山区高速公路桥梁设计关键技术浅析

2016-01-07张鲲,王力

交通科技 2015年2期

山区高速公路桥梁设计关键技术浅析

张鲲1王力2

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司合肥230031；2.南京东道路桥工程技术咨询有限公司南京210019)

摘要山区地形地质情况复杂，岩堆体的稳定性成为山区桥梁建设最大的不确定性风险源和头等工程技术难题。文中结合G85渝昆高速麻柳湾至昭通段高速公路桥梁设计项目，提出跨越岩堆体时，采用装配式预应力混凝土T梁并减小桥墩承台、系梁埋深等优化意见以提高桥梁稳定性，并总结了山区桥梁设计关键技术。

关键词麻昭高速山区桥梁岩堆体防磨蚀

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.014

收稿日期：2015-02-26

随着西部大开发战略的深入实施，我国在山区高速公路上修建桥梁的需求量逐步增加。然而山区地形复杂，滑坡、岩堆体等不利地质条件，水流冲刷及漂浮物撞击等因素一直是山区桥梁设计亟需解决的难题。

麻柳湾至昭通段高速公路是国家高速公路网规划中南北纵线G85重庆-昆明高速公路中的一段，是我国高速公路主骨架的重要组成部分，也是云南省南北高速公路大通道的一段。结合麻昭高速公路桥梁设计项目，对山区桥梁设计关键技术进行总结。

1桥梁结构形式

1.1　桥梁上部结构形式

山区高速公路中桥梁所占的比重较大，但一般情况下，特殊的大跨径桥梁相比较是少数。因此，对于数量众多的常见跨径桥梁，其设计原则就是尽量采用施工方便、造价经济的标准化、预制装配化结构。常用的大、中桥标准跨径有16，20，25，30，35，40，50m，常用的中、小桥标准跨径有6，8，l0，13，16m。桥梁横断面形式主要有预制空心板、T梁、小箱梁等。一般情况，对于跨径小于30m的桥梁空心板、预制T梁、预制箱梁等结构形式均可以采用，对于跨径35，40，50m的桥梁，根据梁的受力特点，更宜采用T梁或小箱梁。山区高速公路平面半径较小，超高缓和路段不可避免会出现在桥梁上，若采用小箱梁结构，施工时一片梁4个支点不易调平，易造成支座脱空、受力不均匀，所以山区高速公路桥梁上部结构宜优先采用T梁。

从造价上讲，20m跨径以下，用空心板截面的桥梁造价相对较经济，且空心板的建筑高度最低，对于较小跨径且桥梁净空不高时，空心板截面最适宜。从受力上讲，对于较大跨径如40，50m的桥梁，用T梁截面则更好。

对于50m跨径T梁，在小半径平曲线上，由于内外梁梁长差较大，跨中矢高较大，对路线的适应性要差一些。另外，山区高速公路交通运输、场地预制条件均较差，大型机具进入困难，50mT梁单片重150多t，架设设备要求较高，运输及安装过程中变形不易控制，因此一般情况下不选用50m跨径T梁[1]。

麻昭高速公路全线跨径均在20m以上，该项目常规桥梁均采用装配式预制T梁结构。

1.2　桥梁下部结构形式

对于山区公路桥梁，墩台基础形式主要有2类：钻(挖)孔桩基础(嵌岩桩或摩擦桩)和明挖扩大基础。在做设计时，应根据具体地基条件来选择基础形式。一般来说，对于地质条件较好的桥位处，指岩层或地基持力层埋藏位置较浅，一般不大于5m，且基岩稳定，山体平缓，基础边缘距坡面有一定安全距离的情况下，首先选择明挖扩大基础。对于荷载较大，地基上部土层软弱，适宜的地基持力层位置较深时，可考虑采用桩基础[2]。

该项目具有地形复杂，山高坡陡,地质条件差，浅层以碎石土、块石土为主，常伴滑坡、岩堆等不利地质条件；抗震等级高；跨山区河流桥墩易受到水流及漂浮物冲击、冲刷大的特点。桥梁下部结构的选择主要从以下几个方面考虑。

(1) 由于扩大基础基底易受水流冲刷掏蚀从而产生安全隐患，且地表土层以碎石土、卵石为主，基底抗滑性较差，表层土基底地基承载力差，所以桥梁基础以桩基础为主，基础顶部埋入冲刷线以下。

(2) 该项目特大桥桥墩高度变化较大，最高桥墩达150m，由于桥梁存在抗震等级较高、地形起伏变化大、地表土层松散、山坡上多落石等特点，所以选择桥墩时多选择一些抗震性能好、防撞能力强且相对容易施工的桥墩，如桩柱式桥墩、矩形墩、Y形墩及空心墩，避免选择一些抗震性能差、施工难度大的桥墩，如圬工桥墩、V形墩及花瓶式桥墩。对于桩柱式桥墩、矩形墩、Y形墩及空心墩具有以下特点。

①桩柱式桥墩构造简单、受力明确、外形轻巧大方、混凝土体积少，横桥向抗弯线刚度为(0.97～1.93)×106kN·m2/m，抗撞击能力相对较差，一般适用于无漂浮物冲击且墩高小于30 m的桥墩。

②矩形桥墩构造简单、受力明确、混凝土体积相对较大，横桥向抗弯刚度一般为(1.6～2.3)×107kN·m2/m，抗撞击能力相对较强，阻水较小，一般适用于跨河且墩高不大于45 m的桥墩。

③Y形桥墩构造简单、受力明确、混凝土体积相对较大，Y形墩薄壁是独柱双支座的一种墩型，美观性较好，但施工稍显复杂。当墩高较高时Y形薄壁墩施工只需一套模板，只需搭一个支架，对于地面横坡较陡，搭支架困难，模板需求量大的山区桥梁，Y形薄壁墩具有显著的优势。一般适用于旱地且墩高不大于45m的桥墩。

④空心薄壁墩可以充分利用材料强度，比同尺寸实体桥墩可节省50%左右混凝土，横桥向抗弯线刚度一般为(1.5～2.5)×107kN·m2/m；由于空心墩壁厚一般较小，故防撞、抗冲击能力相对较差，为弥补这一缺陷，空心墩底部实心段可适当加厚。空心墩对于高桥墩性能优越，同时考虑空心墩内部模板施工条件，一般适用于墩高大于45m的桥墩。

(3) 对于跨河的长大桥梁，其结构形式、孔跨布置在考虑上述因素的同时，还要根据河(沟)性质综合考虑；一般情况下，为减少河中落墩，跨重要河沟宜采用30m及以上较大跨径，如大关河、洒渔河等。

(4) 尽可能减少桥梁结构形式和桥跨种类，以方便施工。

2岩堆体段桥梁设置方案

麻柳湾至昭通段岩堆广泛发育，且走廊带唯一，受地形地质条件及路线纵坡控制，麻昭高速必须从岩堆体上通过。岩堆体上桥梁稳定性关系着项目建设成败，而岩堆体组成的复杂性，致使岩堆稳定性为该项目最大的不确定性风险源和头等工程技术难题。洗马溪大桥全桥从岩堆体现状上通过，岩堆稳定关系桥梁建设安全。以洗马溪大桥为例，介绍岩堆体段桥梁设计方案。

2.1　洗马溪大桥桥址处稳定性分析

拟建的洗马溪大桥位于昭通市大关县悦乐镇房村，与路线正交，左线中心桩号为ZK8+994，跨径为23×30m，右线中心桩号为K9+094，跨径为11×30m，上部结构为装配式先简支后连续预应力混凝土T梁；下部结构采用圆柱墩、空心薄壁墩、肋板台，桩基础。

洗马溪大桥桥位区地层分布复杂，表层含碎石粉质粘土、碎石土、块石土交错分布，局部呈透镜状，下部基岩面起伏变化大，岩堆体最大厚度大于60mm。块碎石土呈中密～密实状，粒径大于20mm的颗粒含量为55%～70%，母岩成分主要为强风化砂岩、泥质灰岩、瘤状灰岩，粒径20～60mm，呈棱角状、次棱角状，角砾、泥砂质充填，颗粒级配一般。块石土中含大量孤石。

根据稳定性计算结果及定性评价分析，ZK9+150桥位区岩堆体边坡为土石堆积二元结构边坡，为稳定～基本稳定段落，ZK9+150～ZK9+342段欠稳定，且桥梁位于斜坡体中部，滑动变形破坏范围相对高差35m，面积7 000m，总方量估计5万m3，工程危害性大。上部堆积层自然坡面达40°，接近于灰岩、泥灰岩块石土最大休止角，可能上部排水顺畅，以及大块石的骨架作用，自然状态下处于极限平衡状态，若下部桥梁桩基开挖，特别是施工便道及作业平台开挖切坡，可能诱发滑坡，特别是在桥梁建成后期运营当中，若连续降水、地震等不利条件下，一旦上部发生滑坡，可能危及桥梁桩柱安全，必须进行预加固处理[3]。

2.2　洗马溪大桥岩堆处处理方案

(1) 抬高墩台承台、系梁高度。因岩堆内部结构松散，桥梁桥墩承台、系梁设计时宜减小埋深，防止埋深过大，导致桥梁开挖时影响岩堆的稳定性。桩柱式桥墩，保证系梁施工不开挖，取消桩顶系梁，设柱底系梁，且保证桩顶位于同一高程，纵(横)向地面线较低侧桩基出露部分及地面以下2m桩基部分采用8mm厚钢板包裹；对于Y形墩、空心薄壁墩等带承台桥墩，保证承台施工不开挖，纵(横)向地面线较低侧桩基出露部分及地面以下2m部分采用8mm厚钢板包裹。洗马溪大桥ZK9+140～ZK9+342段中的桥墩采用上述方式进行处理。见图1。

图1　洗马溪大桥岩堆处处理示意图

(2) 桥梁下部设置观测点。桥梁墩身预埋位移观测检测点以监控桥墩变形情况。洗马溪大桥ZK8+900～ZK9+080段暴雨工况下桥墩处边坡安全储备较小，基坑开挖及下部施工时应做好实时监控。墩台位移永久性监测点采用D16不锈钢管制作，底部焊接与桥墩竖向主筋上，漏出桥墩面混凝土2cm，采用红油漆标记。

(3) 桥梁施工建议。雨水下渗及开挖扰动对堆积体边坡稳定性影响极大，施工便道、桥梁基础施工应尽量减小对原有岩堆体的扰动，对于必要的开挖放坡应采取加固措施，对欠稳定岩堆体上桥梁桩基施工建议不能带水施工，以确保岩堆边坡的稳定。

(4) 截排水措施。冲沟铺砌防护：对桥位区ZK8+960及ZK9+140处自然冲沟桥轴线上下游各50m范围进行浆砌片石铺砌防护，既可加速排水，又阻止进一步冲蚀下切，防止边坡坍塌。桥上方环形截水沟：在ZK8+960～ZK9+342段桥梁上方斜坡50m范围或坡度变化处设一道环形截水沟，将上部山体汇水引入自然冲沟，减小下渗及坡面冲刷。

(5) 加固措施。对ZK9+140～ZK9+342段欠稳定边坡，采取一定预加固措施以提高自然边坡稳定度。上部欠稳定区堆积体厚度不大，直接在自然坡面上用锚索框架加固，可同时加固深层滑动及坡面破坏，且分散布置，效果好。锚索框架设计间距3.4m×4.0m，设计每孔锚索拉力450kN，须在桥梁上方布置3排锚索框架，设计锚索长度23m，锚固段8m，锚于中风化基岩内。