黄土残塬区高墩大跨桥梁桥位方案研究

黄土残塬区高墩大跨桥梁桥位方案研究

黄土残滩区的地形特征一般为：场地小，高原周围沟壑纵横，地形破碎。纵向速度比黄土干高，高原起伏，形状多样。其间可能还广泛存在有黄土滑坡、崩塌等不良工程地质,对于黄土冲刷剥蚀较为严重的区域,将形成一些冲槽、洞穴、漏斗、小冲沟及土柱等,对桥梁安全具有潜在的危害。咸阳～淳化～旬邑高速公路淳化～旬邑段(以下简称“咸旬项目”)即是以该地形地貌为主。其中淳化境内黄土塬被通神沟、小花沟、姜源河等大沟所分割,桥高达120～150m,路线跨越黄土冲沟布设高墩大跨桥梁将不可避免。本文以此项目为背景,对咸旬项目所处黄土残塬区的高墩大跨桥梁展开桥位及桥型方案的研究,以保证最终选用“安全、经济、合理、美观”的桥型方案。1桥位选择的影响桥位是控制桥梁工程规模及桥长的关键因素,也是控制桥梁总造价的主要因素之一。桥位选择总体指导思想是根据地形、地质、水文及路线总体走向等情况综合判断,尽量选择在河道顺直,地形、地质条件好,岸线稳定且最窄处,以使工程规模最小化。黄土残塬区的桥位选线,则需更加重视各种不良工程地质,切实将路线总体、地质情况和桥梁设计有机结合在一起,进行综合考虑。咸旬项目中路线跨越的各处大沟,冲沟深且地质条件差,区域内广泛存在着黄土滑坡、崩塌、落水洞等不良工程地质,特别是在黄土台塬边缘冲沟地带,黄土冲刷剥蚀严重,就更增加了桥位选择的难度。以下就通神沟、小花沟、姜源河等处的桥位方案进行具体研究。1.1通神沟桥的位置选择通神沟是连接润镇塬和十里塬的必经之路,经分析,走廊带内选择了3个方案进行比选,如图1所示。(1)整体去那里从路线总体走向上分析,C方案最为顺捷,但存在距十里塬镇较远、互通连接线较长得问题,B方案绕行距离较长,A方案则较为适中。(2)地层对地质条件的影响根据地质调查,B方案在小桩号左侧存在一处全新统滑坡堆积,对桥梁布设有一定影响;同时在大桩号侧,存在多处落水洞,地质条件较差。C方案地质情况和B方案相当。A方案从两条冲沟之间跨越,经现场调查,该土梁顶宽80～100m,在桥位以外虽存在少量冲槽、落水洞,但整体稳定性较好。(3)c方案方案3从地形上分析,B方案跨越通神沟角度相对最正,桥梁长度略短,但现有10kV高压线与其平行,拆迁略大;C方案跨越通神沟处沟形较宽,桥梁长度较长,同时咸阳岸纵向冲沟对桥墩布设影响较大。经综合比选,取用A方案作为通神沟处的桥位方案。1.2小木桥的位置选择小花沟是连接十里塬和土桥塬的必经之路之一,经过实地踏勘,反复研究后在走廊范围提出了A、D两个方案进行桥位比选,如图2所示。(1)最大直线长度从路线总体走向上分析,A、D两方案相当。但从路线平面指标分析,A方案的小花沟大桥两头的平曲线半径分别为1400m、1060m,而D方案为1100m、760m,A方案路线指标更优。A方案的最大直线长度为1801m,符合规范;而D方案的最大直线长度达到2534m,已大于规范要求的20倍设计速度(本项目设计速度按100km/h控制)。(2)滑坡稳定调查A方案桥位路线在沟底小桩号侧跨越一处全新统滑坡堆积体,经现场调查,该滑坡现在已经稳定,现有少量崩塌迹象。D方案大桩号侧山体边缘附近发育两处较大落水洞,且冲蚀严重,需增大桥梁跨径进行避让。A方案工程地质情况优于D方案。(3)a方案3:向起伏大跨径冲淤严重,冲淤陡固,坡面为陆A方案小桩号侧坡面较齐整,便于桥梁布设;大桩号侧山坡有两条冲沟,线位沿冲沟斜向穿过,地形横向起伏大,对桥梁布孔影响较大。D方案位于A方案上游,小桩号侧存在两处大的落水洞,且沟底处边坡陡立,冲蚀严重,对桥梁布设影响较大;大桩号侧黄土梁较宽,坡面较齐整,但冲沟陡坎之上一定范围内黄土梁两侧存在崩塌现象,桥梁布孔需增大跨径。经综合比选,取用A方案作为小花沟处的桥位方案。1.3姜园河大桥的位置选择姜源河是连接十里塬和土桥塬的另一处必经之路,经分析,走廊带内存在两个桥位方案,如图3所示。(1)路线纵断面分析从路线总体走向上分析,A方案较F方案更为顺捷;结合路线纵断面(篇幅关系,此处略去),从纵面指标上分析A方案可避免连续上坡,路线纵坡较F方案更为舒缓。(2)洞穴对梁桥布孔影响A方案桥位大桩号侧地形陡峭,沟顶发育多处落水洞,对桥梁布孔影响较大;F方案桥位大桩号侧黄土梁较窄(最窄处25m左右),两侧冲沟发育,考虑到黄土长期冲蚀影响,工程地质条件差。(3)方案的安全性分析从工程地质情况分析,F方案黄土窄梁对于桥梁方案的布设,存在潜在的安全性问题,A方案处设置桥梁更为安全。经综合比选,取用A方案作为姜源河处的桥位方案。2高墩大跨桥型设计原则桥梁结构形式选择应充分考虑工程造价、国内目前的施工技术及施工水平,以最大程度地保证工程质量为前提。高墩大跨此类重要工程,桥梁选型同时还需做到不遗漏任何有比较价值的桥型方案,并结合桥址处实际地质情况综合考虑。仅从以上各处黄土冲沟实际断面分析,适合该类地形的桥梁方案主要有:悬索桥方案、斜拉桥方案、拱—梁组合方案及连续刚构方案等。2.1悬索桥施工难点目前,悬索桥被公认为特大跨径桥梁的主要形式,经济跨径在500m以上。对于以上地形,其突出优点在于:桥跨增大后可有效减少高墩数量,甚至取消高墩,但也存在以下缺点:(1)施工工艺及施工监控复杂。(2)悬索桥的坚固性不强且抗风稳定性与其他类型大跨桥梁相比较差。(3)黄土区工程地质条件差,重力式锚碇体积大,造价提升过快,工程成本过高。综上分析,在跨越黄土沟壑地带,该桥型方案并不理想。2.2悬索桥方案的不足一般来说,对于跨度200～700m的桥梁,斜拉桥具有相当优越的竞争能力,且其抗风稳定性比悬索桥好。该桥型方案不足之处在于:(1)索与梁或塔的连接构造比较复杂,施工中高空作业较多,且施工控制等技术要求严格。(2)通过与梁桥造价相比,经济指标偏高。(3)斜拉索的防腐工作仍是当今桥梁界正在研究的重要课题。综上分析,在跨越黄土沟壑地带,斜拉桥也不是一种较理想的桥梁方案。2.3系统结构组合体系面临的问题目前在高墩大跨桥梁方案上,为有效降低墩高,还存在有上承式刚性梁柔性拱与连续刚构组合方案。刚构和上承式拱桥组合体系,其受力介于梁桥和拱桥之间,集中了连续刚构和拱桥的优点,理论上可以做到两者完美结合。但该桥也有其不足之处。(1)国内无成桥经验且技术含量高,设计难度和施工风险较大。(2)后期施工当中存在不可预料的费用增加问题。综上分析,考虑到设计、施工、安全、经济等多方面的因素,该方案不适用于本项目。2.4桥悬臂挂篮平衡施工分析从目前国内桥梁设计、施工经验分析,大多数跨越深沟的桥梁,连续刚构方案具有较优越的比较价值。(1)从受力性能上考虑,连续刚构桥利用高墩的柔性来减小主梁跨中弯矩,同时减小桥墩尺寸。主梁0号块底的双肢构造,对于主梁支点的负弯矩具有明显的削峰作用,结构受力合理,性能优越。(2)从施工上考虑,连续刚构桥悬臂挂篮平衡施工技术成熟,操作相对简单。(3)从经济上考虑,在大跨桥型方案中连续刚构被普遍认为是较经济的桥型方案,且不需要大吨位支座。综上分析,本项目高墩大跨桥梁选型确定为连续刚构(连续梁)方案。3合土区的黄土地区黄土残塬区桥梁布设的重点在于合理避让各类不良地质,譬如滑坡体、崩塌、陡坎、落水洞等,确保桥梁结构的安全。咸旬项目中的通神沟、小花沟、姜源河等均为V形或U形黄土沟,且沟壁较陡。其上分布的马兰黄土质地松软,垂直节理发育,陡坡处更易出现各类地质病害。另外,黄土区受雨水冲蚀也不容忽视,小规模的冲沟及落水洞随处可见。为保障桥梁结构的安全,桥梁布设中考虑以下两点:(1)尽量跨越不良地质段落,陡坡上不宜设置墩台,不去扰动原有黄土边坡。(2)桥梁墩台距陡坡或落水洞等边缘宜保留一定安全距离,桥长采取“宁长勿短”的原则。经实地踏勘,并对桥孔布置的控制因素进行分析后,提出以上3处深沟的桥梁布设方案。3.1通神沟布孔方案(1)落水洞的测定①K60+688附近,横向左中右侧有4处大的落水洞,落水洞直径1.5～3m。②K60+886～K60+937,沿桥纵向有一大的陡坎,倾斜角度为70°～90°。(2)跨不良地质地段及黄土m和110m连续刚构(连续梁)两种桥型方案进行比选,见表1。方案一及方案二桥跨布置均可跨越上述不良地质地段及黄土陡坎,高跨比协调,造型朴素大方;但方案二增加了大吨位支座,需要墩梁临时固结,施工难度较大,施工周期稍长。故取用方案一作为通神沟的桥梁方案。3.2小木沟布孔方案(1)斜拉索区k98①K68+403～K68+440及K68+602～K68+696,线位斜跨陡坎,且有崩塌等不良地质现象发生,倾斜角度65°～85°,该区间不宜设墩。②K68+696～K68+708,线位已斜跨大桩号侧正向山坡陡坎,但左边线左侧处仍有倾斜角度约为75°的侧向陡坎。考虑到黄土区布墩的安全距离,此处不宜设墩。(2)桥型方案比选结合布孔控制因素综合分析,本设计提出了主跨135m和110m连续刚构(连续梁)两种桥型方案进行比选,见表2。方案一及方案二均可跨越上述不良地质地段及黄土陡坎,高跨比协调,造型美观;但第二方案中第二主墩距黄土坎边稍近,安全性与方案一相比稍差;且方案二主墩数量相对较多、主桥相对较长,费用较高。故取用方案一作为小花沟的桥梁方案。3.3姜源河布孔方案(1)不设置墩平台,重塑墩,大高出口,20202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020①K71+615～K71+765,线位斜跨小桩号侧山坡的正向及侧向两侧陡坎,倾斜角度65°～85°,高差达90m左右,此范围内不宜布墩。②K72+160～K72+205,线位斜跨大桩号侧山坡左侧的侧向陡坎,倾斜角度85°～90°,高差达80m左右,且分布多处落水洞,不宜设墩。(2)方案对比及分析结合布孔控制因素综合分析,本设计提出了主跨165m和140m连续刚构(连续梁)两种桥型方案进行比选,见表3。方案一及方案二均为中等跨连续刚构—连续梁组合体系,造型朴素大方,桥面视野开阔,且布孔中合理避让了上述控制段落。但方案二跨越不利地形时较为勉强,上坎后的桥梁主墩仍处于四面三侧为陡坎的小平台上,考虑到黄土梁受雨水冲蚀严重,桥墩安全性较低同时施工空间较小,施工难度相应增大。故取用方案一作为姜源河的桥梁方案。4设立独立的排水系统由于黄土土质的特殊性,黄土易受水流冲蚀而形成新的不良地质,从而产生更多不利于桥梁安全的因素。而且受新建桥梁构造物的影响,原有黄土区的排水系统也将发生改变。此时桥梁方案必须与排水方案进行综合考虑,最终确定桥梁方案的合理性。对于跨越黄土冲沟的桥梁,将考虑采用以下方案解决桥梁与排水的综合问题。(1)为避免成桥后桥面泄水管产生的集中水流直接冲蚀黄土坡面,根据桥梁的实际横坡,在桥面较低的一侧设置纵向排水管,将桥面水集中到某一墩位处,并设置竖向排水管将水沿墩柱送入桥下设置的排水沟内,进一步远送至桥梁范围外。(2)位于黄土坡上的桥梁墩、台,设置一定数量的横向截水沟,拦截坡面水,并将水汇集至横向排水沟后远送至桥梁范围外,减少水流对桥梁下部结构的冲刷。(3)距离桥墩较近的落水洞,采用回填压实进行处理,并在洞口上游侧设横向截水沟,阻止流水重