山區高速公路跨深V峽谷橋型方案研究

蘇小波 孫軍舉 楊 娟

(招商局重慶交通科研設計院有限公司 重慶 400067)

據不完全統計，截止2018年底，我國公路里程已達18萬km，其中相當一部分位于西部和西南山區之間。與平原地區相比，山區高速公路橋梁具有地形地質條件復雜、施工場地狹小、運輸條件困難、單位造價較高、檢修維護難度大等特點[1-2]。尤其是山區跨深V峽谷的特大橋梁，往往是全線的控制性工程，其建設成本高、技術難度較大、建設周期較長，社會關注度也高。如何根據橋位處的既有條件選擇經濟合理、施工便捷、運維成本低的橋梁，是橋梁設計師應該認真思考、慎重決策的問題。

橋梁結構按受力特點可分為梁、拱、斜拉和懸索四大體系；按材料類別又可分為混凝土、鋼結構和組合結構三大類，其每種類型的經濟跨徑、建設成本、施工難度及適用條件均不相同，在一定的條件下，上述橋型的適用范圍還存在重疊區間[3]。因此，需對不同的可行方案進行深入比選，確定適合項目的最優方案。國內一些學者先后提出了層次分析理論、灰色關聯理論等理論模型[4]，歸納起來，其評價指標體系大體可均分為經濟性、技術性及社會性三大類[5]。基于上述思想，本文擬研究某深V峽谷橋型方案，以供同類工程參考。

1 項目概況

某高速公路特大橋，位于西部山區，跨越深V峽谷，橋梁全長約510 m，兩端橋臺接隧道。橋址區屬中高山構造剝蝕地貌，河谷形態呈不對稱“V”字形峽谷，切割較深，河床寬約20 m，水深1 m，河床底部堆積碎石及卵石，兩岸為基巖山坡，植被發育。

河谷右岸坡度52°～55°，相對高差400～600 m，坡面植被發育，坡形較完整，近坡腳處為鄉村級公路；河谷左岸為切向折線型坡，下陡上緩，坡度37°～63°，基巖強度高、完整性較好，淺部灰巖有強風化現象。橋址處地形地貌及地質條件見圖1。

圖1 橋址處地形地貌及地質條件(單位：m)

前期調查資料顯示，影響該橋址處橋梁建設的主要因素有以下幾點。

1) 邊坡陡峭，橋墩施工難度大。河谷左、右兩岸最大坡度分別為63°和55°，在陡坡上施工，會導致施工便道、基礎及承臺施工時邊坡的大開挖，且河谷右岸存在灰巖強風化層，橋墩的豎向荷載對下部邊坡形成豎向加載，不利于邊坡的整體穩定性。

2) 施工場地狹小，運輸條件困難。橋址處河床寬約20 m，且平面位于河道拐彎處附近，無大型平整場地可利用；沿線道路最窄處寬僅約4.5 m，最小轉彎半徑約為20 m，對大型構件的運輸、堆放均有不利影響；橋址處除了河谷右岸的鄉村公路外，無其他道路可利用，現場地形條件對施工便道的修筑極為不利。

3) 橋面距離谷底高差大、施工風險高。橋面距離谷底最大高度約為300 m，對高空吊裝、安裝等作業均有較高要求。

4) 存在卸荷裂隙，邊坡整體穩定性不足。據調查，在河谷右岸，存在灰巖強風化卸荷裂隙帶，厚度約為10 m，現狀基本穩定，但岸坡的開挖、加載等作用將對邊坡整體穩定性產生不利影響。

2 橋型方案

針對上述影響因素，考慮到各橋型方案對跨徑的適應性，梁、拱、斜拉及懸索這4種橋型方案在本橋位處均具有可行性。以下從橋型特點、施工難度、工程經濟及景觀效果等方面，對上述4種橋型方案開展比選。

2.1 梁橋

在4大類橋型方案中，梁橋方案是最為經濟的橋型，同時，因其造型簡潔、施工技術成熟，與地形適應性強而被廣泛采用。尤其在地形、地質條件相對較好，跨徑相對不大的情況下，連續剛構梁橋方案往往具備較強的競爭力。表1為近年來我國梁橋建成的大跨度PC(預應力鋼筋混凝土)連續剛構梁橋情況，除北盤江大橋采用的是空腹式連續剛構梁橋方案外，其余均為常規變截面PC剛構梁橋，且排在前10的跨徑均超過了240 m，最大跨徑達到了270 m(北盤江大橋除外)。

表1 我國大跨度PC連續剛構梁橋一覽表

上述連續剛構梁橋大多建于2000年前后(北盤江特大橋除外)，事實上，由于早期的設計理論及設計工程經驗不足，部分連續剛構橋在運營一段時間之后均出現了不同程度的跨中下撓、腹板斜裂縫等病害[6]；基于既有的工程經驗，在無特殊情況下，常規連續剛構橋跨度以不超過200 m為宜已成為當前設計的主流思想。

結合地形、地質條件，在本橋位處采用連續剛構方案尚需考慮以下主要影響因素。

1) 橋面高度較高，在合理的邊中跨比范圍內，邊跨跨徑盡量采用較小值。如此，現澆段便可利用墩旁托架實現，從而降低高支架的施工風險和成本。

2) 兩主墩墩高差異不宜過大，否則由于剛度不匹配，矮墩的內力將顯著增加。

3) 河谷右岸存在強風化卸荷裂隙，主墩基礎施工開挖，對上部邊坡整體穩定性不利，需要進行大規模邊坡治理；主墩豎向荷載對下部邊坡的穩定性亦有不利影響，需在下階段進行詳細分析，必要時采取樁基隔離或邊坡加固措施。

4) 墩高和跨徑應相匹配，做到受力合理、結構經濟。

5) 兩側主墩均位于半山腰處，承臺距離隧道洞口和谷底高差均在140 m左右，施工便道修建難度較高、規模較大。

基于上述思考，主橋采用105 m+200 m+105 m混凝土連續剛構，邊中跨比0.525，主梁采用單箱單室箱形截面，根部梁高14 m，跨中梁高4.5 m，箱梁高度按1.8次拋物線變化；主墩為空心薄壁墩，河谷左、右兩岸墩高分別約132 m和113 m，群樁基礎；引橋采用30 m預制T梁，先簡支后連續；橋梁全長502 m，連續剛構方案橋型布置見圖2。

圖2 連續剛構方案橋型布置(單位：cm)

采用本方案將產生以下主要施工工作量，并對工程總造價產生較大影響。

1) 谷底鄉村道路距主墩承臺高差約140 m，施工便道平均縱坡按15%計，兩側施工便道合計約2 km。

2) 河谷右岸主墩以上邊坡處置合計挖方約9萬m3、護坡錨索質量140 t。

3) 為保證邊坡施工及高空吊裝過程中的運輸安全，需對既有鄉村道路改隧道，合計長度約800 m(下同，不再贅述)。

2.2 拱橋

常見的拱橋方案有勁性骨架鋼筋混凝土拱、鋼管混凝土拱、鋼箱拱，以及鋼桁架拱。由于鋼筋混凝土拱存在工序復雜，鋼箱拱存在運輸及吊裝困難，鋼桁架拱造價高等缺點，在本橋位處均不適用。相比之下，鋼管混凝土拱橋由于其可采用“化整為零”的施工方法、兼具鋼拱圈即為混凝土模板、施工周期短、工程造價低、造型美觀、承載能力高等優點[7]，是適合本橋址處的拱橋方案。加之橋面距離谷底高，峽谷切割較深，采用上承式拱橋方案能減少主拱跨徑、降低工程規模、節約造價。表2[8]是我國建成的大跨度上承式鋼管混凝土拱橋一覽表，主拱跨度200～450 m不等，矢跨范圍1/4.5～1/6.5，主要分布在1/5左右。

表2 我國大跨度上承式鋼管混凝土拱橋一覽表

結合本橋位處的地形、地質特點，采用上承式鋼管混凝土拱橋還需考慮以下影響因素。

1) 拱座距離隧道洞口高程小于距坡腳鄉村道路高程，施工便道可采用從兩側隧道洞口往下展線，或者從隧道中間打穿橫洞，沿山腰展線至拱座處。

2) 河谷右岸拱座處于強風化卸荷裂隙處，拱座施工需在對其上坡面進行處治后方可進行。

3) 根據便道的運輸條件，拱圈必須拆分為小節段散件經公路運輸至橋位處，最長節段不宜超過15 m；現場還需搭設鋼結構拼裝、存放及吊裝平臺，需占用部分河道。

4) 橋面距谷底高差約300 m，纜索吊裝高度高，吊裝過程存在一定風險。

綜合上述因素，主橋采用上承式變高度鋼管混凝土拱橋，主拱圈計算跨徑330 m，矢高66 m，矢跨比1/5；拱肋采用桁架式，拱腳處桁高12.5 m，拱頂處桁高6.5 m。單片拱肋由4根直徑1.2 m，材質為Q345D的鋼管組成，標準節段壁厚25 mm，拱頂和拱腳節段壁厚34 mm，管內填充微膨脹C60混凝土。拱橋方案橋型布置見圖3。

圖3 鋼管混凝土拱橋方案橋型布置(單位：cm)

施工主要采用纜索吊裝方案，桿件采用散拼運輸，在橋位附近組拼方案。利用既有河灘和部分河道搭設型鋼拼裝平臺及吊裝平臺，利用纜索吊裝系統整節段起吊安裝。采用本方案將產生以下主要施工工作量。

1) 纜索吊裝系統1套，額定起吊重量1 500 kN，主纜跨徑約520 m。

2) 河谷右岸拱座以上邊坡處置合計挖方約5萬m3、護坡錨索質量70 t。

3) 鋼結構存放、拼裝及預拼場地占地面積約1萬m2，其中可利用既有河灘3 000 m2，需占用河道搭建鋼管平臺約7 000 m2。

2.3 懸索橋

懸索橋作為跨越能力最強的橋型，其主跨從幾百米到上千米均能適應，是山區大跨橋梁的一種常見橋型。在橋位處布置懸索橋方案，需考慮以下影響因素。

1) 橋址處運輸條件困難，主梁宜采用鋼桁梁散件運輸、工地現場拼裝的施工方式，這也是山區大跨度懸索橋常用的施工形式[9]。

2) 兩岸地形陡峭，除表面存在強風化帶外，基巖為中風化灰巖，強度高、完整性好，兩岸均考慮采用隧道錨。

3) 河谷右岸橋面以上坡度達到55°，主塔基礎施工難度大；進一步研究發現，將主纜懸鏈線延長后可與坡面相交，故可取消該側主塔，在主纜和巖面交接處設置轉索-散索復合式索鞍[10]，將主纜直接錨入基巖內，既能減少工程規模，節約投資，又減少大開挖造成的環境破壞。

綜上，懸索橋方案采用獨塔鋼桁梁結構，單跨懸吊簡支體系，橋面長度490 m，主纜跨徑545 m，矢高54.5 m，矢跨比1/10，采用高強度平行鋼絲索股；考慮山區運輸條件受限，主梁采用鋼桁梁，梁高8 m，節間長度7.5 m；吊桿間距15 m；河谷左側坡面相對平緩，采用鋼筋混凝土主塔，隧道式錨碇；河谷右岸取消主塔，采用隧道式錨碇方案以減少邊坡開挖規模，降低對環境的影響。懸索橋橋型見圖4。

圖4 懸索橋方案橋型布置(單位：cm)

采用本方案可避開兩岸陡坡基坑開挖及邊坡支護工作，主要考慮的臨時措施為大里程側洞門至錨碇處施工便道約400 m(按平均15%縱坡計)，以及主梁鋼構件存放、拼裝及起吊平臺約6 000 m2。

2.4 斜拉橋

研究地形不難發現，將主塔立于河谷左岸緩坡地帶，采用主跨跨越峽谷直接接隧道的獨塔斜拉橋方案，既能滿足斜拉橋的合理跨度及合理邊中跨比，也避免了強風化陡坡地帶的大規模開挖，是適應本橋位地形的合理斜拉橋方案。從而，主跨跨徑便可確定在300 m左右。有學者統計，對雙塔斜拉橋，跨徑在200～400 m時，采用混凝土主梁是最經濟的；400～500 m時，采用鋼-混凝土疊合梁最經濟；跨徑大于500 m時，宜采用鋼主梁。目前我國最大跨度的混凝土斜拉橋為主跨500 m的荊州長江大橋，本橋獨塔斜拉橋方案主跨跨徑略大于300 m，類比雙塔斜拉橋主跨跨徑將大于600 m，從技術和經濟上考慮更宜采用鋼箱梁，但基于運輸條件困難等原因，只能采用“化整為零”的施工方案，故在本橋位處更宜采用疊合梁方案。

基于上述分析，采用疊合梁獨塔斜拉橋方案，其主跨310 m，一跨直接跨越峽谷接隧道；為提高結構剛度，在河谷左岸設置1個輔助墩，邊跨跨徑為85 m+115 m。主梁采用鋼-混疊合π形梁，兩側縱肋采用箱形斷面；采用預制平行鋼絲斜拉索、拉索在主梁上標準間距12 m，密索區間距6 m；橋面為預制C40混凝土橋面板，與鋼梁采用栓釘連接。斜拉橋方案橋型布置見圖5。

圖5 疊合梁獨塔斜拉橋方案橋型布置(單位：cm)

采用本方案可避開河谷右岸陡坡基坑開挖及邊坡支護工作，主要考慮的臨時措施為小里程側洞門至主墩處施工便道約1 km(按平均15%縱坡計)，以及主梁鋼構件存放、拼裝及起吊平臺約6 000 m2。

3 橋型方案比選

以上4種橋型方案各有優缺點，其中梁橋方案最為經濟、拱橋線型優美、斜拉和懸索橋對環境影響程度最小。為便于比較，將4種方案的優缺點匯總，結果見表3。

表3 4種橋型方案比選明細表

續表3

由表3可知，4種方案在施工工期上均無顯著差異，梁橋方案雖然造價最優，但缺點也很顯著：大范圍的邊坡治理及便道施工對環境破壞嚴重；更為重要的是主墩豎向荷載對邊坡下部強風化帶的整體穩定性的不利影響始終存在，故不作為推薦方案；主塔斜拉橋和懸索橋均避開了卸荷裂隙帶的影響，但造價過高，且后期養護費用也較高；鋼管混凝土拱橋方案雖存在一定規模的邊坡治理及占用河道等缺點，但由于其造價適中，施工工藝成熟，與周邊環境適應性好、造型優美，經綜合比較，作為推薦方案橋型。

4 結語

山區高速公路橋梁由于受地形地貌、地質條件、運輸條件等因素的制約，在橋型方案選擇時，要比平原地區橋梁更注重具體可實施性的研究，而不應僅僅局限于結構受力和經濟合理性考量。本文以某山區高速公路跨深V峽谷特大橋為工程背景，進行了多種橋型方案比選，得到以下主要建議。

1) 由于不具備良好的運輸條件，山區高速公路橋梁往往只能采用“化整為零”的施工方法。對于工廠預制構件，節段尺寸的設計應滿足沿線運輸能力的需求，故一般情況下，主梁采用疊合梁、鋼桁梁方案較鋼箱梁方案更合理。

2) 由于場地狹小、地形陡峭等原因，山區高速公路橋梁施工措施費用占建安費比重較高，在橋型方案的比選中，必須對可能產生的措施費用仔細評估，才能做到客觀真實，科學有據。

3) 地形、地質條件復雜是山區高速公路橋梁面臨的普遍難題，橋型方案的設計不僅要研究主體結構自身的受力特點，基坑開挖產生的臨時邊坡、由于施工擾動產生的永久邊坡的穩定性評價也是需要重點考慮的因素之一，需要各專業相互配合，協同工作。

4) 在某些條件下，合理選擇橋型方案，可以將不利于常規方案施工和受力的復雜地形條件轉化為對結構有利的控制因素(如方案3)，是山區高速公路橋梁有別于平原地區橋梁的一個顯著特點。

5) 山區高速公路橋梁養護、維修難度較大，成本較高，橋型方案的比選應充分考慮全壽命周期的管養因素，而不僅僅局限于項目的建設成本。