地形復(fù)雜山區(qū)橋梁總體設(shè)計要點分析

胡曉斌

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司,甘肅 蘭州 730010)

0 引言

當(dāng)前,隨著我國公路路網(wǎng)的完善,平原等人口密集地區(qū)公路建設(shè)已基本結(jié)束,高速公路的建設(shè)重點轉(zhuǎn)向山區(qū)等地形復(fù)雜地區(qū)。學(xué)者們已就山區(qū)橋梁設(shè)計作了一些研究。雷春煦[1]以G0611川汶高速為背景介紹了山區(qū)橋梁的選型;劉俊學(xué)等[2-9]從抗震角度提出山區(qū)常規(guī)橋梁應(yīng)采用多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu),并設(shè)置防落鏈等抗震措施。劉容[10]在分析山區(qū)建設(shè)條件的基礎(chǔ)上提出橋梁設(shè)計應(yīng)多采用裝配式結(jié)構(gòu)、橋梁下部結(jié)構(gòu)形式及基礎(chǔ)應(yīng)與地形匹配。上述研究多針對山區(qū)橋梁設(shè)計的某一方面問題,缺乏系統(tǒng)性闡述。因此,在分析山區(qū)橋梁設(shè)計特點的基礎(chǔ)上,提出了針對該問題的系統(tǒng)性方法。

1 山區(qū)橋梁特點分析

山區(qū)地形起伏較大,陡坡深谷較多,導(dǎo)致橋梁布設(shè)時墩高與跨徑的一般性比例難以滿足;同時,山區(qū)橋梁面臨的泥石流、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害也較為常見,橋梁選型及布設(shè)受到的限制因素較多;山區(qū)交通條件較差,材料及施工機(jī)械運(yùn)輸存在困難,橋梁施工方法受限。

1.1 地形特點

山區(qū)地面高差大,坡面陡直,導(dǎo)致斜、彎、坡橋多、高墩多;對于甘肅省中部山區(qū),40 m跨徑橋梁超過60 m的高墩較為常見,局部墩高超80 m。同時,地形陡峭,大型施工機(jī)械難以進(jìn)場,如果需要進(jìn)場,會導(dǎo)致大面積開挖,可能擾動坡面,產(chǎn)生滑塌、落石等危害公路運(yùn)營的病害[11]。山區(qū)橋梁施工現(xiàn)場圖見圖1。

1.2 橋位沖刷及地質(zhì)災(zāi)害

地形陡峭,山區(qū)河道河床比降大,計算沖刷深度與短時強(qiáng)降雨沖刷深度存在差異,導(dǎo)致部分中小跨徑橋梁抗沖刷能力不足;庫區(qū)由于水位的起落變化,往往導(dǎo)致邊坡垮塌,既庫岸再造,威脅橋梁結(jié)構(gòu)安全。山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),如泥石流、滑坡、山體崩塌、高位落石等,一旦發(fā)生,將嚴(yán)重威脅橋梁安全[12-14],見圖2。

1.3 施工條件受限

山區(qū)橋梁施工條件受限,特別是位于深山峽谷地形,施工需修筑較長的便道,材料運(yùn)輸成本高;另外,受地形影響施工便道普遍指標(biāo)較低,運(yùn)輸安全風(fēng)險高。比較狹窄的地區(qū),施工場地布置困難,大型機(jī)械難以展開[15]。

2 山區(qū)橋梁設(shè)計總體思路

山區(qū)橋梁設(shè)計應(yīng)重視橋梁結(jié)構(gòu)與地形的相互關(guān)系,應(yīng)著重注意線位、橋型對地形契合性。對于滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害點應(yīng)盡量遠(yuǎn)離,或進(jìn)行可靠的工程處置。

2.1 橋跨、橋型選擇

山區(qū)布線受控因素較多,中小跨徑橋梁布設(shè)一般服從路線整體線位。由于山區(qū)運(yùn)輸條件差,施工條件受限,同時為控制造價,橋型優(yōu)先選擇可以在臨近路基預(yù)制的50 m跨徑以下預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu),如小箱梁、T梁等。但在穿越中大型滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害區(qū),線位繞避困難時,也可根據(jù)地形靈活選用大跨徑結(jié)構(gòu)。

2.2 橋位地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)對措施

滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,應(yīng)視其危害程度區(qū)別對待。對于小型地質(zhì)災(zāi)害,可采用清理坡面、抗滑樁等工程措施處置的,可在處置后設(shè)置中小跨徑橋梁,且地質(zhì)災(zāi)害區(qū)段采用簡支結(jié)構(gòu)跨越(簡支結(jié)構(gòu)可在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后降低橋梁整體損害程度)。對于危害程度較大或采用工程措施處置困難的地質(zhì)災(zāi)害,優(yōu)先采用線位繞避的方案,當(dāng)線位受限時,也應(yīng)盡可能的使橋位距離地質(zhì)災(zāi)害點的距離增大。

譬如,某山區(qū)橋梁受隧道洞門位置控制,線位必須從山前通過,但坡面堆積體厚度大、范圍廣、坡面破碎,存在發(fā)生滑坡的可能。若采用中小跨徑橋梁,則必然需在滑坡體前方設(shè)置橋墩,威脅橋梁安全。考慮地形條件,選用大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋型,使橋墩避開滑坡體范圍,降低地質(zhì)災(zāi)害對結(jié)構(gòu)安全的影響(見圖3)。

3 山區(qū)橋梁設(shè)計要點

3.1 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

由于地形起伏,山區(qū)橋梁墩高差距較大,相同截面下,高墩剛度較小,矮墩則較大,橋梁整體剛度變化較大,不利于結(jié)構(gòu)受力。為使橋墩剛度協(xié)調(diào),通常矮墩取用較小截面,高墩采用較大的截面[16],但這樣設(shè)計增加了橋墩截面類型,不利于標(biāo)準(zhǔn)化施工。而橋梁支座除連接上下部結(jié)構(gòu)以外,其剛度調(diào)節(jié)作用亦不容忽視。為減少橋墩截面類型,可在高墩采用大剛度支座,矮墩采用小剛度支座。因此,山區(qū)橋墩設(shè)計應(yīng)使橋梁整體剛度協(xié)調(diào),可通過截面尺寸和支座的選用實現(xiàn)。

河道中設(shè)置橋墩,為減小地系梁阻水,將其埋入沖刷線以下。但這樣設(shè)計會導(dǎo)致橋墩周圍大范圍的基坑施工,若后期回填不密實,反而會加劇橋墩沖刷。因此,可將地系梁抬高至常水位線以上,并在樁基上設(shè)置永久性鋼護(hù)筒(見圖4)。既解決了地系梁阻水問題,降低了橋墩沖刷的程度,又解決了磨石撞擊樁基,導(dǎo)致樁基鋼筋外露的病害[17]。

泥石流主溝道中不可設(shè)置橋墩。泥石流溝道邊緣必須設(shè)置橋墩時,應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查,確保橋墩不會被滾石撞擊倒塌,確保橋梁在泥石流沖擊后不影響應(yīng)急使用。為此,可增大橋墩底部的配筋,增加橋墩抗沖擊能力,同時,在橋墩周圍設(shè)置鋼護(hù)筒或混凝土護(hù)筒(見圖5),以降低沖擊能量。

3.2 橋梁抗震設(shè)計要點

高速公路橋梁從數(shù)量來看,大部分為抗震規(guī)范規(guī)定的B類橋梁,要求其在E2地震下不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷,經(jīng)臨時搶修后可維持應(yīng)急交通使用。可通過支座減隔震設(shè)計或橋墩塑性設(shè)計滿足上述要求。橋墩塑性設(shè)計通過墩身塑性鉸區(qū)域損傷耗散能量,而地震后山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),機(jī)械到達(dá)橋位處進(jìn)行橋墩修復(fù)存在困難,不建議山區(qū)橋梁采用此種設(shè)計方法。采用支座減震設(shè)計的橋梁在地震損傷支座后,不一定影響應(yīng)急使用;若需修復(fù)支座,可通過橋面到達(dá)梁底位置,應(yīng)急修復(fù)受地震的影響較小[18-19]。

3.3 橋位開挖設(shè)計要點

坡面開挖的總體原則是減少擾動。位于坡面的橋墩施工時,為提供施工平臺,不可避免的需進(jìn)行坡面開挖,但設(shè)計應(yīng)盡量減少開挖范圍,降低對坡面的擾動。宜適當(dāng)提高承臺、系梁或樁頂標(biāo)高。必要時可將左右橋墩依據(jù)地形不等高設(shè)置(見圖6),以減小開挖。

同時,土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性較差,陡坡橋墩樁基臨空面當(dāng)覆土深度較小時,其提供的地基承載力具有不確定性。因此,對于斜坡地段,樁底距斜坡地面線的水平距離不小于30 m;對于陡崖地段,樁底距陡崖穩(wěn)定邊坡的水平距離不小于20 m(見圖7)。

4 結(jié)論

本文分析了山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計的特點,系統(tǒng)性提出如下設(shè)計要點:

1)為降低施工難度、節(jié)省投資,山區(qū)橋梁設(shè)計應(yīng)優(yōu)先選擇預(yù)制中小跨徑上部結(jié)構(gòu)。

2)地質(zhì)災(zāi)害點橋梁應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行線位繞避,不可繞避時需通過增大跨徑等措施降低地質(zhì)災(zāi)害對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

3)泥石流主溝道不可設(shè)置橋墩,溝道邊緣橋墩需設(shè)計防撞擊措施;河道中橋墩為減小阻水,可抬高地系梁。

4)為便于震后應(yīng)急修復(fù),山區(qū)橋梁抗震優(yōu)先選擇支座減隔震設(shè)計。

5)陡坡橋墩應(yīng)減小開挖對坡面擾動,樁基距坡面應(yīng)設(shè)置安全距離以使地基承載力充分發(fā)揮。