黃河峽谷區(qū)橋梁動態(tài)設(shè)計(jì)方法研究

□文/蘇 航 熊 剛

1 工程概況

黃河晉陜大峽谷位于內(nèi)蒙古、陜西、山西三省的交界處，北起內(nèi)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(dá)數(shù)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(qū)

該地區(qū)地貌屬基巖溝壑地貌，兩側(cè)溝谷多成“V”字形，斜坡陡峭，地形起伏。峽谷區(qū)巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體破碎裸露。出露第四系全新統(tǒng)-上更新統(tǒng)沖洪積層，巖性主要為風(fēng)積黃土、粉質(zhì)黏土。下伏三疊系中統(tǒng)二馬營組巖層，巖性主要為強(qiáng)-中風(fēng)化砂巖，中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

針對本項(xiàng)目沿線地形復(fù)雜，橋梁密度、規(guī)模大，交通條件不便的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)必須要處理好橋梁布設(shè)與眾多影響因素之間的關(guān)系。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工情況，提出采用“動態(tài)設(shè)計(jì)”的方法，及時(shí)完善和變更設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的安全意義重大。沿線巖層垂直節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化情況較為嚴(yán)重，易發(fā)生崩塌等地質(zhì)災(zāi)害；為保證橋梁安全，橋長遵循“寧長勿短”的設(shè)計(jì)理念，原則上一跨或者增大跨徑跨越?jīng)_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(jī)械設(shè)備進(jìn)場困難，開挖施工便道代價(jià)較高；鑒于本項(xiàng)目較好的巖質(zhì)條件，人工挖孔樁相對鉆孔樁更為經(jīng)濟(jì)、簡單，節(jié)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(shù)樁基采用人工挖孔樁，但在陡坡位置進(jìn)行人工挖孔樁作業(yè)是非常危險(xiǎn)的，“寧長勿短”的橋長設(shè)計(jì)原則為橋梁跨越陡坡時(shí)橋臺的穩(wěn)定提供了保障，也為挖孔樁的施工作業(yè)預(yù)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(zhì)等方面統(tǒng)一考慮。沿黃公路黃河晉陜大峽谷段沖溝下切較深，路線設(shè)計(jì)高程相對較大，勢必會出現(xiàn)大量墩高較大的橋梁。為達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的要求，橋跨的選擇應(yīng)與墩柱高度協(xié)調(diào)統(tǒng)一。依照橋梁美學(xué)的原則，橋跨比一般在0.618～1[2]。

本項(xiàng)目橋梁孔徑的設(shè)計(jì)原則：墩柱高度H（含蓋梁高度）＜15 m 時(shí)，優(yōu)先選用20 m 及20 m 以下跨徑；H介于 15～30 m 之間時(shí)，優(yōu)先選用 30 m 跨徑；H介于30～40 m 之間時(shí)，優(yōu)先選用40 m 跨徑；H＞40 m 時(shí)，優(yōu)先選用50 m 跨徑。但黃河晉陜大峽谷區(qū)地形復(fù)雜多變，不宜根據(jù)墩高頻繁變換跨徑，距離較近的橋梁考慮到施工預(yù)制方便，以總體經(jīng)濟(jì)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(xiàn)場遇到不穩(wěn)定斜坡，應(yīng)盡量避免擾動原狀土體并在合理范圍內(nèi)修改孔徑，以跨越不穩(wěn)定區(qū)域[3]。

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2.2.2 梁型

盡量采用施工簡便、經(jīng)濟(jì)合理的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)。根據(jù)跨徑大小及現(xiàn)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(shí)，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(xiàng)目特點(diǎn)的圓柱墩和薄壁空心墩。墩高較小時(shí)，設(shè)計(jì)一般由強(qiáng)度控制，普通圓柱墩施工質(zhì)量容易控制且對場地條件要求較小，應(yīng)優(yōu)先選用；但當(dāng)墩高較大時(shí)，設(shè)計(jì)還應(yīng)根據(jù)長細(xì)比，考慮穩(wěn)定性問題。本項(xiàng)目規(guī)定墩高＜40 m 時(shí)，采用圓柱墩；墩高＞40 m 時(shí)，采用薄壁空心墩，墩頂按墩梁固結(jié)方式設(shè)計(jì)，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(qū)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(gè)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(jìn)入中風(fēng)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(fēng)化巖層邊緣≮2d（d為樁基直徑）的位置算起；同時(shí)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(guī)定嵌巖樁嵌入中風(fēng)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(jù)地勘資料，本項(xiàng)目黃土覆蓋層較厚的地段，黃土具有濕陷性，樁長計(jì)算過程中需考慮一定長度的土層負(fù)摩阻的影響[5]。另外為減少開挖而產(chǎn)生的高樁承臺，其填土部分的樁基也需要計(jì)入負(fù)摩阻的影響。

3 動態(tài)設(shè)計(jì)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(nèi)外側(cè)墩高和樁長差異明顯，一般設(shè)計(jì)原則無法滿足要求，橋梁下部結(jié)構(gòu)需要逐墩設(shè)計(jì)[6]。但受限于復(fù)雜的地形，很多橋位前期勘察設(shè)備根本無法進(jìn)場，未能進(jìn)行逐墩勘察鉆孔，施工圖采用的地質(zhì)調(diào)繪手段與實(shí)際地質(zhì)條件通常會有一定誤差。這就需要施工便道打通后，及時(shí)勘察補(bǔ)鉆；若地勘結(jié)果與施工圖不符，及時(shí)變更墩高和樁長。

3.2 地形發(fā)生改變時(shí)

受場地條件制約，施工中不可避免會對現(xiàn)場的原始地形進(jìn)行改造，此時(shí)樁頂系梁位置需按照原始地形并結(jié)合現(xiàn)場情況確定。通過調(diào)整樁頂系梁高程，使下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理地適應(yīng)現(xiàn)場地形。

本著減少對施工現(xiàn)場重復(fù)開挖的原則，現(xiàn)場地形發(fā)生較大變化的橋梁樁位處難免會出現(xiàn)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(nèi)的樁基及時(shí)增加防護(hù)設(shè)計(jì)，見圖3。

圖3 高樁承臺防護(hù)

3.3 受施工誤差影響

在如此復(fù)雜的地形條件下，施工難免會因施工機(jī)具、工人技術(shù)水平等因素影響而產(chǎn)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(jié)理發(fā)育的雙重原因?qū)е聨r體開裂，巖石路基寬度不能滿足原設(shè)計(jì)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?qū)е碌膸r體開裂

需要處理路基的長度達(dá)到了120 m 以上，若調(diào)整線位，挖方量太大，對環(huán)境也很不友好。總體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(xiàn)狀路床之間需澆筑C20 片石混凝土墊層。

設(shè)計(jì)以經(jīng)濟(jì)適用為原則，依據(jù)巖石路基的寬度，要求巖石基礎(chǔ)寬度應(yīng)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(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)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(shè)計(jì)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(dǎo)致局部約3 m范圍內(nèi)不滿足要求，設(shè)計(jì)將該范圍內(nèi)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(nèi)設(shè)置錨桿，因此在澆筑墊層前應(yīng)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(jù)現(xiàn)場實(shí)測地形采用了“路改橋”的變更方案，既是場地條件發(fā)生變化時(shí)的一種補(bǔ)救措施，也是“動態(tài)設(shè)計(jì)”方法對現(xiàn)場情況的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

4 結(jié)語

在遵循一般山區(qū)公路橋梁設(shè)計(jì)基本原則的基礎(chǔ)上，文章針對沿黃公路宜川段黃河峽谷區(qū)這一特殊地形地貌條件下的橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目提出了適合該項(xiàng)目的“動態(tài)設(shè)計(jì)”理念，從而解決了傍山橋墩逐墩設(shè)計(jì)，現(xiàn)場條件變化時(shí)的響應(yīng)變更等關(guān)鍵技術(shù)問題，確保了設(shè)計(jì)既能夠滿足安全性和穩(wěn)定性的要求，又能取得較好地經(jīng)濟(jì)和社會效益。