橋隧相連工程的多源損傷特點及控制

唐明友 張啟瓊

摘要：橋隧相連工程作為橋梁、隧洞、洞口圍巖及其防護工程的復雜組合體，在我國西部、南部山區應用廣泛，由于橋梁、隧洞、洞口圍巖的相互關系，橋隧相連工程往往損傷來源廣泛，力學行為異常復雜。隨著橋隧相連工程在我國的日益廣泛應用，其多源損傷特點及控制已經成為亟待解決的問題。

【關鍵詞】橋隧相連工程；多源損傷特點；控制

近年來，隨著我國西部、南部山區高速公路、景區公路建設的不斷推進，橋隧相連工程的應用日漸頻繁。然而，一方面，很多橋隧相連工程地段地勢險峻、地質條件較差、施工場地促狹，給設計、施工、后期管理帶來了很大問題；另一方面，隨著我國交通流量的猛增和車輛超載現象的多發，導致橋隧相連工程病害多發，已越來越引起社會各界的廣泛關注。

1.橋隧相連工程的多源損傷特點

1.1在車載作用下的多源損傷力學行為特點

公路車輛荷載是橋隧相連工程各結構承受的主要活荷載，隨環境、時間、空間、路表特征而變化，具有方向循環往復、速度時變、大小各異的特點。在長期循環往復的車輛荷載影響下，橋隧相連工程各結構的內力和應力不斷變化與調整，增加了脆性破壞出現的可能性，即以疲勞損傷累積為主的疲勞破壞。這是因為，近年來混凝土結構呈現高強、輕質的發展趨勢，導致橋隧各結構構件長期處于高應力之下，當長期遭受循環往復的車輛荷載、尤其是超載車輛荷載時，就會越來越接近于疲勞應力幅，產生所謂的疲勞破壞。而一旦橋隧相連段存在橋頭局部破損、伸縮縫損壞、隧道內路面沉降，會導致橋面、橋頭、隧道內跳車現象多發，最終加劇橋梁局部沖擊疲勞及隧道洞門防護結構損傷。在橋頭或隧道洞口圍巖的巖性較差時，容易出現隧道內路面下陷或局部損害，并由此引發隧道襯砌破損、路面積水、翻楽冒泥等問題；而對洞口圍巖體，也容易產生不均勻沉降、變位、損傷，甚至引發崩裂、塌陷。在橋隧相連段各部位的各種損傷不斷出現和加劇后，最終會對整個橋隧工程的安全穩定造成危害。

1.2多源損傷及力學行為的產生機理與過程

車輛通過橋隧相連工程時，會引發各結構及路基路面的振動，這種震動又反作用于車輛震動，最終在車輛與橋隧相連工程結構間形成耦合作用，即所謂的耦合震動。研究表明，當耦合震動產生時，對工程結構的安全性與車輛行駛安全性將產生巨大的負面影響，當遭遇嚴重超載車輛時，甚至可能導致橋梁垮塌。在車輛等循環動荷載的影響下，橋隧相連工程結構構件在低于靜載強度時就會出現性能劣化、甚至失效，而且，這種疲勞現象是不可逆的。具體表現為橋面破壞、伸縮縫破壞、橋梁上部結構剛度下降，從而加大車輛經過的振動幅度、橋梁撓度及對圍巖的撓動效應，進而導致橋梁各部位損傷加劇；隧道局部破壞、襯砌損傷；圍巖明顯變形、位移及沉降。換言之，對橋隧相連工程病害多發的分析，主要是基于疲勞損傷的分析。

1.3橋、隧、巖受力特點及多源損傷影響因素

在受力特點上，橋、隧、巖除受外部環境（地震、山洪、大風、暴雨、泥石流、凍融、冰雪）等的影響，所受的最大外部荷載來源，對橋梁來說主要是恒載（如自重）、汽車荷載及其沖擊；對隧道來說主要是圍巖反作用、施工撓動、橋梁傳遞來的荷載；對洞口圍巖來說主要是開挖撓動、砌筑撓動、橋梁傳遞來的荷載及隧道結構約束。不難看出，橋隧相連工程病害的出現，是橋、隧、巖三者相互影響的結果，其中包括橋、隧、巖相連處的地形地質條件、三者的位置關系、外部荷載情況及結構類型，這些也是導致橋隧相連工程各結構間藕合作用、多源損傷的主要影響因素。我國西部、西南山區，如云南、貴州、四川，具有晝夜溫差大、常年多雨的氣候特點，和多山川河流、喀斯特地貌的地質地形條件，再加上極端天氣頻繁，如果在橋隧相連工程設計施工中不充分考慮這些外部環境因素，以及自然災害發生的可能，就很可能導致橋隧相連工程出現多源損傷，對工程安全性及車輛行駛安全產生負面影響。

2.橋隧相連工程多源損傷力學行為與病害控制

2.1公路橋梁的結構選型

我國西部、南部山區地形地質條件復雜，在采用橋隧相連工程時，應該充分考慮當地特點擬定科學合理的技術方案，處理好橋梁結構形式與選址地質地形、路線等的關系。一般而言，山區公路所處地區具有高差大、沖溝發育、不良地質發育（如多不穩定斜坡，易滑坡）、地質條件差（如巖體承載力低、穩定性差），因此，橋隧相連工程具有以下特點：高墩大跨多、墩臺形式多、斜彎坡橋多、施工難度大等。在橋型選擇時，應因地制宜，充分考慮山區氣象條件的多變行，特別是一些地形條件限制大的位置，往往采用高墩大跨結構，因此，必須確保橋梁整體剛度分配和構件的穩定性；而為了滿足現代高速路快速、舒適的要求，應盡量采用橋面連續結構的梁或板，盡量減少伸縮縫。在橋梁上部結構選型時，應綜合橋梁受力特點、經濟性及實際情況，以標準化、便捷化、節約化、系統化為目標，因此，先簡支后連續的上部結構體系就成為中等跨徑山區梁橋的常見選項，特別是抗扭能力強的整體式閉合箱梁，已成為曲線橋梁的首選。在橋梁下部結構選型時，由于山區公路具有半徑小、坡度大特點，針對跨高與跨徑的選擇，應結合橋梁跨徑、橋墩高度等實際情況進行綜合比較，得出適當的墩高；針對橋墩及橋臺形式的選擇，應多考慮穩定性與強度問題；針對橋梁基礎的選擇，應充分結合地質條件，地基承載條件較好的可采用擴大基礎，條件較差的宜采用摩擦樁。

2.2施工設計的注意事項

山區雨霧多、降水多、冬季路面易結冰，具有一定的隧道交通安全隱患，同時地勢險要，不利于行車安全和運營管理。因此在橋隧相連工程的施工、設計中，應注意以下幾點：第一，重視隧道的地質勘察及超前預報，廣泛采用航測遙感等先進技術，為隧址選擇提供地質和環境依據，同時應盡量趨利避害、避重就輕，避免隧道穿越地質條件極為復雜的地段，將選址確定在巖性較好的地層中，確保工程質量與安全。第二，隧道選址或設計應具有靈活性，山區生態環境脆弱、土地寶貴、地形狹窄，因此橋隧相連工程設計中要對這些因素進行綜合考慮，保障功能與環境的和諧統一。第三，要重視隧道洞口位置選擇及洞門選型，依據“早進玩出”原則，避免洞口大開挖，如遇到隧道橫向跨度大導致的洞口開挖創面大，則應該盡量將洞口布置在地質條件最好的位置。

2.3相關損傷及病害控制技術與風險管理

影響橋隧相連工程結構疲勞累積損傷的因素主要有平均應力、少數極高應力、施工及養護工藝等，以平均應力為例，當結構處于疲勞損傷狀態時，累計損傷值會隨著平均應力增加而增加，若要減小結構的累計損傷，則可以選擇控制結構的平均應力、減少極高應力的影響。針對差異沉降導致的跳車現象，一方面，可以采用設置橋臺搭板的辦法，在橋隧鄰接段做好加長及加厚處理，另一方面，可以采用用鋼筋混凝土厚基層剛性路面結構，以有效避免鄰接段短距離內的剛柔過度，保證剛度連續。同時，要處理好橋隨相連時隧道洞口的排水問題，避免因排水不暢而導致的橋梁伸縮縫積水銹燭、襯砌滲漏水、隧道內路面翻漿冒泥等現象，以減輕車輛跳車現象。

3.結束語

橋隧相連工程長期遭受循環往復的車輛荷載，尤其是超載車輛時，就會越來越接近于疲勞應力幅，最終引發多源損傷。確保橋隧相連工程施工、運營安全，減少或規避病害的產生，需要進行科學的結構選型，重視施工流程的合理控制，采取有效的損傷及病害控制技術。

【參考文獻】

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