近海山區(qū)高速公路創(chuàng)新集成研究與示范

文/圖

溶江特大橋

近十年來(lái)，廣東省高速公路迅速發(fā)展，連續(xù)數(shù)年保持全國(guó)首位，截至2018年底，廣東省高速公路通車(chē)總里程已達(dá)8338公里。廣東省地處南海北部，除珠江三角洲平原與潮汕平原外，其余均為山地、丘陵，全省80%的高速公路屬于典型的近海山區(qū)高速公路，高速公路所經(jīng)區(qū)域地形、地質(zhì)及環(huán)境條件復(fù)雜多變，最主要的特性是海洋環(huán)境，富含氯鹽和硫酸鹽等腐蝕離子；地質(zhì)條件復(fù)雜，軟土地基深厚，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)；水網(wǎng)密布、地形復(fù)雜，橋隧比例大；環(huán)境保護(hù)要求高，沿線河砂緊缺；地震烈度大。

因此，在近海山區(qū)建設(shè)高速公路時(shí)，既有一般高速公路存在的質(zhì)量“通病”，又有近海山區(qū)面臨的特殊工程問(wèn)題，包括重點(diǎn)構(gòu)造物空間受限、軟基路段橋梁樁基超長(zhǎng)、橋隧結(jié)構(gòu)臨海耐久性問(wèn)題突出、施工原材料獲取難度大、橋梁抗震性能亟需得到提升、隧道路面抗滑性能衰減過(guò)快等。

廣東省潮州至惠州高速公路（簡(jiǎn)稱(chēng)“潮惠高速公路”）是一條典型的近海山區(qū)高速公路，起點(diǎn)位于潮州市潮安縣古巷鎮(zhèn)，終于惠東縣大嶺鎮(zhèn)。路線所經(jīng)區(qū)域總體處于東南沿海丘陵區(qū)，以山區(qū)、丘陵為主，局部為平原，沿線多處橫切或沿山間河谷分布，主要河流有韓江、榕江。項(xiàng)目區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，主要構(gòu)造物有榕江特大橋和蓮花山特長(zhǎng)隧道。其中榕江特大橋位于潮惠高速公路榕江河段，其建筑高度受到雙重限制：橋下Ⅲ級(jí)航道，主跨跨度不小于380米；同時(shí)離揭陽(yáng)潮汕機(jī)場(chǎng)較近，受機(jī)場(chǎng)飛機(jī)起降影響，橋梁高度受機(jī)場(chǎng)控高要求的限制。

除了榕江特大橋和蓮花山特長(zhǎng)隧道，潮惠高速公路需要重點(diǎn)解決的工程地質(zhì)問(wèn)題有飽和砂土地震液化、軟土固結(jié)產(chǎn)生的樁基負(fù)摩阻，以及橋臺(tái)處軟土引起的不均勻沉降等。砂料是潮惠高速公路最為緊缺的天然筑路材料，路線經(jīng)過(guò)的榕江及其支流等河流砂料極少。

基于此，研究針對(duì)廣東省近海山區(qū)典型高速公路長(zhǎng)期存在的質(zhì)量通病問(wèn)題，結(jié)合潮惠高速公路工程特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)安全、優(yōu)質(zhì)耐久和生態(tài)環(huán)保3個(gè)方面入手，整合國(guó)內(nèi)技術(shù)實(shí)力雄厚、研究經(jīng)驗(yàn)豐富的單位作為課題主要參加單位，采用理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)外試驗(yàn)和工程驗(yàn)證等手段，開(kāi)展單項(xiàng)優(yōu)化、多項(xiàng)聯(lián)動(dòng)、一體化系統(tǒng)分析研究，以理論研究為基礎(chǔ)、以工程應(yīng)用為導(dǎo)向、以試驗(yàn)驗(yàn)證為標(biāo)準(zhǔn)、以管理體系為抓手；通過(guò)廣泛調(diào)研、對(duì)比分析現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展研究，從而得出一系列關(guān)鍵技術(shù)研究成果。

開(kāi)發(fā) “高速公路設(shè)計(jì)方案綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)”

以京珠（山嶺區(qū)）、開(kāi)陽(yáng)和肇花（平原區(qū)）、粵贛和潮惠（重丘區(qū)）等高公路為研究對(duì)象，項(xiàng)目創(chuàng)建了高速公路設(shè)計(jì)方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括環(huán)境保護(hù)類(lèi)、交通安全類(lèi)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)類(lèi)等3個(gè)大類(lèi)、11個(gè)子類(lèi)、91個(gè)指標(biāo)（非固化，可因地制宜選擇），提出了各個(gè)指標(biāo)的量化評(píng)價(jià)方法和具體的評(píng)分規(guī)則，可用于單一設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)，也可用于多個(gè)設(shè)計(jì)方案的比選評(píng)價(jià)。

同樣是以京珠、開(kāi)陽(yáng)、粵贛等高速公路的實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)為依據(jù)，項(xiàng)目建立了交通運(yùn)行特征預(yù)測(cè)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、駕駛行為影響評(píng)價(jià)、交通事故率和死傷人數(shù)預(yù)測(cè)、路面行駛質(zhì)量預(yù)測(cè)、養(yǎng)護(hù)管理成本等量化模型，在760公里的高速公路上完成了9種代表車(chē)型的油耗試驗(yàn)，重新標(biāo)定了實(shí)際路況條件下油耗計(jì)算模型和車(chē)輛污染物排放量計(jì)算模型，形成了一套完整的高速公路全壽命周期成本的計(jì)算體系和模型體系。

蓮花山隧道

潮惠高速公路

研發(fā)低塔斜拉橋斜拉索集中錨固的鋼箱梁

項(xiàng)目結(jié)合低塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系特征，針對(duì)背景工程榕江特大橋受航空和通航限制的建設(shè)特點(diǎn)，研究分析了整體結(jié)構(gòu)體系和局部性能，識(shí)別于低塔斜拉橋自身獨(dú)有的特征并提出了低塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系。由于橋區(qū)地震烈度高，地震動(dòng)峰值加速度達(dá)0.183伽，研究榕江特大橋主橋和典型引橋抗震性能及減震技術(shù)，研發(fā)了由橫橋向C型彈塑性阻尼器、縱橋向黏滯性阻尼器，以及引橋X型板彈簧擋塊組成的減震體系。

建設(shè)中的蓮花山隧道

項(xiàng)目首創(chuàng)了柔性大跨徑低塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系。受航空限高的制約，斜拉橋主塔在外觀上最直觀顯著的特征就是高度小，是典型的低塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系，該特征也成為本橋結(jié)構(gòu)區(qū)別于常規(guī)斜拉橋和矮塔斜拉橋的最大特色和難點(diǎn)。索塔高跨比接近于矮塔斜拉橋，但斜拉索承擔(dān)的荷載比例、主梁梁高等關(guān)鍵設(shè)計(jì)特征則與常規(guī)斜拉橋柔性體系類(lèi)似，使得低塔斜拉橋作為斜拉橋一種特殊的形式，有獨(dú)有的受力特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，抗震要求高，設(shè)計(jì)難度大，為全國(guó)首座柔性大跨徑低塔斜拉橋。

項(xiàng)目研發(fā)了低塔斜拉橋索塔集中式錨箱。拉索與主塔的錨固區(qū)的安全至關(guān)重要，也是控制橋塔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，該處結(jié)構(gòu)可靠與否，將直接關(guān)系到整個(gè)大橋的安全。錨固區(qū)處于空間受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)計(jì)算一直是難點(diǎn)和重點(diǎn)之一，目前規(guī)范中沒(méi)有針對(duì)錨固區(qū)的受力特點(diǎn)的專(zhuān)門(mén)規(guī)定，榕江特大橋最具特色的構(gòu)造形式就是采用了集中式索塔錨固構(gòu)造。將所有斜拉索都錨固于塔頂?shù)奈恢?，解決了低塔斜拉橋斜拉索利用率低的問(wèn)題。同時(shí)，這種構(gòu)造也有助于減小索塔承受的不平衡水平索力。

項(xiàng)目還研發(fā)了適用于低塔斜拉橋的橫橋向C型彈塑性阻尼器、縱橋向黏滯性阻尼器及引橋X型板彈塑性擋塊，構(gòu)建了低塔柔性斜拉橋減震體系。同時(shí)，建立了低塔斜拉橋的空間動(dòng)力計(jì)算模型，在對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，提出橫橋向采用C型彈塑性阻尼器、縱橋向采用液壓阻尼器的減震體系，并采用非線性時(shí)程方法驗(yàn)證所采用的減震體系的減震效果，完成了縮尺比為1/20的大比例尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。

提出考慮樁基沉降與上部結(jié)構(gòu)混凝土徐變耦合作用的超靜定橋梁設(shè)計(jì)方法

針對(duì)潮惠高速公路沿線局部基巖埋深大且上部存在深厚軟弱土層的高架橋工程地質(zhì)特點(diǎn)，考慮地震設(shè)防要求，項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)灌注樁和后注漿灌注樁，按地層分布埋設(shè)樁身軸力測(cè)試原件，結(jié)合靜載荷試驗(yàn)獲得分層土樁側(cè)摩阻力、樁端阻力及單樁承載力，尤其是單樁極限承載力，建立不同土性、同種土性不同埋深下灌注樁和后注漿灌注樁的豎向承載特性，給出該地區(qū)灌注樁和后注漿灌注樁的分層側(cè)摩阻力、端阻力推薦值，為該地區(qū)工程設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)檢驗(yàn)施工設(shè)備和施工工藝的適用性。

組圖：全厚式露石水泥混凝土路面鋪設(shè)

潮惠高速公路

研制適用于近海地區(qū)的高標(biāo)號(hào)機(jī)制砂混凝土

通過(guò)對(duì)近海地區(qū)潮惠高速公路途經(jīng)區(qū)域環(huán)境條件和地質(zhì)資料的基礎(chǔ)分析，結(jié)合實(shí)地調(diào)研惠州、揭陽(yáng)地區(qū)在役高速公路混凝土結(jié)構(gòu)裂化現(xiàn)狀，提出了潮惠高速公路典型機(jī)制砂混凝土結(jié)構(gòu)（灌注樁、墩承臺(tái)、梁體）所處環(huán)境作用等級(jí)劃分，確定了其耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)比研究機(jī)制砂防腐蝕混凝土和天然河砂混凝土的性能（包括工作性能、力學(xué)性能、耐久性能、收縮變形性能和徐變特性）差異，提出了適用于不同結(jié)構(gòu)部位（灌注樁、墩承臺(tái)和梁）的機(jī)制砂防腐蝕混凝土配合比參數(shù)，研制出面向不同結(jié)構(gòu)部位的機(jī)制砂防腐蝕混凝土，研究確定了花崗巖石粉作為礦物摻和料最大摻量，形成了機(jī)制砂防腐蝕混凝土制備技術(shù)體系。

研發(fā)基于斷級(jí)配設(shè)計(jì)的全厚式露石水泥混凝土

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)公路建設(shè)中露石水泥混凝土路面露石深度不均的現(xiàn)狀，對(duì)影響路面露石均勻的材料選擇開(kāi)展了深入研究，開(kāi)展了露石混凝土粗集料粒徑、混合料級(jí)配對(duì)露石深度、抗滑性能、降噪特性等影響的研究。通過(guò)理論分析露石混凝土路面抗滑、降噪產(chǎn)生的機(jī)理，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，粗集料最大粒徑分別選26.5毫米、19毫米、16毫米和13.2毫米；以瀝青混合料級(jí)配（特別是斷級(jí)配）作為設(shè)計(jì)級(jí)配基準(zhǔn)，分別選擇第SMA20、SMA13、SMA16、SMA25、AC13、AC16、AC20、AC25等10組級(jí)配，制作不同級(jí)配的露石混凝土試件。在滿足一般混凝土路面技術(shù)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，測(cè)定經(jīng)露石工藝處理后露石混凝土表面的露石度及表面均勻程度，研發(fā)基于SMA型斷級(jí)配設(shè)計(jì)的露石混凝土。

該項(xiàng)目的研究成果在依托工程潮惠高速公路建設(shè)中得到了充分應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)，形成了低塔斜拉橋建造、設(shè)計(jì)及管養(yǎng)的全方位技術(shù)，支撐了深厚軟弱土層樁基的設(shè)計(jì)和施工，有效緩解了河砂資源緊缺的問(wèn)題，提升了隧道路面的行車(chē)安全性，提高了近海山區(qū)高速公路工程質(zhì)量和耐久性水平，為解決高速公路質(zhì)量通病問(wèn)題提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，并取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。