山區(qū)高速公路抗震設(shè)計(jì)及施工探討

李 琦

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000）

我國(guó)位于世界兩大地震帶之間—環(huán)太平洋地震帶和亞歐地震帶，屬于地震頻繁的國(guó)家，幾乎所有地區(qū)都發(fā)生過六級(jí)以上的破壞性地震。

地震烈度是指地震對(duì)一定區(qū)域范圍的地面和建筑物的沖擊強(qiáng)弱程度，是衡量地震災(zāi)害程度的綜合指標(biāo)。

公路是生命線系統(tǒng)工程中的重要組成部分，高速公路的建設(shè)情況反映了當(dāng)?shù)氐慕煌òl(fā)達(dá)程度和經(jīng)濟(jì)水平。在抗震救災(zāi)中，公路交通運(yùn)輸網(wǎng)特別是高速公路是搶救人民生命財(cái)產(chǎn)和重建家園、減輕次生災(zāi)害的重要環(huán)節(jié)。公路抗震預(yù)案的最終目標(biāo)是保證公路在遭受地震時(shí)能維持其正常的通行能力，或經(jīng)緊急搶修可以投入使用，其路線抗震重要度必然受路線所在區(qū)域的地震分布情況影響；而地震烈度是地震分布情況最直接、簡(jiǎn)潔的描述指標(biāo)，公路所在地區(qū)內(nèi)的地震烈度情況必然直接影響路線的抗震重要度。

1 抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求

《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）把公路分為高速公路和一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)公路共5個(gè)等級(jí)。各等級(jí)對(duì)抗震的要求也不盡相同。

《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02—2013）明確規(guī)定“高速公路、一級(jí)公路及二級(jí)公路的工程構(gòu)筑物，在E1地震作用（E1地震作用，重現(xiàn)期約為475年）時(shí)，位于抗震有利地段的，經(jīng)一般整修即可正常使用；位于抗震不利地段的，經(jīng)短期搶修即可恢復(fù)使用；位于抗震危險(xiǎn)地段的擋土墻、隧道等重要構(gòu)筑物不發(fā)生嚴(yán)重破壞”。

公路橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)分為概念設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)兩大類。概念設(shè)計(jì)是從概念上，特別是從整體結(jié)構(gòu)方面考慮抗震的工程決策，而參數(shù)設(shè)計(jì)包括地震作用計(jì)算、結(jié)構(gòu)和支座變形驗(yàn)算、構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算等，兩者相輔相成。正確的抗震設(shè)計(jì)，要重視抗震概念設(shè)計(jì)，同時(shí)合理、靈活地使用抗震參數(shù)設(shè)計(jì)，使計(jì)算工作更加具有目的性。

2 山區(qū)高速公路普遍地質(zhì)特點(diǎn)

山區(qū)高速公路沿線地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，其間山嶺縱橫，河溝交織，表現(xiàn)為多構(gòu)造類型，多“V”型及“U”山谷及沖溝，陡崖陡坎發(fā)育。出露基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈，并伴有斷裂構(gòu)造。為了有效提高山區(qū)高速公路的抗震水平，應(yīng)該首先提高抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，并在地質(zhì)勘察工作中確定斷裂帶與線路之間的確切位置。

3 嵩欒高速公路概況和地質(zhì)特點(diǎn)

嵩縣至欒川高速公路編號(hào)為S96，是河南省高速公路網(wǎng)的重要組成部分。項(xiàng)目起自洛陽市嵩縣，北接洛陽至嵩縣高速公路，路線向西南依次經(jīng)過嵩縣、欒川縣，南接武西高速堯山至西峽段，路線總長(zhǎng)約為66.538km，雙向四車道高速公路，設(shè)計(jì)速度為80km/h，路基寬度為24.5m。項(xiàng)目共設(shè)置特大橋1座，大橋75座，中橋8座，分離式立交橋5座，隧道24座，于2012年底建成通車。

嵩欒高速公路地質(zhì)特點(diǎn)如下：

（1）區(qū)域構(gòu)造體系。第一，地質(zhì)構(gòu)造：項(xiàng)目區(qū)在大地構(gòu)造位置上位于華北地臺(tái)南緣與秦嶺褶皺系北側(cè)衘接部位。第二，斷裂構(gòu)造：該區(qū)以北西西和北東向最為發(fā)育，區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造有舊縣—下蠻峪斷裂帶、馬超營(yíng)斷裂帶、坡前街—大溝河斷裂、叫河—陶灣—后坪斷裂等。第三，褶皺構(gòu)造：該區(qū)蓋層褶皺構(gòu)造主要屬于加里東期褶皺，分布普遍，規(guī)模較大，奠定了本區(qū)構(gòu)造格架。

（2）新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在區(qū)內(nèi)有明顯的反映，主要表現(xiàn)為大范圍的振蕩或隆升運(yùn)動(dòng)：第一，在較大的河流，如伊河、淯河等河谷，普遍發(fā)育有三級(jí)階地。第二，次級(jí)水系所形成的溝谷基本為“V”型谷，有些路段為峽谷或障谷。

（3）地震基本烈度。項(xiàng)目區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度、地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度。

4 嵩欒高速公路具體抗震設(shè)計(jì)及施工措施

4.1 總體抗震設(shè)計(jì)理念

公路是由線段和節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，由于具有節(jié)點(diǎn)多、路線長(zhǎng)、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，因此公路抗震預(yù)案工作的編制量浩大，在總體、路線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）采用“以人為本，安全實(shí)用，堅(jiān)持全壽命周期安全”的設(shè)計(jì)理念，精細(xì)化設(shè)計(jì)。

（2）加強(qiáng)了地質(zhì)勘察、斷裂帶類型調(diào)查分析和場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)等設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工作。

（3）合理確定過震區(qū)路段的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)定為80km/h的四車道高速公路。

（4）加強(qiáng)了總體技術(shù)方案論證，堅(jiān)持地質(zhì)、地形選線，有效避讓了斷裂帶、滑坡等地質(zhì)敏感區(qū)。

（5）適當(dāng)提高了控制性節(jié)點(diǎn)工程（如栗子坪伊河特大橋）的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)防驗(yàn)算。

（6）堅(jiān)持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)及措施，將勘察設(shè)計(jì)工作貫穿于整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)的全周期過程中，把施工過程中的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)作為整個(gè)設(shè)計(jì)階段的重要組成部分。

4.2 橋梁工程抗震設(shè)計(jì)

設(shè)置在山區(qū)高速公路的橋梁，在地震發(fā)生后就是生命線上的咽喉。橋梁最嚴(yán)重的地震災(zāi)害就是主梁墜落，落梁的主要原因是橋墩的倒塌傾斜、梁體相互碰撞、相鄰墩之間位移大和支座損壞等，而主梁本身造成的破壞較少。在細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí)采取簡(jiǎn)單的構(gòu)造措施，增加鉸、梁端和伸縮縫等上部接縫處的支承面寬度，或選擇拉桿、擋塊等措施，加強(qiáng)鋼筋混凝土橋墩的橫向約束，提高其抗剪強(qiáng)度和抗彎延性，防止橋墩的彎剪震害等，就可以避免嚴(yán)重震害。

嵩欒高速中栗子坪伊河特大橋抗震設(shè)防類別為A類，其余橋梁為B類。

橋梁工程采用的具體抗震技術(shù)措施如下：

（1）路線線形已充分考慮了橋梁的平、縱面線形及標(biāo)高控制，更有利于橋梁的抗震需要。

（2）大橋上部結(jié)構(gòu)采用裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)箱梁和T梁，中橋采用跨徑20m裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)箱梁，增強(qiáng)橋梁的整體穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)連續(xù)可防止構(gòu)件在地震時(shí)被震散掉落。

（3）當(dāng)橋墩高度小于35m時(shí)，采用柱式橋墩。在施工時(shí)，將原設(shè)計(jì)的獨(dú)柱式橋墩變更為雙柱式橋墩結(jié)構(gòu)，并根據(jù)墩高需要增加橫系梁，以改善橋梁下部受力的整體性能，增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（4）當(dāng)橋墩高度在35～50m時(shí)，采用等截面箱型橋墩；墩高度在50～70m時(shí)，采用順橋向50∶1的變截面箱型橋墩；墩身高70～100m時(shí)，采用順橋向45∶1的變截面箱型橋墩，增強(qiáng)橋梁的抗震性能。

（5）小箱梁和T梁橋在蓋梁頂均設(shè)有抗震擋塊，以防止在地震水平力作用下的落梁。

（6）栗子坪伊河特大橋上部結(jié)構(gòu)采用95m+170m+95m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，下部構(gòu)造采用雙薄壁墩，橋臺(tái)采用肋式橋臺(tái)，墩臺(tái)均采用樁基礎(chǔ)。具體施工時(shí)，下部結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)采用鉆孔樁，墩身采用翻模法，并順橋向雙壁間設(shè)置了臨時(shí)撐，臨時(shí)撐在高度方向每20m左右設(shè)置一道，增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性；上部結(jié)構(gòu)采用節(jié)段懸臂灌注法施工，并容許上部構(gòu)造產(chǎn)生一定程度的滑移、彎曲甚至扭轉(zhuǎn)變形，以釋放能量，減少地震破壞損傷。

4.3 路基防護(hù)工程抗震設(shè)計(jì)

山區(qū)高速公路通常設(shè)置有較多高填方和深挖方路段，如果高邊坡的防護(hù)措施做得不好，在地震作用下路基極易發(fā)生滑坡、坍塌等破壞情況。嵩欒高速所采用的路基防護(hù)工程的抗震措施主要如下：

（1）嚴(yán)格控制路基填料的材質(zhì)和密實(shí)度。施工時(shí)大量采用了片碎石、連續(xù)級(jí)配砂礫、硬土等作為路基填料，按照路基壓實(shí)度的要求控制并進(jìn)行加固處理，避免因?yàn)閴簩?shí)度不足的原因引起震害。

（2）采用柔和性鋼繩網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋會(huì)存在潛在落石危險(xiǎn)的坡面，以防止地震發(fā)生時(shí)，大量落石下落會(huì)阻斷高速公路的通行。

（3）加強(qiáng)了支擋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。擋土墻除了進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算外，還考慮了土體在地震時(shí)抗剪強(qiáng)度的瞬時(shí)衰減而引起潛在的滑面變化。

（4）對(duì)易發(fā)生滑坡的深挖方路塹，在施工時(shí)埋設(shè)了測(cè)斜管，監(jiān)測(cè)邊坡變化，為今后邊坡處理和邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。

4.4 隧道工程抗震設(shè)計(jì)

嵩欒高速公路位于山嶺重丘區(qū)，經(jīng)過的區(qū)域地形條件復(fù)雜，山嶺縱橫，做好隧道抗震有著重要的意義。

（1）暗洞按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。洞身采用柔性支護(hù)體系的復(fù)合式襯砌，即以管棚、超前錨桿、超前小導(dǎo)管結(jié)合的超前支護(hù)，以系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、掛鋼筋網(wǎng)、型鋼鋼架、格柵拱架等為初期支護(hù)，模筑（鋼筋）混凝土為二次襯砌，加強(qiáng)了隧道在地震作用下的洞口穩(wěn)定性。

（2）在隧道施工過程中，每100m在襯砌形式變化處或者四級(jí)、五級(jí)圍巖連續(xù)過長(zhǎng)的路段設(shè)置一道沉降縫，以減少地震造成的不均勻沉降對(duì)隧道的破壞。

（3）施工階段加強(qiáng)了監(jiān)測(cè)和保通方案，隧道范圍的老路或施工便道基本保留，作為備用道路。

4.5 減隔震技術(shù)

減隔震技術(shù)是通過選擇合適的減隔震裝置和設(shè)置的位置，有效控制橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布與大小的一種技術(shù)，這是與傳統(tǒng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)地震抗力設(shè)計(jì)的最大不同。它與延性抗震設(shè)計(jì)雖然都是通過延長(zhǎng)周期以避開地震能量最集中的時(shí)間，并增大阻尼以消耗能量來達(dá)到降低地震破壞的目的，但二者有根本性的不同：延性設(shè)計(jì)是在結(jié)構(gòu)上施加很大的地震力，考慮如何為結(jié)構(gòu)提供較強(qiáng)的抗震性能，而減隔震技術(shù)是讓減隔震裝置去承受傳遞到重要構(gòu)件的地震能量；延性的設(shè)計(jì)思想通常意味著在強(qiáng)烈地震作用下會(huì)在設(shè)計(jì)塑料鉸鏈的位置處破壞結(jié)構(gòu)，而隔震技術(shù)可以延長(zhǎng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)周期并增加阻尼能量的耗散，從而有效避免結(jié)構(gòu)的損壞。在嵩欒高速公路中，橋梁設(shè)計(jì)所使用的減隔震裝置為摩擦擺式減隔震支座。

5 結(jié)束語

2008年的汶川地震給人們帶來了巨大的損失和傷痛，也給工程結(jié)構(gòu)震害提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。文章結(jié)合河南省洛欒高速公路嵩縣至欒川段工程實(shí)際情況，對(duì)山區(qū)高速公路抗震設(shè)計(jì)和施工措施進(jìn)行了探討，以期為日后山區(qū)高速公路的抗震技術(shù)提供參考。