架、钢制柔性支架和钢制摇杆

支架，如图4所示。当采用刚性主缆支架时，扩展鞍座的底部必须设置辊筒，以适应主缆的伸缩。

锚碇可以看作是一个刚体，承受主缆的拉力，并将其传给地基。主缆作用于锚碇上的力可分为水平分力和竖向分力。锚碇在主缆的水平分力作用下不得产生滑移；而在竖向分力和锚碇自重力等作用下，在锚碇底面任意处的压应力不能超过地基上的容许压应力，否则将会出现地基下沉。当然，

锚碇也不得在主缆竖向分力作用下发生倾倒。一般地，满足了锚碇不产生滑移的条件下，锚碇的自重将足以使锚碇不发生倾倒。

图4 主缆支架

3 锚碇施工工艺流程图(见图5)

图5 锚碇施工工艺流程图

4 操作要点

4.1 锚碇基础施工

锚碇的基础施工与桥塔基础的施工相似，所不同的是桥塔基础以承受垂直力为主，而锚碇的基础则以抵抗水平力为主。因此，锚碇基础底面挖成锯齿形、台阶形以确保锚碇在主缆的巨大拉力下

不产生滑移。由于锚碇基础体积巨大，对这种大体积混凝土的浇注及混凝土的特性具有特殊的要求。如采用类似混凝土大坝的施工方法，及要求混凝土具有很好的流动性和较小的发热量，且在水中不分离等。

近年来，地下连续墙基础得到了广泛应用，这种基础的施工是先用挖槽机械，从施工基面沿基础边界向下挖槽，直到持力层；然后在槽中构筑侧壁。成墙后挖除内部土柱，再向内部灌注素混凝土，构成基础。

锚碇由于体积庞大，基坑可采用机械开挖，也可采用爆破和人工开挖的方法。开挖采取沿等高线自上而下分层进行。在坑外和坑底要分别设排水沟和截水沟，防地面水流入、积留在坑内而引起塌方或基底土层破坏。在采用机械开挖时，应在基底标高以上预留15cm～30cm厚土层用人工清理，以免破坏基底结构。在采用爆破方法施工时，对于深陡边坡，应使用如预裂爆破等方法，以免对边坡造成破坏。

对于深大基坑及不良土质，应采用支护措施保证边坡稳定，支护方法有以下几种。

（1）喷射混凝土喷射混凝土采用的水泥标号不低于425号的硅酸盐水泥，砂粒径不大于2.5mm,石子粒径小于5mm。推荐混凝土配合比（质量比）为水泥：砂：石=1：2：2.5:，水灰比为0.4～0.5。采用湿喷机喷混凝土，水泥、砂、石等材料在进入喷射机料斗前应充分拌和均匀，并随拌随用，喷浆气压在0.3MPa～0.7Mpa范围内,喷射混凝土厚度为50mm～150mm,视边坡稳定情况而定,必要时可加钢筋网,以增加混凝土层的强度和整体性.这种喷射支护适用于岩层节理不发育,稳定性较好的地层。此外对于节理发育，有掉块危险、稳定性中等的岩层可采用喷射混凝土加锚杆支护的方法。

（2）喷锚网联合支护适用岩石坡碎、稳定性差或坡度大而高的基坑。其中锚杆分为普通锚杆和预应力锚杆两类。普通锚杆采用螺纹钢，预应力锚杆多数采用钢绞线。

喷锚网联合支护的施工程序为开挖→清理边坡→喷射底层混凝土→钻孔→安装锚杆（锚索）→注浆→挂钢筋网→喷面层混凝土（如是预应力锚杆则还有张拉锚固→二次注浆→封锚等工序），其构造如图6。

1-钢筋网；2-锚固台座；3-锚索；4-喷射混凝土层；5-排水沟；6-排水管

图6 喷锚网联合支护

1）钻孔钻孔压水法和干作业法两种方式。压水法使现场积水较多，成孔后要求将孔内清除干净，并不准用膨润土护壁，以免泥皮降低锚杆承载力。

2）安装锚杆锚杆在安装前必须除锈。为保证锚杆安放于孔的中心，防止非锚固段产生翘曲和扰动孔壁，通常在锚杆上设置定位架。钢筋锚杆一般每隔2m至4m设置一个，钢绞线锚杆每隔0.6m～0.7m设一个。

在安放锚杆时，应同注浆系统一并装入，非锚固段，钢绞线宜涂黄油并包以塑料薄膜或套管。

3）注浆注浆除有腐蚀性地下水的情况宜用防酸水泥外，一般采用普通水泥制浆，水灰比为0.45~0.6。

4.2 锚块

锚块的施工除应按大体积混凝土施工方法进行外，其施工方法还受到锚固方式的影响。主缆的锚固可分为各束股在锚块前面锚固的前锚式和各束股在锚块后面锚固的后锚式。

4.2.1 前锚式

前锚式锚固分为两种情况，一种是将主缆锚定架及固定装置预埋在锚块混凝土中，再将前锚梁安装在锚块的前方与锚杆相连，此时锚杆多为钢眼杆；一种则是先预埋锚杆套管及其固定装置，当混凝土达到强度要求后，穿入锚螺杆，并对锚螺杆进行张拉、锚固，然后向套管内压浆。最后将锚板安装在锚块前方与锚螺杆连接。

4.2.2 后锚式

锚块的施工较简单，只需将锚固套管及其固定装置预埋在锚块混凝土中正确的位置上即可，因为主缆的锚固是将分散的丝股穿过套管在锚块后方的锚垫板上进行。

4.3 遮棚

锚块施工结束后，用锚碇防护的遮棚可以同主缆的架设及锚固同时或在其后进行施工。如果高程合适，锚碇的遮棚顶面可以直接作为路面。当锚碇遮棚与路面高程相差甚远时，它实际上是一个钢筋混凝土房屋结构。

4.4 主缆支架（散索鞍）安装

（1）底座板定位底座板通过在散索鞍混凝土基础中精确预埋螺栓而固定在基础上，调整好板面标高与位置后，在板底和四周浇筑高强度混凝土，使之稳固。每个底座板都有多个螺栓，只有保证每个螺栓的位置精确，才能进行安装。

（2）安装支架（散索鞍）安装好底座板以后，开始安装散索鞍鞍体。由于散索鞍与底座的连接是铰接，在主缆架设之前，散索鞍不能自立，必须在基础混凝土中预埋型钢支承架，一方面用于支撑鞍体，另一方面用于调整位置，准确定位。

散索鞍是重型构件，需有相当的起重设备才能安装。如场地宽阔，可使用重型吊机安装，较为方便。如使用吊机有困难，可用贝雷梁或万能杆件架设龙门架，将散索鞍运至龙门架下方，再由龙门架安装就位，精确调整就位。

（3）散索鞍施工精度要求散索鞍位置的精度直接影响主缆及分散索股的空间角度，从而影响主缆的受力。因此，对散索鞍的安装精度要求必须严格控制。散索鞍施工精度要求为：纵横向轴线误差最大值3mm，标高误差最大值3mm。

4.5 主缆锚碇架及固定装置

由于主缆锚定架要传递巨大的主缆拉力，其固定装置要保证主缆每根索股进入锚体能保持精确的锚固位置。因此，无论是前锚式锚定或后锚式锚定，其锚块内的主缆锚定架及固定装置的制造与安装均需达到一定的精度。具体的制造方法是要使最终的组装状态能保证各股钢丝束的交点（主缆支架或扩展鞍座中心）位置的精度误差不大于±5mm。

在有条件的地方，主缆锚碇架及固定装置可以采用工场预制、整体安装的方法来施工。但是主缆锚定架及固定装置的钢结构重量是很大的，往往无法进行整体安装，因而随着锚块混凝土的浇注，

需逐步进行主缆锚定架及固定装置的拼装施工。其架设拼装顺序如下：下部定位支承构架→后锚梁→中部定位支承构架→下段锚杆（或套管）→上部定位支承构架→上段锚杆（或套管）。

4.6 锚块混凝土施工

悬索桥锚块属于大积混凝土构件，重力式锚碇体积十分庞大，混凝土浇注方量达几万立方米，例如宜昌长江大桥南北均达四万多立立米。在施工阶段水泥产生大量的水化热，引起体积变形不均，从而产生温度应力及收缩应力。当此应力大于混凝土本身的抗拉强度时，就会产生裂缝，影响混凝土的质量。因此，水化热的控制是锚碇混凝土施工的关键问题。对重力式锚碇锚块混凝土要做到：

4.6.1混凝土的温度控制

混凝土的水化热来源于水泥遇水后发生的水化反应。水化热越大，混凝土的温升越高，与气温的差值越大，就会导致混凝土温度应力增大，从而产生裂缝。混凝土体内温度受混凝土入仓温度和水泥水化热温升决定，降低混凝土温升主要有以下措施。

（1）选用低水化热品种的水泥

一般来说,矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥等具有较低水化热特性，宜尽量采用，对普通硅酸盐水泥应经过水化热试验比较后选用。

（2）降低配合比中水泥的用量

使用外加剂和外掺料可以减少水泥的用量，缓凝型的还可以延缓水化热峰值产生的时间，有利于减小混凝土的最高温升。此外，可以使用粉煤灰作为外掺料，粉煤灰可以代替部分水泥，而且掺加粉煤灰的后期强度仍有较大的增长，可以将设计龄期强度延长到60d，将水泥用量减少到一个较低的水平。粉煤灰的用量一般为水泥用量的15%～20%，对高掺量粉煤灰的混凝土经过试验确定。对于一些低标号的混凝土，掺加一定量的片石也是一种减少水泥用量的有效办法。

（3）降低混凝土的入仓温度

对于砂、石料应防止日光直照引起温度升高，可采用搭遮棚和淋水降温的方法。不能使用刚出厂的高温水泥。

采用冷却水作为混凝土的拌和用水，直接对混凝土降温。制造冷却水可采用以下两种方法：1）采用冷水机组如虎门大桥东锚使用的冷水机组，每小时可生产10t（5℃）拌合用水，可使混凝土温度下降约2℃～3℃。

2）采用冰块制冷却水，即向水池中加入冰块来降低拌和用水的温度。但必须在拌和前使冰块完全融化。

采用冷却水方法时，必须在冷水的灌输和储存过程中注意保温，防止温度上升。一般可在水管水池四周包裹泡沫塑料或海绵以达到保温的目的。

在混凝土内设置冷却管，在混凝土浇筑并终凝后，开始通水冷却散热。采用冷却管控制混凝土体内温度，要按设计流量和密度布设好冷却管，要求：混凝土最大水化热温升：C25混凝土不超过28℃，C40混凝土不超过35；混凝土内外温差不超过25℃；相邻温差不超过25℃，混凝土最大降温速率不超过1.5℃/d。

4.6.2 混凝土浇注施工

（1）混凝土浇筑设备和能力

设计强度在25Mpa以下的低标号混凝土适用车送或吊罐方式浇筑,如使用输送泵,往往会为了保证可泵性而加大坍落度,在配合比中加大水泥用量,这样既不经济又不利于水化热控制。

混凝土采用分层施工，分层厚度为：C40混凝土1.0～2.0m,C25混凝土2.0～2.7m。浇筑能力越大，降温措施越充分，分层厚度可适当加大一些，有利于加快施工进度。后一层混凝土必须在前一层未初凝前加以覆盖，防止出现施工裂缝。

（2）锚块混凝土分块施工

锚快要分块，各块之间采用湿接缝或后浇段相连。为了在所留槽缝内立模和预埋钢筋接头焊接作业，所留槽缝宽度为1.0m～2.0m。各块分别浇筑施工，分别冷却至稳定温度，再将预留槽缝隙中的钢筋焊接起来，在湿接缝浇筑微膨胀混凝土。

（3）养护及保温

混凝土浇筑完并终凝后要覆盖麻袋、草垫等物，并洒水保持表面湿润。这样一方面是对混凝土进行养护，另一方面是为了减少混凝土表面与内部的温差。针对不同的气温条件，采取的温控措施是不同的。夏季炎热地区以降温散热为主，冬季气温寒冷时，就特别注意混凝土的保温措施，必要时可覆盖塑料布等保温材料，通过内散外保的方法使混凝土整体上均匀降温。

（4）温度监测

锚碇大体积混凝土施工时，对混凝土内部最高温度相邻两层及相邻两块之间的温差，设计都有严格的规定。为了能及时掌握混凝土内部温度变化，宜在混凝土内部埋设测温元件，如差动式测温计、测缝计、应变计等，从而掌握温度场变化，正确指导施工。

5 安全措施

（1）深基坑开挖前，必须先对深基坑周围地形、地貌和水文进行调查，掌握深基坑周边区域汇水、排水等水流情况，在此基础之上作好防洪措施。

（2）采用截水、排水措施防止基坑区域之外的水流入基坑，冲刷坑壁，造成坑壁坍塌。

（3）基坑采用边开挖边喷射混凝土支护或锚杆支护方法施工，支护要紧跟开挖。

（4）基坑要分层开挖，每层先开挖排水系统，要保证基坑内无水浸泡。

（5）锚块分层施工，锚块钢构件要根据分层高度确定安装高度，安装高度不能过高，以免安全受到威胁，一般以锚块两倍的高度作为钢构件安装高度较合适。

重力式锚碇安全施工主要是深基坑开挖、锚块钢构件和散索鞍安装三个方面。必须针对这三个方面编制专项安全技术措施、安全设施和安全应急预案报公司相关部门批准。

6 质量控制

（1）基坑开挖时应采取沿等高线自上而下分层开挖，基坑外和坑底要分别设置排水沟和截水沟，防止地面水流入，积留在坑内而引起塌方或基底土层破坏。采用机械开挖时，在基底标高以上预留150～300mm厚度用人工清理，避免破坏基底结构。

（2）锚杆、锚梁制造时必须严格按设计要求进行抛丸除锈、表面涂装和无破损探伤等工作。出厂前应对构件连接进行试拼，其中应包括锚杆拼装、锚杆与锚梁连接、锚支架及其连接系平面试装。

（3）对预应力锚固体系，预应力张拉与压浆工艺除严格按预应力施工规范执行外，锚头要安装防护套，并注入防防油脂。

（4）大体积混凝土采用低水化热水泥。对于普通硅酸盐泥应经过水化热试验比较后方可使用。

（5）降低混凝土入仓温度，对砂石料加遮盖，防止日照；采用冷却水作为混凝土的拌和用水等。

（6）在混凝土结构中布置冷却水管，混凝土终凝后开始通水冷却降温。设计好水管流量、管道密度和进水温度，使进出水温差控制在10℃左右，水温与混凝土内部温差不大于20℃。

（7）大体积混凝土应采用分块、分层施工，每层厚度可为1.0～2.0m,应视混凝土浇筑能力和降温措施而定.后一层混凝土浇筑前需对已浇好的混凝土面进行凿毛、清除浮浆，确保混凝土结合面粘结良好。层间间歇为4～7d。

（8）混凝土浇筑完后应按照规定覆盖并洒水养护。当气温急剧下降时须注意保温，并应将混凝土内外温差控制在25℃以内。

7 结束语

重力式锚碇施工，其重难点是基坑开挖、大体积混凝土施工和散索鞍及锚索架的安装。基坑开挖要做截水、排水和坑壁防护，开挖要做到从上而下的分层进行，大体积混凝土要做到减少水化热、降低混凝土体内外温差防止混凝土开裂，散索鞍安装和锚索架安装重在施工安全。锚碇施工一般占悬索桥施工时间的三分之一至二分之一，总投资也在三分之一左右，作好锚碇施工的施工组织，保证锚碇施工连续有序进行，直接决定着整座桥的施工进度目标和成本目标是否实现。