黃河峽谷區橋梁動態設計方法研究

□文/蘇 航 熊 剛

1 工程概況

黃河晉陜大峽谷位于內蒙古、陜西、山西三省的交界處，北起內蒙古托克托，南至河津禹門口，全長超過700 km。峽谷深切于黃土高原之間，谷深可達數百米，沿岸懸崖絕壁，黃河奔涌其中。見圖1。

圖1 黃河晉陜大峽谷區

該地區地貌屬基巖溝壑地貌，兩側溝谷多成“V”字形，斜坡陡峭，地形起伏。峽谷區巖石風化強烈，巖體破碎裸露。出露第四系全新統-上更新統沖洪積層，巖性主要為風積黃土、粉質黏土。下伏三疊系中統二馬營組巖層，巖性主要為強-中風化砂巖，中風化泥質砂巖。

針對本項目沿線地形復雜，橋梁密度、規模大，交通條件不便的特點，設計必須要處理好橋梁布設與眾多影響因素之間的關系。結合現場實際施工情況，提出采用“動態設計”的方法，及時完善和變更設計。

2 設計原則

2.1 橋臺位置選擇與橋長控制

橋臺多位于沖溝溝壁陡坡上方，確定合理的橋梁長度，對結構的安全意義重大。沿線巖層垂直節理發育，風化情況較為嚴重，易發生崩塌等地質災害；為保證橋梁安全，橋長遵循“寧長勿短”的設計理念，原則上一跨或者增大跨徑跨越沖溝陡坡并且橋臺臨坡面長度按≮5 m控制。

受地形條件限制，一般鉆孔樁機械設備進場困難，開挖施工便道代價較高；鑒于本項目較好的巖質條件，人工挖孔樁相對鉆孔樁更為經濟、簡單，節省工期[1]；因此全線除部分過河段樁基采用鉆孔灌注樁外，大多數樁基采用人工挖孔樁，但在陡坡位置進行人工挖孔樁作業是非常危險的，“寧長勿短”的橋長設計原則為橋梁跨越陡坡時橋臺的穩定提供了保障，也為挖孔樁的施工作業預留了足夠的安全距離。

2.2 跨徑及梁型的選擇

2.2.1 跨徑

橋孔布置主要從墩高、橋長、水流方向及工程地質等方面統一考慮。沿黃公路黃河晉陜大峽谷段沖溝下切較深，路線設計高程相對較大，勢必會出現大量墩高較大的橋梁。為達到經濟合理的要求，橋跨的選擇應與墩柱高度協調統一。依照橋梁美學的原則，橋跨比一般在0.618～1[2]。

本項目橋梁孔徑的設計原則：墩柱高度H（含蓋梁高度）＜15 m 時，優先選用20 m 及20 m 以下跨徑；H介于 15～30 m 之間時，優先選用 30 m 跨徑；H介于30～40 m 之間時，優先選用40 m 跨徑；H＞40 m 時，優先選用50 m 跨徑。但黃河晉陜大峽谷區地形復雜多變，不宜根據墩高頻繁變換跨徑，距離較近的橋梁考慮到施工預制方便，以總體經濟為原則，盡量采用同一跨徑。若墩高差異非常明顯，可組合選用相近跨徑。另外，如施工現場遇到不穩定斜坡，應盡量避免擾動原狀土體并在合理范圍內修改孔徑，以跨越不穩定區域[3]。

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2.2.2 梁型

盡量采用施工簡便、經濟合理的預制裝配式結構。根據跨徑大小及現場地形條件：跨徑＜20 m 的，采用空心板梁；跨徑介于20～40 m 的，采用小箱梁；跨徑＞40 m時，采用T梁。

2.3 墩柱和樁基的選擇

2.3.1 墩柱

墩柱主要考慮適合項目特點的圓柱墩和薄壁空心墩。墩高較小時，設計一般由強度控制，普通圓柱墩施工質量容易控制且對場地條件要求較小，應優先選用；但當墩高較大時，設計還應根據長細比，考慮穩定性問題。本項目規定墩高＜40 m 時，采用圓柱墩；墩高＞40 m 時，采用薄壁空心墩，墩頂按墩梁固結方式設計，以減小墩頂位移和防止落梁[4]。

2.3.2 樁基

黃河晉陜大峽谷地區巖層主要為砂巖和泥巖，大部分地段黃土覆蓋層較薄甚至基巖裸露。樁基以嵌巖樁為主，個別黃土覆蓋層較厚及卵石土夾層地段采用摩擦樁。

1）嵌巖樁。陡坡位置巖層變化較為顯著，樁基剛進入中風化層的段落，前緣土體薄弱，起不到嵌巖樁的作用。為確保樁基嵌巖效果，擬定有效嵌入深度從距中風化巖層邊緣≮2d（d為樁基直徑）的位置算起；同時為控制樁基沉降量及樁頂位移值并考慮施工誤差的影響，規定嵌巖樁嵌入中風化巖層的有效長度≮2.5d且最小樁長≮10 m。見圖2。

圖2 樁基嵌巖有效長度

2）摩擦樁。根據地勘資料，本項目黃土覆蓋層較厚的地段，黃土具有濕陷性，樁長計算過程中需考慮一定長度的土層負摩阻的影響[5]。另外為減少開挖而產生的高樁承臺，其填土部分的樁基也需要計入負摩阻的影響。

3 動態設計方法

3.1 傍山橋墩

沿黃公路緊鄰黃河布線，沿線大部分橋墩為傍山橋墩，橋梁內外側墩高和樁長差異明顯，一般設計原則無法滿足要求，橋梁下部結構需要逐墩設計[6]。但受限于復雜的地形，很多橋位前期勘察設備根本無法進場，未能進行逐墩勘察鉆孔，施工圖采用的地質調繪手段與實際地質條件通常會有一定誤差。這就需要施工便道打通后，及時勘察補鉆；若地勘結果與施工圖不符，及時變更墩高和樁長。

3.2 地形發生改變時

受場地條件制約，施工中不可避免會對現場的原始地形進行改造，此時樁頂系梁位置需按照原始地形并結合現場情況確定。通過調整樁頂系梁高程，使下部結構設計更為合理地適應現場地形。

本著減少對施工現場重復開挖的原則，現場地形發生較大變化的橋梁樁位處難免會出現高樁承臺；為防止流水沖刷樁基，需要將高樁承臺填土范圍內的樁基及時增加防護設計，見圖3。

圖3 高樁承臺防護

3.3 受施工誤差影響

在如此復雜的地形條件下，施工難免會因施工機具、工人技術水平等因素影響而產生一些偏差。本工程K217+364.000～K217+485.000 段路基開挖至基巖后，由于施工爆破誤差和巖石節理發育的雙重原因導致巖體開裂，巖石路基寬度不能滿足原設計路基寬度要求。路基左邊線下（圖4 中白灰線）位于裂縫外邊緣，裂縫寬度1.6 m，裂縫深度8～10 m。路基寬度約為7.6～9.2 m。

圖4 施工原因導致的巖體開裂

需要處理路基的長度達到了120 m 以上，若調整線位，挖方量太大，對環境也很不友好?？傮w設計思路是“路改橋”，即用橋梁來代替原路基，巖石路基上澆筑10 m寬度（路基設計寬度）的混凝土板梁，其中混凝土板梁部分懸挑在路基以外。為保證道路路面高程不變，在混凝土板梁底與現狀路床之間需澆筑C20 片石混凝土墊層。

設計以經濟適用為原則，依據巖石路基的寬度，要求巖石基礎寬度應大于混凝土板板底寬度且懸崖外邊緣超出混凝土板板底外邊線距離≮0.5 m。變更設計根據現場實測路基寬度大小，采用60、100、120 cm 三種不同高度的混凝土板梁；其中60 cm 高混凝土板梁懸臂長度1.5 m，100、120 cm 混凝土板梁懸臂長度3.0 m。見圖5。

圖5 混凝土板梁橫斷面

該設計滿足大部分路段要求，但在樁號K217+450.000～K217+453.000 處有一豁口，導致局部約3 m范圍內不滿足要求，設計將該范圍內板梁增厚20 cm。

由于“路改橋”方案需要在混凝土板梁底范圍內設置錨桿，因此在澆筑墊層前應先將巖石中的錨桿施工，使錨桿與基巖連成整體。錨桿采用φ22 mm 鋼筋，縱橫向間距1 m，采用梅花形布置，錨桿錨固長度≮1 m。

根據現場實測地形采用了“路改橋”的變更方案，既是場地條件發生變化時的一種補救措施，也是“動態設計”方法對現場情況的實時響應。

4 結語

在遵循一般山區公路橋梁設計基本原則的基礎上，文章針對沿黃公路宜川段黃河峽谷區這一特殊地形地貌條件下的橋梁設計項目提出了適合該項目的“動態設計”理念，從而解決了傍山橋墩逐墩設計，現場條件變化時的響應變更等關鍵技術問題，確保了設計既能夠滿足安全性和穩定性的要求，又能取得較好地經濟和社會效益。