山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)淺析

山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)淺析

張鯤1王力2

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司合肥230031；2.南京東道路橋工程技術(shù)咨詢有限公司南京210019)

摘要山區(qū)地形地質(zhì)情況復(fù)雜，巖堆體的穩(wěn)定性成為山區(qū)橋梁建設(shè)最大的不確定性風(fēng)險(xiǎn)源和頭等工程技術(shù)難題。文中結(jié)合G85渝昆高速麻柳灣至昭通段高速公路橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目，提出跨越巖堆體時(shí)，采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁并減小橋墩承臺(tái)、系梁埋深等優(yōu)化意見以提高橋梁穩(wěn)定性，并總結(jié)了山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞麻昭高速山區(qū)橋梁巖堆體防磨蝕

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.014

收稿日期：2015-02-26

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施，我國在山區(qū)高速公路上修建橋梁的需求量逐步增加。然而山區(qū)地形復(fù)雜，滑坡、巖堆體等不利地質(zhì)條件，水流沖刷及漂浮物撞擊等因素一直是山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)亟需解決的難題。

麻柳灣至昭通段高速公路是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中南北縱線G85重慶-昆明高速公路中的一段，是我國高速公路主骨架的重要組成部分，也是云南省南北高速公路大通道的一段。結(jié)合麻昭高速公路橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目，對山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

1橋梁結(jié)構(gòu)形式

1.1　橋梁上部結(jié)構(gòu)形式

山區(qū)高速公路中橋梁所占的比重較大，但一般情況下，特殊的大跨徑橋梁相比較是少數(shù)。因此，對于數(shù)量眾多的常見跨徑橋梁，其設(shè)計(jì)原則就是盡量采用施工方便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制裝配化結(jié)構(gòu)。常用的大、中橋標(biāo)準(zhǔn)跨徑有16，20，25，30，35，40，50m，常用的中、小橋標(biāo)準(zhǔn)跨徑有6，8，l0，13，16m。橋梁橫斷面形式主要有預(yù)制空心板、T梁、小箱梁等。一般情況，對于跨徑小于30m的橋梁空心板、預(yù)制T梁、預(yù)制箱梁等結(jié)構(gòu)形式均可以采用，對于跨徑35，40，50m的橋梁，根據(jù)梁的受力特點(diǎn)，更宜采用T梁或小箱梁。山區(qū)高速公路平面半徑較小，超高緩和路段不可避免會(huì)出現(xiàn)在橋梁上，若采用小箱梁結(jié)構(gòu)，施工時(shí)一片梁4個(gè)支點(diǎn)不易調(diào)平，易造成支座脫空、受力不均勻，所以山區(qū)高速公路橋梁上部結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先采用T梁。

從造價(jià)上講，20m跨徑以下，用空心板截面的橋梁造價(jià)相對較經(jīng)濟(jì)，且空心板的建筑高度最低，對于較小跨徑且橋梁凈空不高時(shí)，空心板截面最適宜。從受力上講，對于較大跨徑如40，50m的橋梁，用T梁截面則更好。

對于50m跨徑T梁，在小半徑平曲線上，由于內(nèi)外梁梁長差較大，跨中矢高較大，對路線的適應(yīng)性要差一些。另外，山區(qū)高速公路交通運(yùn)輸、場地預(yù)制條件均較差，大型機(jī)具進(jìn)入困難，50mT梁單片重150多t，架設(shè)設(shè)備要求較高，運(yùn)輸及安裝過程中變形不易控制，因此一般情況下不選用50m跨徑T梁[1]。

麻昭高速公路全線跨徑均在20m以上，該項(xiàng)目常規(guī)橋梁均采用裝配式預(yù)制T梁結(jié)構(gòu)。

1.2　橋梁下部結(jié)構(gòu)形式

對于山區(qū)公路橋梁，墩臺(tái)基礎(chǔ)形式主要有2類：鉆(挖)孔樁基礎(chǔ)(嵌巖樁或摩擦樁)和明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。在做設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體地基條件來選擇基礎(chǔ)形式。一般來說，對于地質(zhì)條件較好的橋位處，指巖層或地基持力層埋藏位置較淺，一般不大于5m，且基巖穩(wěn)定，山體平緩，基礎(chǔ)邊緣距坡面有一定安全距離的情況下，首先選擇明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。對于荷載較大，地基上部土層軟弱，適宜的地基持力層位置較深時(shí)，可考慮采用樁基礎(chǔ)[2]。

該項(xiàng)目具有地形復(fù)雜，山高坡陡,地質(zhì)條件差，淺層以碎石土、塊石土為主，常伴滑坡、巖堆等不利地質(zhì)條件；抗震等級高；跨山區(qū)河流橋墩易受到水流及漂浮物沖擊、沖刷大的特點(diǎn)。橋梁下部結(jié)構(gòu)的選擇主要從以下幾個(gè)方面考慮。

(1) 由于擴(kuò)大基礎(chǔ)基底易受水流沖刷掏蝕從而產(chǎn)生安全隱患，且地表土層以碎石土、卵石為主，基底抗滑性較差，表層土基底地基承載力差，所以橋梁基礎(chǔ)以樁基礎(chǔ)為主，基礎(chǔ)頂部埋入沖刷線以下。

(2) 該項(xiàng)目特大橋橋墩高度變化較大，最高橋墩達(dá)150m，由于橋梁存在抗震等級較高、地形起伏變化大、地表土層松散、山坡上多落石等特點(diǎn)，所以選擇橋墩時(shí)多選擇一些抗震性能好、防撞能力強(qiáng)且相對容易施工的橋墩，如樁柱式橋墩、矩形墩、Y形墩及空心墩，避免選擇一些抗震性能差、施工難度大的橋墩，如圬工橋墩、V形墩及花瓶式橋墩。對于樁柱式橋墩、矩形墩、Y形墩及空心墩具有以下特點(diǎn)。

①樁柱式橋墩構(gòu)造簡單、受力明確、外形輕巧大方、混凝土體積少，橫橋向抗彎線剛度為(0.97～1.93)×106kN·m2/m，抗撞擊能力相對較差，一般適用于無漂浮物沖擊且墩高小于30 m的橋墩。

②矩形橋墩構(gòu)造簡單、受力明確、混凝土體積相對較大，橫橋向抗彎剛度一般為(1.6～2.3)×107kN·m2/m，抗撞擊能力相對較強(qiáng)，阻水較小，一般適用于跨河且墩高不大于45 m的橋墩。

③Y形橋墩構(gòu)造簡單、受力明確、混凝土體積相對較大，Y形墩薄壁是獨(dú)柱雙支座的一種墩型，美觀性較好，但施工稍顯復(fù)雜。當(dāng)墩高較高時(shí)Y形薄壁墩施工只需一套模板，只需搭一個(gè)支架，對于地面橫坡較陡，搭支架困難，模板需求量大的山區(qū)橋梁，Y形薄壁墩具有顯著的優(yōu)勢。一般適用于旱地且墩高不大于45m的橋墩。

④空心薄壁墩可以充分利用材料強(qiáng)度，比同尺寸實(shí)體橋墩可節(jié)省50%左右混凝土，橫橋向抗彎線剛度一般為(1.5～2.5)×107kN·m2/m；由于空心墩壁厚一般較小，故防撞、抗沖擊能力相對較差，為彌補(bǔ)這一缺陷，空心墩底部實(shí)心段可適當(dāng)加厚?？招亩諏τ诟邩蚨招阅軆?yōu)越，同時(shí)考慮空心墩內(nèi)部模板施工條件，一般適用于墩高大于45m的橋墩。

(3) 對于跨河的長大橋梁，其結(jié)構(gòu)形式、孔跨布置在考慮上述因素的同時(shí)，還要根據(jù)河(溝)性質(zhì)綜合考慮；一般情況下，為減少河中落墩，跨重要河溝宜采用30m及以上較大跨徑，如大關(guān)河、灑漁河等。

(4) 盡可能減少橋梁結(jié)構(gòu)形式和橋跨種類，以方便施工。

2巖堆體段橋梁設(shè)置方案

麻柳灣至昭通段巖堆廣泛發(fā)育，且走廊帶唯一，受地形地質(zhì)條件及路線縱坡控制，麻昭高速必須從巖堆體上通過。巖堆體上橋梁穩(wěn)定性關(guān)系著項(xiàng)目建設(shè)成敗，而巖堆體組成的復(fù)雜性，致使巖堆穩(wěn)定性為該項(xiàng)目最大的不確定性風(fēng)險(xiǎn)源和頭等工程技術(shù)難題。洗馬溪大橋全橋從巖堆體現(xiàn)狀上通過，巖堆穩(wěn)定關(guān)系橋梁建設(shè)安全。以洗馬溪大橋?yàn)槔?，介紹巖堆體段橋梁設(shè)計(jì)方案。

2.1　洗馬溪大橋橋址處穩(wěn)定性分析

擬建的洗馬溪大橋位于昭通市大關(guān)縣悅樂鎮(zhèn)房村，與路線正交，左線中心樁號(hào)為ZK8+994，跨徑為23×30m，右線中心樁號(hào)為K9+094，跨徑為11×30m，上部結(jié)構(gòu)為裝配式先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁；下部結(jié)構(gòu)采用圓柱墩、空心薄壁墩、肋板臺(tái)，樁基礎(chǔ)。

洗馬溪大橋橋位區(qū)地層分布復(fù)雜，表層含碎石粉質(zhì)粘土、碎石土、塊石土交錯(cuò)分布，局部呈透鏡狀，下部基巖面起伏變化大，巖堆體最大厚度大于60mm。塊碎石土呈中密～密實(shí)狀，粒徑大于20mm的顆粒含量為55%～70%，母巖成分主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r，粒徑20～60mm，呈棱角狀、次棱角狀，角礫、泥砂質(zhì)充填，顆粒級配一般。塊石土中含大量孤石。

根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及定性評價(jià)分析，ZK9+150橋位區(qū)巖堆體邊坡為土石堆積二元結(jié)構(gòu)邊坡，為穩(wěn)定～基本穩(wěn)定段落，ZK9+150～ZK9+342段欠穩(wěn)定，且橋梁位于斜坡體中部，滑動(dòng)變形破壞范圍相對高差35m，面積7 000m，總方量估計(jì)5萬m3，工程危害性大。上部堆積層自然坡面達(dá)40°，接近于灰?guī)r、泥灰?guī)r塊石土最大休止角，可能上部排水順暢，以及大塊石的骨架作用，自然狀態(tài)下處于極限平衡狀態(tài)，若下部橋梁樁基開挖，特別是施工便道及作業(yè)平臺(tái)開挖切坡，可能誘發(fā)滑坡，特別是在橋梁建成后期運(yùn)營當(dāng)中，若連續(xù)降水、地震等不利條件下，一旦上部發(fā)生滑坡，可能危及橋梁樁柱安全，必須進(jìn)行預(yù)加固處理[3]。

2.2　洗馬溪大橋巖堆處處理方案

(1) 抬高墩臺(tái)承臺(tái)、系梁高度。因巖堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，橋梁橋墩承臺(tái)、系梁設(shè)計(jì)時(shí)宜減小埋深，防止埋深過大，導(dǎo)致橋梁開挖時(shí)影響巖堆的穩(wěn)定性。樁柱式橋墩，保證系梁施工不開挖，取消樁頂系梁，設(shè)柱底系梁，且保證樁頂位于同一高程，縱(橫)向地面線較低側(cè)樁基出露部分及地面以下2m樁基部分采用8mm厚鋼板包裹；對于Y形墩、空心薄壁墩等帶承臺(tái)橋墩，保證承臺(tái)施工不開挖，縱(橫)向地面線較低側(cè)樁基出露部分及地面以下2m部分采用8mm厚鋼板包裹。洗馬溪大橋ZK9+140～ZK9+342段中的橋墩采用上述方式進(jìn)行處理。見圖1。

圖1　洗馬溪大橋巖堆處處理示意圖

(2) 橋梁下部設(shè)置觀測點(diǎn)。橋梁墩身預(yù)埋位移觀測檢測點(diǎn)以監(jiān)控橋墩變形情況。洗馬溪大橋ZK8+900～ZK9+080段暴雨工況下橋墩處邊坡安全儲(chǔ)備較小，基坑開挖及下部施工時(shí)應(yīng)做好實(shí)時(shí)監(jiān)控。墩臺(tái)位移永久性監(jiān)測點(diǎn)采用D16不銹鋼管制作，底部焊接與橋墩豎向主筋上，漏出橋墩面混凝土2cm，采用紅油漆標(biāo)記。

(3) 橋梁施工建議。雨水下滲及開挖擾動(dòng)對堆積體邊坡穩(wěn)定性影響極大，施工便道、橋梁基礎(chǔ)施工應(yīng)盡量減小對原有巖堆體的擾動(dòng)，對于必要的開挖放坡應(yīng)采取加固措施，對欠穩(wěn)定巖堆體上橋梁樁基施工建議不能帶水施工，以確保巖堆邊坡的穩(wěn)定。

(4) 截排水措施。沖溝鋪砌防護(hù)：對橋位區(qū)ZK8+960及ZK9+140處自然沖溝橋軸線上下游各50m范圍進(jìn)行漿砌片石鋪砌防護(hù)，既可加速排水，又阻止進(jìn)一步?jīng)_蝕下切，防止邊坡坍塌。橋上方環(huán)形截水溝：在ZK8+960～ZK9+342段橋梁上方斜坡50m范圍或坡度變化處設(shè)一道環(huán)形截水溝，將上部山體匯水引入自然沖溝，減小下滲及坡面沖刷。

(5) 加固措施。對ZK9+140～ZK9+342段欠穩(wěn)定邊坡，采取一定預(yù)加固措施以提高自然邊坡穩(wěn)定度。上部欠穩(wěn)定區(qū)堆積體厚度不大，直接在自然坡面上用錨索框架加固，可同時(shí)加固深層滑動(dòng)及坡面破壞，且分散布置，效果好。錨索框架設(shè)計(jì)間距3.4m×4.0m，設(shè)計(jì)每孔錨索拉力450kN，須在橋梁上方布置3排錨索框架，設(shè)計(jì)錨索長度23m，錨固段8m，錨于中風(fēng)化基巖內(nèi)。

2.3　橋墩防磨蝕技術(shù)

麻昭高速大關(guān)河1號(hào)、2號(hào)大橋?yàn)榕R河路段，一側(cè)是破碎的山體，一側(cè)是湍急的大關(guān)河。大關(guān)河水流湍急，水流不僅能帶起泥沙，而且具有夾帶一定粒徑石頭的能力，砂石在水流的作用下不停地與橋墩樁基混凝土發(fā)生碰撞和摩擦，從而對橋梁樁基產(chǎn)生磨蝕作用[4-5]。

橋墩設(shè)計(jì)防磨蝕與石頭撞擊破壞的措施有：①增加橋墩磨蝕部位的混凝土保護(hù)層厚度，特別是迎水面混凝土保護(hù)層厚度，即在規(guī)范的基礎(chǔ)上，增加保護(hù)層厚度2～3cm；②增加樁基外套鋼護(hù)筒，外套鋼護(hù)筒厚度一般為5～8mm。在設(shè)計(jì)時(shí)，橋址處橋墩磨蝕較大且兩岸落石對橋墩撞擊破壞的威脅較大，考慮用外套鋼護(hù)筒。

3結(jié)論

(1) 山區(qū)高速公路橋梁宜采用施工便捷、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。當(dāng)墩高≤15m，在山區(qū)跨越山溝、山凹等，且無凈空限制時(shí)，宜選用20m連續(xù)T形梁橋；當(dāng)墩高15m

(2) 山區(qū)橋梁跨越巖堆體時(shí)橋墩承臺(tái)、系梁設(shè)計(jì)時(shí)宜減小埋深，設(shè)置變形觀測點(diǎn)。根據(jù)巖堆體穩(wěn)定性分析結(jié)果對欠穩(wěn)定段采取有效的加固措施。

(3) 山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)中，跨河段、滾石段，橋梁下部結(jié)構(gòu)應(yīng)采取一定的防護(hù)措施對橋梁進(jìn)行保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

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