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复杂地质条件下高速公路大型桥梁桥位及 桥型选择的研究

时间:2024/4/24 8:19:01   作者:未知   来源:交通科技与管理   阅读:24   评论:0
内容摘要:唐 毅(四川省交通勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610017)摘要 在山区高速公路建设中,桥梁往往面临复杂的地质环境,这就对桥位及桥型的选择提出了较高的要求。此次研究以G4216线屏山新市至金阳段高速公路大河坝特大桥为例,论述了在复杂地质条件下,在不同阶...
唐 毅
(四川省交通勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610017)
摘要 在山区高速公路建设中,桥梁往往面临复杂的地质环境,这就对桥位及桥型的选择提出了较高的要求。此次研究以G4216线屏山新市至金阳段高速公路大河坝特大桥为例,论述了在复杂地质条件下,在不同阶段,采用多种综合勘察手段,论证桥梁桥位及桥型选择的过程。对复杂地质条件下大型桥梁桥位及桥型的选择提供一定参考。
关键词 高速公路;大型桥梁;复杂地质条件;桥位及桥型的选择
中图分类号 U418.6  文献标识码 A  文章编号 2096-8949(2024)03-0133-03
0 引言
随着越来越多高速公路项目在自然条件相对恶劣的山区开展,桥梁建设过程中往往面临山高坡陡,沟宽谷深的地形条件以及各种复杂的地质问题,如何尽可能地规避地质隐患,合理有效地选择桥位桥型,在安全性和经济性之间[1]做出合理选择,对于桥梁的建设施工及后期的运营安全有着至关重要的作用。
该文以G4216线屏山新市至金阳段高速公路的大河坝特大桥为例,展示了在复杂地质条件下,通过不同阶段、不同勘察手段的综合应用,最终选取相对合理的桥位及桥型方案的过程。
1 初步设计阶段桥位不利地质因素分析
大河坝特大桥位于金阳县热水河乡西衙门村,为跨越泥石流冲沟而设。在初步设计阶段有两个比选方案,方案一的桥位拟设于既有的省道尺卢沟桥的外侧,尺卢沟沟口处,主桥上部结构拟采用85 m+180 m+85 m的连续刚构结构;方案二的桥位则位于既有的省道尺卢沟桥内侧的沟谷地带,上部结构拟采用55 m+100 m+55 m连续刚构。在确定桥位之前对影响桥位选择的重大地质问题进行了分析。
方案一桥位位于冲沟沟口,据钻探揭示,桥梁的桥位两岸斜坡均有深厚的覆盖层,最大厚度可超过40 m。由于桥梁跨越的尺卢沟沟口属金沙江溪洛渡库区洄水范围,两岸斜坡受冲刷及水位涨跌的影响,覆盖层已发生部分塌岸,如图1所示,随着库岸再造的进一步发展,塌岸范围将继续扩大。根据专题研究成果,最大塌岸范围可达34 m[2]。拟设桥墩主跨位于最高蓄水位的水边线附近,处于库区塌岸影响范围内。由于桥墩主要考虑承受竖向荷载,水平抗力较弱,哪怕发生较小的变形,对于位移变形要求较高的刚构桥梁来说,也是无法承受的,因此方案一存在影响桥位的重大地质隐患。


图1 下游桥位处的塌岸

方案二桥位位于冲沟上游地带,此处离沟口较远,不存在库岸再造引发的塌岸问题,桥位此处更贴近陡坡地带,通过调查发现,其小里程端桥台位于一沟槽附近,如图2所示,是上部崩塌落石沟槽汇集地带,在此设置桥台,将受到崩塌的强烈影响。而大里程端桥台虽位于缓坡处,但实际该缓坡是上方陡壁危岩体崩落后堆积形成,据钻探揭示,该崩积体厚达22 m,且有架空现象,密实程度差,坡表可见直径5 m左右的大孤石[3],稳定性不高。陡壁新鲜的崩塌痕迹及陡坡上新鲜的崩落槽说明,该处危岩新近发生过崩塌。故方案二亦存在影响桥位的重大地质隐患。
综上,初步设计的两个比较方案,由于均存在影响桥位的重大地质隐患,且难以进行有效处治,桥位均不理想。


图2 上游桥位处的落石槽

2 施工图阶段桥梁方案的确定
2.1 桥位的调整及桥型的选择
在常规情况下,施工图阶段的桥位是在初步设计阶段拟设的桥位基础上进行局部调整,但在充分评估了初步设计方案存在的地质隐患后,认为初步设计方案无法规避库岸再造或崩塌影响,在施工图设计阶段,果断放弃了初步设计阶段的桥位方案。
施工图阶段在初设两方案之间选择了一处桥位,对于初设方案面临的不良地质问题,施工图方案都做了一定程度上的规避。
相对初设阶段的方案一桥位,施工图桥位位于冲沟的流通区,尽管小里程端桥台也有部分位于预测塌岸线内,但由于位于塌岸线边缘,受到的影响相对较小。
相对初设阶段的方案二桥位,施工图桥位小里程端桥台也受到危岩崩塌的影响,但不存在落石归槽现象,崩塌更易防治;大里程端桥台相对初设方案来说,距离崩积坠更远,缓冲段落更长,相对来说,亦更为安全。
就桥型而言,由于跨度及高差均较大,若在陡坡地带设置桥墩,会受库岸再造影响,且存在难以搭建施工平台的困难。故在桥型的选择中,采用了拱桥方案,在两岸设置拱座,一跨跨越沟道。
2.2 桥位方案的进一步论证及确定
在初步确定了桥跨方案后,进行了验证性钻孔。钻孔的目的在于查明桥梁拱座范围内覆盖层厚度,基岩类型及是否存在软弱夹层等。而对于该桥梁,根据区域地质资料,莲峰断裂的一条分支断裂可能在桥位区附近经过,但在地表的出露迹象不明显。故揭示断层物质,确定断裂影响带宽度及走向,也是验证性钻孔实施的一个重要目的。
在初拟桥位小里程端拱座附近布设的部分验证性钻孔表现出全孔段的岩质炭化或粉末化[4],结合初勘阶段的钻探成果,综合确定初拟桥位小里程端拱座位于断层破碎带。如图3所示,断层破碎带中的岩体极为破碎,岩质极软。该桥梁跨度达到了360 m,拱座将承受较大的水平及竖向荷载,若在此处设置拱座,地基提供的反力及产生变形将难以满足设计需求。

图3 钻孔中揭示的岩质炭化现象

另外根据《G4216线金阳至攀枝花段高速公路重点地震安全性评价报告》[5]:莲峰断裂具备晚第四纪活动性,最大发震能力为6.5级。说明该断裂存在一定的发震潜力,一旦发生地震,对于桥梁结构有较大影响。
由于受断裂带影响,初拟桥位拱座设置位置不是理想的选择。通过初勘及详勘钻孔成果,结合区域地质资料,在基本确定断裂带边界后,将桥位轴线旋转了30 °左右。桥位旋转后,桥梁拱座避开了断裂带边界,其基础可埋置于相对完整的白云岩岩体中。
结合区域地质资料收集、地表调查、三维倾斜摄影、钻探等多种勘察手段,经过两阶段设计的充分论证,如图4所示,最终确定了桥跨走向,规避了大部分对桥梁安全造成影响的不良地质及断层,达到了预期效果。


图4 两阶段设计各比选桥位方案示意图

2.3 桥梁基础形式的优化及确定
在关键的桥跨方案选定后,考虑该桥为一跨360 m的中承式钢管混凝土拱特大桥,其上部荷载通过拱座传递给地基,对地基提供的反力要求极高。故需对桥梁拱座基础形式进行研究,以期达到最佳承载效果。
最初拱座的基础形式为阶梯状,该基础形式可增大基底与周边岩体的摩擦力;但不利之处在于,当跨径及荷载较大时,在阶坎边缘易形成应力集中,造成阶坎处结构的压裂,严重时可能造成基础失效。但应如何选择具体的形式,不同的地基岩性又有不同选择。
对于小里程端拱座,地基为白云岩,属硬质岩,承载力满足设计需求,如图5所示,将拱座后截面调整为斜面,垂直于拱架传力方向,可使地基岩体充分受力的同时,又避免了应力集中。
对于大里程端拱座,地基为泥灰岩、粉砂岩等,属软质岩,力学强度较低。因此,该端拱座采用了斜桩+竖桩的组合形式,如图6所示,将拱座的受力面扩大,充分利用了拱座基础与周边岩体的摩阻力。
3 桥位桥型选择过程的总结
通过以上实例,可总结出在复杂地质条件下桥梁桥位及桥型选址的论证过程,梳理出相关流程图,如图7所示。


图5 小里程端拱座基础优化前后对比


图6 大里程端拱座基础优化前后对比
4 结语
(1)山区公路建设中,地质问题是影响大型桥梁桥位及桥型选择的重要因素,切不可忽视。
(2)初步设计阶段主要任务是做桥梁方案的比选,当地质问题影响桥位选择时,应果断放弃对应桥位方案。若所有比选方案均存在不良地质时,则应在施工图阶段重新选择桥位。
(3)施工图阶段主要任务是进行桥位桥型的优化及进行桥梁基础形式的选择。应进一步查明影响桥梁的不利地质因素,对于大型桥梁,必要时仍需进行桥位调整。大型桥梁荷载需求较高,应根据受力模式及地基岩土性状进一步确定基础方案及持力层。
(4)对复杂地质条件下大型桥位桥型的选择研究是一个逐步深入、循序渐进的过程。应采用多种手段进行综合研究,只有在进行充分论证后,才可确定最终方案。
参考文献
[1]方健, 鲁志强, 尹小涛, 等. 基于区域和工程稳定性的绿汁江大桥选址方案论证研究[J]. 河北工业大学学报, 2019(4): 74-83+90. 
[2]吴锦超, 刘良春, 唐波, 等. G4216 线屏山新市至金阳高速公路两阶段施工图设计地质灾害风险性评估专题报告[R]. 眉山:地矿眉山工程勘察院, 2019. 
[3]魏安辉, 王昌念, 汪传琪, 等. G4216线屏山新市至金阳段高速公路大河坝特大桥初勘报告[R]. 成都:四川省公路规划勘察设计研究院有限公司, 2018. 
[4]唐毅, 崔建凯, 姚强, 等. G4216线屏山新市至金阳段高速公路大河坝特大桥勘察报告[R]. 成都:四川省交通勘察设计研究院有限公司, 2021. 
[5]何玉林, 何强, 亢川川, 等. G4216线金阳至攀枝花段高速公路重点工程场地地震安全性评价[R]. 成都:四川赛斯特科技有限责任公司, 2015. 

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