山區(qū)高速公路跨深V峽谷橋型方案研究

蘇小波 孫軍舉 楊 娟

(招商局重慶交通科研設計院有限公司 重慶 400067)

據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2018年底，我國公路里程已達18萬km，其中相當一部分位于西部和西南山區(qū)之間。與平原地區(qū)相比，山區(qū)高速公路橋梁具有地形地質(zhì)條件復雜、施工場地狹小、運輸條件困難、單位造價較高、檢修維護難度大等特點[1-2]。尤其是山區(qū)跨深V峽谷的特大橋梁，往往是全線的控制性工程，其建設成本高、技術(shù)難度較大、建設周期較長，社會關(guān)注度也高。如何根據(jù)橋位處的既有條件選擇經(jīng)濟合理、施工便捷、運維成本低的橋梁，是橋梁設計師應該認真思考、慎重決策的問題。

橋梁結(jié)構(gòu)按受力特點可分為梁、拱、斜拉和懸索四大體系；按材料類別又可分為混凝土、鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)三大類，其每種類型的經(jīng)濟跨徑、建設成本、施工難度及適用條件均不相同，在一定的條件下，上述橋型的適用范圍還存在重疊區(qū)間[3]。因此，需對不同的可行方案進行深入比選，確定適合項目的最優(yōu)方案。國內(nèi)一些學者先后提出了層次分析理論、灰色關(guān)聯(lián)理論等理論模型[4]，歸納起來，其評價指標體系大體可均分為經(jīng)濟性、技術(shù)性及社會性三大類[5]。基于上述思想，本文擬研究某深V峽谷橋型方案，以供同類工程參考。

1 項目概況

某高速公路特大橋，位于西部山區(qū)，跨越深V峽谷，橋梁全長約510 m，兩端橋臺接隧道。橋址區(qū)屬中高山構(gòu)造剝蝕地貌，河谷形態(tài)呈不對稱“V”字形峽谷，切割較深，河床寬約20 m，水深1 m，河床底部堆積碎石及卵石，兩岸為基巖山坡，植被發(fā)育。

河谷右岸坡度52°～55°，相對高差400～600 m，坡面植被發(fā)育，坡形較完整，近坡腳處為鄉(xiāng)村級公路；河谷左岸為切向折線型坡，下陡上緩，坡度37°～63°，基巖強度高、完整性較好，淺部灰?guī)r有強風化現(xiàn)象。橋址處地形地貌及地質(zhì)條件見圖1。

圖1 橋址處地形地貌及地質(zhì)條件(單位：m)

前期調(diào)查資料顯示，影響該橋址處橋梁建設的主要因素有以下幾點。

1) 邊坡陡峭，橋墩施工難度大。河谷左、右兩岸最大坡度分別為63°和55°，在陡坡上施工，會導致施工便道、基礎及承臺施工時邊坡的大開挖，且河谷右岸存在灰?guī)r強風化層，橋墩的豎向荷載對下部邊坡形成豎向加載，不利于邊坡的整體穩(wěn)定性。

2) 施工場地狹小，運輸條件困難。橋址處河床寬約20 m，且平面位于河道拐彎處附近，無大型平整場地可利用；沿線道路最窄處寬僅約4.5 m，最小轉(zhuǎn)彎半徑約為20 m，對大型構(gòu)件的運輸、堆放均有不利影響；橋址處除了河谷右岸的鄉(xiāng)村公路外，無其他道路可利用，現(xiàn)場地形條件對施工便道的修筑極為不利。

3) 橋面距離谷底高差大、施工風險高。橋面距離谷底最大高度約為300 m，對高空吊裝、安裝等作業(yè)均有較高要求。

4) 存在卸荷裂隙，邊坡整體穩(wěn)定性不足。據(jù)調(diào)查，在河谷右岸，存在灰?guī)r強風化卸荷裂隙帶，厚度約為10 m，現(xiàn)狀基本穩(wěn)定，但岸坡的開挖、加載等作用將對邊坡整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

2 橋型方案

針對上述影響因素，考慮到各橋型方案對跨徑的適應性，梁、拱、斜拉及懸索這4種橋型方案在本橋位處均具有可行性。以下從橋型特點、施工難度、工程經(jīng)濟及景觀效果等方面，對上述4種橋型方案開展比選。

2.1 梁橋

在4大類橋型方案中，梁橋方案是最為經(jīng)濟的橋型，同時，因其造型簡潔、施工技術(shù)成熟，與地形適應性強而被廣泛采用。尤其在地形、地質(zhì)條件相對較好，跨徑相對不大的情況下，連續(xù)剛構(gòu)梁橋方案往往具備較強的競爭力。表1為近年來我國梁橋建成的大跨度PC(預應力鋼筋混凝土)連續(xù)剛構(gòu)梁橋情況，除北盤江大橋采用的是空腹式連續(xù)剛構(gòu)梁橋方案外，其余均為常規(guī)變截面PC剛構(gòu)梁橋，且排在前10的跨徑均超過了240 m，最大跨徑達到了270 m(北盤江大橋除外)。

表1 我國大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)梁橋一覽表

上述連續(xù)剛構(gòu)梁橋大多建于2000年前后(北盤江特大橋除外)，事實上，由于早期的設計理論及設計工程經(jīng)驗不足，部分連續(xù)剛構(gòu)橋在運營一段時間之后均出現(xiàn)了不同程度的跨中下?lián)稀⒏拱逍绷芽p等病害[6]；基于既有的工程經(jīng)驗，在無特殊情況下，常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)橋跨度以不超過200 m為宜已成為當前設計的主流思想。

結(jié)合地形、地質(zhì)條件，在本橋位處采用連續(xù)剛構(gòu)方案尚需考慮以下主要影響因素。

1) 橋面高度較高，在合理的邊中跨比范圍內(nèi)，邊跨跨徑盡量采用較小值。如此，現(xiàn)澆段便可利用墩旁托架實現(xiàn)，從而降低高支架的施工風險和成本。

2) 兩主墩墩高差異不宜過大，否則由于剛度不匹配，矮墩的內(nèi)力將顯著增加。

3) 河谷右岸存在強風化卸荷裂隙，主墩基礎施工開挖，對上部邊坡整體穩(wěn)定性不利，需要進行大規(guī)模邊坡治理；主墩豎向荷載對下部邊坡的穩(wěn)定性亦有不利影響，需在下階段進行詳細分析，必要時采取樁基隔離或邊坡加固措施。

4) 墩高和跨徑應相匹配，做到受力合理、結(jié)構(gòu)經(jīng)濟。

5) 兩側(cè)主墩均位于半山腰處，承臺距離隧道洞口和谷底高差均在140 m左右，施工便道修建難度較高、規(guī)模較大。

基于上述思考，主橋采用105 m+200 m+105 m混凝土連續(xù)剛構(gòu)，邊中跨比0.525，主梁采用單箱單室箱形截面，根部梁高14 m，跨中梁高4.5 m，箱梁高度按1.8次拋物線變化；主墩為空心薄壁墩，河谷左、右兩岸墩高分別約132 m和113 m，群樁基礎；引橋采用30 m預制T梁，先簡支后連續(xù)；橋梁全長502 m，連續(xù)剛構(gòu)方案橋型布置見圖2。

圖2 連續(xù)剛構(gòu)方案橋型布置(單位：cm)

采用本方案將產(chǎn)生以下主要施工工作量，并對工程總造價產(chǎn)生較大影響。

1) 谷底鄉(xiāng)村道路距主墩承臺高差約140 m，施工便道平均縱坡按15%計，兩側(cè)施工便道合計約2 km。

2) 河谷右岸主墩以上邊坡處置合計挖方約9萬m3、護坡錨索質(zhì)量140 t。

3) 為保證邊坡施工及高空吊裝過程中的運輸安全，需對既有鄉(xiāng)村道路改隧道，合計長度約800 m(下同，不再贅述)。

2.2 拱橋

常見的拱橋方案有勁性骨架鋼筋混凝土拱、鋼管混凝土拱、鋼箱拱，以及鋼桁架拱。由于鋼筋混凝土拱存在工序復雜，鋼箱拱存在運輸及吊裝困難，鋼桁架拱造價高等缺點，在本橋位處均不適用。相比之下，鋼管混凝土拱橋由于其可采用“化整為零”的施工方法、兼具鋼拱圈即為混凝土模板、施工周期短、工程造價低、造型美觀、承載能力高等優(yōu)點[7]，是適合本橋址處的拱橋方案。加之橋面距離谷底高，峽谷切割較深，采用上承式拱橋方案能減少主拱跨徑、降低工程規(guī)模、節(jié)約造價。表2[8]是我國建成的大跨度上承式鋼管混凝土拱橋一覽表，主拱跨度200～450 m不等，矢跨范圍1/4.5～1/6.5，主要分布在1/5左右。

表2 我國大跨度上承式鋼管混凝土拱橋一覽表

結(jié)合本橋位處的地形、地質(zhì)特點，采用上承式鋼管混凝土拱橋還需考慮以下影響因素。

1) 拱座距離隧道洞口高程小于距坡腳鄉(xiāng)村道路高程，施工便道可采用從兩側(cè)隧道洞口往下展線，或者從隧道中間打穿橫洞，沿山腰展線至拱座處。

2) 河谷右岸拱座處于強風化卸荷裂隙處，拱座施工需在對其上坡面進行處治后方可進行。

3) 根據(jù)便道的運輸條件，拱圈必須拆分為小節(jié)段散件經(jīng)公路運輸至橋位處，最長節(jié)段不宜超過15 m；現(xiàn)場還需搭設鋼結(jié)構(gòu)拼裝、存放及吊裝平臺，需占用部分河道。

4) 橋面距谷底高差約300 m，纜索吊裝高度高，吊裝過程存在一定風險。

綜合上述因素，主橋采用上承式變高度鋼管混凝土拱橋，主拱圈計算跨徑330 m，矢高66 m，矢跨比1/5；拱肋采用桁架式，拱腳處桁高12.5 m，拱頂處桁高6.5 m。單片拱肋由4根直徑1.2 m，材質(zhì)為Q345D的鋼管組成，標準節(jié)段壁厚25 mm，拱頂和拱腳節(jié)段壁厚34 mm，管內(nèi)填充微膨脹C60混凝土。拱橋方案橋型布置見圖3。

圖3 鋼管混凝土拱橋方案橋型布置(單位：cm)

施工主要采用纜索吊裝方案，桿件采用散拼運輸，在橋位附近組拼方案。利用既有河灘和部分河道搭設型鋼拼裝平臺及吊裝平臺，利用纜索吊裝系統(tǒng)整節(jié)段起吊安裝。采用本方案將產(chǎn)生以下主要施工工作量。

1) 纜索吊裝系統(tǒng)1套，額定起吊重量1 500 kN，主纜跨徑約520 m。

2) 河谷右岸拱座以上邊坡處置合計挖方約5萬m3、護坡錨索質(zhì)量70 t。

3) 鋼結(jié)構(gòu)存放、拼裝及預拼場地占地面積約1萬m2，其中可利用既有河灘3 000 m2，需占用河道搭建鋼管平臺約7 000 m2。

2.3 懸索橋

懸索橋作為跨越能力最強的橋型，其主跨從幾百米到上千米均能適應，是山區(qū)大跨橋梁的一種常見橋型。在橋位處布置懸索橋方案，需考慮以下影響因素。

1) 橋址處運輸條件困難，主梁宜采用鋼桁梁散件運輸、工地現(xiàn)場拼裝的施工方式，這也是山區(qū)大跨度懸索橋常用的施工形式[9]。

2) 兩岸地形陡峭，除表面存在強風化帶外，基巖為中風化灰?guī)r，強度高、完整性好，兩岸均考慮采用隧道錨。

3) 河谷右岸橋面以上坡度達到55°，主塔基礎施工難度大；進一步研究發(fā)現(xiàn)，將主纜懸鏈線延長后可與坡面相交，故可取消該側(cè)主塔，在主纜和巖面交接處設置轉(zhuǎn)索-散索復合式索鞍[10]，將主纜直接錨入基巖內(nèi)，既能減少工程規(guī)模，節(jié)約投資，又減少大開挖造成的環(huán)境破壞。

綜上，懸索橋方案采用獨塔鋼桁梁結(jié)構(gòu)，單跨懸吊簡支體系，橋面長度490 m，主纜跨徑545 m，矢高54.5 m，矢跨比1/10，采用高強度平行鋼絲索股；考慮山區(qū)運輸條件受限，主梁采用鋼桁梁，梁高8 m，節(jié)間長度7.5 m；吊桿間距15 m；河谷左側(cè)坡面相對平緩，采用鋼筋混凝土主塔，隧道式錨碇；河谷右岸取消主塔，采用隧道式錨碇方案以減少邊坡開挖規(guī)模，降低對環(huán)境的影響。懸索橋橋型見圖4。

圖4 懸索橋方案橋型布置(單位：cm)

采用本方案可避開兩岸陡坡基坑開挖及邊坡支護工作，主要考慮的臨時措施為大里程側(cè)洞門至錨碇處施工便道約400 m(按平均15%縱坡計)，以及主梁鋼構(gòu)件存放、拼裝及起吊平臺約6 000 m2。

2.4 斜拉橋

研究地形不難發(fā)現(xiàn)，將主塔立于河谷左岸緩坡地帶，采用主跨跨越峽谷直接接隧道的獨塔斜拉橋方案，既能滿足斜拉橋的合理跨度及合理邊中跨比，也避免了強風化陡坡地帶的大規(guī)模開挖，是適應本橋位地形的合理斜拉橋方案。從而，主跨跨徑便可確定在300 m左右。有學者統(tǒng)計，對雙塔斜拉橋，跨徑在200～400 m時，采用混凝土主梁是最經(jīng)濟的；400～500 m時，采用鋼-混凝土疊合梁最經(jīng)濟；跨徑大于500 m時，宜采用鋼主梁。目前我國最大跨度的混凝土斜拉橋為主跨500 m的荊州長江大橋，本橋獨塔斜拉橋方案主跨跨徑略大于300 m，類比雙塔斜拉橋主跨跨徑將大于600 m，從技術(shù)和經(jīng)濟上考慮更宜采用鋼箱梁，但基于運輸條件困難等原因，只能采用“化整為零”的施工方案，故在本橋位處更宜采用疊合梁方案。

基于上述分析，采用疊合梁獨塔斜拉橋方案，其主跨310 m，一跨直接跨越峽谷接隧道；為提高結(jié)構(gòu)剛度，在河谷左岸設置1個輔助墩，邊跨跨徑為85 m+115 m。主梁采用鋼-混疊合π形梁，兩側(cè)縱肋采用箱形斷面；采用預制平行鋼絲斜拉索、拉索在主梁上標準間距12 m，密索區(qū)間距6 m；橋面為預制C40混凝土橋面板，與鋼梁采用栓釘連接。斜拉橋方案橋型布置見圖5。

圖5 疊合梁獨塔斜拉橋方案橋型布置(單位：cm)

采用本方案可避開河谷右岸陡坡基坑開挖及邊坡支護工作，主要考慮的臨時措施為小里程側(cè)洞門至主墩處施工便道約1 km(按平均15%縱坡計)，以及主梁鋼構(gòu)件存放、拼裝及起吊平臺約6 000 m2。

3 橋型方案比選

以上4種橋型方案各有優(yōu)缺點，其中梁橋方案最為經(jīng)濟、拱橋線型優(yōu)美、斜拉和懸索橋?qū)Νh(huán)境影響程度最小。為便于比較，將4種方案的優(yōu)缺點匯總，結(jié)果見表3。

表3 4種橋型方案比選明細表

續(xù)表3

由表3可知，4種方案在施工工期上均無顯著差異，梁橋方案雖然造價最優(yōu)，但缺點也很顯著：大范圍的邊坡治理及便道施工對環(huán)境破壞嚴重；更為重要的是主墩豎向荷載對邊坡下部強風化帶的整體穩(wěn)定性的不利影響始終存在，故不作為推薦方案；主塔斜拉橋和懸索橋均避開了卸荷裂隙帶的影響，但造價過高，且后期養(yǎng)護費用也較高；鋼管混凝土拱橋方案雖存在一定規(guī)模的邊坡治理及占用河道等缺點，但由于其造價適中，施工工藝成熟，與周邊環(huán)境適應性好、造型優(yōu)美，經(jīng)綜合比較，作為推薦方案橋型。

4 結(jié)語

山區(qū)高速公路橋梁由于受地形地貌、地質(zhì)條件、運輸條件等因素的制約，在橋型方案選擇時，要比平原地區(qū)橋梁更注重具體可實施性的研究，而不應僅僅局限于結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟合理性考量。本文以某山區(qū)高速公路跨深V峽谷特大橋為工程背景，進行了多種橋型方案比選，得到以下主要建議。

1) 由于不具備良好的運輸條件，山區(qū)高速公路橋梁往往只能采用“化整為零”的施工方法。對于工廠預制構(gòu)件，節(jié)段尺寸的設計應滿足沿線運輸能力的需求，故一般情況下，主梁采用疊合梁、鋼桁梁方案較鋼箱梁方案更合理。

2) 由于場地狹小、地形陡峭等原因，山區(qū)高速公路橋梁施工措施費用占建安費比重較高，在橋型方案的比選中，必須對可能產(chǎn)生的措施費用仔細評估，才能做到客觀真實，科學有據(jù)。

3) 地形、地質(zhì)條件復雜是山區(qū)高速公路橋梁面臨的普遍難題，橋型方案的設計不僅要研究主體結(jié)構(gòu)自身的受力特點，基坑開挖產(chǎn)生的臨時邊坡、由于施工擾動產(chǎn)生的永久邊坡的穩(wěn)定性評價也是需要重點考慮的因素之一，需要各專業(yè)相互配合，協(xié)同工作。

4) 在某些條件下，合理選擇橋型方案，可以將不利于常規(guī)方案施工和受力的復雜地形條件轉(zhuǎn)化為對結(jié)構(gòu)有利的控制因素(如方案3)，是山區(qū)高速公路橋梁有別于平原地區(qū)橋梁的一個顯著特點。

5) 山區(qū)高速公路橋梁養(yǎng)護、維修難度較大，成本較高，橋型方案的比選應充分考慮全壽命周期的管養(yǎng)因素，而不僅僅局限于項目的建設成本。