黃土殘塬區(qū)高墩大跨橋梁橋位方案研究

黃土殘塬區(qū)高墩大跨橋梁橋位方案研究

黃土殘灘區(qū)的地形特征一般為：場地小，高原周圍溝壑縱橫，地形破碎?？v向速度比黃土干高，高原起伏，形狀多樣。其間可能還廣泛存在有黃土滑坡、崩塌等不良工程地質(zhì),對于黃土沖刷剝蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域,將形成一些沖槽、洞穴、漏斗、小沖溝及土柱等,對橋梁安全具有潛在的危害。咸陽～淳化～旬邑高速公路淳化～旬邑段(以下簡稱“咸旬項(xiàng)目”)即是以該地形地貌為主。其中淳化境內(nèi)黃土塬被通神溝、小花溝、姜源河等大溝所分割,橋高達(dá)120～150m,路線跨越黃土沖溝布設(shè)高墩大跨橋梁將不可避免。本文以此項(xiàng)目為背景,對咸旬項(xiàng)目所處黃土殘塬區(qū)的高墩大跨橋梁展開橋位及橋型方案的研究,以保證最終選用“安全、經(jīng)濟(jì)、合理、美觀”的橋型方案。1橋位選擇的影響橋位是控制橋梁工程規(guī)模及橋長的關(guān)鍵因素,也是控制橋梁總造價(jià)的主要因素之一。橋位選擇總體指導(dǎo)思想是根據(jù)地形、地質(zhì)、水文及路線總體走向等情況綜合判斷,盡量選擇在河道順直,地形、地質(zhì)條件好,岸線穩(wěn)定且最窄處,以使工程規(guī)模最小化。黃土殘塬區(qū)的橋位選線,則需更加重視各種不良工程地質(zhì),切實(shí)將路線總體、地質(zhì)情況和橋梁設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合在一起,進(jìn)行綜合考慮。咸旬項(xiàng)目中路線跨越的各處大溝,沖溝深且地質(zhì)條件差,區(qū)域內(nèi)廣泛存在著黃土滑坡、崩塌、落水洞等不良工程地質(zhì),特別是在黃土臺塬邊緣沖溝地帶,黃土沖刷剝蝕嚴(yán)重,就更增加了橋位選擇的難度。以下就通神溝、小花溝、姜源河等處的橋位方案進(jìn)行具體研究。1.1通神溝橋的位置選擇通神溝是連接潤鎮(zhèn)塬和十里塬的必經(jīng)之路,經(jīng)分析,走廊帶內(nèi)選擇了3個方案進(jìn)行比選,如圖1所示。(1)整體去那里從路線總體走向上分析,C方案最為順捷,但存在距十里塬鎮(zhèn)較遠(yuǎn)、互通連接線較長得問題,B方案繞行距離較長,A方案則較為適中。(2)地層對地質(zhì)條件的影響根據(jù)地質(zhì)調(diào)查,B方案在小樁號左側(cè)存在一處全新統(tǒng)滑坡堆積,對橋梁布設(shè)有一定影響;同時在大樁號側(cè),存在多處落水洞,地質(zhì)條件較差。C方案地質(zhì)情況和B方案相當(dāng)。A方案從兩條沖溝之間跨越,經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,該土梁頂寬80～100m,在橋位以外雖存在少量沖槽、落水洞,但整體穩(wěn)定性較好。(3)c方案方案3從地形上分析,B方案跨越通神溝角度相對最正,橋梁長度略短,但現(xiàn)有10kV高壓線與其平行,拆遷略大;C方案跨越通神溝處溝形較寬,橋梁長度較長,同時咸陽岸縱向沖溝對橋墩布設(shè)影響較大。經(jīng)綜合比選,取用A方案作為通神溝處的橋位方案。1.2小木橋的位置選擇小花溝是連接十里塬和土橋塬的必經(jīng)之路之一,經(jīng)過實(shí)地踏勘,反復(fù)研究后在走廊范圍提出了A、D兩個方案進(jìn)行橋位比選,如圖2所示。(1)最大直線長度從路線總體走向上分析,A、D兩方案相當(dāng)。但從路線平面指標(biāo)分析,A方案的小花溝大橋兩頭的平曲線半徑分別為1400m、1060m,而D方案為1100m、760m,A方案路線指標(biāo)更優(yōu)。A方案的最大直線長度為1801m,符合規(guī)范;而D方案的最大直線長度達(dá)到2534m,已大于規(guī)范要求的20倍設(shè)計(jì)速度(本項(xiàng)目設(shè)計(jì)速度按100km/h控制)。(2)滑坡穩(wěn)定調(diào)查A方案橋位路線在溝底小樁號側(cè)跨越一處全新統(tǒng)滑坡堆積體,經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,該滑坡現(xiàn)在已經(jīng)穩(wěn)定,現(xiàn)有少量崩塌跡象。D方案大樁號側(cè)山體邊緣附近發(fā)育兩處較大落水洞,且沖蝕嚴(yán)重,需增大橋梁跨徑進(jìn)行避讓。A方案工程地質(zhì)情況優(yōu)于D方案。(3)a方案3:向起伏大跨徑?jīng)_淤嚴(yán)重,沖淤陡固,坡面為陸A方案小樁號側(cè)坡面較齊整,便于橋梁布設(shè);大樁號側(cè)山坡有兩條沖溝,線位沿沖溝斜向穿過,地形橫向起伏大,對橋梁布孔影響較大。D方案位于A方案上游,小樁號側(cè)存在兩處大的落水洞,且溝底處邊坡陡立,沖蝕嚴(yán)重,對橋梁布設(shè)影響較大;大樁號側(cè)黃土梁較寬,坡面較齊整,但沖溝陡坎之上一定范圍內(nèi)黃土梁兩側(cè)存在崩塌現(xiàn)象,橋梁布孔需增大跨徑。經(jīng)綜合比選,取用A方案作為小花溝處的橋位方案。1.3姜園河大橋的位置選擇姜源河是連接十里塬和土橋塬的另一處必經(jīng)之路,經(jīng)分析,走廊帶內(nèi)存在兩個橋位方案,如圖3所示。(1)路線縱斷面分析從路線總體走向上分析,A方案較F方案更為順捷;結(jié)合路線縱斷面(篇幅關(guān)系,此處略去),從縱面指標(biāo)上分析A方案可避免連續(xù)上坡,路線縱坡較F方案更為舒緩。(2)洞穴對梁橋布孔影響A方案橋位大樁號側(cè)地形陡峭,溝頂發(fā)育多處落水洞,對橋梁布孔影響較大;F方案橋位大樁號側(cè)黃土梁較窄(最窄處25m左右),兩側(cè)沖溝發(fā)育,考慮到黃土長期沖蝕影響,工程地質(zhì)條件差。(3)方案的安全性分析從工程地質(zhì)情況分析,F方案黃土窄梁對于橋梁方案的布設(shè),存在潛在的安全性問題,A方案處設(shè)置橋梁更為安全。經(jīng)綜合比選,取用A方案作為姜源河處的橋位方案。2高墩大跨橋型設(shè)計(jì)原則橋梁結(jié)構(gòu)形式選擇應(yīng)充分考慮工程造價(jià)、國內(nèi)目前的施工技術(shù)及施工水平,以最大程度地保證工程質(zhì)量為前提。高墩大跨此類重要工程,橋梁選型同時還需做到不遺漏任何有比較價(jià)值的橋型方案,并結(jié)合橋址處實(shí)際地質(zhì)情況綜合考慮。僅從以上各處黃土沖溝實(shí)際斷面分析,適合該類地形的橋梁方案主要有:懸索橋方案、斜拉橋方案、拱—梁組合方案及連續(xù)剛構(gòu)方案等。2.1懸索橋施工難點(diǎn)目前,懸索橋被公認(rèn)為特大跨徑橋梁的主要形式,經(jīng)濟(jì)跨徑在500m以上。對于以上地形,其突出優(yōu)點(diǎn)在于:橋跨增大后可有效減少高墩數(shù)量,甚至取消高墩,但也存在以下缺點(diǎn):(1)施工工藝及施工監(jiān)控復(fù)雜。(2)懸索橋的堅(jiān)固性不強(qiáng)且抗風(fēng)穩(wěn)定性與其他類型大跨橋梁相比較差。(3)黃土區(qū)工程地質(zhì)條件差,重力式錨碇體積大,造價(jià)提升過快,工程成本過高。綜上分析,在跨越黃土溝壑地帶,該橋型方案并不理想。2.2懸索橋方案的不足一般來說,對于跨度200～700m的橋梁,斜拉橋具有相當(dāng)優(yōu)越的競爭能力,且其抗風(fēng)穩(wěn)定性比懸索橋好。該橋型方案不足之處在于:(1)索與梁或塔的連接構(gòu)造比較復(fù)雜,施工中高空作業(yè)較多,且施工控制等技術(shù)要求嚴(yán)格。(2)通過與梁橋造價(jià)相比,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)偏高。(3)斜拉索的防腐工作仍是當(dāng)今橋梁界正在研究的重要課題。綜上分析,在跨越黃土溝壑地帶,斜拉橋也不是一種較理想的橋梁方案。2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組合體系面臨的問題目前在高墩大跨橋梁方案上,為有效降低墩高,還存在有上承式剛性梁柔性拱與連續(xù)剛構(gòu)組合方案。剛構(gòu)和上承式拱橋組合體系,其受力介于梁橋和拱橋之間,集中了連續(xù)剛構(gòu)和拱橋的優(yōu)點(diǎn),理論上可以做到兩者完美結(jié)合。但該橋也有其不足之處。(1)國內(nèi)無成橋經(jīng)驗(yàn)且技術(shù)含量高,設(shè)計(jì)難度和施工風(fēng)險(xiǎn)較大。(2)后期施工當(dāng)中存在不可預(yù)料的費(fèi)用增加問題。綜上分析,考慮到設(shè)計(jì)、施工、安全、經(jīng)濟(jì)等多方面的因素,該方案不適用于本項(xiàng)目。2.4橋懸臂掛籃平衡施工分析從目前國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)分析,大多數(shù)跨越深溝的橋梁,連續(xù)剛構(gòu)方案具有較優(yōu)越的比較價(jià)值。(1)從受力性能上考慮,連續(xù)剛構(gòu)橋利用高墩的柔性來減小主梁跨中彎矩,同時減小橋墩尺寸。主梁0號塊底的雙肢構(gòu)造,對于主梁支點(diǎn)的負(fù)彎矩具有明顯的削峰作用,結(jié)構(gòu)受力合理,性能優(yōu)越。(2)從施工上考慮,連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂掛籃平衡施工技術(shù)成熟,操作相對簡單。(3)從經(jīng)濟(jì)上考慮,在大跨橋型方案中連續(xù)剛構(gòu)被普遍認(rèn)為是較經(jīng)濟(jì)的橋型方案,且不需要大噸位支座。綜上分析,本項(xiàng)目高墩大跨橋梁選型確定為連續(xù)剛構(gòu)(連續(xù)梁)方案。3合土區(qū)的黃土地區(qū)黃土殘塬區(qū)橋梁布設(shè)的重點(diǎn)在于合理避讓各類不良地質(zhì),譬如滑坡體、崩塌、陡坎、落水洞等,確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全。咸旬項(xiàng)目中的通神溝、小花溝、姜源河等均為V形或U形黃土溝,且溝壁較陡。其上分布的馬蘭黃土質(zhì)地松軟,垂直節(jié)理發(fā)育,陡坡處更易出現(xiàn)各類地質(zhì)病害。另外,黃土區(qū)受雨水沖蝕也不容忽視,小規(guī)模的沖溝及落水洞隨處可見。為保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全,橋梁布設(shè)中考慮以下兩點(diǎn):(1)盡量跨越不良地質(zhì)段落,陡坡上不宜設(shè)置墩臺,不去擾動原有黃土邊坡。(2)橋梁墩臺距陡坡或落水洞等邊緣宜保留一定安全距離,橋長采取“寧長勿短”的原則。經(jīng)實(shí)地踏勘,并對橋孔布置的控制因素進(jìn)行分析后,提出以上3處深溝的橋梁布設(shè)方案。3.1通神溝布孔方案(1)落水洞的測定①K60+688附近,橫向左中右側(cè)有4處大的落水洞,落水洞直徑1.5～3m。②K60+886～K60+937,沿橋縱向有一大的陡坎,傾斜角度為70°～90°。(2)跨不良地質(zhì)地段及黃土m和110m連續(xù)剛構(gòu)(連續(xù)梁)兩種橋型方案進(jìn)行比選,見表1。方案一及方案二橋跨布置均可跨越上述不良地質(zhì)地段及黃土陡坎,高跨比協(xié)調(diào),造型樸素大方;但方案二增加了大噸位支座,需要墩梁臨時固結(jié),施工難度較大,施工周期稍長。故取用方案一作為通神溝的橋梁方案。3.2小木溝布孔方案(1)斜拉索區(qū)k98①K68+403～K68+440及K68+602～K68+696,線位斜跨陡坎,且有崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生,傾斜角度65°～85°,該區(qū)間不宜設(shè)墩。②K68+696～K68+708,線位已斜跨大樁號側(cè)正向山坡陡坎,但左邊線左側(cè)處仍有傾斜角度約為75°的側(cè)向陡坎?？紤]到黃土區(qū)布墩的安全距離,此處不宜設(shè)墩。(2)橋型方案比選結(jié)合布孔控制因素綜合分析,本設(shè)計(jì)提出了主跨135m和110m連續(xù)剛構(gòu)(連續(xù)梁)兩種橋型方案進(jìn)行比選,見表2。方案一及方案二均可跨越上述不良地質(zhì)地段及黃土陡坎,高跨比協(xié)調(diào),造型美觀;但第二方案中第二主墩距黃土坎邊稍近,安全性與方案一相比稍差;且方案二主墩數(shù)量相對較多、主橋相對較長,費(fèi)用較高。故取用方案一作為小花溝的橋梁方案。3.3姜源河布孔方案(1)不設(shè)置墩平臺,重塑墩,大高出口,20202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020①K71+615～K71+765,線位斜跨小樁號側(cè)山坡的正向及側(cè)向兩側(cè)陡坎,傾斜角度65°～85°,高差達(dá)90m左右,此范圍內(nèi)不宜布墩。②K72+160～K72+205,線位斜跨大樁號側(cè)山坡左側(cè)的側(cè)向陡坎,傾斜角度85°～90°,高差達(dá)80m左右,且分布多處落水洞,不宜設(shè)墩。(2)方案對比及分析結(jié)合布孔控制因素綜合分析,本設(shè)計(jì)提出了主跨165m和140m連續(xù)剛構(gòu)(連續(xù)梁)兩種橋型方案進(jìn)行比選,見表3。方案一及方案二均為中等跨連續(xù)剛構(gòu)—連續(xù)梁組合體系,造型樸素大方,橋面視野開闊,且布孔中合理避讓了上述控制段落。但方案二跨越不利地形時較為勉強(qiáng),上坎后的橋梁主墩仍處于四面三側(cè)為陡坎的小平臺上,考慮到黃土梁受雨水沖蝕嚴(yán)重,橋墩安全性較低同時施工空間較小,施工難度相應(yīng)增大。故取用方案一作為姜源河的橋梁方案。4設(shè)立獨(dú)立的排水系統(tǒng)由于黃土土質(zhì)的特殊性,黃土易受水流沖蝕而形成新的不良地質(zhì),從而產(chǎn)生更多不利于橋梁安全的因素。而且受新建橋梁構(gòu)造物的影響,原有黃土區(qū)的排水系統(tǒng)也將發(fā)生改變。此時橋梁方案必須與排水方案進(jìn)行綜合考慮,最終確定橋梁方案的合理性。對于跨越黃土沖溝的橋梁,將考慮采用以下方案解決橋梁與排水的綜合問題。(1)為避免成橋后橋面泄水管產(chǎn)生的集中水流直接沖蝕黃土坡面,根據(jù)橋梁的實(shí)際橫坡,在橋面較低的一側(cè)設(shè)置縱向排水管,將橋面水集中到某一墩位處,并設(shè)置豎向排水管將水沿墩柱送入橋下設(shè)置的排水溝內(nèi),進(jìn)一步遠(yuǎn)送至橋梁范圍外。(2)位于黃土坡上的橋梁墩、臺,設(shè)置一定數(shù)量的橫向截水溝,攔截坡面水,并將水匯集至橫向排水溝后遠(yuǎn)送至橋梁范圍外,減少水流對橋梁下部結(jié)構(gòu)的沖刷。(3)距離橋墩較近的落水洞,采用回填壓實(shí)進(jìn)行處理,并在洞口上游側(cè)設(shè)橫向截水溝,阻止流水重