高等級公路橋頭跳車原理分析與預防措施

劉 秀，馮德成，曹一翔

(哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，哈爾濱 150090)

高等級公路修建，除了同低等級公路一樣，需建造一定數量的跨越河流的橋涵構造物，此外，為了控制出入車輛，免除側向干擾，還要設置相當數量的立體交叉，包括大型的橋跨結構物和通道涵，從而組成了復雜的結構物群。橋梁與路堤是兩種性質不同的結構物，盡管橋梁與路基大都是同時施工，但由于對基底作用不同，導致結構物本身變形出現差異，隨著時間的增長，橋梁構造物兩側與路堤填土銜接處將產生很大的沉降差。橋梁構造物的沉降很小，但是路基的沉降在很長一段時間內都將不斷增加。對一些已經竣工通車的高等級公路的橋頭路堤進行調查，這個差異沉降在路橋銜接處會形成幾厘米甚至十幾厘米的臺階。當車輛高速度通過時會產生顛簸跳躍，不但影響車輛行駛的舒適性，嚴重時還會造成車輛事故[1]，由于顛簸跳躍產生的沖擊力也將對橋梁構造物造成不利影響。

1 橋頭跳車產生的原因分析

目前國內修建的高等級公路中，橋涵、通道等構造物在公路里程中所占比例越來越大。如果構造物橋頭跳車現象嚴重，那通行能力勢必受到較大影響。表1是黑龍江省高等級公路橋頭跳車現象調查結果。由表1可見，公路上普遍存在橋頭沉降情況，而且沉降大體隨著建成時間的增長而增加。橋頭臺階原因的復雜，包括設計方面和施工方面的問題。但其根源就是橋梁構造物與兩側的臺背回填土的沉降差異造成的[2]。根據這一認識，分析橋頭臺階形成的具體原因有如下幾個方面。

表1 高等級公路橋頭跳車情況

1.1 橋頭地基的沉降

橋梁構造物多為跨越河流溝渠，其橋頭兩側地基軟弱，回填處天然地基承載力低，在高路堤重量的作用下，地基產生較大的沉降[3]。橋頭差異沉降主要是由路堤本身的塑性變形和地基的沉降所構成的，如果修建在軟土地基上，將產生更大的沉降。對某高速公路橋涵地基地質資料的統計分析可知，考慮行車荷載和路基路面結構自重的作用，路堤的沉降量約為2～4 cm，而路堤的壓縮變形僅占總沉降變形的11%，而地基的沉降變形約占89%，當地基軟弱時，地基沉降所占的比例還要更大一些。由此可見，橋頭路堤的沉降是以地基沉降為主的。根據理論計算，約有65%的結構物的地基在20 a內基本完成沉降，有35%的結構物超過了20 a，最大的達到了100 a[4]。路堤本身完成沉降量一般只需幾年時間。為減少工后沉降差異，設計上用一定長度的搭板，保證沉降差異的平順過渡。除此之外，還對橋頭地基進行處理，使之在一定范圍內形成復合地基的過渡段，保證橋頭路基基底沉降較小或不沉降的目的。

1.2 結構物剛度差異

橋頭沉降差異發生在橋涵結構物與路堤的銜接處，而橋涵結構物與路堤二者剛度差異很大[5]。橋涵是剛性結構物，基本上是不可壓縮的，橋涵結構物所產生的沉降是地基在其重量作用下的沉降。橋涵結構物是通過墩臺基礎將重量傳遞給地基的，高等級公路上橋涵構造物的基礎多為樁基礎，而樁基礎的沉降量非常小，所以橋涵結構物整體沉降也就非常小。道路結構物由路基和路面兩部分組成，屬于柔性結構物，即使對某些半剛性基層、剛性面層的道路來說，也只能認為是具有有限剛度，橋涵結構物與路基路面的剛度相比，根據計算，其值可達到100倍甚至更大，因此，在二者的銜接處就容易產生差異沉降。如果橋頭引道路堤基底未經處理，就會產生大的差異沉降。

1.3 橋頭路基的壓縮變形

在高等級公路設計中，對橋頭路堤填土的壓實度提出了較高的要求，公路路基設計規范對高等級公路路堤與橋臺連接處壓實度的要求不應小于96%，并注意填料強度、地基處理等綜合設計。臺背回填材料的壓實度問題，是造成沉降差異的主要原因。路基不可能完全壓實，在行車荷載和填料自重的作用下，會產生一定程度的壓縮變形，當橋頭路堤填土較高時，其變形量也較大。竣工后路基填土材料在荷載作用下還會發生變形，其所產生的次固結沉降可能達到總沉降的10%左右，這是造成竣工后沉降的重要原因。另外，回填材料的選擇也影響橋臺后路基沉降，在橋臺后一定范圍內應選擇強度較高、容易壓實、固結快、透水性好、后期壓縮變形小的材料，如級配良好的卵石土、碎石土、中粗砂等。這些材料透水性好、抗壓強度高、易壓實，且排水性能好，不易產生凍害。也有的地區常采用石灰土進行回填，石灰土強度高，使整個臺背形成板體結構，減少工后沉降。

1.4 設計施工的不完善

由于橋頭路堤的特殊性，在設計和施工時，應有特殊的考慮。但目前的路基設計填土材料多為與普通路段一樣采用細粒土，壓實度及其檢測標準也基本相同，沒有進行專門的設計。施工中，通常是在完成橋涵結構物以后再填筑兩端路堤，在橋涵兩端的作業段填土較高、土方量集中而施工面比較狹窄、工期緊迫，給施工帶來很多困難。由于臺背回填屬于路基施工中的隱蔽工程，如果施工控制不嚴格，容易造成壓實不足的問題。此外，臺后回填范圍較小，臺背處外形不規則，大型壓實機械的作業面狹小，這就不可避免地形成一定的壓實盲區。為解決此問題，應擴大橋頭回填范圍，保證大型機械設備能夠充分利用。根據不同的壓實機具，填筑的厚度應也不同，一般不應該大于15 cm，當選用小型壓實機具時應不超過10 cm，即薄層碾壓，保證回填材料的壓實度。

1.5 環境因素的影響

北方地區濕度、負溫度形成的冰凍對橋頭路堤的影響十分明顯。橋頭路堤處于兩種結構物結合部位，不論是采用柱式或肋板式橋臺以及相應的錐形護坡，還是輕型的薄壁橋臺，都使該處的路堤處于三面臨空的條件，在北方冰凍地區，冬季時就會產生一定數值的凍脹以及春季的融沉，這些也會加劇沉降的形成。橋頭錐形護坡受水沖刷而使路堤產生水平位移導致沉降；雨和雪水由伸縮縫經蓋梁流入錐體和臺背填土中造成沖刷等諸多原因，都會產生橋涵與引道路堤結合處的差異沉降，從而形成橋頭臺階。

2 橋頭跳車的防治措施

為減少路基在構造物兩側產生不均勻沉降，減輕跳車現象，提高車輛行駛的舒適性，應采用包括基底處理、填料選擇、施工壓實、排水處理等各種措施，并對橋臺和路堤進行整體設計。

2.1 臺背地基的處理

橋頭路堤的沉降主要是由地基產生的，而地基處理的目的就是要減小沉降量或加速其沉降的完成。解決橋頭跳車問題應重視橋頭地基加固處理，改善地基強度，提高地基承載力[7-10]。首先要徹底清淤，將橋頭所有含量超標準的土壤完全清除，直到符合強度要求為止，消滅填料地基隱患。處理時根據地基的狀態不同，采取的方法也應不一樣，可以采用擠密、排水、超載預壓、反壓護道等多種措施，以便獲得減小沉降和加速沉降完成的效果。其處理原則是在保證工程質量的前提下，因地制宜，比如軟土地基加固處理方法中粉噴樁、擠密樁獲得了較多的應用[6]。當地基土為淤泥質土、粉質土、粘質土時，可以在橋頭0～30 m范圍內采用水泥攪拌樁處理，先清除表層腐殖土、泥炭層(高壓縮性土質)后回填中粗砂，其上做水泥攪拌樁，然后再填筑30 cm中粗砂。水泥攪拌樁樁長穿越不良土層2～3 m，樁徑0.5 m，樁距1.5 m，采用梅花形布設，如圖1所示。實踐證明，水泥攪拌樁的應用可以取得減小沉降、加速固結的效果。

圖1 水泥攪拌樁處理橋頭路基布置圖

2.2 臺背路基的填筑

路堤是與橋涵結構物銜接的主體，同時又對地基加載。為了減小路堤本身沉降，可采用壓縮量小、透水性好的材料，如砂礫、碎石、碎石土等。如果采用非透水性土時，要在土中摻加石灰、水泥等，填料的最大粒徑不得超過5 cm。加強臺背回填碾壓，提高橋頭路基壓實度，使其不小于96%，在一定程度上能減少沉降差異量。在靠近橋臺邊緣，大型機械無法碾壓處，可使用小型沖擊夯或小型壓路機單獨壓實。這樣就使臺后各處都得到較好的碾壓，達到充分壓實。如圖2所示，從橋臺路基填筑地面5 m范圍內開始，縱向采用1∶1的坡度與路基銜接，按照一定寬度挖臺階，分層填筑，厚度不應大于15 cm，能有效的控制填筑路基的質量。鋪設土工織物也能加大路基整體強度而使其沉降減小[11-14]。

圖2 橋頭路基填筑方式

2.3 設置搭板或其它過渡措施

設置搭板，使形成臺階的差異沉降在一定距離內以坡度形式從路堤過渡到橋臺上，已在橋頭的設計中得到普遍采用。搭板一端放置在橋頭上，另一端設置在引道路堤的結構層上，當產生沉降差時，搭板將在橋頭和引導路堤間形成一個坡度，從而使車輛可以平順地在搭板上行駛，避免了在路堤銜接處的跳車。確定搭板截面尺寸的因素很多，主要為橋頭路堤容許工后沉降值、搭板的構造型式和臺后路堤的填土高度等。從受力角度分析，一塊搭板長一般不宜超過10 m。表2列出了主要根據橋頭路堤填土高度，以及橋梁跨徑的搭板的建議值。

表2 高等級公路搭板長度建議值

橋頭搭板是一端簡支在橋臺上，另一端擱置在橋頭引道路基或路面結構蹭上的鋼筋混凝土板，由于緊靠近橋臺的一段引道填土往往難以達到壓實標準和橋臺后排水不良的影響，會造成搭板下局部脫空。因此，設計和施工中應予以充分注意，采取相應措施，當測定評定板下有脫空時，應及時采用板下封堵措施，以便恢復地基的支撐，防止或減少水分的進入和浸濕。

3 防止橋頭跳車處理的工程實例

建三江至虎林高速公路位于三江平原腹地，沿線溝渠多，水系發達，為避免橋臺后出現不均勻沉降，解決橋頭跳車問題，采取了如下的處理方式。

橋涵兩側地基常年受水浸濕，多呈淤泥質土、粉質土、粘質土且厚度達到1～3 m，設計時對于橋頭路基地基，按照大中橋臺后0～20 m、小橋和明涵臺后0～15 m范圍內采用水泥攪拌樁處理，先清除表層腐殖土、泥炭層(高壓縮性土質)后回填中粗砂，其上做水泥攪拌樁，然后再填筑30 cm中粗砂。水泥攪拌樁樁長穿越不良土層2～3 m，樁徑0.5 m，樁距1.5 m。

橋頭路堤填筑材料，采取分層填筑風化碎石、風化砂及中粗砂的處理措施，每層壓實厚度不大于15 cm，并達到96%的設計壓實度要求，風化碎石最大粒徑不應大于5 cm。橋頭路堤填筑范圍，按照橋及明涵底面填筑長度采用5 m，縱向采用1∶1的坡度與路基銜接；暗涵填筑高度為涵洞頂面標高，底面填筑長度采用3 m，縱向采用1∶1的坡度與路基銜接。為保證換填材料的穩定，沿路基縱向做成階梯形。搭板按照表2進行結構設計，同時要求搭板下結構層采用與路面基層相同材料填筑，避免搭板脫空現象。

建虎高速自2011年竣工通車兩年來，橋頭兩側路基穩定平順，行車順暢，橋頭路基工后沉降滿足規范要求

4 結束語

(1)橋頭差異沉降是由于橋臺臺背填土在行車荷載作用下塑性變形和地基的沉降所導致的，路基處理的質量、臺后路堤的填筑材料、壓實度、設計施工的控制、以及自然環境都直接的影響橋頭差異沉降的發生及發展。

(2)對于橋頭兩側軟土路基，一定范圍內采用攪拌樁、碎石樁等進行加固擠密處理，可有效地防止路堤沉降。

(3)臺背填筑材料應選擇透水性材料，提高壓實標準，并且控制填筑厚度，加大填筑范圍，嚴格控制施工質量，能有效的防止橋頭差異沉降的發生。

(4)橋頭搭板是一種將橋臺和路堤的差異沉降進行緩和過渡的措施，應根據路堤填筑高度合理的進行橋頭搭板的設計。

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