山區(qū)高速公路橋梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李建軍

隨著我國(guó)高速公路的蓬勃發(fā)展，山嶺丘壑地區(qū)的高速公路建設(shè)不斷上升，由于山嶺丘壑地區(qū)的地形地質(zhì)條件較為復(fù)雜，在進(jìn)行山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁建設(shè)時(shí)，存在很多的問題和特點(diǎn)，所以進(jìn)行山嶺丘壑地區(qū)高速橋梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究意義重大。為此本文詳細(xì)分析了山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁的設(shè)計(jì)原則，闡述了其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

我國(guó)地形廣袤，幅員遼闊，全國(guó)總面積70%以上是山地丘陵，山地丘陵區(qū)域往往有較為復(fù)雜的地形地質(zhì)條件，山嶺丘壑地區(qū)的高速公路工程，通常會(huì)跨域不同的地形條件，橋梁工程占比較大，與一般地區(qū)相比，存在一定的差異和特殊性。因此，深入探討山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并提出有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，是十分必要的。

一、山區(qū)高速公路橋梁的設(shè)計(jì)原則

高速公路是典型的線性工程，山嶺丘壑地區(qū)的高速公路橋梁工程通?？缍却?、墩臺(tái)基礎(chǔ)規(guī)模大、任務(wù)繁重，且其地形地質(zhì)、水文條件較為復(fù)雜，如，滑坡、陡崖、巖溶、斷層、煤氣夾層等，巖土性質(zhì)和巖石風(fēng)化程度迥異；沿線存在復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，水系眾多，部分地區(qū)水害較多。在進(jìn)行山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁建設(shè)時(shí)，對(duì)于工程質(zhì)量的要求較高，為此應(yīng)遵循以下橋梁設(shè)計(jì)原則，如圖1所示。

1.安全性原則

在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，必須高度重視山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁的施工和運(yùn)營(yíng)期間的安全性，常規(guī)橋梁通常使用技術(shù)成熟、高標(biāo)準(zhǔn)化的裝配式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)維養(yǎng)要求相對(duì)較低，具有標(biāo)準(zhǔn)的工廠化和系列化施工流程。而設(shè)計(jì)一些山嶺丘壑地區(qū)特殊橋梁時(shí)，應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，橋梁類型選用技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)安全、受力明確的橋梁結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)貫徹安全原則，以保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，使橋梁可以適應(yīng)各種復(fù)雜的自然條件，應(yīng)對(duì)各類不利因素的影響，同時(shí)確保可以承受行車荷載。

2.協(xié)調(diào)性原則

在進(jìn)行山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁的設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要滿足安全性、可靠性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性和合理性的需要，還應(yīng)該與周圍環(huán)境相契合，注重與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性，滿足環(huán)境保護(hù)和美學(xué)的需要，遵守因地制宜、就地取材的原則，為施工和維養(yǎng)提供便利條件。在進(jìn)行高速公路選線、橋梁方案時(shí)，必須注重其結(jié)構(gòu)本身的合理性。同時(shí)還應(yīng)該注意高度跨度比例的協(xié)調(diào)，在沒有跨度要求的情況下遵循經(jīng)濟(jì)原則，注意景觀協(xié)調(diào)，進(jìn)行孔位布置時(shí)要注意跨度、高度的一致性或變化的協(xié)調(diào)性。

3.經(jīng)濟(jì)性原則

經(jīng)濟(jì)性原則應(yīng)始終貫徹在山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中，山嶺丘壑地區(qū)高速公路選線時(shí)應(yīng)進(jìn)行高填方，深基坑和橋梁隧道的比較和選擇，應(yīng)該注意路線方案的優(yōu)化，合理利用地形條件，控制項(xiàng)目投資成本，以安全經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)原則，控制橋梁隧道占比和特殊路基的規(guī)模，以減小超大型橋梁的規(guī)模和橋墩基礎(chǔ)的深度，達(dá)到節(jié)約成本的目的。

二、山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在山嶺丘壑地區(qū)進(jìn)行高速公路建設(shè)時(shí)，其地形、地質(zhì)條件較為復(fù)雜，受此影響，路線選址方面受到平、縱、橫三個(gè)方面的限制，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮到橋梁的各個(gè)細(xì)部構(gòu)造和地形地質(zhì)條件之間的關(guān)系。本文從上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，總結(jié)山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1.橋梁上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

橋梁工程在山嶺丘壑地區(qū)的高速公路中占比較大，但通常來(lái)說(shuō)，特殊的大跨徑橋梁相對(duì)較少。因此，對(duì)于大量的普通跨度橋，設(shè)計(jì)原則是盡可能確保方便施工和經(jīng)濟(jì)施工。大中型橋梁的標(biāo)準(zhǔn)跨度一般為16m，20m，25m，30m，35m，40m和50m。中小型橋梁的標(biāo)準(zhǔn)跨度一般為6m，8m，10m，13m和16m。橫截面類型主要包括空心板、預(yù)制T型梁和預(yù)制小箱梁三種。一般情況下，跨度小于30m的橋梁可以采用以上三種結(jié)構(gòu)形式中的任意一種；跨度為35~50m的橋梁，選擇預(yù)制T梁或小箱梁更加合適。從造價(jià)角度看，跨度小于20m的空心板截面橋梁更經(jīng)濟(jì)，且其建筑高度最低。對(duì)于跨徑小、凈空小的橋梁，空心板截面是最合適的；從受力角度考慮，40m、50m的大跨度橋梁，更適合選用T型梁截面；從各個(gè)角度看，預(yù)制小箱梁都是介于空心板和預(yù)制T型梁之間的一種截面，所以跨度為25~35m的截面通常采用預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)。

圖1 山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁的設(shè)計(jì)原則

2.橋梁下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

橋梁下部結(jié)構(gòu)一般是指橋墩基礎(chǔ)和橋臺(tái)基礎(chǔ)，最常見的基礎(chǔ)形式分為擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。當(dāng)橋址區(qū)地質(zhì)條件較好時(shí)，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的情況相對(duì)較多。樁基礎(chǔ)按受力形式可分為端承樁和摩擦樁，端承樁適用于地質(zhì)條件較好的情況下，摩擦樁適用于不良地質(zhì)條件下。在局部地質(zhì)條件復(fù)雜的山地丘陵區(qū)域，受斷層影響，臨近樁基有可能處于不同的地質(zhì)構(gòu)造帶上，所以，在進(jìn)行橋梁樁基礎(chǔ)的具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該具體問題具體分析，要注意地質(zhì)條件的多樣性和復(fù)雜性，尤其是在橋址區(qū)存在巖溶、滑坡、軟弱夾層等不良地質(zhì)條件時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的難度會(huì)更大。山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋臺(tái)可分為重力式U型橋臺(tái)、肋式橋臺(tái)和柱式橋臺(tái)。其中，U型橋臺(tái)控制的填筑范圍一般為4-10m，因此控制高度應(yīng)在10m以內(nèi)，其突出特點(diǎn)是橫、縱向坡陡峭，并且U型橋臺(tái)必須合理設(shè)計(jì)臺(tái)階，以適應(yīng)地形，減少開挖。樁柱式橋臺(tái)的抗壓剛度較小，當(dāng)橋臺(tái)的聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng)或橋臺(tái)后背填土較高時(shí)候不應(yīng)進(jìn)行使用。埋置式肋式橋臺(tái)的適用范圍較廣，但不宜超過(guò)12m。山嶺丘壑地區(qū)高速公路的地形陡峭，通常無(wú)法設(shè)計(jì)錐形坡。此時(shí)，柱式橋臺(tái)或肋式橋臺(tái)的使用將受到很大的限制。在地質(zhì)條件較差的情況下，可能會(huì)將樁基設(shè)置在U型臺(tái)下。

3.橋梁附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)橋頭搭板時(shí)，若橋臺(tái)地處挖方段，且地層是不需要換填的巖土層時(shí)，可以不設(shè)置橋臺(tái)搭板。在設(shè)計(jì)橋梁伸縮裝置時(shí)，如果是高墩基礎(chǔ)，應(yīng)充分考慮到不良地質(zhì)影響導(dǎo)致墩臺(tái)水平位移繼而引發(fā)伸縮量增大的情況，可適當(dāng)增大伸縮量。在設(shè)計(jì)前面的防排水設(shè)施時(shí)，應(yīng)注意凹型橋梁的泄水管應(yīng)該適量加密，泄水孔應(yīng)該設(shè)計(jì)在凹型曲線的最低點(diǎn)處。橋梁選址跨過(guò)水庫(kù)等區(qū)域時(shí)，橋面排水應(yīng)采用集中排水的形式，雨水應(yīng)從排水系統(tǒng)引入邊溝，避免橋面積水，危及行車安全。

三、山區(qū)高速公路橋梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

1.優(yōu)化設(shè)計(jì)新理念

在進(jìn)行山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意在設(shè)計(jì)總原則的基礎(chǔ)上，積極地運(yùn)用新設(shè)計(jì)理念，從安全、舒適、和諧、環(huán)保的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，對(duì)橋梁的類型、跨度、路基等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證橋梁設(shè)計(jì)工作的順利進(jìn)行。一是要進(jìn)行橋墩基礎(chǔ)選型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在橫坡陡谷的環(huán)境中進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合適的橋墩基礎(chǔ)，同時(shí)控制好橋墩高度，降低橋臺(tái)的垂直高度，雖然這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)增加橋面鋪設(shè)長(zhǎng)度，但降低的橋墩施工難度，節(jié)約了人力成本和時(shí)間成本，減少了施工事故的發(fā)生機(jī)率，未施工的順利進(jìn)行打下基礎(chǔ)；二是應(yīng)著重考慮橋址區(qū)的地形地質(zhì)條件，高速公路選線采用橋梁跨越方案時(shí)，可以弱化地形因素的影響，應(yīng)從安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)選址合適的橋梁跨度，有效調(diào)整橋梁位置，從而對(duì)橋梁跨徑設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。同時(shí)，在進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)依照不同的地質(zhì)條件來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，根據(jù)不良地質(zhì)條件的影響進(jìn)行特點(diǎn)的橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

2.優(yōu)化橋址區(qū)滑坡防治設(shè)計(jì)

當(dāng)山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁穿過(guò)滑坡體或滑動(dòng)帶時(shí)，設(shè)計(jì)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意橋梁基礎(chǔ)的水平荷載和位移。當(dāng)橋梁無(wú)可避免地穿過(guò)滑坡體時(shí)，應(yīng)首先調(diào)查清楚滑坡的地形地質(zhì)條件，進(jìn)行穩(wěn)定性分析，在橋梁建設(shè)中盡量不影響和破壞滑坡的穩(wěn)定性，而在施工順序上必須嚴(yán)格遵守滑坡治理，才是橋梁施工的基本原則。在進(jìn)行橋址區(qū)防治時(shí)，必須堅(jiān)持預(yù)防為主的原則，做到一次性根治，避免滑坡體蠕動(dòng)影響到橋梁基礎(chǔ)。通常優(yōu)先考慮反壓、卸荷、修建排水設(shè)施、支擋工程等方式，最好是在旱季進(jìn)行橋址區(qū)滑坡的防治工程，盡量減少施工產(chǎn)生的工程擾動(dòng)，避免影響滑坡體穩(wěn)定性。

四、結(jié)語(yǔ)

（1）進(jìn)行山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該遵循安全性、協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)原則。

（2）山嶺丘壑地區(qū)高速公路建設(shè)的地形、地質(zhì)、水文條件復(fù)雜，可從橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)三方面來(lái)考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

（3）從優(yōu)化設(shè)計(jì)新理念、優(yōu)化橋址區(qū)滑坡防治設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對(duì)山嶺丘壑地區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化