西南山區(qū)常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)典型問(wèn)題分析

陳軍剛 陳孔令

(云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 昆明 650041)

1 概述

我國(guó)西南地區(qū)地形復(fù)雜，大面積土地高低參差，縱橫起伏，海拔高差異常懸殊。以云南省為例，最高點(diǎn)為滇藏交界的徳欽縣梅里雪山主峰卡格博峰，海拔6 740 m；最低點(diǎn)在與越南交界的河口縣境內(nèi)南溪河與元江交匯處，海拔僅76.4 m，兩地直線距離為900 km，高低相差6 000余m；全省分3個(gè)梯層，滇西北徳欽、香格里拉縣一帶為第一梯層，滇中高原為第二梯層，南部、東南和西南部為第三梯層，每一梯層的地形地貌都十分復(fù)雜，平均每公里遞降6 m；且云南省境內(nèi)多條深、大斷裂發(fā)育，其中以北西向及南北向最為發(fā)育，深斷裂主要有哀牢山斷裂、小江深斷裂帶、瀾滄江深斷裂帶3條；大斷裂含富寧大斷裂、南盤(pán)江大斷裂、程海-賓川大斷裂等在內(nèi)共計(jì)14條，地質(zhì)條件復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境脆弱。總體而言，云南省具有：地形波狀起伏、高山峽谷相間、地勢(shì)階梯梯降、斷陷盆地錯(cuò)落、地質(zhì)條件復(fù)雜[1]等特點(diǎn)，屬于典型西南山區(qū)特征，頗具一定代表性。

隨著西南各省公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，人口相對(duì)集聚的壩區(qū)建設(shè)已相趨完善；“山、邊、高”地區(qū)的公路建設(shè)正如火如荼，山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)有其特有的特點(diǎn)，往往需要根據(jù)橋位區(qū)的地形、地貌、氣象、水文、地質(zhì)構(gòu)造等基礎(chǔ)資料及施工便道通達(dá)性、施工便利性選擇合理的橋型，本文意在針對(duì)地形復(fù)雜地區(qū)常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)行闡述，以示結(jié)構(gòu)選型及橋跨布置時(shí)進(jìn)行的特殊考慮。

2 山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵

2.1 路基與橋梁的選擇

山區(qū)公路設(shè)計(jì)時(shí)，填土高度較小地段會(huì)面臨橋梁與路基之間的選擇問(wèn)題。當(dāng)路段較長(zhǎng)時(shí)，可根據(jù)路段地質(zhì)情況、填土高度、經(jīng)濟(jì)比選等得出兩者之間的合理可行方案，此處不再贅述；此外，有2種情況頗值討論：①橋梁接高邊坡開(kāi)挖路基段；②短路基兩端接橋路段。

2.1.1橋梁接高邊坡開(kāi)挖路基段

在橋梁接高邊坡開(kāi)挖路基段，橋梁起止點(diǎn)的選擇尤顯重要；山區(qū)橋梁橋臺(tái)處橫向坡面往往較陡，為減小橋臺(tái)高度，橋臺(tái)位置會(huì)伸入挖方路基之內(nèi)一段距離，伸入段橋梁需開(kāi)挖成橋(出于主梁受力和運(yùn)營(yíng)期橋臺(tái)檢修可達(dá)性考慮，主梁以下還需預(yù)留一定的橋下凈空)，勢(shì)必進(jìn)一步加大開(kāi)挖邊坡的高度，若該位置處本身邊坡已很高，“開(kāi)挖做橋”勢(shì)必增加邊坡的設(shè)計(jì)、施工難度和運(yùn)營(yíng)期風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)就存在橋臺(tái)高度與開(kāi)挖邊坡高度之間合理平衡問(wèn)題；總體而言，方案選擇時(shí)，從經(jīng)濟(jì)、設(shè)計(jì)和施工難度、運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)等角度考慮，橋頭位置宜外移，縮小橋梁長(zhǎng)度、減少開(kāi)挖成橋與高邊坡交織段長(zhǎng)度，其施工方案示意見(jiàn)圖1。

圖1 橋頭接高邊坡示意

當(dāng)出現(xiàn)埋置臺(tái)外露、臺(tái)側(cè)無(wú)放坡條件(橫坡陡，錐坡方案無(wú)法實(shí)施)的情況時(shí)，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況，可考慮采用輕型橋臺(tái)+擋墻方案，爾或重力臺(tái)(必要時(shí)配樁基)方案。

2.1.2短路基兩端接橋路段

在山區(qū)橋梁中，短路基兩端接橋梁結(jié)構(gòu)的方案也較常見(jiàn)，路基路面標(biāo)高多位于填挖平衡點(diǎn)標(biāo)高附近，短路基對(duì)應(yīng)于小高度開(kāi)挖路基或半填半挖路段，此時(shí)需在“短路基兩端各接1座橋梁”或“取消短路基，兩橋合并為1座橋梁”2種方案之間進(jìn)行合理平衡選擇。針對(duì)短路基，方案選擇時(shí)，一般需考慮施工壓實(shí)機(jī)械調(diào)度問(wèn)題，路基的長(zhǎng)度一般不宜過(guò)短，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好時(shí)，路基最短長(zhǎng)度不宜小于30 m；當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件相對(duì)較差時(shí)，短路基長(zhǎng)度不宜小于50 m；否則，應(yīng)考慮取消短路基、按通長(zhǎng)設(shè)橋方案考慮。

2.2 縱橫坡度大路段

縱橫坡度大地區(qū)橋梁常體現(xiàn)于兩方面：①自然縱、橫坡度大；②橋梁跨越較陡的人工開(kāi)挖路塹地段。

2.2.1自然縱、橫坡度大

縱向地面線差異大，多表征為橋梁各墩高差異過(guò)大；橋梁孔跨一旦確定，橋梁合理分聯(lián)問(wèn)題就尤需注意，一聯(lián)內(nèi)各墩高差不應(yīng)懸殊太大；對(duì)此，各省根據(jù)自身情況和經(jīng)驗(yàn)多有相關(guān)規(guī)定，例如：常規(guī)橋梁一聯(lián)內(nèi)連續(xù)處橋墩，極限墩高差不應(yīng)超過(guò)20 m，等等(超過(guò)此限值者，須進(jìn)行橋墩的特殊設(shè)計(jì))；其次，橋墩位置不宜設(shè)于坡面緩陡變化(坡頭)位置，宜設(shè)于地形突變點(diǎn)一定安全距離以內(nèi)，盡量減小岸坡穩(wěn)定與橋墩兩者之間的相互影響，見(jiàn)圖2，橋墩位置應(yīng)由位置B移至位置A處。

圖2 橋墩遠(yuǎn)離坡頭

橫橋向坡面起伏對(duì)橋墩的影響：橋墩高度、種類(lèi)不同，其影響亦有不同體現(xiàn)；①對(duì)于40 m以內(nèi)橋墩，單幅橋墩多采用樁柱式、雙柱墩或多柱墩，同一橋墩的墩高差也應(yīng)進(jìn)行有效控制(例如：同一橋墩內(nèi)墩高差應(yīng)小于7 m等)；需特別指出的是，相同路基寬度情況下，多柱墩相對(duì)于雙柱墩，其受力對(duì)墩高差表現(xiàn)更為敏感，設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意。②對(duì)于超過(guò)40 m或更大高墩，單幅橋梁多采用大尺寸薄壁空心墩，基礎(chǔ)配套采用大承臺(tái)與群樁相結(jié)合的形式；考慮到承臺(tái)的施工會(huì)形成較大開(kāi)挖，對(duì)于此種橋梁，宜從路線平面優(yōu)化角度著手，通過(guò)路線橫向位置優(yōu)化，將橋墩置于相對(duì)平緩之處，盡量減小基礎(chǔ)開(kāi)挖和對(duì)自然地形、邊坡的影響和擾動(dòng)。

2.2.2橋梁跨越較陡的人工開(kāi)挖路塹地段

對(duì)于挖方路基段上跨橋梁：挖方路基兩側(cè)邊坡通常較陡，當(dāng)上跨橋梁墩柱確需置于下穿挖方路基邊坡上時(shí)，挖方邊坡的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮設(shè)置橋墩帶來(lái)的影響，需與橋墩設(shè)置位置進(jìn)行綜合考慮設(shè)計(jì)，橋墩應(yīng)設(shè)于邊坡分臺(tái)處(邊坡分臺(tái)處尺寸根據(jù)橋墩尺寸適當(dāng)加寬平臺(tái))，樁長(zhǎng)取值應(yīng)考慮失效樁長(zhǎng)的影響，其施工方案示意見(jiàn)圖3；同時(shí)邊坡須考慮由橋墩帶來(lái)的影響，從而確保邊坡穩(wěn)定。

圖3 橋墩位置加大邊坡臺(tái)寬

2.3 互通區(qū)橋跨布設(shè)

山區(qū)地形復(fù)雜，互通區(qū)所在地區(qū)緩平場(chǎng)地往往狹小，區(qū)域內(nèi)橋墩在平面存在小范圍內(nèi)近距交織或相互穿插現(xiàn)象；橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注以下4點(diǎn)：①交通分匯流點(diǎn)位置合理選擇；②下穿道路方案選擇；③相鄰橋梁孔跨布置綜合設(shè)計(jì)；④運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)注意事項(xiàng)。

2.3.1交通分匯流點(diǎn)位置合理選擇

山區(qū)地形復(fù)雜，一旦互通區(qū)域位置確定以后，應(yīng)對(duì)互通區(qū)的地形進(jìn)行充分研究、多方案比選，互通位置的設(shè)計(jì)應(yīng)順應(yīng)所在地區(qū)地形變化，充分合理利用立交區(qū)內(nèi)各小山頭或山脊，盡可能使較寬的主線、分匯流點(diǎn)的位置落地——采用路基方案、減小工程造價(jià)。當(dāng)該路段路基方案確實(shí)無(wú)法實(shí)施時(shí)，也宜盡可能采用矮墩橋梁方案，減小橋梁規(guī)模，降低設(shè)計(jì)、施工、后期維護(hù)工作難度，節(jié)省工程造價(jià)。工程設(shè)計(jì)中，偶有分匯點(diǎn)高懸各層交通之上的情況，一般應(yīng)對(duì)此進(jìn)行充分方案比選論證，進(jìn)一步優(yōu)化互通區(qū)路線設(shè)計(jì)。

2.3.2下穿道路方案選擇

立交區(qū)橋梁孔跨布置示意見(jiàn)圖4，B匝道橋下穿主線，且為低填方路段；此時(shí)主線橋下匝道B路段，可供選擇方案有2種：填方路基和橋梁跨越。①若采用填方路基方案，則存在堆土作用下附近土體長(zhǎng)期蠕變效應(yīng)，若橋下對(duì)應(yīng)地質(zhì)條件好、土體蠕變小，則填方路基方案可行；②若地質(zhì)條件差，則原則上匝道B宜按橋梁方案設(shè)計(jì)，且橋頭位置應(yīng)止于主線橋梁以外一定范圍，減小橋頭土體填挖對(duì)主線橋墩基礎(chǔ)的影響；進(jìn)一步而言，具體到B匝道橋孔跨布置，則還須考慮匝道B橋墩與主線橋墩之間的相互影響，兩者之間應(yīng)滿足樁間距最小指標(biāo)要求，以減小兩者橋墩樁基之間的相互影響，充分發(fā)揮各樁基的最大承載能力。對(duì)橋跨橋方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)文件中明確上、下橋梁的施工先后順序，以便施工單位充分理解設(shè)計(jì)意圖、合理組織施工安排。

圖4 立交區(qū)橋梁孔跨布置示意圖

當(dāng)然，對(duì)于圖4中情況，當(dāng)匝道B為挖方路基時(shí)，則不存在主線橋面以下匝道B的方案選擇問(wèn)題，但需特別注明土石方開(kāi)挖與臨近橋墩樁基施工先后順序；一般要求，橋下及橋梁附近土石方填挖及防護(hù)須在橋墩樁基施工之前完成，具體影響范圍可根據(jù)所在地區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行酌情確定。

2.3.3相鄰橋梁孔跨布置綜合設(shè)計(jì)

互通區(qū)存在多處分匯流點(diǎn)，如圖4中所示A匝道橋與主線橋；當(dāng)主線橋、各匝道橋可同時(shí)止于分匯點(diǎn)附近時(shí)，考慮到2座橋梁平面位置距離較近，橋臺(tái)、臺(tái)后路基填挖，以及防護(hù)工程均應(yīng)進(jìn)行協(xié)同綜合考慮，避免土石方計(jì)量工作的多計(jì)、重計(jì)發(fā)生，避免兩者之間防護(hù)工程銜接不合理。圖4中所示情況，地形條件允許時(shí)，匝道A橋臺(tái)1與主線橋臺(tái)2沿縱橋向應(yīng)盡可能對(duì)齊。

2.3.4運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)注意事項(xiàng)

當(dāng)下穿道路在橋下凈空富余不大時(shí)，設(shè)計(jì)文件中還需明確運(yùn)營(yíng)階段下穿道路檢修注意事項(xiàng)，即：下穿道路路面檢修時(shí)，不得采用路面加鋪方案進(jìn)行整修，以免壓縮下穿道路的建筑界限凈空高度，影響道路的使用功能。

2.4 隧間中小橋梁設(shè)計(jì)

山區(qū)公路地形起伏大，橋隧比例高，橋隧相連的現(xiàn)象多為常見(jiàn)；對(duì)于兩隧道間接特大橋的情況，特大橋的設(shè)計(jì)和施工一般會(huì)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究，非本文所涉情況，本文所述主要針對(duì)中小跨橋梁兩端接長(zhǎng)隧道或特長(zhǎng)隧道的情況。

當(dāng)中小橋梁兩端均順接于長(zhǎng)隧道或特長(zhǎng)隧道時(shí)，此區(qū)域范圍內(nèi)地形往往也面臨常規(guī)橋梁(T梁、小箱梁等)預(yù)制場(chǎng)地獲取困難的囧境。一方面，橋梁兩端(特)長(zhǎng)隧道工作面小，施工工期長(zhǎng)，且多為整個(gè)項(xiàng)目工期控制性工點(diǎn)；另一方面，若隧間橋梁采用常規(guī)預(yù)制梁橋，則須待橋頭隧道完工之后，方可進(jìn)行預(yù)制梁體的運(yùn)輸和架設(shè)工作，勢(shì)必進(jìn)一步拉長(zhǎng)施工周期；此種情況下，中小橋梁的設(shè)計(jì)方案如何進(jìn)行合理選擇則尤顯重要。

當(dāng)橋長(zhǎng)小、橋墩矮時(shí)，一般宜采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。尤其是橋臺(tái)對(duì)接隧道洞口的情況，梁端基本亦無(wú)預(yù)應(yīng)力張拉實(shí)施空間，考慮到橋墩較矮，此時(shí)，往往采用20 m左右孔跨鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，或跨徑更小的混凝土現(xiàn)澆板方案會(huì)更趨合理。

當(dāng)橋梁較長(zhǎng)、橋墩高時(shí)，采用小跨徑鋼筋混凝土板/箱結(jié)構(gòu)則非明智之選，此時(shí)，可根據(jù)橋梁在隧道間需跨越的長(zhǎng)度，考慮采用更大跨徑的組合結(jié)構(gòu)。例如采用40～80 m孔跨的鋼-混凝土組合梁橋，在減少隧間高墩數(shù)量的同時(shí)，對(duì)上部結(jié)構(gòu)輔以頂推施工方案，最大可能地加快工程進(jìn)度，縮短建設(shè)工期。

當(dāng)橋梁一側(cè)為隧道，另一側(cè)接短隧道或路基時(shí)，亦不存在以上問(wèn)題，本文不再過(guò)多涉及。

2.5 山澗河流防沖刷

山區(qū)河流一般具有：落差大、水流急、水面窄、水能豐富等特點(diǎn)；水文特點(diǎn)多表現(xiàn)為：河流水位、流量變化大，但持時(shí)相對(duì)較短。山區(qū)河流河床往往比較陡峭和狹窄，孔跨布設(shè)時(shí)，橋墩位置應(yīng)根據(jù)橋位區(qū)地形、水深等進(jìn)行合理選擇。云南省內(nèi)山區(qū)多以中小河流為眾，選擇30 m以內(nèi)孔跨常規(guī)橋梁往往即可實(shí)現(xiàn)常水位的跨越；原則上，跨河橋梁橋墩應(yīng)布設(shè)于常水位水域以外，且宜布設(shè)于設(shè)計(jì)水位水域以外；以此確保大橋施工期間不涉水，運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)盡能減少水流對(duì)大橋的影響。

對(duì)于運(yùn)營(yíng)期不涉水基礎(chǔ)，在確保橋下河流邊坡穩(wěn)定的前提下(必要時(shí)進(jìn)行河流岸坡防護(hù)設(shè)計(jì))，無(wú)橋墩沖刷問(wèn)題。但對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)水位的涉水橋墩，大橋的防沖刷設(shè)計(jì)必不可少。橋墩防沖刷設(shè)計(jì)可依據(jù)水流的大小、流量、流速等特點(diǎn)進(jìn)行合理防護(hù)。原則上可遵行“改造小河、順應(yīng)大河”的總體設(shè)計(jì)思路。

1) 對(duì)于水域窄、流量小的河流，可根據(jù)橋下水深和流速選擇合理導(dǎo)流防護(hù)方案，使橋墩附近一定范圍內(nèi)的河流有組織、渠化排水，隔斷水流對(duì)橋墩的沖刷作用；通過(guò)構(gòu)造物隔水的橋墩，基本仍屬于非涉水橋墩范疇。當(dāng)水流深度為0.4～1.0 m時(shí)，不同防護(hù)材料對(duì)應(yīng)最大流速可按表1[2]參考選取。

表1 最大設(shè)計(jì)流速 m/s

當(dāng)水深未在0.4～1.0 m時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同水深對(duì)最大設(shè)計(jì)流速進(jìn)行系數(shù)調(diào)整。其中當(dāng)水深小于0.4 m時(shí)，系數(shù)為0.85；水深大于1 m，且小于2 m時(shí)，系數(shù)為1.25；水深大于等于2 m時(shí)，系數(shù)按1.4考慮。

2) 對(duì)于水域?qū)挕⒘髁看蟮暮恿鳎瑒t應(yīng)以考慮對(duì)橋墩局部防沖刷防護(hù)為主(例如：對(duì)承臺(tái)底注漿，增加基底抗沖刷能力等措施)；或直接考慮河流沖刷影響，對(duì)橋墩進(jìn)行墩高、有效樁長(zhǎng)調(diào)整。

3 結(jié)論

1) 當(dāng)橋梁接高邊坡開(kāi)挖路基段時(shí)，橋臺(tái)位置應(yīng)與對(duì)應(yīng)位置邊坡高度綜合考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2) 橋間短路基應(yīng)視地質(zhì)條件和路基長(zhǎng)度進(jìn)行合理取舍。

3) 山區(qū)橋梁分聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意縱橫向墩高差的限制，橋墩位置應(yīng)置于一定范圍內(nèi)平緩地帶，樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮失效樁長(zhǎng)帶來(lái)的影響。

4) 互通區(qū)橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)所在區(qū)域地形進(jìn)行合理布設(shè)，注意各橋交織區(qū)橋墩的相互關(guān)系和施工順序，相鄰橋梁橋頭設(shè)計(jì)須統(tǒng)籌考慮。

5) 長(zhǎng)隧道間中小橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)橋長(zhǎng)和墩高進(jìn)行合理選型。

6) 橋墩防沖刷設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)河流大小、流量、流速確定合理防沖刷方案。

針對(duì)地形起伏大、自然生態(tài)環(huán)境脆弱的西部山區(qū)，本文對(duì)其常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)中的幾個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了概括和總結(jié)，以供業(yè)內(nèi)同行參考借鑒。