桥隧相连工程的多源损伤特点及控制

唐明友 张启琼

摘要：桥隧相连工程作为桥梁、隧洞、洞口围岩及其防护工程的复杂组合体，在我国西部、南部山区应用广泛，由于桥梁、隧洞、洞口围岩的相互关系，桥隧相连工程往往损伤来源广泛，力学行为异常复杂。随着桥隧相连工程在我国的日益广泛应用，其多源损伤特点及控制已经成为亟待解决的问题。

【关键词】桥隧相连工程；多源损伤特点；控制

近年来，随着我国西部、南部山区高速公路、景区公路建设的不断推进，桥隧相连工程的应用日渐频繁。然而，一方面，很多桥隧相连工程地段地势险峻、地质条件较差、施工场地促狭，给设计、施工、后期管理带来了很大问题；另一方面，随着我国交通流量的猛增和车辆超载现象的多发，导致桥隧相连工程病害多发，已越来越引起社会各界的广泛关注。

1.桥隧相连工程的多源损伤特点

1.1在车载作用下的多源损伤力学行为特点

公路车辆荷载是桥隧相连工程各结构承受的主要活荷载，随环境、时间、空间、路表特征而变化，具有方向循环往复、速度时变、大小各异的特点。在长期循环往复的车辆荷载影响下，桥隧相连工程各结构的内力和应力不断变化与调整，增加了脆性破坏出现的可能性，即以疲劳损伤累积为主的疲劳破坏。这是因为，近年来混凝土结构呈现高强、轻质的发展趋势，导致桥隧各结构构件长期处于高应力之下，当长期遭受循环往复的车辆荷载、尤其是超载车辆荷载时，就会越来越接近于疲劳应力幅，产生所谓的疲劳破坏。而一旦桥隧相连段存在桥头局部破损、伸缩缝损坏、隧道内路面沉降，会导致桥面、桥头、隧道内跳车现象多发，最终加剧桥梁局部冲击疲劳及隧道洞门防护结构损伤。在桥头或隧道洞口围岩的岩性较差时，容易出现隧道内路面下陷或局部损害，并由此引发隧道衬砌破损、路面积水、翻楽冒泥等问题；而对洞口围岩体，也容易产生不均匀沉降、变位、损伤，甚至引发崩裂、塌陷。在桥隧相连段各部位的各种损伤不断出现和加剧后，最终会对整个桥隧工程的安全稳定造成危害。

1.2多源损伤及力学行为的产生机理与过程

车辆通过桥隧相连工程时，会引发各结构及路基路面的振动，这种震动又反作用于车辆震动，最终在车辆与桥隧相连工程结构间形成耦合作用，即所谓的耦合震动。研究表明，当耦合震动产生时，对工程结构的安全性与车辆行驶安全性将产生巨大的负面影响，当遭遇严重超载车辆时，甚至可能导致桥梁垮塌。在车辆等循环动荷载的影响下，桥隧相连工程结构构件在低于静载强度时就会出现性能劣化、甚至失效，而且，这种疲劳现象是不可逆的。具体表现为桥面破坏、伸缩缝破坏、桥梁上部结构刚度下降，从而加大车辆经过的振动幅度、桥梁挠度及对围岩的挠动效应，进而导致桥梁各部位损伤加剧；隧道局部破坏、衬砌损伤；围岩明显变形、位移及沉降。换言之，对桥隧相连工程病害多发的分析，主要是基于疲劳损伤的分析。

1.3桥、隧、岩受力特点及多源损伤影响因素

在受力特点上，桥、隧、岩除受外部环境（地震、山洪、大风、暴雨、泥石流、冻融、冰雪）等的影响，所受的最大外部荷载来源，对桥梁来说主要是恒载（如自重）、汽车荷载及其冲击；对隧道来说主要是围岩反作用、施工挠动、桥梁传递来的荷载；对洞口围岩来说主要是开挖挠动、砌筑挠动、桥梁传递来的荷载及隧道结构约束。不难看出，桥隧相连工程病害的出现，是桥、隧、岩三者相互影响的结果，其中包括桥、隧、岩相连处的地形地质条件、三者的位置关系、外部荷载情况及结构类型，这些也是导致桥隧相连工程各结构间藕合作用、多源损伤的主要影响因素。我国西部、西南山区，如云南、貴州、四川，具有昼夜温差大、常年多雨的气候特点，和多山川河流、喀斯特地貌的地质地形条件，再加上极端天气频繁，如果在桥隧相连工程设计施工中不充分考虑这些外部环境因素，以及自然灾害发生的可能，就很可能导致桥隧相连工程出现多源损伤，对工程安全性及车辆行驶安全产生负面影响。

2.桥隧相连工程多源损伤力学行为与病害控制

2.1公路桥梁的结构选型

我国西部、南部山区地形地质条件复杂，在采用桥隧相连工程时，应该充分考虑当地特点拟定科学合理的技术方案，处理好桥梁结构形式与选址地质地形、路线等的关系。一般而言，山区公路所处地区具有高差大、冲沟发育、不良地质发育（如多不稳定斜坡，易滑坡）、地质条件差（如岩体承载力低、稳定性差），因此，桥隧相连工程具有以下特点：高墩大跨多、墩台形式多、斜弯坡桥多、施工难度大等。在桥型选择时，应因地制宜，充分考虑山区气象条件的多变行，特别是一些地形条件限制大的位置，往往采用高墩大跨结构，因此，必须确保桥梁整体刚度分配和构件的稳定性；而为了满足现代高速路快速、舒适的要求，应尽量采用桥面连续结构的梁或板，尽量减少伸缩缝。在桥梁上部结构选型时，应综合桥梁受力特点、经济性及实际情况，以标准化、便捷化、节约化、系统化为目标，因此，先简支后连续的上部结构体系就成为中等跨径山区梁桥的常见选项，特别是抗扭能力强的整体式闭合箱梁，已成为曲线桥梁的首选。在桥梁下部结构选型时，由于山区公路具有半径小、坡度大特点，针对跨高与跨径的选择，应结合桥梁跨径、桥墩高度等实际情况进行综合比较，得出适当的墩高；针对桥墩及桥台形式的选择，应多考虑稳定性与强度问题；针对桥梁基础的选择，应充分结合地质条件，地基承载条件较好的可采用扩大基础，条件较差的宜采用摩擦桩。

2.2施工设计的注意事项

山区雨雾多、降水多、冬季路面易结冰，具有一定的隧道交通安全隐患，同时地势险要，不利于行车安全和运营管理。因此在桥隧相连工程的施工、设计中，应注意以下几点：第一，重视隧道的地质勘察及超前预报，广泛采用航测遥感等先进技术，为隧址选择提供地质和环境依据，同时应尽量趋利避害、避重就轻，避免隧道穿越地质条件极为复杂的地段，将选址确定在岩性较好的地层中，确保工程质量与安全。第二，隧道选址或设计应具有灵活性，山区生态环境脆弱、土地宝贵、地形狭窄，因此桥隧相连工程设计中要对这些因素进行综合考虑，保障功能与环境的和谐统一。第三，要重视隧道洞口位置选择及洞门选型，依据“早进玩出”原则，避免洞口大开挖，如遇到隧道横向跨度大导致的洞口开挖创面大，则应该尽量将洞口布置在地质条件最好的位置。

2.3相关损伤及病害控制技术与风险管理

影响桥隧相连工程结构疲劳累积损伤的因素主要有平均应力、少数极高应力、施工及养护工艺等，以平均应力为例，当结构处于疲劳损伤状态时，累计损伤值会随着平均应力增加而增加，若要减小结构的累计损伤，则可以选择控制结构的平均应力、减少极高应力的影响。针对差异沉降导致的跳车现象，一方面，可以采用设置桥台搭板的办法，在桥隧邻接段做好加长及加厚处理，另一方面，可以采用用钢筋混凝土厚基层刚性路面结构，以有效避免邻接段短距离内的刚柔过度，保证刚度连续。同时，要处理好桥随相连时隧道洞口的排水问题，避免因排水不畅而导致的桥梁伸缩缝积水锈烛、衬砌渗漏水、隧道内路面翻浆冒泥等现象，以减轻车辆跳车现象。

3.结束语

桥隧相连工程长期遭受循环往复的车辆荷载，尤其是超载车辆时，就会越来越接近于疲劳应力幅，最终引发多源损伤。确保桥隧相连工程施工、运营安全，减少或规避病害的产生，需要进行科学的结构选型，重视施工流程的合理控制，采取有效的损伤及病害控制技术。

【参考文献】

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