巖溶區(qū)中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)形式及存在問題分析

許國平

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西　南寧　530004；2.廣西交通投資集團有限公司，廣西　南寧　530029)

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巖溶區(qū)中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)形式及存在問題分析

許國平1，2

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西交通投資集團有限公司，廣西南寧530029)

摘要：文章通過對廣西巖溶區(qū)中小跨徑橋梁的調(diào)查統(tǒng)計，分析了巖溶區(qū)中小跨徑橋梁的常見結(jié)構(gòu)型式及主要病害形式，并從設(shè)計、勘察、施工、養(yǎng)護等方面闡述了巖溶區(qū)中小跨徑橋梁建設(shè)主要存在的問題，為相關(guān)工程提供管控思路。

關(guān)鍵詞：巖溶；中小跨徑；橋梁結(jié)構(gòu)；樁基；病害；問題

0引言

廣西地區(qū)的地殼發(fā)展歷史，從泥盆紀至二疊紀時代，沉積物大多以碳酸巖為主，且分布范圍和厚度均比較大，是我國巖溶地貌集中發(fā)育最為強烈的地區(qū)[1]～[4]。廣西處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，常年氣溫較高，年均降雨量較大，是我國境內(nèi)年平均降雨量的一倍多[5]。因此，也將廣西區(qū)巖溶稱為熱帶巖溶，其在地表和地下的發(fā)育規(guī)模都比較大，并形成了許多大流量的地下河。由于廣西區(qū)巖溶情況復(fù)雜且無規(guī)律，給建筑工程的設(shè)計和施工帶來了極大的困難，尤其是橋梁工程，在建設(shè)和使用過程中的穩(wěn)定性受到嚴重威脅。

1廣西巖溶地貌特征

在巖性、氣候和地質(zhì)構(gòu)造等綜合因素制控的條件下，同時受碳酸鹽巖石可溶性、透水性及水流動性的制約，使得廣西區(qū)內(nèi)的巖溶分布呈現(xiàn)出一定的分帶性[6]。根據(jù)巖溶特征可大致劃分成四個巖溶地貌帶，如圖1所示。德保-大新以西及河池-都安為峰叢區(qū)，全州-賓陽及平果-龍州為峰林區(qū)，富川-賀縣及象州-崇左為孤峰區(qū)，桂平、貴縣及玉林一帶為巖溶殘丘區(qū)。由于灰?guī)r的可溶性和透水性最好，遇水易形成巖溶，其在廣西境內(nèi)呈離散狀分布，東北部、中部及南部分布較多，在河池-龍州以西、靖西-田陽的峰叢區(qū)有所出露，而在峰林區(qū)的桂林和柳州一帶、永福-融水、隆安-平果、龍州-大新之間均有大面積出露，在孤峰區(qū)，如象州西南部一帶也分布較廣。

圖1　廣西巖溶地貌分布圖

巖溶的大規(guī)模發(fā)育使得廣西區(qū)巖溶水資源十分豐富，并匯集成很多地下河及大泉[5]。圖2為廣西境內(nèi)巖溶水的分布圖，可以看出枯水期平均流量>1 m3/s的地下河主要分布在廣西西部及中部地區(qū)，且德保和都安一帶較為集中；大流量下降泉主要集中于來賓以南的地區(qū)；平均流量為0.5～1 m3/s的上升、下降泉主要分布在廣西西部，南丹、田林和大新以西均有零散分布。在廣西西北和西南地區(qū)，每千平方米的范圍分布的地下河達6～13條。

圖2　廣西巖溶水分布圖

2中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)

針對廣西區(qū)巖溶地貌的分布特點，為了掌握巖溶區(qū)中小跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)形式和病害特征，對廣西境內(nèi)多條公路干線上的橋梁進行了調(diào)查，其中包括桂(林)-梧(州)高速公路、宜(州)-柳(州)一級公路、河池(水任)-南(寧)公路以及桂林國道過境高速，調(diào)查橋梁合計257座。統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示，上部結(jié)構(gòu)采用的型式有預(yù)應(yīng)力箱梁、斜腿剛構(gòu)連續(xù)梁、預(yù)制空心板、預(yù)應(yīng)力T梁、現(xiàn)澆連續(xù)板/梁、連續(xù)剛構(gòu)等。從圖3中可看出巖溶區(qū)中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)以空心板、箱梁及兩者的組合型式為主，使用比例合計達88%。這表明，與非巖溶地區(qū)情況相比，地基存在巖溶時對中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)型式的選用影響不大，其型式仍然以常見的預(yù)制空心板和箱梁為主。

圖3　上部結(jié)構(gòu)型式柱狀圖

巖溶區(qū)中小跨徑橋梁下部結(jié)構(gòu)型式(基礎(chǔ)、橋臺和橋墩)的選擇如圖4所示，可以看出，基礎(chǔ)主要采用的型式為擴大基礎(chǔ)、樁基或樁基承臺，分別占41%和58%的比例；橋臺的選用以柱式橋臺為主，占55%，其次為重力式U臺，占40%，也有部分橋梁采用了肋式橋臺，僅占5%；橋墩選用的型式則以柱式橋墩為主，使用比例達76%，另有22%的中小跨徑橋梁采用了薄壁墩，其它橋墩型式僅占2%。這表明在巖溶條件下，樁基基礎(chǔ)是中小跨徑橋梁下部結(jié)構(gòu)的首選型式。

(a)基礎(chǔ)

(b)橋臺

(c)橋墩

根據(jù)上述調(diào)查，在中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)型式的選擇方面，地層存在巖溶時主要影響橋梁基礎(chǔ)型式的選用，而在橋梁墩臺和上部結(jié)構(gòu)的選擇上，當遇到巖溶發(fā)育規(guī)模較大或者巖溶條件惡劣而不適合修建橋梁時，通常在勘察設(shè)計階段中就已經(jīng)考慮改變線路避開巖溶區(qū)。因此，巖溶的存在對橋梁墩臺和上部結(jié)構(gòu)型式的選擇影響較小，但是，巖溶不可避免地對基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響，為了降低地基承載力的要求，以減少基礎(chǔ)工程的受荷，設(shè)計中墩臺和上部結(jié)構(gòu)一般首選輕型構(gòu)件。綜上分析，認為在巖溶地區(qū)進行橋梁工程的建設(shè)，應(yīng)重點關(guān)注橋梁基礎(chǔ)，尤其是樁基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，其在建設(shè)過程中容易產(chǎn)生各類病害。

3主要病害及存在的問題

3.1主要病害形式

通過對巖溶區(qū)的中小跨徑橋梁的調(diào)查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)巖溶對橋梁造成的主要病害是引起基礎(chǔ)變形破壞。表現(xiàn)在發(fā)生坍塌、沉陷、突涌水等導(dǎo)致地層圍巖強度降低，承載力減弱，使得地基的穩(wěn)定性顯著下降，并進一步造成橋梁基礎(chǔ)失穩(wěn)，最終引發(fā)橋梁整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。巖溶作用影響橋梁基礎(chǔ)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)巖溶區(qū)地基承載力不足

巖溶空洞上覆地層強度低或者厚度較小時，在上部荷載的作用下，空洞頂板容易發(fā)生剪切破壞，并導(dǎo)致橋梁基礎(chǔ)失穩(wěn)，嚴重時引發(fā)上部結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞。

(2)巖溶區(qū)地基沉降不均勻

當?shù)貙又写嬖谌芏础⑹?、溶溝、溶槽等，使得地面表層的黏土厚度不均勻，在附加荷載的作用下，采用擴大基礎(chǔ)等形式的橋梁將發(fā)生不均勻沉降。

(3)巖溶區(qū)基礎(chǔ)塌陷

基礎(chǔ)附近有溶溝、溶槽、空洞等時，較大的上部荷載可能使地層坍塌，并導(dǎo)致基礎(chǔ)突然沉陷，使橋梁整體結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重破壞。

(4)巖溶地下水突襲

在巖溶地層中進行鉆孔時，可能突然發(fā)生大量涌水及涌泥災(zāi)害，地下水的涌出將使得周圍巖土體的強度降低，嚴重影響到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時還影響橋梁工程的正常施工。

3.2主要存在的問題

3.2.1勘察、設(shè)計中存在的問題

(1)設(shè)計理念問題。路線布設(shè)受傳統(tǒng)技術(shù)和設(shè)計理念的制約，設(shè)計后出現(xiàn)較多的高邊坡，同時也忽視了環(huán)保及美觀等問題，在建橋修路的同時，仍出現(xiàn)大量的高填深挖現(xiàn)象，造成環(huán)境的破壞和水土的流失，并留下了嚴重的安全隱患。

(2)勘察不細致。由于勘察過程中對橋位所在的地形、地質(zhì)和水文情況調(diào)查了解不充分、不全面，在橋梁孔跨布置時，存在橋位選擇及孔跨布設(shè)等方面優(yōu)化不足的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)技術(shù)和經(jīng)濟上不合理性的情況。

(3)結(jié)構(gòu)型式單一。適應(yīng)于各種復(fù)雜地形、地貌、地質(zhì)水文條件的中等跨徑橋梁結(jié)構(gòu)方面的資料比較缺少，早期修建的結(jié)構(gòu)形式單一，多采用簡支體系，適用范圍狹窄。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，有些項目周期短，時間要求緊，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時僅考慮了橋梁通航凈空的要求，沒有考慮地面縱橫坡度、地質(zhì)水文條件、施工工藝等不同方面的差異，導(dǎo)致橋梁與環(huán)境不協(xié)調(diào)。

3.2.2施工中存在的問題

橋梁在巖溶區(qū)施工時容易出現(xiàn)問題的主要是樁基的鉆孔灌樁作業(yè)。在鉆孔灌樁過程中，由于施工不規(guī)范或者地勘資料不準確，鉆、挖成孔時容易出現(xiàn)坍孔、卡鉆等現(xiàn)象，致使進度緩慢，嚴重時還會出現(xiàn)安全事故和經(jīng)濟損失。巖溶區(qū)樁基作業(yè)時常見的鉆、挖成孔事故及產(chǎn)生原因有：

(1)坍孔。當鉆孔穿越巖溶空洞的頂板厚度較小，或上部振動荷載較大時容易發(fā)生坍孔。

(2)斜孔。當巖層面較為陡斜，并且含有空洞、溶溝及溶槽的情況下，鉆孔至傾斜面時鉆頭容易向巖層臨空面一側(cè)偏離，導(dǎo)致鉆孔效果達不到設(shè)計的要求。

(3)彎孔。當巖溶空洞成豎向多層分布時，鉆孔同時穿越多層巖溶時，可能發(fā)生沿巖層傾向彎曲的現(xiàn)象。

(4)漏漿。當鉆入的巖溶空洞規(guī)模較大或鉆入未探明的地下暗河時，可能產(chǎn)生大量的漏漿。

(5)卡鉆。當鉆入巖溶空洞頂板后，如果溶洞頂板厚度不均勻，鉆頭容易偏向較頂板厚度較小的一側(cè)，導(dǎo)致提鉆時鉆頭卡在巖層中。

(6)混凝土流失。成孔以后灌注混凝土?xí)r，如果地層中空洞相互連通且規(guī)模較大，則將流失大量的混凝土，并發(fā)生樁孔難以灌滿的情況。

3.2.3養(yǎng)護管理中存在的問題

在養(yǎng)護管理方面，目前巖溶區(qū)中小跨徑橋梁存在的問題，也是我國公路橋梁中普遍存在的問題，主要為橋面鋪裝開裂、破損，欄桿粉刷層嚴重脫落露筋，人行道損壞，泄水孔及伸縮縫堵塞，橋梁無限載標志等。另外，由于鋪設(shè)電力、自來水、通訊等管道增加了橋梁的荷載，加之近年來交通量的迅猛發(fā)展，貨車載重量的日益增加，使得橋梁在不同程度上受到損傷，大大縮短了橋梁的使用壽命。產(chǎn)生以上問題的主要原因有：

(1)重建輕養(yǎng)。橋梁工程普遍存在重建輕養(yǎng)的現(xiàn)象，而要扭轉(zhuǎn)這個被動局面，需要推行預(yù)防性養(yǎng)護理念，不能等到橋梁出現(xiàn)事故后才去養(yǎng)護，這將極可能誘發(fā)一些設(shè)計施工不足產(chǎn)生的事故。

(2)缺少相關(guān)養(yǎng)護規(guī)范。在橋梁養(yǎng)護的具體措施方面，缺少可行的標準規(guī)范，目前還停留在依靠管理單位自身認識水平和管理水平來進行養(yǎng)護的低級階段。因此，急需編制橋梁養(yǎng)護相關(guān)的技術(shù)標準規(guī)范和建立相應(yīng)的管理體制。另外，應(yīng)將橋梁的養(yǎng)護經(jīng)費納入公路運營管理預(yù)算。

(3)養(yǎng)護管理和技術(shù)水平不成熟。養(yǎng)護工作人員缺乏一定的專業(yè)技術(shù)。各交通主管部門還需重視和加強巖溶區(qū)橋梁的養(yǎng)護，特別是巖溶分布復(fù)雜且規(guī)模較大的地區(qū)，應(yīng)定期監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況，并根據(jù)實際情況制定適當?shù)酿B(yǎng)護管理措施，同時積極組織橋梁的檢修、加固及改造工作。

4結(jié)語

通過對廣西巖溶區(qū)中小跨徑橋梁的調(diào)查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)巖溶主要對橋梁基礎(chǔ)的選型有較大影響，其中

樁基基礎(chǔ)應(yīng)用最為廣泛，上部結(jié)構(gòu)的選型并不受巖溶的影響，但為了減小巖溶地層的受荷，上部結(jié)構(gòu)一般首選輕型構(gòu)件。同時調(diào)查還發(fā)現(xiàn)地基變形破壞是巖溶區(qū)中小跨徑橋梁的主要病害形式，其中包括地基承載力不足、基礎(chǔ)沉降不均勻、基礎(chǔ)塌陷等不良現(xiàn)象。最后分別從設(shè)計、勘察、施工、養(yǎng)護等方面，闡述了巖溶區(qū)中小跨徑橋梁主要存在的問題，為以后相關(guān)工程提供參考和管控思路。

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Analysis on Structure Forms and Existing Problems of Small and Medium-span Bridges in Karst Area

XU Guo-ping1，2

(1.College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning，Guangxi，530004；2.Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：Through the survey and statistics on Guangxi small and medium-span bridges in karst areas，this article analyzed the common structure types and main disease forms of small and medium-span bridges in karst areas，and described the main problems existing in the construction of small and medium-span bridges in karst areas from the aspects of design，survey，construction，and maintenance，etc.，thereby providing the management and control ideas for relevant projects.

Keywords：Karst；Small and medium span；Bridge structure；Pile foundation；Disease；Problem

收稿日期：2015-12-11

文章編號：1673-4874(2016)01-0048-04

中圖分類號：U445

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.011

作者簡介

許國平(1980—)，在讀工程碩士，高級工程師，主要從事公路工程建設(shè)管理工作。