山区高速公路桥梁设计要点浅析
发布时间：2021-11-13 来源: 作者：
我国山区包括山地、丘陵和崎岖的高原，面积为663.6万平方公里，约占全国面积的2/3，远多于平原，主要分布在东北、西北、西南和东南等地区。改革开放特别是党的十八大以来，我国交通运输行业发展迅速，一方面山区地大面广，由于地形崎岖，地质环境复杂，铁路建设难度高，成本巨大，因此公路运输成为主要的运输方式。另一方面，山区经济落后，但是物产丰富，高速公路的建设更有利于人员、物资流动，大力推动商业、旅游等第三产业的发展。
一、山区高速公路控制因素
山区地势起伏大，森林和矿产资源丰富，水文条件复杂，路线方案应按地形选线、地质选线、安全选线、环保选线布设方案，以“安全、经济、环保、舒适、适用”为原则，充分考虑环境制约问题。山区高速公路发展初期，普遍认为山区工程地质条件好，项目初期尚未察觉地质灾害的严重性，只能在建设期间对已经发生的地质病害采取被动处治，加大了项目的成本和安全隐患。
山区存在大量不良地质，主要包括河流冲刷、滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、顺层边坡、岩溶等，对规模大、分布广、治理难的不良地质和特殊性岩石地带，选线时应尽量避让，必须通过时，应选择影响最小的位置设置构造物，并采取必要的治理措施。山区河流落差大、水流急，水面较窄，水能丰富，高速公路往往沿水系布线，并多次跨越河流，桥位应选在河道顺直、水流稳定且地质条件较好的河段。山区生态红线范围大，国家及省级公益林多，路线布设往往不能完全避让，加强项目论证，对不能避绕的路段，要减少穿越里程，加大桥梁跨径，加强生态修复，做到无害化穿越。山区项目在河谷布线，不可避免地占用呈点状、片状分布的基本农田，选线应与农田基本建设相配合，最大程度地节约土地、保护耕地。路线遇到不可避让的自然保护区时，为了不影响核心区自然环境和保护对象，一般采用隧道形式穿越。当高速必须穿越水源保护区时，采取必要措施保护水源地安全，施工过程中保证清水截流排走，污水进入处理系统。并且沿线详细调查电力电讯设施、城镇规划、机场规划、铁路规划、文物及军事设施，考虑对本项目的影响，采取相应措施。
二、桥型选择
山区高速公路桥梁路线选址复杂，海拔快速爬升，地形狭窄陡峭、沟壑纵横，地貌类型复杂，横断面应灵活选用。一般地形相对平坦、自然横坡较缓的路段，一般采用整体式路基断面；隧道宜采用分离式路基断面，条件受限的短隧道路段可采用整体式路基断面；而地形陡峭路段，采用分幅设计，经技术经济比较后可采用分离式路基断面，或采用半路半桥、半路半隧的断面形式。
山区地形险峻，构造物设置较多，桥隧比达到了70%以上，施工难度大。为了施工方便、造价经济标准化、缩短项目周期，一般的大、中桥梁采用预制装配式结构。当跨径≤16m时采用简支密排T梁桥面连续结构；当跨径在20～45m之间时，优先采用装配式T梁，先简支后连续结构；桥梁跨越较宽、较深的山谷时，宜选用预应力混凝土连续刚构或连续梁桥，但跨径不宜大于200m；跨越山区典型的V形沟谷且地质条件较好时，可采用大跨径钢筋混凝土拱桥；跨越特宽、特深沟谷时，可采用悬索桥、斜拉桥等。多孔梁桥布设选用多个桥方案时，应综合考虑上、下部结构及基础综合分析比较，选取合理的梁桥布置形式。特长大桥、大跨桥和特殊立交桥一般应做桥型方案比较，提供两个或两个以上桥型方案的工程数量和造价。
三、桥梁上部结构
对于一般的中小跨径中小桥梁、位于大半径路段的特大桥和大桥，桥梁结构形式应考虑标准化设计，以简化设计和施工，尽可能采用同一种跨径，对于多孔长桥，桥梁孔径布置也可采用两种跨径组合，并考虑施工工艺的可行性。跨径与墩高的关系按桥梁美学原则，一般应选择比值为0.618-1.0之间。根据设计经验，考虑工程数量和造价，平均墩高小于20m的中小桥，宜采用密排T梁，平均墩高小于20m的大桥，应对采用20m标准跨径与30m标准跨径进行经济比较，平均墩高20～40m，宜采用30m标准跨径；平均墩高40～70m，宜采用40m标准跨径。对于平曲线半径较小、多跨大中桥梁，若采用装配式标准跨径，势必会面临曲率半径的影响，内外梁长度不等，造成预制梁长度种类繁多，堆放预制梁需要很大的场地，对“地无百米平”的山区确实是难以解决的问题，这时可以考虑通过加大帽梁，加大封锚或加长现浇段的方法解决。桥梁的分孔和造价关系密切，跨径越大，孔数越少，上部结构的造价就越大，墩台造价就越小；反之，墩台造价提高，而上部结构的造价降低。另外，当根据实际情况选取跨径小的标准跨径时，若下部构造工程量较大，应与现浇结构进行技术经济比较。
四、桥梁下部结构
桥墩：一般梁桥墩高不大于40m时采用双柱式圆柱墩，可以保证各向同性，避免应力集中。墩高大于40m且不是个别现象时可采用矩形墩或空心薄壁墩，矩形墩可以通过截面形状和钢筋配置解决抗弯刚度问题，空心薄壁墩的抗扭惯性矩较大，作为高墩稳定性好，自重轻，避免浪费。位于较陡横坡上的桥墩，为减少基础间的干扰，可采用半幅独柱或整幅双柱式墩进行比选。承台或桩顶横系梁设计原则上应埋入原始地面以下，但当地面横坡较陡峻时，桩顶横系梁可设为中空式。一般原则为：横向两柱地面线差3m以内时，两柱埋入地下，桩顶高程一致；地面线差3m～6m以内时，一侧桩顶可埋入，另侧桩顶可露出地面，桩顶高程一致，两桩间设横系梁；地面线差6m以上时，两桩顶均按所处位置埋置，桩顶高程不一致，系梁为柱——桩系梁，以减少对自然环境的破坏。当基岩裸露或上覆盖层地质条件良好、且墩高不超过10米、跨径不超过25米时，可取消桩顶横系梁，以降低工程造价。当覆盖土层较薄的嵌岩桩，应适当增加嵌岩深度，保证桩基稳定。山地地面横纵坡度较大时，桩基的有效长度和有效嵌岩深度如图一所示。大跨径连续刚构或连续梁桥桥墩高度控制在150m，中间高墩采用墩梁固结形式，利用其柔性来适应桥梁的纵向变形。
图一 嵌岩桩有效长度和有效嵌岩深度
桥台：山区高速公路桥台可采用重力式桥台、埋置式轻型桥台（肋板式、桩柱式）等形式。埋置式轻型桥台是将台身埋在锥形护坡中，抗推能力较差，在水平力作用下位移较大，当桥台填土高度较大(H≥5m)或台前边坡较陡无法设置锥坡时不宜采用；对于长联、大纵坡桥，为减少长期荷载作用累积变位，也不宜采用桩柱式台。重力式U形桥台是就地建筑的整体式重型结构，结构简单，主要靠自重来平衡台背后的土侧压力，适用于填土高度8—10m或跨度较大的桥梁。当地质较差时，常在U形台下设置桩基。
基础：桥梁基础的选择应该根据地质、地形条件，在保护环境、保证安全的前提下，合理选择基础形式。山区高速公路桥梁一般可采用扩大基础和桩基础。扩大基础和承台群桩基础开挖面积大，在山区容易引起边坡稳定问题，故较陡边坡上一般不采用。桩基础分为嵌岩桩和摩擦桩，根据地质情况确定类型。水下基础的选择应根据工程水文地质条件、施工工艺、工程造价等因素，选取经济合理的形式。
总之，山区地形地质变化多端，自然环境复杂，布设构造物时要充分考虑各种因素，结合工程造价及安全问题，优化设计。（刘尧）
（审核专家 王一臣）
