山區(qū)高速公路橋臺(tái)經(jīng)濟(jì)性選擇

唐云浩TANG Yun-hao；李航LI Hang

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明650041）

1 工程概況

賓川至鶴慶高速公路是《云南省道網(wǎng)規(guī)劃修編（2016-2030 年）》中高速公路網(wǎng)布局二十聯(lián)中的第十二聯(lián) “賓川—鶴慶－劍川”中的一段，是大理白族自治州高速公路規(guī)劃網(wǎng)的重要組成部分，也是上關(guān)至鶴慶高速公路和大理至永勝高速公路的橫向連接線，同時(shí)也是大理白族自治州祥云至賓川至鶴慶等地的重要通道。該項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)加快沿線經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著重要作用。

2 橋臺(tái)型式選擇原則

橋臺(tái)型式的擬定，主要遵循以下原則：

①應(yīng)滿足公路橋涵設(shè)計(jì)“安全、耐久、適用、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和美觀”的原則。

②應(yīng)結(jié)合山區(qū)地形地貌、地質(zhì)條件、不良地質(zhì)、填土高度、路線設(shè)計(jì)及縱橫坡等情況選擇。

③應(yīng)堅(jiān)持因地制宜、綜合設(shè)計(jì)、具體情況具體分析的原則，從更安全、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的角度出發(fā)，以使橋臺(tái)型式的設(shè)計(jì)更加安全經(jīng)濟(jì)合理。

3 山區(qū)高速公路常用橋臺(tái)型式

橋梁橋臺(tái)是橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，橋臺(tái)除了傳遞橋梁上部結(jié)構(gòu)的荷載到地基外，還具有抵擋臺(tái)后的填土壓力、穩(wěn)定橋頭路基和連接橋上線路的作用。山區(qū)高速公路較常用的橋臺(tái)型式為重力式U 型橋臺(tái)和輕型橋臺(tái)（包括肋板式橋臺(tái)和樁柱式橋臺(tái)）。在地形起伏的山區(qū)，肋板式橋臺(tái)往往不太適用，所以重力式U 型橋臺(tái)和樁柱式橋臺(tái)應(yīng)用最為廣泛，本文主要討論此兩者橋臺(tái)型式的選擇。

重力式U 型橋臺(tái)在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多，主要由臺(tái)帽、前墻、側(cè)墻和擴(kuò)大基礎(chǔ)四部分組成，見圖1。重力式U型橋臺(tái)主要通過自重進(jìn)行外力平衡，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、取材方便及節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。但因?yàn)榫哂休^為復(fù)雜的受力形式，特別是在自重力、汽車活載及土壓力等作用下，容易產(chǎn)生橋臺(tái)臺(tái)身開裂、基礎(chǔ)局部地基承載力不足、基礎(chǔ)不均勻沉降等病害。

樁柱式橋臺(tái)主要由臺(tái)帽、耳墻、背墻和樁基礎(chǔ)四部分組成，見圖2。主要利用結(jié)構(gòu)自身的抗彎能力來減小圬工量，使橋臺(tái)重量輕型化。具有施工便利、構(gòu)造簡(jiǎn)單及受力明確等優(yōu)點(diǎn)。但因?yàn)槠淇雇苿偠刃?、穩(wěn)定性差和承載能力有限等不足，容易產(chǎn)生橋臺(tái)樁基傾斜、樁頭破損、樁基暴露等病害。

圖2 樁柱式橋臺(tái)

圖1 重力式U 型橋臺(tái)

4 本項(xiàng)目橋臺(tái)型式方案研究

本文結(jié)合賓鶴高速公路實(shí)際工程地質(zhì)縱斷進(jìn)行方案的闡述和比選，見圖3。

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，本段路線所經(jīng)區(qū)域內(nèi)出露的地層主要有燕山期正長(zhǎng)斑巖（ξπ53）、二疊系玄武巖系（Pβ）、第四系全新統(tǒng)（Q）地層等。

含碎石粉質(zhì)黏土：灰色、灰紅色，主要由黏土礦物和玄武巖碎石組成，碎石粒徑一般20-60mm，含量15-35%，碎石分布不均，局部段較富集，硬塑。該層厚度較小，整個(gè)橋區(qū)均有分布。地基承載力基本容許值[fao]=200kPa，樁側(cè)土摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik=65kPa。

強(qiáng)風(fēng)化玄武巖：灰色，褐紅色，礦物成分主要為斜長(zhǎng)石、輝石、橄欖石，致密結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，機(jī)械擾動(dòng)下大多數(shù)巖心呈砂狀，少數(shù)呈20-40mm 碎塊狀。地基承載力基本容許值[fao]=420kPa，樁側(cè)土摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik=130kPa。

圖3 工程地質(zhì)縱斷

中風(fēng)化玄武巖：灰色，褐紅色，礦物成分主要為斜長(zhǎng)石、輝石、橄欖石，致密結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬，難鉆進(jìn)，巖芯多呈40-170mm 短柱狀、柱狀，局部碎塊狀，該層為場(chǎng)地下伏基巖，厚度大。地基承載力基本容許值 [fao]=1600kPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk=61.8MPa。

由于覆蓋層較薄，橋臺(tái)基礎(chǔ)落在強(qiáng)風(fēng)化玄武巖上。使用重力式U 型橋臺(tái)，既滿足了承載力要求，又節(jié)約了工程造價(jià)。但是由于強(qiáng)風(fēng)化玄武巖在機(jī)械擾動(dòng)下大多數(shù)巖心呈砂狀，巖質(zhì)較軟，此時(shí)采用樁柱式橋臺(tái)更能保證結(jié)構(gòu)安全。當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)遇到此類似的地質(zhì)情況時(shí)就需要對(duì)橋臺(tái)選型方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。

假設(shè)橋臺(tái)樁基全部處于強(qiáng)風(fēng)化玄武巖中，按摩擦樁計(jì)算，樁長(zhǎng)為16m。當(dāng)樁長(zhǎng)小于16m 時(shí)，只有端承樁能滿足承載力需求。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363-2019），本項(xiàng)目中風(fēng)化玄武巖屬于較硬巖，最佳嵌巖深度推薦為2-3d，樁柱式橋臺(tái)樁徑為1.6m，所以嵌巖深度不應(yīng)小于4.8m?？紤]到長(zhǎng)細(xì)比、穩(wěn)定性等因素，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，最小樁長(zhǎng)取10m。

根據(jù)相似的地質(zhì)情況，列舉重力式U 型橋臺(tái)和樁柱式橋臺(tái)不同參數(shù)情況下主要工程數(shù)量表，見表1 和表2。

表1 重力式U 型橋臺(tái)主要工程數(shù)量表

根據(jù)表1 和表2 的結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

①當(dāng)覆蓋層很薄，設(shè)置2m 高前墻的重力式U 型橋臺(tái)，基底就能落在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上時(shí)。此種地質(zhì)情況下采用樁柱式橋臺(tái)，造價(jià)較高，不經(jīng)濟(jì)。采用重力式U 型橋臺(tái)，若開挖基坑后局部地基承載力不滿足要求，可以采取換填等地基處置措施。綜合考慮建議采用重力式U 型橋臺(tái)。

②當(dāng)覆蓋層較薄，設(shè)置3m 高前墻的重力式U 型橋臺(tái)，基底就能落在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上時(shí)。若中風(fēng)化玄武巖埋深較淺，小于等于15m 的端承樁能滿足承載力要求時(shí)，因?yàn)樵靸r(jià)相差不多甚至更低，且此類軟質(zhì)巖石地質(zhì)采用樁柱式橋臺(tái)更加安全，綜合考慮建議采用樁柱式橋臺(tái)。否則采用重力式U 型橋臺(tái)。

表2 樁柱式橋臺(tái)主要工程數(shù)量表

③當(dāng)覆蓋層較厚，設(shè)置4m 高前墻的重力式U 型橋臺(tái)，基底才能落在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上時(shí)。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況若樁長(zhǎng)小于等于21m 的摩擦樁能滿足承載力要求時(shí)，因?yàn)樵靸r(jià)相差不多甚至更低，且此類軟質(zhì)巖石地質(zhì)采用樁柱式橋臺(tái)更加安全，綜合考慮建議采用樁柱式橋臺(tái)。否則采用重力式U 型橋臺(tái)。

④當(dāng)覆蓋層很厚，設(shè)置5m 高前墻的重力式U 型橋臺(tái)，基底才能落在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上時(shí)。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況若樁長(zhǎng)小于等于28m 的摩擦樁能滿足承載力要求時(shí)，因?yàn)樵靸r(jià)相差不多甚至更低，且此類軟質(zhì)巖石地質(zhì)采用樁柱式橋臺(tái)更加安全，綜合考慮建議采用樁柱式橋臺(tái)。否則采用重力式U 型橋臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的加大，山區(qū)高速公路發(fā)展進(jìn)程不斷加快，遇到的地形地貌、地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，橋臺(tái)型式的選擇要做到因地制宜、綜合設(shè)計(jì)，以安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保為理念，才能做出更加經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。本文以賓鶴高速公路為例，分析在特定條件和地質(zhì)情況下，不同橋臺(tái)型式的經(jīng)濟(jì)性，希望能對(duì)山區(qū)高速公路橋梁橋臺(tái)型式的選擇提供參考。