山區(qū)高速公路沿河段橋梁設(shè)計(jì)探討

王 波

（中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100097）

0 引言

湖南省武岡（城步）至靖州公路是湖南省高速公路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，是一條“生態(tài)路、環(huán)保路、旅游路、景觀路”，地處邵陽(yáng)市境內(nèi)（終點(diǎn)局部路段在懷化市靖州縣、通道縣境內(nèi)），路線呈東西走向連接包茂國(guó)家高速公路湖南境懷化至通道（湘桂界）段和洞口至新寧高速公路。項(xiàng)目工程技術(shù)難點(diǎn)多，其中，巫水河河道狹窄，兩側(cè)山勢(shì)陡峻，是項(xiàng)目的控制性路段。我院設(shè)計(jì)的第二合同段內(nèi)的梅口巫水特大橋和石江坪巫水大橋兩座橋梁跨越巫水，下面以梅口巫水特大橋?yàn)橐劳羞M(jìn)行沿河段橋梁設(shè)計(jì)探討。

1 橋位比選

巫水河無(wú)通航要求，考慮到能標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與施工，不采用大跨結(jié)構(gòu)，橋位應(yīng)服從路線總體設(shè)計(jì)。橋位比選即路線總體方案比選，在巫水河路段，初測(cè)咨詢建議線位沿巫水河北岸布設(shè)，盡量不下河，該方案存在的缺點(diǎn)是靠山布設(shè)后路線右側(cè)高達(dá)200m深切方，邊坡處理困難。初測(cè)評(píng)審意見(jiàn)認(rèn)為，該段路線還可以往巫水方向移動(dòng)，消除深切方。初步設(shè)計(jì)階段對(duì)該路段方案進(jìn)行了反復(fù)比選論證，針對(duì)初測(cè)線位經(jīng)過(guò)矮子寨深切方高達(dá)200m，為消除深切方，結(jié)合地質(zhì)資料，采用連拱隧道穿越山體，沿巫水河北岸布設(shè)路段線位盡量靠山布設(shè)，在滿足邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，盡量減少水中墩，減少對(duì)巫水河的干擾。鑒于此，結(jié)合評(píng)審意見(jiàn)以及咨詢意見(jiàn)，擬定了B9線方案與K線方案進(jìn)行比選。K線和B9線路線方案見(jiàn)圖1。

圖1 K線與B9線路線方案圖

1. 路線指標(biāo)的比較

兩方案平縱面線形指標(biāo)，K線平面指標(biāo)較高，縱面指標(biāo)相當(dāng)。K線建設(shè)里程比B9線長(zhǎng)63m。

2. 工程規(guī)模比選

K線方案橋梁長(zhǎng)度較B9線短754m，隧道長(zhǎng)度較B9線長(zhǎng)1063m，土石方數(shù)量較B9線少24.9萬(wàn)m3，造價(jià)概算較B9線多282.7萬(wàn)元。

3. 對(duì)巫水河的干擾

B9線沿巫水河河道布設(shè)，巫水河河道狹窄，橋梁方案占了部分巫水河河道，且順河布設(shè)，對(duì)河道的泄洪有較大的影響，另外在 B9K24+000～B9K25+000路段巫水北岸河岸線橫坡變化幅度異常，緩坡、陡坡交錯(cuò)，也有懸崖峭壁出露，地表溝谷發(fā)育，現(xiàn)場(chǎng)可明顯看到多條深溝順山而下，有在暴雨季節(jié)山洪沖刷痕跡。這樣的地形對(duì)橋梁下部構(gòu)造的布置難度極大，基本沒(méi)有設(shè)置路基的條件。實(shí)施階段對(duì)山體的破壞也難以避免；K線方案在巫水河北岸的矮子寨跨越巫水河，對(duì)巫水河干擾較小。

4. 巫水河橋位

K線方案與B9優(yōu)化方案相比，河道斷面平緩，實(shí)測(cè)水深15m左右，對(duì)行洪的影響較小。B9線沿著巫水河北側(cè)靠山邊布線，水中墩較K線多，施工費(fèi)用較高。V型河道斷面陡峭，左右幅橋墩墩高差異明顯。兩方案相比，K線橋位優(yōu)于B9優(yōu)化方案。

5. 后期運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用

B9線隧道長(zhǎng)248m，K線方案沿巫水河南側(cè)采取隧道通過(guò)，隧道長(zhǎng)1311m，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用高K線較高。經(jīng)征求主管部門意見(jiàn)，意見(jiàn)認(rèn)為B9線占河多，影響行洪，同意K線方案。

綜上所述，K線方案優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在對(duì)巫水河的干擾小、巫水河橋位好，相關(guān)主管部門同意，缺點(diǎn)體現(xiàn)在隧道較長(zhǎng)，造價(jià)高，后期運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用較高，同時(shí)受地形條件限制，隧道棄渣相比于 B9線運(yùn)輸困難，初設(shè)階段主要考慮B9線造價(jià)省，后期運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用較低，推薦采用B9線方案。施工圖設(shè)計(jì)階段梅口巫水特大橋采用B9線位走廊，橋位平面圖見(jiàn)圖2。

圖2 橋位平面圖

2 橋型方案

梅口巫水特大橋沿巫水右岸布置，全橋左半橋共 8聯(lián)：4x30+6x(6x30)+4x30，全長(zhǎng)1328.8m，右半橋共8聯(lián)：4x30+5x(6x30)+2x(4x30)，全長(zhǎng)1268.8m；上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)T梁，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，正交90°布置。橋臺(tái)采用樁柱臺(tái)，考慮到減少施工時(shí)對(duì)巫水岸坡的影響，橋墩采用4.8m的小間距柱式墩，基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。本橋起點(diǎn)順接矮子寨隧道，1～4孔橋梁橫斷面分離式漸變，其余孔按整體式斷面設(shè)計(jì)。左右幅設(shè)計(jì)高不同，典型橫剖面見(jiàn)圖3。

圖3 典型橫剖面圖

3 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

本橋上構(gòu)采用通用圖設(shè)計(jì)，橋墩采用柱式墩，相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)非常成熟，限于篇幅，不作分析，因橋位位于梅口村巫水V形谷口進(jìn)入巫水右岸，并沿右岸布線。橋位區(qū)地形起伏大，河岸堆積岸與沖刷岸交織，橋梁樁基在斜坡上，橋梁設(shè)計(jì)重點(diǎn)是斜坡樁基承載力、樁基施工時(shí)保證邊坡穩(wěn)定的技術(shù)措施及山體防護(hù)。

1. 樁基承載力計(jì)算

（1）摩擦樁單樁軸向受壓承載力容許值計(jì)算方法

摩擦樁單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]，按下列公式計(jì)算：

（2）嵌巖樁單樁軸向受壓承載力容許值計(jì)算方法

端承樁單樁軸向受壓容許承載力[Ra]，可按下列公式計(jì)算：

（3）斜坡樁基承載力計(jì)算注意事項(xiàng)

斜坡樁基范圍為橋側(cè)原地面坡陡于 25 或現(xiàn)場(chǎng)施工開(kāi)挖等因素影響后橋側(cè)地面坡陡25o的樁基，并采用以下原則控制：

①樁基有效長(zhǎng)度應(yīng)扣除沖刷、開(kāi)挖等項(xiàng)，并考慮有效覆蓋層起算點(diǎn)等因素后的樁基總?cè)胪灵L(zhǎng)度。

②有效覆蓋層起算點(diǎn)：按樁側(cè)凈襟邊2倍樁徑且不小于3m取用。

③摩擦樁有效樁長(zhǎng)：橋臺(tái)按12m控制，橋墩按20m左右控制。

④端承樁有效樁長(zhǎng)按10m控制。

（4）摩擦樁設(shè)計(jì)

對(duì)本橋摩擦樁樁基，設(shè)計(jì)進(jìn)行了逐一計(jì)算，摩擦樁單樁承載能力富裕系數(shù)均按大于1.2考慮。

（5）嵌巖樁設(shè)計(jì)

梅口巫水特大橋大部分樁基類型為嵌巖樁。計(jì)算時(shí)首先對(duì)巖石飽和抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk為10Mpa和15Mpa的嵌巖樁進(jìn)行試算，目的是為了得到在滿足樁基承載力安全系數(shù)＞1.2時(shí)，不同種類橋墩樁基需勘入基巖的最小深度。計(jì)算結(jié)果整理見(jiàn)表2～3：

表2 frk=10Mpa時(shí)最小嵌巖深度

表3 frk=15Mpa時(shí)最小嵌巖深度

（6）山體下滑力對(duì)斜坡樁基的影響

山體的滑移會(huì)對(duì)斜坡上樁基產(chǎn)生下滑力的作用，因此需對(duì)山體下滑力對(duì)斜坡樁基承載力的影響進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算選取5號(hào)墩右半橋、9號(hào)墩右半橋、22號(hào)墩右半橋斜坡樁基進(jìn)行計(jì)算，受力示意圖見(jiàn)圖4，樁基所受下滑力見(jiàn)表4。

圖4 斜坡樁基考慮下滑力受力示意圖

表4 樁基所受下滑力

根據(jù)以上下滑力計(jì)算得到最不利截面的樁基最大彎矩及軸力見(jiàn)表5。

表5 考慮下滑力最不利截面的樁基最大彎矩及軸力

經(jīng)計(jì)算，在最不利彎矩和軸力組合作用下，樁基只需構(gòu)造配筋就可滿足受力要求，故當(dāng)考慮下滑力對(duì)斜坡樁基影響時(shí)承載力能滿足受力要求。

2. 斜坡樁基邊坡穩(wěn)定的技術(shù)措施

斜坡樁基施工開(kāi)挖施工平臺(tái)會(huì)對(duì)附近的山體造成擾動(dòng)，從而影響山體的穩(wěn)定性。斜坡山體的穩(wěn)定因素包含很多，如地質(zhì)、水文、施工擾動(dòng)等。從施工方法的選擇和必要的防護(hù)方面處理是解決斜坡山體穩(wěn)定的有效方法。下面就施工方法的選擇和山體的防護(hù)方面介紹斜坡樁基施工的技術(shù)措施。

（1）施工方法的選擇

①人工挖孔：對(duì)于地質(zhì)條件允許，樁長(zhǎng)不太長(zhǎng)的斜坡樁基推薦首先采用人工挖孔樁。人工挖孔樁有以下優(yōu)點(diǎn)：需要的工作面寬的小，一般情況下的人工挖孔樁施工工作面寬度2m即可，而鉆孔樁則需10～12m；對(duì)附近山體的擾動(dòng)小；節(jié)約施工成本。

②鉆孔灌注樁：地質(zhì)情況不允許，樁長(zhǎng)很長(zhǎng)的情況下，人工挖孔樁已經(jīng)不具備優(yōu)勢(shì)，此時(shí)可以選擇鉆孔灌注樁。由于鉆孔樁需要的工作平臺(tái)大，而且鉆孔中鉆機(jī)等機(jī)械的擾動(dòng)對(duì)山體影響較大，這就要求施工中合理布置以減小施工平臺(tái)。另外一般的鉆孔灌注樁需要配置泥漿池，施工中必須控制好施工排水和泥漿池中的泥漿，防止水或泥漿侵蝕山體，造成山體的不穩(wěn)定。

（2）防護(hù)措施

①根據(jù)測(cè)量放樣，按邊線根據(jù)地質(zhì)情況確定的合適的邊坡比例下挖（本橋一般按1：0.5控制），開(kāi)挖至樁基鋼筋頂為準(zhǔn)，嚴(yán)禁超挖；為了便于排水，施工平臺(tái)地面內(nèi)高外低，平臺(tái)上設(shè)排水溝，嚴(yán)禁施工場(chǎng)地受水侵蝕。當(dāng)開(kāi)挖立面高度小于3m時(shí)，一般采用37cm（片石）砌筑防護(hù)，下部設(shè)30x30cm斷面的砼基礎(chǔ)；立面開(kāi)挖高度大于3m時(shí)，一般采用C25細(xì)粒式噴錨鋼筋砼防護(hù)。沿現(xiàn)有開(kāi)挖立面砼厚度不小于8cm。待砌筑或噴錨合格完成防護(hù)后再進(jìn)行樁基施工。我院設(shè)計(jì)的第二合同段內(nèi)大部分斜坡樁基屬于此類情況，可根據(jù)具體現(xiàn)場(chǎng)施工條件控制，防護(hù)示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 斜坡樁基施工防護(hù)示意圖

3. 右側(cè)山體SNS主動(dòng)防護(hù)

梅口巫水特大橋右側(cè)山體坡度較陡，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，在地表水沖刷，人類工程活動(dòng)等情況下，邊坡巖土體易產(chǎn)生坍塌、碎落。設(shè)計(jì)針對(duì)有潛在危巖落石的山體采用SNS主動(dòng)防護(hù)，主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)是以柔性鋼繩網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋有潛在危巖落石的坡面，每張鋼繩網(wǎng)與四周支撐繩間用縫合聯(lián)結(jié)并進(jìn)行預(yù)張拉，該預(yù)張拉工藝能使系統(tǒng)對(duì)坡面施以一定的法向預(yù)緊壓力，從而提高表層危巖體的穩(wěn)定性，阻止崩塌落石的發(fā)生。同時(shí)，在鋼繩網(wǎng)下鋪設(shè)小網(wǎng)孔的六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)，以阻止小尺寸巖塊的崩落或限制局部巖土體的破壞。

圖6 SNS主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)布置圖

4 結(jié)語(yǔ)

巫水沿河段走廊帶狹窄，而離河較遠(yuǎn)的山勢(shì)起伏很大，整個(gè)區(qū)域沒(méi)有較好的可供通過(guò)的走廊帶。梅口巫水特大橋橋位服從路線總體設(shè)計(jì)，巫水河岸陡峭，橋位半幅位于水中，半幅位于岸上斜坡，水中、陸上墩的樁處于斜坡面上，為確保橋梁的安全性和穩(wěn)定性，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，該橋斜坡樁基從保證襟邊的承載力、斜坡樁基施工技術(shù)措施及山體防護(hù)等方面做了精細(xì)化設(shè)計(jì)。同時(shí)巫水河兩岸風(fēng)景優(yōu)美，采用左右幅設(shè)計(jì)高不同的縱斷面，能更好的適應(yīng)地形，橋梁景觀效果好。水下樁基設(shè)計(jì)了鋼護(hù)筒，目的是防止?jié)沧㈨艜r(shí)漏漿、漏砼。