山区高速公路沿河段桥梁设计探讨

王 波

（中国公路工程咨询集团有限公司， 北京 100097）

0 引言

湖南省武冈（城步）至靖州公路是湖南省高速公路网规划的重要组成部分，是一条“生态路、环保路、旅游路、景观路”，地处邵阳市境内（终点局部路段在怀化市靖州县、通道县境内），路线呈东西走向连接包茂国家高速公路湖南境怀化至通道（湘桂界）段和洞口至新宁高速公路。项目工程技术难点多，其中，巫水河河道狭窄，两侧山势陡峻，是项目的控制性路段。我院设计的第二合同段内的梅口巫水特大桥和石江坪巫水大桥两座桥梁跨越巫水，下面以梅口巫水特大桥为依托进行沿河段桥梁设计探讨。

1 桥位比选

巫水河无通航要求，考虑到能标准化设计与施工，不采用大跨结构，桥位应服从路线总体设计。桥位比选即路线总体方案比选，在巫水河路段，初测咨询建议线位沿巫水河北岸布设，尽量不下河，该方案存在的缺点是靠山布设后路线右侧高达200m深切方，边坡处理困难。初测评审意见认为，该段路线还可以往巫水方向移动，消除深切方。初步设计阶段对该路段方案进行了反复比选论证，针对初测线位经过矮子寨深切方高达200m，为消除深切方，结合地质资料，采用连拱隧道穿越山体，沿巫水河北岸布设路段线位尽量靠山布设，在满足边坡稳定性的基础上，尽量减少水中墩，减少对巫水河的干扰。鉴于此，结合评审意见以及咨询意见，拟定了B9线方案与K线方案进行比选。K线和B9线路线方案见图1。

图1 K线与B9线路线方案图

1. 路线指标的比较

两方案平纵面线形指标，K线平面指标较高，纵面指标相当。K线建设里程比B9线长63m。

2. 工程规模比选

K线方案桥梁长度较B9线短754m，隧道长度较B9线长1063m，土石方数量较B9线少24.9万m3，造价概算较B9线多282.7万元。

3. 对巫水河的干扰

B9线沿巫水河河道布设，巫水河河道狭窄，桥梁方案占了部分巫水河河道，且顺河布设，对河道的泄洪有较大的影响，另外在 B9K24+000～B9K25+000路段巫水北岸河岸线横坡变化幅度异常，缓坡、陡坡交错，也有悬崖峭壁出露，地表沟谷发育，现场可明显看到多条深沟顺山而下，有在暴雨季节山洪冲刷痕迹。这样的地形对桥梁下部构造的布置难度极大，基本没有设置路基的条件。实施阶段对山体的破坏也难以避免；K线方案在巫水河北岸的矮子寨跨越巫水河，对巫水河干扰较小。

4. 巫水河桥位

K线方案与B9优化方案相比，河道断面平缓，实测水深15m左右，对行洪的影响较小。B9线沿着巫水河北侧靠山边布线，水中墩较K线多，施工费用较高。V型河道断面陡峭，左右幅桥墩墩高差异明显。两方案相比，K线桥位优于B9优化方案。

5. 后期运营管理费用

B9线隧道长248m，K线方案沿巫水河南侧采取隧道通过，隧道长1311m，后期运营维护费用高K线较高。经征求主管部门意见，意见认为B9线占河多，影响行洪，同意K线方案。

综上所述，K线方案优点体现在对巫水河的干扰小、巫水河桥位好，相关主管部门同意，缺点体现在隧道较长，造价高，后期运营管理费用较高，同时受地形条件限制，隧道弃渣相比于 B9线运输困难，初设阶段主要考虑B9线造价省，后期运营管理费用较低，推荐采用B9线方案。施工图设计阶段梅口巫水特大桥采用B9线位走廊，桥位平面图见图2。

图2 桥位平面图

2 桥型方案

梅口巫水特大桥沿巫水右岸布置，全桥左半桥共 8联：4x30+6x(6x30)+4x30，全长1328.8m，右半桥共8联：4x30+5x(6x30)+2x(4x30)，全长1268.8m；上部结构采用预应力砼连续T梁，先简支后结构连续，正交90°布置。桥台采用桩柱台，考虑到减少施工时对巫水岸坡的影响，桥墩采用4.8m的小间距柱式墩，基础均采用桩基础。本桥起点顺接矮子寨隧道，1～4孔桥梁横断面分离式渐变，其余孔按整体式断面设计。左右幅设计高不同，典型横剖面见图3。

图3 典型横剖面图

3 设计重点

本桥上构采用通用图设计，桥墩采用柱式墩，相关设计技术非常成熟，限于篇幅，不作分析，因桥位位于梅口村巫水V形谷口进入巫水右岸，并沿右岸布线。桥位区地形起伏大，河岸堆积岸与冲刷岸交织，桥梁桩基在斜坡上，桥梁设计重点是斜坡桩基承载力、桩基施工时保证边坡稳定的技术措施及山体防护。

1. 桩基承载力计算

（1）摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值计算方法

摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值[Ra]，按下列公式计算：

（2）嵌岩桩单桩轴向受压承载力容许值计算方法

端承桩单桩轴向受压容许承载力[Ra]，可按下列公式计算：

（3）斜坡桩基承载力计算注意事项

斜坡桩基范围为桥侧原地面坡陡于 25 或现场施工开挖等因素影响后桥侧地面坡陡25º的桩基，并采用以下原则控制：

①桩基有效长度应扣除冲刷、开挖等项，并考虑有效覆盖层起算点等因素后的桩基总入土长度。

②有效覆盖层起算点：按桩侧净襟边2倍桩径且不小于3m取用。

③摩擦桩有效桩长：桥台按12m控制，桥墩按20m左右控制。

④端承桩有效桩长按10m控制。

（4）摩擦桩设计

对本桥摩擦桩桩基，设计进行了逐一计算，摩擦桩单桩承载能力富裕系数均按大于1.2考虑。

（5）嵌岩桩设计

梅口巫水特大桥大部分桩基类型为嵌岩桩。计算时首先对岩石饱和抗压强度frk为10Mpa和15Mpa的嵌岩桩进行试算，目的是为了得到在满足桩基承载力安全系数＞1.2时，不同种类桥墩桩基需勘入基岩的最小深度。计算结果整理见表2～3：

表2 frk=10Mpa时最小嵌岩深度

表3 frk=15Mpa时最小嵌岩深度

（6）山体下滑力对斜坡桩基的影响

山体的滑移会对斜坡上桩基产生下滑力的作用，因此需对山体下滑力对斜坡桩基承载力的影响进行计算。计算选取5号墩右半桥、9号墩右半桥、22号墩右半桥斜坡桩基进行计算，受力示意图见图4，桩基所受下滑力见表4。

图4 斜坡桩基考虑下滑力受力示意图

表4 桩基所受下滑力

根据以上下滑力计算得到最不利截面的桩基最大弯矩及轴力见表5。

表5 考虑下滑力最不利截面的桩基最大弯矩及轴力

经计算，在最不利弯矩和轴力组合作用下，桩基只需构造配筋就可满足受力要求，故当考虑下滑力对斜坡桩基影响时承载力能满足受力要求。

2. 斜坡桩基边坡稳定的技术措施

斜坡桩基施工开挖施工平台会对附近的山体造成扰动，从而影响山体的稳定性。斜坡山体的稳定因素包含很多，如地质、水文、施工扰动等。从施工方法的选择和必要的防护方面处理是解决斜坡山体稳定的有效方法。下面就施工方法的选择和山体的防护方面介绍斜坡桩基施工的技术措施。

（1）施工方法的选择

①人工挖孔：对于地质条件允许，桩长不太长的斜坡桩基推荐首先采用人工挖孔桩。人工挖孔桩有以下优点：需要的工作面宽的小，一般情况下的人工挖孔桩施工工作面宽度2m即可，而钻孔桩则需10～12m；对附近山体的扰动小；节约施工成本。

②钻孔灌注桩：地质情况不允许，桩长很长的情况下，人工挖孔桩已经不具备优势，此时可以选择钻孔灌注桩。由于钻孔桩需要的工作平台大，而且钻孔中钻机等机械的扰动对山体影响较大，这就要求施工中合理布置以减小施工平台。另外一般的钻孔灌注桩需要配置泥浆池，施工中必须控制好施工排水和泥浆池中的泥浆，防止水或泥浆侵蚀山体，造成山体的不稳定。

（2）防护措施

①根据测量放样，按边线根据地质情况确定的合适的边坡比例下挖（本桥一般按1：0.5控制），开挖至桩基钢筋顶为准，严禁超挖；为了便于排水，施工平台地面内高外低，平台上设排水沟，严禁施工场地受水侵蚀。当开挖立面高度小于3m时，一般采用37cm（片石）砌筑防护，下部设30x30cm断面的砼基础；立面开挖高度大于3m时，一般采用C25细粒式喷锚钢筋砼防护。沿现有开挖立面砼厚度不小于8cm。待砌筑或喷锚合格完成防护后再进行桩基施工。我院设计的第二合同段内大部分斜坡桩基属于此类情况，可根据具体现场施工条件控制，防护示意图见图5。

图5 斜坡桩基施工防护示意图

3. 右侧山体SNS主动防护

梅口巫水特大桥右侧山体坡度较陡，岩体节理裂隙发育，在地表水冲刷，人类工程活动等情况下，边坡岩土体易产生坍塌、碎落。设计针对有潜在危岩落石的山体采用SNS主动防护，主动防护系统是以柔性钢绳网系统覆盖有潜在危岩落石的坡面，每张钢绳网与四周支撑绳间用缝合联结并进行预张拉，该预张拉工艺能使系统对坡面施以一定的法向预紧压力，从而提高表层危岩体的稳定性，阻止崩塌落石的发生。同时，在钢绳网下铺设小网孔的六边形双绞合钢丝网，以阻止小尺寸岩块的崩落或限制局部岩土体的破坏。

图6 SNS主动防护系统布置图

4 结语

巫水沿河段走廊带狭窄，而离河较远的山势起伏很大，整个区域没有较好的可供通过的走廊带。梅口巫水特大桥桥位服从路线总体设计，巫水河岸陡峭，桥位半幅位于水中，半幅位于岸上斜坡，水中、陆上墩的桩处于斜坡面上，为确保桥梁的安全性和稳定性，施工图设计时，该桥斜坡桩基从保证襟边的承载力、斜坡桩基施工技术措施及山体防护等方面做了精细化设计。同时巫水河两岸风景优美，采用左右幅设计高不同的纵断面，能更好的适应地形，桥梁景观效果好。水下桩基设计了钢护筒，目的是防止浇注砼时漏浆、漏砼。