山区高速公路桥梁的优化设计

2021-04-25李建军

中华建设 2021年4期

李建军

随着我国高速公路的蓬勃发展，山岭丘壑地区的高速公路建设不断上升，由于山岭丘壑地区的地形地质条件较为复杂，在进行山岭丘壑地区高速公路桥梁建设时，存在很多的问题和特点，所以进行山岭丘壑地区高速桥梁的优化设计研究意义重大。为此本文详细分析了山岭丘壑地区高速公路桥梁的设计原则，阐述了其设计要点，并提出了优化设计方法。

我国地形广袤，幅员辽阔，全国总面积70%以上是山地丘陵，山地丘陵区域往往有较为复杂的地形地质条件，山岭丘壑地区的高速公路工程，通常会跨域不同的地形条件，桥梁工程占比较大，与一般地区相比，存在一定的差异和特殊性。因此，深入探讨山岭丘壑地区高速公路桥梁的设计原则、设计要点，并提出有效的优化设计措施，是十分必要的。

一、山区高速公路桥梁的设计原则

高速公路是典型的线性工程，山岭丘壑地区的高速公路桥梁工程通常跨度大、墩台基础规模大、任务繁重，且其地形地质、水文条件较为复杂，如，滑坡、陡崖、岩溶、断层、煤气夹层等，岩土性质和岩石风化程度迥异；沿线存在复杂的水文地质条件，水系众多，部分地区水害较多。在进行山岭丘壑地区高速公路桥梁建设时，对于工程质量的要求较高，为此应遵循以下桥梁设计原则，如图1所示。

1.安全性原则

在进行桥梁设计时，必须高度重视山岭丘壑地区高速公路桥梁的施工和运营期间的安全性，常规桥梁通常使用技术成熟、高标准化的装配式结构，现场维养要求相对较低，具有标准的工厂化和系列化施工流程。而设计一些山岭丘壑地区特殊桥梁时，应单独进行结构设计，桥梁类型选用技术成熟、结构安全、受力明确的桥梁结构。同时，在设计过程中应贯彻安全原则，以保障结构的稳定性和安全性，使桥梁可以适应各种复杂的自然条件，应对各类不利因素的影响，同时确保可以承受行车荷载。

2.协调性原则

在进行山岭丘壑地区高速公路桥梁的设计时，不仅要满足安全性、可靠性、耐久性、经济性和合理性的需要，还应该与周围环境相契合，注重与周围环境的协调性，满足环境保护和美学的需要，遵守因地制宜、就地取材的原则，为施工和维养提供便利条件。在进行高速公路选线、桥梁方案时，必须注重其结构本身的合理性。同时还应该注意高度跨度比例的协调，在没有跨度要求的情况下遵循经济原则，注意景观协调，进行孔位布置时要注意跨度、高度的一致性或变化的协调性。

3.经济性原则

经济性原则应始终贯彻在山岭丘壑地区高速公路桥梁设计当中，山岭丘壑地区高速公路选线时应进行高填方，深基坑和桥梁隧道的比较和选择，应该注意路线方案的优化，合理利用地形条件，控制项目投资成本，以安全经济为基础原则，控制桥梁隧道占比和特殊路基的规模，以减小超大型桥梁的规模和桥墩基础的深度，达到节约成本的目的。

二、山岭丘壑地区高速公路桥梁的设计要点

在山岭丘壑地区进行高速公路建设时，其地形、地质条件较为复杂，受此影响，路线选址方面受到平、纵、横三个方面的限制，所以在进行设计时必须充分考虑到桥梁的各个细部构造和地形地质条件之间的关系。本文从上部结构、下部结构、附属结构设计进行阐述，总结山岭丘壑地区高速公路桥梁的设计要点。

1.桥梁上部结构的设计要点

桥梁工程在山岭丘壑地区的高速公路中占比较大，但通常来说，特殊的大跨径桥梁相对较少。因此，对于大量的普通跨度桥，设计原则是尽可能确保方便施工和经济施工。大中型桥梁的标准跨度一般为16m，20m，25m，30m，35m，40m和50m。中小型桥梁的标准跨度一般为6m，8m，10m，13m和16m。横截面类型主要包括空心板、预制T型梁和预制小箱梁三种。一般情况下，跨度小于30m的桥梁可以采用以上三种结构形式中的任意一种；跨度为35~50m的桥梁，选择预制T梁或小箱梁更加合适。从造价角度看，跨度小于20m的空心板截面桥梁更经济，且其建筑高度最低。对于跨径小、净空小的桥梁，空心板截面是最合适的；从受力角度考虑，40m、50m的大跨度桥梁，更适合选用T型梁截面；从各个角度看，预制小箱梁都是介于空心板和预制T型梁之间的一种截面，所以跨度为25~35m的截面通常采用预制小箱梁结构。

图1 山岭丘壑地区高速公路桥梁的设计原则

2.桥梁下部结构的设计要点

桥梁下部结构一般是指桥墩基础和桥台基础，最常见的基础形式分为扩大基础和桩基础。当桥址区地质条件较好时，采用扩大基础的情况相对较多。桩基础按受力形式可分为端承桩和摩擦桩，端承桩适用于地质条件较好的情况下，摩擦桩适用于不良地质条件下。在局部地质条件复杂的山地丘陵区域，受断层影响，临近桩基有可能处于不同的地质构造带上，所以，在进行桥梁桩基础的具体设计时，应该具体问题具体分析，要注意地质条件的多样性和复杂性，尤其是在桥址区存在岩溶、滑坡、软弱夹层等不良地质条件时，基础设计的难度会更大。山岭丘壑地区高速公路桥台可分为重力式U型桥台、肋式桥台和柱式桥台。其中，U型桥台控制的填筑范围一般为4-10m，因此控制高度应在10m以内，其突出特点是横、纵向坡陡峭，并且U型桥台必须合理设计台阶，以适应地形，减少开挖。桩柱式桥台的抗压刚度较小，当桥台的联长较长或桥台后背填土较高时候不应进行使用。埋置式肋式桥台的适用范围较广，但不宜超过12m。山岭丘壑地区高速公路的地形陡峭，通常无法设计锥形坡。此时，柱式桥台或肋式桥台的使用将受到很大的限制。在地质条件较差的情况下，可能会将桩基设置在U型台下。

3.桥梁附属结构的设计要点

在设计桥头搭板时，若桥台地处挖方段，且地层是不需要换填的岩土层时，可以不设置桥台搭板。在设计桥梁伸缩装置时，如果是高墩基础，应充分考虑到不良地质影响导致墩台水平位移继而引发伸缩量增大的情况，可适当增大伸缩量。在设计前面的防排水设施时，应注意凹型桥梁的泄水管应该适量加密，泄水孔应该设计在凹型曲线的最低点处。桥梁选址跨过水库等区域时，桥面排水应采用集中排水的形式，雨水应从排水系统引入边沟，避免桥面积水，危及行车安全。

三、山区高速公路桥梁的优化设计方法

1.优化设计新理念

在进行山岭丘壑地区高速公路桥梁设计时，设计人员应注意在设计总原则的基础上，积极地运用新设计理念，从安全、舒适、和谐、环保的设计理念出发，对桥梁的类型、跨度、路基等进行优化设计，保证桥梁设计工作的顺利进行。一是要进行桥墩基础选型的优化设计，在横坡陡谷的环境中进行桥梁设计时，应选择合适的桥墩基础，同时控制好桥墩高度，降低桥台的垂直高度，虽然这样进行设计会增加桥面铺设长度，但降低的桥墩施工难度，节约了人力成本和时间成本，减少了施工事故的发生机率，未施工的顺利进行打下基础；二是应着重考虑桥址区的地形地质条件，高速公路选线采用桥梁跨越方案时，可以弱化地形因素的影响，应从安全性和经济性的角度出发选址合适的桥梁跨度，有效调整桥梁位置，从而对桥梁跨径设计进行调整和优化。同时，在进行桥梁基础设计时，应依照不同的地质条件来优化设计方案，根据不良地质条件的影响进行特点的桥梁基础设计。

2.优化桥址区滑坡防治设计

当山岭丘壑地区高速公路桥梁穿过滑坡体或滑动带时，设计桥梁基础设计时，应注意桥梁基础的水平荷载和位移。当桥梁无可避免地穿过滑坡体时，应首先调查清楚滑坡的地形地质条件，进行稳定性分析，在桥梁建设中尽量不影响和破坏滑坡的稳定性，而在施工顺序上必须严格遵守滑坡治理，才是桥梁施工的基本原则。在进行桥址区防治时，必须坚持预防为主的原则，做到一次性根治，避免滑坡体蠕动影响到桥梁基础。通常优先考虑反压、卸荷、修建排水设施、支挡工程等方式，最好是在旱季进行桥址区滑坡的防治工程，尽量减少施工产生的工程扰动，避免影响滑坡体稳定性。