山区高速公路跨深V峡谷桥型方案研究

2021-06-28苏小波孙军举

交通科技 2021年3期

苏小波孙军举杨娟

(招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆 400067)

据不完全统计，截止2018年底，我国公路里程已达18万km，其中相当一部分位于西部和西南山区之间。与平原地区相比，山区高速公路桥梁具有地形地质条件复杂、施工场地狭小、运输条件困难、单位造价较高、检修维护难度大等特点[1-2]。尤其是山区跨深V峡谷的特大桥梁，往往是全线的控制性工程，其建设成本高、技术难度较大、建设周期较长，社会关注度也高。如何根据桥位处的既有条件选择经济合理、施工便捷、运维成本低的桥梁，是桥梁设计师应该认真思考、慎重决策的问题。

桥梁结构按受力特点可分为梁、拱、斜拉和悬索四大体系；按材料类别又可分为混凝土、钢结构和组合结构三大类，其每种类型的经济跨径、建设成本、施工难度及适用条件均不相同，在一定的条件下，上述桥型的适用范围还存在重叠区间[3]。因此，需对不同的可行方案进行深入比选，确定适合项目的最优方案。国内一些学者先后提出了层次分析理论、灰色关联理论等理论模型[4]，归纳起来，其评价指标体系大体可均分为经济性、技术性及社会性三大类[5]。基于上述思想，本文拟研究某深V峡谷桥型方案，以供同类工程参考。

1 项目概况

某高速公路特大桥，位于西部山区，跨越深V峡谷，桥梁全长约510 m，两端桥台接隧道。桥址区属中高山构造剥蚀地貌，河谷形态呈不对称“V”字形峡谷，切割较深，河床宽约20 m，水深1 m，河床底部堆积碎石及卵石，两岸为基岩山坡，植被发育。

河谷右岸坡度52°～55°，相对高差400～600 m，坡面植被发育，坡形较完整，近坡脚处为乡村级公路；河谷左岸为切向折线型坡，下陡上缓，坡度37°～63°，基岩强度高、完整性较好，浅部灰岩有强风化现象。桥址处地形地貌及地质条件见图1。

图1 桥址处地形地貌及地质条件(单位：m)

前期调查资料显示，影响该桥址处桥梁建设的主要因素有以下几点。

1) 边坡陡峭，桥墩施工难度大。河谷左、右两岸最大坡度分别为63°和55°，在陡坡上施工，会导致施工便道、基础及承台施工时边坡的大开挖，且河谷右岸存在灰岩强风化层，桥墩的竖向荷载对下部边坡形成竖向加载，不利于边坡的整体稳定性。

2) 施工场地狭小，运输条件困难。桥址处河床宽约20 m，且平面位于河道拐弯处附近，无大型平整场地可利用；沿线道路最窄处宽仅约4.5 m，最小转弯半径约为20 m，对大型构件的运输、堆放均有不利影响；桥址处除了河谷右岸的乡村公路外，无其他道路可利用，现场地形条件对施工便道的修筑极为不利。

3) 桥面距离谷底高差大、施工风险高。桥面距离谷底最大高度约为300 m，对高空吊装、安装等作业均有较高要求。

4) 存在卸荷裂隙，边坡整体稳定性不足。据调查，在河谷右岸，存在灰岩强风化卸荷裂隙带，厚度约为10 m，现状基本稳定，但岸坡的开挖、加载等作用将对边坡整体稳定性产生不利影响。

2 桥型方案

针对上述影响因素，考虑到各桥型方案对跨径的适应性，梁、拱、斜拉及悬索这4种桥型方案在本桥位处均具有可行性。以下从桥型特点、施工难度、工程经济及景观效果等方面，对上述4种桥型方案开展比选。

2.1 梁桥

在4大类桥型方案中，梁桥方案是最为经济的桥型，同时，因其造型简洁、施工技术成熟，与地形适应性强而被广泛采用。尤其在地形、地质条件相对较好，跨径相对不大的情况下，连续刚构梁桥方案往往具备较强的竞争力。表1为近年来我国梁桥建成的大跨度PC(预应力钢筋混凝土)连续刚构梁桥情况，除北盘江大桥采用的是空腹式连续刚构梁桥方案外，其余均为常规变截面PC刚构梁桥，且排在前10的跨径均超过了240 m，最大跨径达到了270 m(北盘江大桥除外)。

表1 我国大跨度PC连续刚构梁桥一览表

上述连续刚构梁桥大多建于2000年前后(北盘江特大桥除外)，事实上，由于早期的设计理论及设计工程经验不足，部分连续刚构桥在运营一段时间之后均出现了不同程度的跨中下挠、腹板斜裂缝等病害[6]；基于既有的工程经验，在无特殊情况下，常规连续刚构桥跨度以不超过200 m为宜已成为当前设计的主流思想。

结合地形、地质条件，在本桥位处采用连续刚构方案尚需考虑以下主要影响因素。

1) 桥面高度较高，在合理的边中跨比范围内，边跨跨径尽量采用较小值。如此，现浇段便可利用墩旁托架实现，从而降低高支架的施工风险和成本。

2) 两主墩墩高差异不宜过大，否则由于刚度不匹配，矮墩的内力将显著增加。

3) 河谷右岸存在强风化卸荷裂隙，主墩基础施工开挖，对上部边坡整体稳定性不利，需要进行大规模边坡治理；主墩竖向荷载对下部边坡的稳定性亦有不利影响，需在下阶段进行详细分析，必要时采取桩基隔离或边坡加固措施。

4) 墩高和跨径应相匹配，做到受力合理、结构经济。

5) 两侧主墩均位于半山腰处，承台距离隧道洞口和谷底高差均在140 m左右，施工便道修建难度较高、规模较大。

基于上述思考，主桥采用105 m+200 m+105 m混凝土连续刚构，边中跨比0.525，主梁采用单箱单室箱形截面，根部梁高14 m，跨中梁高4.5 m，箱梁高度按1.8次抛物线变化；主墩为空心薄壁墩，河谷左、右两岸墩高分别约132 m和113 m，群桩基础；引桥采用30 m预制T梁，先简支后连续；桥梁全长502 m，连续刚构方案桥型布置见图2。

图2 连续刚构方案桥型布置(单位：cm)

采用本方案将产生以下主要施工工作量，并对工程总造价产生较大影响。

1) 谷底乡村道路距主墩承台高差约140 m，施工便道平均纵坡按15%计，两侧施工便道合计约2 km。

2) 河谷右岸主墩以上边坡处置合计挖方约9万m3、护坡锚索质量140 t。

3) 为保证边坡施工及高空吊装过程中的运输安全，需对既有乡村道路改隧道，合计长度约800 m(下同，不再赘述)。

2.2 拱桥

常见的拱桥方案有劲性骨架钢筋混凝土拱、钢管混凝土拱、钢箱拱，以及钢桁架拱。由于钢筋混凝土拱存在工序复杂，钢箱拱存在运输及吊装困难，钢桁架拱造价高等缺点，在本桥位处均不适用。相比之下，钢管混凝土拱桥由于其可采用“化整为零”的施工方法、兼具钢拱圈即为混凝土模板、施工周期短、工程造价低、造型美观、承载能力高等优点[7]，是适合本桥址处的拱桥方案。加之桥面距离谷底高，峡谷切割较深，采用上承式拱桥方案能减少主拱跨径、降低工程规模、节约造价。表2[8]是我国建成的大跨度上承式钢管混凝土拱桥一览表，主拱跨度200～450 m不等，矢跨范围1/4.5～1/6.5，主要分布在1/5左右。

表2 我国大跨度上承式钢管混凝土拱桥一览表

结合本桥位处的地形、地质特点，采用上承式钢管混凝土拱桥还需考虑以下影响因素。

1) 拱座距离隧道洞口高程小于距坡脚乡村道路高程，施工便道可采用从两侧隧道洞口往下展线，或者从隧道中间打穿横洞，沿山腰展线至拱座处。

2) 河谷右岸拱座处于强风化卸荷裂隙处，拱座施工需在对其上坡面进行处治后方可进行。

3) 根据便道的运输条件，拱圈必须拆分为小节段散件经公路运输至桥位处，最长节段不宜超过15 m；现场还需搭设钢结构拼装、存放及吊装平台，需占用部分河道。

4) 桥面距谷底高差约300 m，缆索吊装高度高，吊装过程存在一定风险。

综合上述因素，主桥采用上承式变高度钢管混凝土拱桥，主拱圈计算跨径330 m，矢高66 m，矢跨比1/5；拱肋采用桁架式，拱脚处桁高12.5 m，拱顶处桁高6.5 m。单片拱肋由4根直径1.2 m，材质为Q345D的钢管组成，标准节段壁厚25 mm，拱顶和拱脚节段壁厚34 mm，管内填充微膨胀C60混凝土。拱桥方案桥型布置见图3。

图3 钢管混凝土拱桥方案桥型布置(单位：cm)

施工主要采用缆索吊装方案，杆件采用散拼运输，在桥位附近组拼方案。利用既有河滩和部分河道搭设型钢拼装平台及吊装平台，利用缆索吊装系统整节段起吊安装。采用本方案将产生以下主要施工工作量。

1) 缆索吊装系统1套，额定起吊重量1 500 kN，主缆跨径约520 m。

2) 河谷右岸拱座以上边坡处置合计挖方约5万m3、护坡锚索质量70 t。

3) 钢结构存放、拼装及预拼场地占地面积约1万m2，其中可利用既有河滩3 000 m2，需占用河道搭建钢管平台约7 000 m2。

2.3 悬索桥

悬索桥作为跨越能力最强的桥型，其主跨从几百米到上千米均能适应，是山区大跨桥梁的一种常见桥型。在桥位处布置悬索桥方案，需考虑以下影响因素。

1) 桥址处运输条件困难，主梁宜采用钢桁梁散件运输、工地现场拼装的施工方式，这也是山区大跨度悬索桥常用的施工形式[9]。

2) 两岸地形陡峭，除表面存在强风化带外，基岩为中风化灰岩，强度高、完整性好，两岸均考虑采用隧道锚。

3) 河谷右岸桥面以上坡度达到55°，主塔基础施工难度大；进一步研究发现，将主缆悬链线延长后可与坡面相交，故可取消该侧主塔，在主缆和岩面交接处设置转索-散索复合式索鞍[10]，将主缆直接锚入基岩内，既能减少工程规模，节约投资，又减少大开挖造成的环境破坏。

综上，悬索桥方案采用独塔钢桁梁结构，单跨悬吊简支体系，桥面长度490 m，主缆跨径545 m，矢高54.5 m，矢跨比1/10，采用高强度平行钢丝索股；考虑山区运输条件受限，主梁采用钢桁梁，梁高8 m，节间长度7.5 m；吊杆间距15 m；河谷左侧坡面相对平缓，采用钢筋混凝土主塔，隧道式锚碇；河谷右岸取消主塔，采用隧道式锚碇方案以减少边坡开挖规模，降低对环境的影响。悬索桥桥型见图4。

图4 悬索桥方案桥型布置(单位：cm)

采用本方案可避开两岸陡坡基坑开挖及边坡支护工作，主要考虑的临时措施为大里程侧洞门至锚碇处施工便道约400 m(按平均15%纵坡计)，以及主梁钢构件存放、拼装及起吊平台约6 000 m2。

2.4 斜拉桥

研究地形不难发现，将主塔立于河谷左岸缓坡地带，采用主跨跨越峡谷直接接隧道的独塔斜拉桥方案，既能满足斜拉桥的合理跨度及合理边中跨比，也避免了强风化陡坡地带的大规模开挖，是适应本桥位地形的合理斜拉桥方案。从而，主跨跨径便可确定在300 m左右。有学者统计，对双塔斜拉桥，跨径在200～400 m时，采用混凝土主梁是最经济的；400～500 m时，采用钢-混凝土叠合梁最经济；跨径大于500 m时，宜采用钢主梁。目前我国最大跨度的混凝土斜拉桥为主跨500 m的荆州长江大桥，本桥独塔斜拉桥方案主跨跨径略大于300 m，类比双塔斜拉桥主跨跨径将大于600 m，从技术和经济上考虑更宜采用钢箱梁，但基于运输条件困难等原因，只能采用“化整为零”的施工方案，故在本桥位处更宜采用叠合梁方案。

基于上述分析，采用叠合梁独塔斜拉桥方案，其主跨310 m，一跨直接跨越峡谷接隧道；为提高结构刚度，在河谷左岸设置1个辅助墩，边跨跨径为85 m+115 m。主梁采用钢-混叠合π形梁，两侧纵肋采用箱形断面；采用预制平行钢丝斜拉索、拉索在主梁上标准间距12 m，密索区间距6 m；桥面为预制C40混凝土桥面板，与钢梁采用栓钉连接。斜拉桥方案桥型布置见图5。

图5 叠合梁独塔斜拉桥方案桥型布置(单位：cm)

采用本方案可避开河谷右岸陡坡基坑开挖及边坡支护工作，主要考虑的临时措施为小里程侧洞门至主墩处施工便道约1 km(按平均15%纵坡计)，以及主梁钢构件存放、拼装及起吊平台约6 000 m2。

3 桥型方案比选

以上4种桥型方案各有优缺点，其中梁桥方案最为经济、拱桥线型优美、斜拉和悬索桥对环境影响程度最小。为便于比较，将4种方案的优缺点汇总，结果见表3。

表3 4种桥型方案比选明细表

续表3

由表3可知，4种方案在施工工期上均无显著差异，梁桥方案虽然造价最优，但缺点也很显著：大范围的边坡治理及便道施工对环境破坏严重；更为重要的是主墩竖向荷载对边坡下部强风化带的整体稳定性的不利影响始终存在，故不作为推荐方案；主塔斜拉桥和悬索桥均避开了卸荷裂隙带的影响，但造价过高，且后期养护费用也较高；钢管混凝土拱桥方案虽存在一定规模的边坡治理及占用河道等缺点，但由于其造价适中，施工工艺成熟，与周边环境适应性好、造型优美，经综合比较，作为推荐方案桥型。