山區高速公路橋梁設計關鍵技術淺析

山區高速公路橋梁設計關鍵技術淺析

張鯤1王力2

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司合肥230031；2.南京東道路橋工程技術咨詢有限公司南京210019)

摘要山區地形地質情況復雜，巖堆體的穩定性成為山區橋梁建設最大的不確定性風險源和頭等工程技術難題。文中結合G85渝昆高速麻柳灣至昭通段高速公路橋梁設計項目，提出跨越巖堆體時，采用裝配式預應力混凝土T梁并減小橋墩承臺、系梁埋深等優化意見以提高橋梁穩定性，并總結了山區橋梁設計關鍵技術。

關鍵詞麻昭高速山區橋梁巖堆體防磨蝕

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.014

收稿日期：2015-02-26

隨著西部大開發戰略的深入實施，我國在山區高速公路上修建橋梁的需求量逐步增加。然而山區地形復雜，滑坡、巖堆體等不利地質條件，水流沖刷及漂浮物撞擊等因素一直是山區橋梁設計亟需解決的難題。

麻柳灣至昭通段高速公路是國家高速公路網規劃中南北縱線G85重慶-昆明高速公路中的一段，是我國高速公路主骨架的重要組成部分，也是云南省南北高速公路大通道的一段。結合麻昭高速公路橋梁設計項目，對山區橋梁設計關鍵技術進行總結。

1橋梁結構形式

1.1　橋梁上部結構形式

山區高速公路中橋梁所占的比重較大，但一般情況下，特殊的大跨徑橋梁相比較是少數。因此，對于數量眾多的常見跨徑橋梁，其設計原則就是盡量采用施工方便、造價經濟的標準化、預制裝配化結構。常用的大、中橋標準跨徑有16，20，25，30，35，40，50m，常用的中、小橋標準跨徑有6，8，l0，13，16m。橋梁橫斷面形式主要有預制空心板、T梁、小箱梁等。一般情況，對于跨徑小于30m的橋梁空心板、預制T梁、預制箱梁等結構形式均可以采用，對于跨徑35，40，50m的橋梁，根據梁的受力特點，更宜采用T梁或小箱梁。山區高速公路平面半徑較小，超高緩和路段不可避免會出現在橋梁上，若采用小箱梁結構，施工時一片梁4個支點不易調平，易造成支座脫空、受力不均勻，所以山區高速公路橋梁上部結構宜優先采用T梁。

從造價上講，20m跨徑以下，用空心板截面的橋梁造價相對較經濟，且空心板的建筑高度最低，對于較小跨徑且橋梁凈空不高時，空心板截面最適宜。從受力上講，對于較大跨徑如40，50m的橋梁，用T梁截面則更好。

對于50m跨徑T梁，在小半徑平曲線上，由于內外梁梁長差較大，跨中矢高較大，對路線的適應性要差一些。另外，山區高速公路交通運輸、場地預制條件均較差，大型機具進入困難，50mT梁單片重150多t，架設設備要求較高，運輸及安裝過程中變形不易控制，因此一般情況下不選用50m跨徑T梁[1]。

麻昭高速公路全線跨徑均在20m以上，該項目常規橋梁均采用裝配式預制T梁結構。

1.2　橋梁下部結構形式

對于山區公路橋梁，墩臺基礎形式主要有2類：鉆(挖)孔樁基礎(嵌巖樁或摩擦樁)和明挖擴大基礎。在做設計時，應根據具體地基條件來選擇基礎形式。一般來說，對于地質條件較好的橋位處，指巖層或地基持力層埋藏位置較淺，一般不大于5m，且基巖穩定，山體平緩，基礎邊緣距坡面有一定安全距離的情況下，首先選擇明挖擴大基礎。對于荷載較大，地基上部土層軟弱，適宜的地基持力層位置較深時，可考慮采用樁基礎[2]。

該項目具有地形復雜，山高坡陡,地質條件差，淺層以碎石土、塊石土為主，常伴滑坡、巖堆等不利地質條件；抗震等級高；跨山區河流橋墩易受到水流及漂浮物沖擊、沖刷大的特點。橋梁下部結構的選擇主要從以下幾個方面考慮。

(1) 由于擴大基礎基底易受水流沖刷掏蝕從而產生安全隱患，且地表土層以碎石土、卵石為主，基底抗滑性較差，表層土基底地基承載力差，所以橋梁基礎以樁基礎為主，基礎頂部埋入沖刷線以下。

(2) 該項目特大橋橋墩高度變化較大，最高橋墩達150m，由于橋梁存在抗震等級較高、地形起伏變化大、地表土層松散、山坡上多落石等特點，所以選擇橋墩時多選擇一些抗震性能好、防撞能力強且相對容易施工的橋墩，如樁柱式橋墩、矩形墩、Y形墩及空心墩，避免選擇一些抗震性能差、施工難度大的橋墩，如圬工橋墩、V形墩及花瓶式橋墩。對于樁柱式橋墩、矩形墩、Y形墩及空心墩具有以下特點。

①樁柱式橋墩構造簡單、受力明確、外形輕巧大方、混凝土體積少，橫橋向抗彎線剛度為(0.97～1.93)×106kN·m2/m，抗撞擊能力相對較差，一般適用于無漂浮物沖擊且墩高小于30 m的橋墩。

②矩形橋墩構造簡單、受力明確、混凝土體積相對較大，橫橋向抗彎剛度一般為(1.6～2.3)×107kN·m2/m，抗撞擊能力相對較強，阻水較小，一般適用于跨河且墩高不大于45 m的橋墩。

③Y形橋墩構造簡單、受力明確、混凝土體積相對較大，Y形墩薄壁是獨柱雙支座的一種墩型，美觀性較好，但施工稍顯復雜。當墩高較高時Y形薄壁墩施工只需一套模板，只需搭一個支架，對于地面橫坡較陡，搭支架困難，模板需求量大的山區橋梁，Y形薄壁墩具有顯著的優勢。一般適用于旱地且墩高不大于45m的橋墩。

④空心薄壁墩可以充分利用材料強度，比同尺寸實體橋墩可節省50%左右混凝土，橫橋向抗彎線剛度一般為(1.5～2.5)×107kN·m2/m；由于空心墩壁厚一般較小，故防撞、抗沖擊能力相對較差，為彌補這一缺陷，空心墩底部實心段可適當加厚。空心墩對于高橋墩性能優越，同時考慮空心墩內部模板施工條件，一般適用于墩高大于45m的橋墩。

(3) 對于跨河的長大橋梁，其結構形式、孔跨布置在考慮上述因素的同時，還要根據河(溝)性質綜合考慮；一般情況下，為減少河中落墩，跨重要河溝宜采用30m及以上較大跨徑，如大關河、灑漁河等。

(4) 盡可能減少橋梁結構形式和橋跨種類，以方便施工。

2巖堆體段橋梁設置方案

麻柳灣至昭通段巖堆廣泛發育，且走廊帶唯一，受地形地質條件及路線縱坡控制，麻昭高速必須從巖堆體上通過。巖堆體上橋梁穩定性關系著項目建設成敗，而巖堆體組成的復雜性，致使巖堆穩定性為該項目最大的不確定性風險源和頭等工程技術難題。洗馬溪大橋全橋從巖堆體現狀上通過，巖堆穩定關系橋梁建設安全。以洗馬溪大橋為例，介紹巖堆體段橋梁設計方案。

2.1　洗馬溪大橋橋址處穩定性分析

擬建的洗馬溪大橋位于昭通市大關縣悅樂鎮房村，與路線正交，左線中心樁號為ZK8+994，跨徑為23×30m，右線中心樁號為K9+094，跨徑為11×30m，上部結構為裝配式先簡支后連續預應力混凝土T梁；下部結構采用圓柱墩、空心薄壁墩、肋板臺，樁基礎。

洗馬溪大橋橋位區地層分布復雜，表層含碎石粉質粘土、碎石土、塊石土交錯分布，局部呈透鏡狀，下部基巖面起伏變化大，巖堆體最大厚度大于60mm。塊碎石土呈中密～密實狀，粒徑大于20mm的顆粒含量為55%～70%，母巖成分主要為強風化砂巖、泥質灰巖、瘤狀灰巖，粒徑20～60mm，呈棱角狀、次棱角狀，角礫、泥砂質充填，顆粒級配一般。塊石土中含大量孤石。

根據穩定性計算結果及定性評價分析，ZK9+150橋位區巖堆體邊坡為土石堆積二元結構邊坡，為穩定～基本穩定段落，ZK9+150～ZK9+342段欠穩定，且橋梁位于斜坡體中部，滑動變形破壞范圍相對高差35m，面積7 000m，總方量估計5萬m3，工程危害性大。上部堆積層自然坡面達40°，接近于灰巖、泥灰巖塊石土最大休止角，可能上部排水順暢，以及大塊石的骨架作用，自然狀態下處于極限平衡狀態，若下部橋梁樁基開挖，特別是施工便道及作業平臺開挖切坡，可能誘發滑坡，特別是在橋梁建成后期運營當中，若連續降水、地震等不利條件下，一旦上部發生滑坡，可能危及橋梁樁柱安全，必須進行預加固處理[3]。

2.2　洗馬溪大橋巖堆處處理方案

(1) 抬高墩臺承臺、系梁高度。因巖堆內部結構松散，橋梁橋墩承臺、系梁設計時宜減小埋深，防止埋深過大，導致橋梁開挖時影響巖堆的穩定性。樁柱式橋墩，保證系梁施工不開挖，取消樁頂系梁，設柱底系梁，且保證樁頂位于同一高程，縱(橫)向地面線較低側樁基出露部分及地面以下2m樁基部分采用8mm厚鋼板包裹；對于Y形墩、空心薄壁墩等帶承臺橋墩，保證承臺施工不開挖，縱(橫)向地面線較低側樁基出露部分及地面以下2m部分采用8mm厚鋼板包裹。洗馬溪大橋ZK9+140～ZK9+342段中的橋墩采用上述方式進行處理。見圖1。

圖1　洗馬溪大橋巖堆處處理示意圖

(2) 橋梁下部設置觀測點。橋梁墩身預埋位移觀測檢測點以監控橋墩變形情況。洗馬溪大橋ZK8+900～ZK9+080段暴雨工況下橋墩處邊坡安全儲備較小，基坑開挖及下部施工時應做好實時監控。墩臺位移永久性監測點采用D16不銹鋼管制作，底部焊接與橋墩豎向主筋上，漏出橋墩面混凝土2cm，采用紅油漆標記。

(3) 橋梁施工建議。雨水下滲及開挖擾動對堆積體邊坡穩定性影響極大，施工便道、橋梁基礎施工應盡量減小對原有巖堆體的擾動，對于必要的開挖放坡應采取加固措施，對欠穩定巖堆體上橋梁樁基施工建議不能帶水施工，以確保巖堆邊坡的穩定。

(4) 截排水措施。沖溝鋪砌防護：對橋位區ZK8+960及ZK9+140處自然沖溝橋軸線上下游各50m范圍進行漿砌片石鋪砌防護，既可加速排水，又阻止進一步沖蝕下切，防止邊坡坍塌。橋上方環形截水溝：在ZK8+960～ZK9+342段橋梁上方斜坡50m范圍或坡度變化處設一道環形截水溝，將上部山體匯水引入自然沖溝，減小下滲及坡面沖刷。

(5) 加固措施。對ZK9+140～ZK9+342段欠穩定邊坡，采取一定預加固措施以提高自然邊坡穩定度。上部欠穩定區堆積體厚度不大，直接在自然坡面上用錨索框架加固，可同時加固深層滑動及坡面破壞，且分散布置，效果好。錨索框架設計間距3.4m×4.0m，設計每孔錨索拉力450kN，須在橋梁上方布置3排錨索框架，設計錨索長度23m，錨固段8m，錨于中風化基巖內。

2.3　橋墩防磨蝕技術

麻昭高速大關河1號、2號大橋為臨河路段，一側是破碎的山體，一側是湍急的大關河。大關河水流湍急，水流不僅能帶起泥沙，而且具有夾帶一定粒徑石頭的能力，砂石在水流的作用下不停地與橋墩樁基混凝土發生碰撞和摩擦，從而對橋梁樁基產生磨蝕作用[4-5]。

橋墩設計防磨蝕與石頭撞擊破壞的措施有：①增加橋墩磨蝕部位的混凝土保護層厚度，特別是迎水面混凝土保護層厚度，即在規范的基礎上，增加保護層厚度2～3cm；②增加樁基外套鋼護筒，外套鋼護筒厚度一般為5～8mm。在設計時，橋址處橋墩磨蝕較大且兩岸落石對橋墩撞擊破壞的威脅較大，考慮用外套鋼護筒。

3結論

(1) 山區高速公路橋梁宜采用施工便捷、造價經濟的裝配式預應力混凝土T梁。當墩高≤15m，在山區跨越山溝、山凹等，且無凈空限制時，宜選用20m連續T形梁橋；當墩高15m

(2) 山區橋梁跨越巖堆體時橋墩承臺、系梁設計時宜減小埋深，設置變形觀測點。根據巖堆體穩定性分析結果對欠穩定段采取有效的加固措施。

(3) 山區橋梁設計中，跨河段、滾石段，橋梁下部結構應采取一定的防護措施對橋梁進行保護。

參考文獻

[1]許璐.山區高速公路橋梁設計關鍵問題研究[D].西安:長安大學, 2009.

[2]程中明.山區高速公路橋梁設計新理念的探討[J].交通科技,2009(S1):121-124.

[3]王斌.京滬高速鐵路高架車站道岔區橋梁設計[J].交通科技,2010(2):38-40.

[4]李帥.跨河橋梁橋墩防磨蝕技術探討[J].中小企業管理與科技,2014(12):58-59.

[5]余艷霞.合肥南環高架站橋梁設計[J].交通科技,2011(2):57-60.