地形复杂山区桥梁总体设计要点分析

胡晓斌

(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司,甘肃 兰州 730010)

0 引言

当前,随着我国公路路网的完善,平原等人口密集地区公路建设已基本结束,高速公路的建设重点转向山区等地形复杂地区。学者们已就山区桥梁设计作了一些研究。雷春煦[1]以G0611川汶高速为背景介绍了山区桥梁的选型;刘俊学等[2-9]从抗震角度提出山区常规桥梁应采用多跨连续梁结构,并设置防落链等抗震措施。刘容[10]在分析山区建设条件的基础上提出桥梁设计应多采用装配式结构、桥梁下部结构形式及基础应与地形匹配。上述研究多针对山区桥梁设计的某一方面问题,缺乏系统性阐述。因此,在分析山区桥梁设计特点的基础上,提出了针对该问题的系统性方法。

1 山区桥梁特点分析

山区地形起伏较大,陡坡深谷较多,导致桥梁布设时墩高与跨径的一般性比例难以满足;同时,山区桥梁面临的泥石流、滑坡、崩塌等地质灾害也较为常见,桥梁选型及布设受到的限制因素较多;山区交通条件较差,材料及施工机械运输存在困难,桥梁施工方法受限。

1.1 地形特点

山区地面高差大,坡面陡直,导致斜、弯、坡桥多、高墩多;对于甘肃省中部山区,40 m跨径桥梁超过60 m的高墩较为常见,局部墩高超80 m。同时,地形陡峭,大型施工机械难以进场,如果需要进场,会导致大面积开挖,可能扰动坡面,产生滑塌、落石等危害公路运营的病害[11]。山区桥梁施工现场图见图1。

1.2 桥位冲刷及地质灾害

地形陡峭,山区河道河床比降大,计算冲刷深度与短时强降雨冲刷深度存在差异,导致部分中小跨径桥梁抗冲刷能力不足;库区由于水位的起落变化,往往导致边坡垮塌,既库岸再造,威胁桥梁结构安全。山区地质灾害频发,如泥石流、滑坡、山体崩塌、高位落石等,一旦发生,将严重威胁桥梁安全[12-14],见图2。

1.3 施工条件受限

山区桥梁施工条件受限,特别是位于深山峡谷地形,施工需修筑较长的便道,材料运输成本高;另外,受地形影响施工便道普遍指标较低,运输安全风险高。比较狭窄的地区,施工场地布置困难,大型机械难以展开[15]。

2 山区桥梁设计总体思路

山区桥梁设计应重视桥梁结构与地形的相互关系,应着重注意线位、桥型对地形契合性。对于滑坡、泥石流等地质灾害点应尽量远离,或进行可靠的工程处置。

2.1 桥跨、桥型选择

山区布线受控因素较多,中小跨径桥梁布设一般服从路线整体线位。由于山区运输条件差,施工条件受限,同时为控制造价,桥型优先选择可以在临近路基预制的50 m跨径以下预制装配式结构,如小箱梁、T梁等。但在穿越中大型滑坡、泥石流等地质灾害区,线位绕避困难时,也可根据地形灵活选用大跨径结构。

2.2 桥位地质灾害应对措施

滑坡、崩塌等地质灾害,应视其危害程度区别对待。对于小型地质灾害,可采用清理坡面、抗滑桩等工程措施处置的,可在处置后设置中小跨径桥梁,且地质灾害区段采用简支结构跨越(简支结构可在地质灾害发生后降低桥梁整体损害程度)。对于危害程度较大或采用工程措施处置困难的地质灾害,优先采用线位绕避的方案,当线位受限时,也应尽可能的使桥位距离地质灾害点的距离增大。

譬如,某山区桥梁受隧道洞门位置控制,线位必须从山前通过,但坡面堆积体厚度大、范围广、坡面破碎,存在发生滑坡的可能。若采用中小跨径桥梁,则必然需在滑坡体前方设置桥墩,威胁桥梁安全。考虑地形条件,选用大跨径连续刚构桥型,使桥墩避开滑坡体范围,降低地质灾害对结构安全的影响(见图3)。

3 山区桥梁设计要点

3.1 下部结构设计要点

由于地形起伏,山区桥梁墩高差距较大,相同截面下,高墩刚度较小,矮墩则较大,桥梁整体刚度变化较大,不利于结构受力。为使桥墩刚度协调,通常矮墩取用较小截面,高墩采用较大的截面[16],但这样设计增加了桥墩截面类型,不利于标准化施工。而桥梁支座除连接上下部结构以外,其刚度调节作用亦不容忽视。为减少桥墩截面类型,可在高墩采用大刚度支座,矮墩采用小刚度支座。因此,山区桥墩设计应使桥梁整体刚度协调,可通过截面尺寸和支座的选用实现。

河道中设置桥墩,为减小地系梁阻水,将其埋入冲刷线以下。但这样设计会导致桥墩周围大范围的基坑施工,若后期回填不密实,反而会加剧桥墩冲刷。因此,可将地系梁抬高至常水位线以上,并在桩基上设置永久性钢护筒(见图4)。既解决了地系梁阻水问题,降低了桥墩冲刷的程度,又解决了磨石撞击桩基,导致桩基钢筋外露的病害[17]。

泥石流主沟道中不可设置桥墩。泥石流沟道边缘必须设置桥墩时,应进行详细调查,确保桥墩不会被滚石撞击倒塌,确保桥梁在泥石流冲击后不影响应急使用。为此,可增大桥墩底部的配筋,增加桥墩抗冲击能力,同时,在桥墩周围设置钢护筒或混凝土护筒(见图5),以降低冲击能量。

3.2 桥梁抗震设计要点

高速公路桥梁从数量来看,大部分为抗震规范规定的B类桥梁,要求其在E2地震下不致倒塌或产生严重损伤,经临时抢修后可维持应急交通使用。可通过支座减隔震设计或桥墩塑性设计满足上述要求。桥墩塑性设计通过墩身塑性铰区域损伤耗散能量,而地震后山区地质灾害频发,机械到达桥位处进行桥墩修复存在困难,不建议山区桥梁采用此种设计方法。采用支座减震设计的桥梁在地震损伤支座后,不一定影响应急使用;若需修复支座,可通过桥面到达梁底位置,应急修复受地震的影响较小[18-19]。

3.3 桥位开挖设计要点

坡面开挖的总体原则是减少扰动。位于坡面的桥墩施工时,为提供施工平台,不可避免的需进行坡面开挖,但设计应尽量减少开挖范围,降低对坡面的扰动。宜适当提高承台、系梁或桩顶标高。必要时可将左右桥墩依据地形不等高设置(见图6),以减小开挖。

同时,土质边坡稳定性较差,陡坡桥墩桩基临空面当覆土深度较小时,其提供的地基承载力具有不确定性。因此,对于斜坡地段,桩底距斜坡地面线的水平距离不小于30 m;对于陡崖地段,桩底距陡崖稳定边坡的水平距离不小于20 m(见图7)。

4 结论

本文分析了山区高速公路桥梁设计的特点,系统性提出如下设计要点:

1)为降低施工难度、节省投资,山区桥梁设计应优先选择预制中小跨径上部结构。

2)地质灾害点桥梁应优先进行线位绕避,不可绕避时需通过增大跨径等措施降低地质灾害对桥梁结构的影响。

3)泥石流主沟道不可设置桥墩,沟道边缘桥墩需设计防撞击措施;河道中桥墩为减小阻水,可抬高地系梁。

4)为便于震后应急修复,山区桥梁抗震优先选择支座减隔震设计。

5)陡坡桥墩应减小开挖对坡面扰动,桩基距坡面应设置安全距离以使地基承载力充分发挥。