黄河峡谷区桥梁动态设计方法研究

□文/苏 航 熊 刚

1 工程概况

黄河晋陕大峡谷位于内蒙古、陕西、山西三省的交界处，北起内蒙古托克托，南至河津禹门口，全长超过700 km。峡谷深切于黄土高原之间，谷深可达数百米，沿岸悬崖绝壁，黄河奔涌其中。见图1。

图1 黄河晋陕大峡谷区

该地区地貌属基岩沟壑地貌，两侧沟谷多成“V”字形，斜坡陡峭，地形起伏。峡谷区岩石风化强烈，岩体破碎裸露。出露第四系全新统-上更新统冲洪积层，岩性主要为风积黄土、粉质黏土。下伏三叠系中统二马营组岩层，岩性主要为强-中风化砂岩，中风化泥质砂岩。

针对本项目沿线地形复杂，桥梁密度、规模大，交通条件不便的特点，设计必须要处理好桥梁布设与众多影响因素之间的关系。结合现场实际施工情况，提出采用“动态设计”的方法，及时完善和变更设计。

2 设计原则

2.1 桥台位置选择与桥长控制

桥台多位于冲沟沟壁陡坡上方，确定合理的桥梁长度，对结构的安全意义重大。沿线岩层垂直节理发育，风化情况较为严重，易发生崩塌等地质灾害；为保证桥梁安全，桥长遵循“宁长勿短”的设计理念，原则上一跨或者增大跨径跨越冲沟陡坡并且桥台临坡面长度按≮5 m控制。

受地形条件限制，一般钻孔桩机械设备进场困难，开挖施工便道代价较高；鉴于本项目较好的岩质条件，人工挖孔桩相对钻孔桩更为经济、简单，节省工期[1]；因此全线除部分过河段桩基采用钻孔灌注桩外，大多数桩基采用人工挖孔桩，但在陡坡位置进行人工挖孔桩作业是非常危险的，“宁长勿短”的桥长设计原则为桥梁跨越陡坡时桥台的稳定提供了保障，也为挖孔桩的施工作业预留了足够的安全距离。

2.2 跨径及梁型的选择

2.2.1 跨径

桥孔布置主要从墩高、桥长、水流方向及工程地质等方面统一考虑。沿黄公路黄河晋陕大峡谷段冲沟下切较深，路线设计高程相对较大，势必会出现大量墩高较大的桥梁。为达到经济合理的要求，桥跨的选择应与墩柱高度协调统一。依照桥梁美学的原则，桥跨比一般在0.618～1[2]。

本项目桥梁孔径的设计原则：墩柱高度H（含盖梁高度）＜15 m 时，优先选用20 m 及20 m 以下跨径；H介于 15～30 m 之间时，优先选用 30 m 跨径；H介于30～40 m 之间时，优先选用40 m 跨径；H＞40 m 时，优先选用50 m 跨径。但黄河晋陕大峡谷区地形复杂多变，不宜根据墩高频繁变换跨径，距离较近的桥梁考虑到施工预制方便，以总体经济为原则，尽量采用同一跨径。若墩高差异非常明显，可组合选用相近跨径。另外，如施工现场遇到不稳定斜坡，应尽量避免扰动原状土体并在合理范围内修改孔径，以跨越不稳定区域[3]。

永辉原本希望门店只是一个展示和体验的地方，配送才是重点，但是实际的结果是，消费者最终还是把他当成了一个有展示区的餐饮店。

2.2.2 梁型

尽量采用施工简便、经济合理的预制装配式结构。根据跨径大小及现场地形条件：跨径＜20 m 的，采用空心板梁；跨径介于20～40 m 的，采用小箱梁；跨径＞40 m时，采用T梁。

2.3 墩柱和桩基的选择

2.3.1 墩柱

墩柱主要考虑适合项目特点的圆柱墩和薄壁空心墩。墩高较小时，设计一般由强度控制，普通圆柱墩施工质量容易控制且对场地条件要求较小，应优先选用；但当墩高较大时，设计还应根据长细比，考虑稳定性问题。本项目规定墩高＜40 m 时，采用圆柱墩；墩高＞40 m 时，采用薄壁空心墩，墩顶按墩梁固结方式设计，以减小墩顶位移和防止落梁[4]。

2.3.2 桩基

黄河晋陕大峡谷地区岩层主要为砂岩和泥岩，大部分地段黄土覆盖层较薄甚至基岩裸露。桩基以嵌岩桩为主，个别黄土覆盖层较厚及卵石土夹层地段采用摩擦桩。

1）嵌岩桩。陡坡位置岩层变化较为显著，桩基刚进入中风化层的段落，前缘土体薄弱，起不到嵌岩桩的作用。为确保桩基嵌岩效果，拟定有效嵌入深度从距中风化岩层边缘≮2d（d为桩基直径）的位置算起；同时为控制桩基沉降量及桩顶位移值并考虑施工误差的影响，规定嵌岩桩嵌入中风化岩层的有效长度≮2.5d且最小桩长≮10 m。见图2。

图2 桩基嵌岩有效长度

2）摩擦桩。根据地勘资料，本项目黄土覆盖层较厚的地段，黄土具有湿陷性，桩长计算过程中需考虑一定长度的土层负摩阻的影响[5]。另外为减少开挖而产生的高桩承台，其填土部分的桩基也需要计入负摩阻的影响。

3 动态设计方法

3.1 傍山桥墩

沿黄公路紧邻黄河布线，沿线大部分桥墩为傍山桥墩，桥梁内外侧墩高和桩长差异明显，一般设计原则无法满足要求，桥梁下部结构需要逐墩设计[6]。但受限于复杂的地形，很多桥位前期勘察设备根本无法进场，未能进行逐墩勘察钻孔，施工图采用的地质调绘手段与实际地质条件通常会有一定误差。这就需要施工便道打通后，及时勘察补钻；若地勘结果与施工图不符，及时变更墩高和桩长。

3.2 地形发生改变时

受场地条件制约，施工中不可避免会对现场的原始地形进行改造，此时桩顶系梁位置需按照原始地形并结合现场情况确定。通过调整桩顶系梁高程，使下部结构设计更为合理地适应现场地形。

本着减少对施工现场重复开挖的原则，现场地形发生较大变化的桥梁桩位处难免会出现高桩承台；为防止流水冲刷桩基，需要将高桩承台填土范围内的桩基及时增加防护设计，见图3。

图3 高桩承台防护

3.3 受施工误差影响

在如此复杂的地形条件下，施工难免会因施工机具、工人技术水平等因素影响而产生一些偏差。本工程K217+364.000～K217+485.000 段路基开挖至基岩后，由于施工爆破误差和岩石节理发育的双重原因导致岩体开裂，岩石路基宽度不能满足原设计路基宽度要求。路基左边线下（图4 中白灰线）位于裂缝外边缘，裂缝宽度1.6 m，裂缝深度8～10 m。路基宽度约为7.6～9.2 m。

图4 施工原因导致的岩体开裂

需要处理路基的长度达到了120 m 以上，若调整线位，挖方量太大，对环境也很不友好。总体设计思路是“路改桥”，即用桥梁来代替原路基，岩石路基上浇筑10 m宽度（路基设计宽度）的混凝土板梁，其中混凝土板梁部分悬挑在路基以外。为保证道路路面高程不变，在混凝土板梁底与现状路床之间需浇筑C20 片石混凝土垫层。

设计以经济适用为原则，依据岩石路基的宽度，要求岩石基础宽度应大于混凝土板板底宽度且悬崖外边缘超出混凝土板板底外边线距离≮0.5 m。变更设计根据现场实测路基宽度大小，采用60、100、120 cm 三种不同高度的混凝土板梁；其中60 cm 高混凝土板梁悬臂长度1.5 m，100、120 cm 混凝土板梁悬臂长度3.0 m。见图5。

图5 混凝土板梁横断面

该设计满足大部分路段要求，但在桩号K217+450.000～K217+453.000 处有一豁口，导致局部约3 m范围内不满足要求，设计将该范围内板梁增厚20 cm。

由于“路改桥”方案需要在混凝土板梁底范围内设置锚杆，因此在浇筑垫层前应先将岩石中的锚杆施工，使锚杆与基岩连成整体。锚杆采用φ22 mm 钢筋，纵横向间距1 m，采用梅花形布置，锚杆锚固长度≮1 m。

根据现场实测地形采用了“路改桥”的变更方案，既是场地条件发生变化时的一种补救措施，也是“动态设计”方法对现场情况的实时响应。

4 结语

在遵循一般山区公路桥梁设计基本原则的基础上，文章针对沿黄公路宜川段黄河峡谷区这一特殊地形地貌条件下的桥梁设计项目提出了适合该项目的“动态设计”理念，从而解决了傍山桥墩逐墩设计，现场条件变化时的响应变更等关键技术问题，确保了设计既能够满足安全性和稳定性的要求，又能取得较好地经济和社会效益。