高速公路软土路基地段双幅高架与双层高架的比选

2021-06-27刘文

运输经理世界 2021年35期

刘文

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

由于高速公路属于国家修建的民生工程，所以项目建设的方案需要具有高度的合理性。只有符合建设地区实际情况的设计规划，才能保障项目的有序进行，确保高速公路的质量得到有效控制，进而保障人民群众的生命财产安全。高速公路的建设，不仅能够便于不同区域内的运输，还能够逐渐建立起密集的交通运输网络，便于运输周边地区的物产，促进周边地区的经济发展，具有十分重要的基础作用。而对于高速公路软土路基地段建设双幅高架与双层高架的比选来说，需要经过严密的勘查，从而做出决策，确保工程符合实际的地形条件分布状况，具备经济适用性。本文将从水文条件、地质条件、地形结构、地层岩性等方面对双幅高架与双层高架进行全方位的比选，给出专业性的处理方案。

1 工程概况

某项目位于洞庭湖平原，工程建设需要贯穿较大区域的软土层以及城市周边的农田种植区。这一地域内的地理特点主要体现为软土层较多，且土层的水分含量过多，密度不高，存在着很大的孔隙，容易因受到压缩而产生变形，要在这一路段进行工程建设，首先需要解决的就是这一区域的软土路基问题。根据现阶段的施工经验来分析，很多项目工程对于软土路基的处理都不能够达到预期，同时还需要投入大量的资金。而对于该项目来说，如果通过土方填筑的方式来进行施工，这一区域大概需要开挖1000 万m3的土方，给实际的工程建设带来了较大的困难。就算通过长距离的运输，能够实现土方的填埋，所花经费也过高，方案不具备经济适用性。而针对这一情况，就需要对方案的设计进行研究，提出一个更具价值的设计方案。例如可以提出桥梁方案来进行比选。在高速公路的建设中，应该尽量避免破坏农民耕地、减少对良田的占用，尽量减少对环境的不良影响、减少对软土地区生态结构的破坏，据此，可以在高速公路的建设方案中提出双幅桥和双层桥的方案设计，通过专业性的技术比对，找到更能满足该工程的建设方案。

2 双幅高架与双层高架的比选

2.1 结构形式的选择

经过对项目建设区域的实地勘查，了解到洞庭湖平原腹地区域分布了较大范围的软土。想要构建出符合施工要求的设计方案，就需要对几种不同的高架桥梁构造进行研究与分析。高架桥梁主要有四种结构形式：双层高架单桩、双幅高架单桩、双层高架双桩、双幅高架双桩，具体如图1所示。

图1 高架桥梁的四种结构形式

2.2 桥梁结构体系的选择

对于桥梁结构体系的选择，需要充分地考虑到高速公路工程项目的整体性，还需要保障项目竣工后的实际运输效果，最重要的一点，就是需要保障高速公路工程的安全性和使用寿命。在桥梁结构的设计上，要参考建设区域周边的地形条件和地貌特点，结合周边地区的自然气候等因素，来多方面地进行思考。经过技术专家的衡量，最终确定了该工程的桥梁结构体系为简支梁桥面连续结构。综合了多种因素后做出的这一决定，更具有实际应用价值，也能够更好地发挥出设计效果，让高速公路通车后的耐久度得到保障[1]。

2.3 桥梁跨径的选择

设计符合实际建设需要的桥梁建设方案，要求在桥梁跨径方面重视设计的合理性和规范性。高架桥梁的跨径设计以20～30m 为标准。而本文针对这一问题进行研究，也是为了最大化地提升桥梁跨径的科学合理性，让高速公路的建设施工质量得到提升[2]。

2.4 上部结构类型的选择

在设计方案的选择上，需要结合桥梁的实际建设条件，充分评估周边区域的地形状况和项目经费的投入问题，才能做出最终的决策。该工程对于桥梁建筑材料的选择，以空心板和T 梁为主。可以通过表1 的对比，来进行深入的分析。

表1 上部构造尺寸比较

2.5 下部结构类型的选择

目前，高速公路桥梁的桥墩形式主要有柱式墩、薄壁墩、空心墩等。通常，在高度小于40m、需要对强度进行把控的方案中，柱式墩更加适用。而在高度大于40m、需要对稳定进行控制的方案中，薄壁墩、空心墩更加适用。该高速公路建设工程受到多种因素的影响，在方案的对比分析时，需要针对实际情况进行选择，例如双幅高架桥墩采用双柱式墩，双层高架桥墩采用双层框架式桥墩。根据情况分析，不同种类的设计具有以下特点。其一，双柱式墩是公路桥梁广泛采用的桥墩形式，其自重轻，结构稳定性好，施工方便快捷，外观轻盈美观，桥墩布设灵活性大。其二，双层框架式桥墩在城市立交双层高架桥梁中普遍应用，上层桥梁通过将上部梁板的端横梁做强做大，既做端横梁又做上层盖梁，简支在框架式桥墩的两墩柱上，下层桥梁直接支承在下层盖梁上。这种体系受力明确，结构的超静定次数较低，上下层桥梁受力相互影响小，但整体稳定性较差。通过分析借鉴，该项目将桥墩两侧墩柱通过上下盖梁固结起来，做成框架式桥墩，上下层桥梁分别支承在上下盖梁上，具体见表2。

表2 下部构造尺寸比较

双层高架桥墩验算。

第一，按5 跨一联计算，假定各墩墩柱尺寸、高度均在8～20m 之间。

第二，基本假定。一是外荷载除结构重力、汽车荷载外，还计入制动力、温度作用，忽略风荷载及混凝土收缩徐变等。二是计算制动力作用时，各墩柱受力按墩顶抗推刚度分配。为简化计算，计算上层桥处墩顶抗推刚度时不考虑下层桥处支座的影响；计算下层桥处墩顶抗推刚度时不考虑上层桥的影响。三是当温度力或摩阻力大于制动力时，按摩阻力考虑。

第三，墩柱验算。验算下层桥墩墩底截面：因上下层制动力方向相反，按最不利考虑，仅上层有制动力时，下层桥墩墩底截面最不利。

桩基内力按m 法计算。

3 工程规模比较

双幅高架与双层高架下部构造具体数量、造价比较详见表3。

表3 双幅桥方案（24.5m）与双层桥方案(12.0m)主要工程数量比较表

4 双幅高架与双层高架的优缺点

4.1 用地规模

从用地规模这一角度进行分析，双层高架相比于其他的实际方案具有一定的技术优势，例如，双层高架具有更节约用地的特点，在实际的建设过程中，它的用地规模较双幅高架节省一半，产生了明显的差异性。由于土地属不可再生资源，最新出台的《中华人民共和国土地管理法》中明确提出了耕地占补平衡政策，且该项目位于湖区，耕地尤为稀缺。对于项目建设的发展前景来说，其更加符合国家的相关政策。

4.2 顺应河道、路网变化

根据高速公路工程项目的实际特点进行分析，这一工程区域内湖区网布、路网发达，双层高架方案在适应湖区河道弯曲变化、减小桥墩阻水面积等方面具有较大优势。能够更好地在这一区域发挥出重要作用，体现出双层高架的优点。

4.3 应对不良天气及极端灾害

不良天气条件对项目建设也会产生一定程度的影响，当出现大雨或者冰雪天气时，下层的行车条件就会优于上层的行车条件。双层桥的抗灾能力占优的另一表现在于，由于该项目通过重点垸和确保垸，在历次洪灾中溃垸时有发生，一旦溃垸，灾民可以第一时间通过救生通道爬到双层桥上避难，凸显双层桥作为临时生命救灾通道的积极作用。

4.4 施工及施工组织难易程度

从实际的建设施工角度来分析，这两种设计方案都存在着各自的施工难点。双层高架较双幅高架施工工艺要求更高，工序更为复杂，施工技术难度更大。例如框架墩大截面桩基础成孔难、预应力盖梁施工复杂、双层板和梁架设干扰大、施工组织协调难等，这些都是高速公路项目建设的困难因素。

4.5 行车舒适性

将两种设计方案在行车舒适性方面展开对比，由于预制结构决定了桥梁跨径一般在20～30m 之间，在跨径不大的情况下，双层高架立柱数量偏多，给下层驾乘人员带来不适，容易产生心理压迫、视线阻隔等感觉，不利于竣工后的实际应用。

4.6 互通及服务区桥梁设置

在实际的项目施工建设过程中，在主线进入互通及服务区阶段，受主线纵坡影响，互通及服务区匝道的长度会加长，特殊结构桥梁增多，造价增加，需要投入更高的建设成本，其中双层高架尤为明显。

4.7 施工及运营过程中出现各种紧急情况的应对比较

当桥梁遇到火灾、车祸等紧急情况时，会导致桥上交通拥堵，人车不能及时上下高速；当车辆撞击桥墩有可能导致桥梁垮塌，使高速公路丧失通行能力。所以在桥梁上必须设置港湾式紧急停车带，以及紧急疏散通道，同时要提高结构的防火能力；对桥墩要加强防护，设置钢筋混凝土防撞套筒，以吸收撞击能量，同时要采用加强型混凝土防撞护栏，确保失控车辆不会冲断、越出护栏。

4.8 双层高架标志标牌的设置

高架标志标牌在行车中具有重要作用。如设置在双层高架外侧，下层桥梁外侧一线的桥墩会阻挡行车人员看清标志标牌的视线；如设置在双层高架内侧，下层桥梁需要在现有净空基础上增加净空以满足标志标牌的设置，立柱高增加，桥梁的造价也会增加。

4.9 其他影响因素

除此之外，还有其他的影响因素。针对该项目的实际施工情况分析，这一工程位于湖区，水系发达，路网交织。为了设计及施工方便，双幅高架及双层高架右交角均为正交，因此桥下改河沟、改路的情况会很频繁，需要结合多种其他形式的工程项目共同完成。

5 比对结论

5.1 单桩与双桩的选择

对于桥梁的建设来说，建造的合理性与经济性是重要的考量因素，要根据建造情况，选择质量更优、成本更低的建设材料。其中，空心板作为重要的施工建材，被广泛应用于双层高架的建设施工。经过实际的对比汇总可以发现，在单桩情况下，双幅高架要比双层高架的经济性更好，而在双桩情况下，则刚好相反。

5.2 双层与双幅的选择

相比较而言，两种高架所需的建设成本差异并不大。两种形式的费用节约方式不同，例如双层高架在实际的施工建设过程中，所需的占地面积更小，更能适应地形条件的变化，可以充分发挥自身的阻水特征，展现出双层高架的亮点特色。而从另一个角度来说，这种高架的建设方案，所需的技术难度高，而且涉及的工序非常繁杂，给施工环节带来了很多技术困难，增加了人工方面的投入。通常情况下，在实际施工时会采用两种高架相结合的方式，这样能够更好地解决不同施工区域建设时遇到的困难，能够综合设计出更具适用性的建设方案。尤其是在农田的占用方面，可以更好地发挥出双层高架的优势，减少对自然生态环境的破坏，最大化维持原来的生态系统。在河道众多且道路运行艰难的地区，选择双幅高架，能提升驾驶的舒适度，取得桥梁建设的最佳视觉效果。