周牡丹
北京建达道桥咨询有限公司，北京 100000
摘要：近年来，我国经济建设快速发展，公路路网不断完善，高速公路建设逐步进入山区，桥梁作为高速公路重要的组成部分，其设计工作尤为重要，在山区桥梁设计中是至关重要的一环。基于此，本文结合某大桥桥梁设计方案实例，简要介绍山区常规桥梁设计典型问题。仅供业内同行参考。
关键词：山区；常规桥梁设计；典型问题；
1工程概述
我国西南某地区海拔6740ｍ；项目位于两省交界处，海拔仅76.4ｍ，两地直线距离为900ｋｍ，高低相差5500余ｍ；随着西南各省公路建设的不断推进，人口相对集聚的坝区建设已相趋完善；“山、边、高”地区的公路建设正如火如荼，山区桥梁设计有其特有的特点，往往需要根据桥位区的地形、地貌、气象、水文、地质构造等基础资料及施工便道通达性、施工便利性选择合理的桥型，本文意在针对地形复杂地区常规桥梁设计中的问题进行阐述，以示结构选型及桥跨布置时进行的特殊考虑。
2 山区桥梁设计原则及关键
2.1 山区桥梁设计原则
选择合理的桥梁结构方案，在桥梁设计中必须考虑下述各项要求：使用要求；经济要求；结构尺寸和构造要求；施工要求；美观要求。因此在进行桥梁设计时，要根据其使用任务、性质和所在线路的远景发展需要，除了应符合技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的要求外，还应该考虑造型美观和有利于环保的要求，尽量减小对环境造成的破坏，实现可持续发展。
2.2 路基与桥梁的选择
山区公路设计时，填土高度较小地段会面临桥梁与路基之间的选择问题。当路段较长时，可根据路段地质情况、填土高度、经济比选等得出两者之间的合理可行方案，此处不再赘述；此外，有2种情况颇值讨论：①桥梁接高边坡开挖路基段；②短路基两端接桥路段。
2.2.1 桥梁接高边坡开挖路基段
山区桥梁桥台处横向坡面往往较陡，为减小桥台高度，桥台位置会伸入挖方路基之内一段距离，伸入段桥梁需开挖成桥（出于主梁受力和运营期桥台检修可达性考虑，主梁以下还需预留一定的桥下净空），势必进一步加大开挖边坡的高度，若该位置处本身边坡已很高，“开挖做桥”势必增加边坡的设计、施工难度和运营期风险，此时就存在桥台高度与开挖边坡高度之间合理平衡问题；总体而言，方案选择时，从经济、设计和施工难度、运营风险等角度考虑，桥头位置宜外移，缩小桥梁长度、减少开挖成桥与高边坡交织段长度。
2.2.2 短路基两端接桥路段
在山区桥梁中，短路基两端接桥梁结构的方案也较常见，路基路面标高多位于填挖平衡点标高附近，短路基对应于小高度开挖路基或半填半挖路段，此时需在“短路基两端各接１座桥梁”或“取消短路基，两桥合并为１座桥梁”２种方案之间进行合理平衡选择。针对短路基，方案选择时，一般需考虑施工压实机械调度问题，路基的长度一般不宜过短，当地质条件较好时，路基最短长度不宜小于30ｍ；当地质条件相对较差时，短路基长度不宜小于50ｍ；否则，应考虑取消短路基、按通长设桥方案考虑。
2.3 纵横坡度大
路段纵横坡度大地区桥梁常体现于两方面：①自然纵、横坡度大；②桥梁跨越较陡的人工开挖路堑地段。
2.3.1 自然纵、横坡度大
纵向地面线差异大，多表征为桥梁各墩高差异过大；桥梁孔跨一旦确定，桥梁合理分联问题就尤需注意，一联内各墩高差不应悬殊太大；对此，各省根据自身情况和经验多有相关规定，例如：常规桥梁一联内连续处桥墩，极限墩高差不应超过20ｍ，等等（超过此限值者，须进行桥墩的特殊设计）；其次，桥墩位置不宜设于坡面缓陡变化（坡头）位置，宜设于地形突变点一定安全距离以内，尽量减小岸坡稳定与桥墩两者之间的相互影响，见图1，桥墩位置应由位置Ｂ移至位置Ａ处。
.png)
图1 桥墩远离坡头
横桥向坡面起伏对桥墩的影响：桥墩高度、种类不同，其影响亦有不同体现；①对于40ｍ以内桥墩，单幅桥墩多采用桩柱式、双柱墩或多柱墩，同一桥墩的墩高差也应进行有效控制（例如：同一桥墩内墩高差应小于７ｍ等）；需特别指出的是，相同路基宽度情况下，多柱墩相对于双柱墩，其受力对墩高差表现更为敏感，设计时需特别注意。②对于超过40ｍ或更大高墩，单幅桥梁多采用大尺寸薄壁空心墩，基础配套采用大承台与群桩相结合的形式；考虑到承台的施工会形成较大开挖，对于此种桥梁，宜从路线平面优化角度着手，通过路线横向位置优化，将桥墩置于相对平缓之处，尽量减小基础开挖和对自然地形、边坡的影响和扰动。
2.3.2 桥梁跨越较陡的人工开挖路堑地段
对于挖方路基段上跨桥梁：挖方路基两侧边坡通常较陡，当上跨桥梁墩柱确需置于下穿挖方路基边坡上时，挖方边坡的设计应考虑设置桥墩带来的影响，需与桥墩设置位置进行综合考虑设计，桥墩应设于边坡分台处（边坡分台处尺寸根据桥墩尺寸适当加宽平台），桩长取值应考虑失效桩长的影响，其施工方案示意见图2；同时边坡须考虑由桥墩带来的影响，从而确保边坡稳定。
.png)
图2 桥墩位置加大边坡台宽
2.4 互通区桥跨布设
山区地形复杂，互通区所在地区缓平场地往往狭小，区域内桥墩在平面存在小范围内近距交织或相互穿插现象；桥梁设计时，需重点关注以下４点：①交通分汇流点位置合理选择；②下穿道路方案选择；③相邻桥梁孔跨布置综合设计；④运营期养护注意事项。
2.4.1 交通分汇流点位置合理选择
山区地形复杂，一旦互通区域位置确定以后，应对互通区的地形进行充分研究、多方案比选，互通位置的设计应顺应所在地区地形变化，充分合理利用立交区内各小山头或山脊，尽可能使较宽的主线、分汇流点的位置落地——采用路基方案、减小工程造价。当该路段路基方案确实无法实施时，也宜尽可能采用矮墩桥梁方案，减小桥梁规模，降低设计、施工、后期维护工作难度，节省工程造价。工程设计中，偶有分汇点高悬各层交通之上的情况，一般应对此进行充分方案比选论证，进一步优化互通区路线设计。
2.4.2 下穿道路方案选择
立交区桥梁孔跨布置示意见图3，Ｂ匝道桥下穿主线，且为低填方路段；此时主线桥下匝道Ｂ路段，可供选择方案有２种：填方路基和桥梁跨越。①若采用填方路基方案，则存在堆土作用下附近土体长期蠕变效应，若桥下对应地质条件好、土体蠕变小，则填方路基方案可行；②若地质条件差，则原则上匝道Ｂ宜按桥梁方案设计，且桥头位置应止于主线桥梁以外一定范围，减小桥头土体填挖对主线桥墩基础的影响；进一步而言，具体到Ｂ匝道桥孔跨布置，则还须考虑匝道Ｂ桥墩与主线桥墩之间的相互影响，两者之间应满足桩间距最小指标要求，以减小两者桥墩桩基之间的相互影响，充分发挥各桩基的最大承载能力。对桥跨桥方案进行设计时，应在设计文件中明确上、下桥梁的施工先后顺序，以便施工单位充分理解设计意图、合理组织施工安排。
.png)
图3立交区桥梁孔跨布置示意图
当然，对于图3中情况，当匝道Ｂ为挖方路基时，则不存在主线桥面以下匝道Ｂ的方案选择问题，但需特别注明土石方开挖与临近桥墩桩基施工先后顺序；一般要求，桥下及桥梁附近土石方填挖及防护须在桥墩桩基施工之前完成，具体影响范围可根据所在地区的地质条件进行酌情确定。
2.4.3 相邻桥梁孔跨布置综合设计
互通区存在多处分汇流点，如图3中所示Ａ匝道桥与主线桥；当主线桥、各匝道桥可同时止于分汇点附近时，考虑到２座桥梁平面位置距离较近，桥台、台后路基填挖，以及防护工程均应进行协同综合考虑，避免土石方计量工作的多计、重计发生，避免两者之间防护工程衔接不合理。图3中所示情况，地形条件允许时，匝道Ａ桥台１与主线桥台２沿纵桥向应尽可能对齐。
2.4.4运营期养护注意事项
当下穿道路在桥下净空富余不大时，设计文件中还需明确运营阶段下穿道路检修注意事项，即：下穿道路路面检修时，不得采用路面加铺方案进行整修，以免压缩下穿道路的建筑界限净空高度，影响道路的使用功能。
2.5 隧间中小桥梁设计
本文所述主要针对中小跨桥梁两端接长隧道或特长隧道的情况。当中小桥梁两端均顺接于长隧道或特长隧道时，此区域范围内地形往往也面临常规桥梁（Ｔ梁、小箱梁等）预制场地获取困难的囧境。一方面，桥梁两端（特）长隧道工作面小，施工工期长，且多为整个项目工期控制性工点；另一方面，若隧间桥梁采用常规预制梁桥，则须待桥头隧道完工之后，方可进行预制梁体的运输和架设工作，势必进一步拉长施工周期；此种情况下，中小桥梁的设计方案如何进行合理选择则尤显重要。当桥长小、桥墩矮时，一般宜采用现浇混凝土结构。尤其是桥台对接隧道洞口的情况，梁端基本亦无预应力张拉实施空间，考虑到桥墩较矮，此时，往往采用20ｍ左右孔跨钢筋混凝土现浇箱梁结构，或跨径更小的混凝土现浇板方案会更趋合理。当桥梁较长、桥墩高时，采用小跨径钢筋混凝土板／箱结构则非明智之选，此时，可根据桥梁在隧道间需跨越的长度，考虑采用更大跨径的组合结构。例如采用40～80ｍ孔跨的钢－混凝土组合梁桥，在减少隧间高墩数量的同时，对上部结构辅以顶推施工方案，最大可能地加快工程进度，缩短建设工期。当桥梁一侧为隧道，另一侧接短隧道或路基时，亦不存在以上问题，本文不再过多涉及。
2.6 山涧河流防冲刷
山区河流一般具有：落差大、水流急、水面窄、水能丰富等特点；水文特点多表现为：河流水位、流量变化大，但持时相对较短。山区河流河床往往比较陡峭和狭窄，孔跨布设时，桥墩位置应根据桥位区地形、水深等进行合理选择。云南省内山区多以中小河流为众，选择30ｍ以内孔跨常规桥梁往往即可实现常水位的跨越；原则上，跨河桥梁桥墩应布设于常水位水域以外，且宜布设于设计水位水域以外；以此确保大桥施工期间不涉水，运营期间应尽能减少水流对大桥的影响。对于运营期不涉水基础，在确保桥下河流边坡稳定的前提下（必要时进行河流岸坡防护设计），无桥墩冲刷问题。但对应于设计水位的涉水桥墩，大桥的防冲刷设计必不可少。桥墩防冲刷设计可依据水流的大小、流量、流速等特点进行合理防护。原则上可遵行“改造小河、顺应大河”的总体设计思路。1）对于水域窄、流量小的河流，可根据桥下水深和流速选择合理导流防护方案，使桥墩附近一定范围内的河流有组织、渠化排水，隔断水流对桥墩的冲刷作用；通过构造物隔水的桥墩，基本仍属于非涉水桥墩范畴。当水流深度为0.4～1.0ｍ时，不同防护材料对应最大流速可按表1.参考选取。
.png)
当水深未在0.4～1.0ｍ时，应根据不同水深对最大设计流速进行系数调整。其中当水深小于0.4ｍ时，系数为0.85；水深大于１ｍ，且小于２ｍ时，系数为1.25；水深大于等于２ｍ时，系数按1.4考虑。2）对于水域宽、流量大的河流，则应以考虑对桥墩局部防冲刷防护为主（例如：对承台底注浆，增加基底抗冲刷能力等措施）；或直接考虑河流冲刷影响，对桥墩进行墩高、有效桩长调整。
3结论
1）当桥梁接高边坡开挖路基段时，桥台位置应与对应位置边坡高度综合考虑进行设计。2）桥间短路基应视地质条件和路基长度进行合理取舍。3）山区桥梁分联设计时，应注意纵横向墩高差的限制，桥墩位置应置于一定范围内平缓地带，桩长设计时需考虑失效桩长带来的影响。4）互通区桥梁设计时，应根据所在区域地形进行合理布设，注意各桥交织区桥墩的相互关系和施工顺序，相邻桥梁桥头设计须统筹考虑。5）长隧道间中小桥梁设计应根据桥长和墩高进行合理选型。6）桥墩防冲刷设计应根据河流大小、流量、流速确定合理防冲刷方案。针对地形起伏大、自然生态环境脆弱的西部山区，本文对其常规桥梁设计中的几个重点问题进行了概括和总结，以供业内同行参考借鉴。
参考文献：
[1] 云南省交通规划设计研究院．山区高速公路勘察设计技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社股分有限公司，2018．
[2] 李晓，程艳，李春晓.浅谈山区公路常规桥梁的设计[J]. 建筑工程技术与设计，2019（07）：120-123.
[3] 高玉强，刘其卓.基于岩溶区桥梁桩基的设计探讨[J].福建交通科技，2019（04）：139-141.
[4] 王晓东，刘顺锋.基于山区高速公路桥梁设计存在的问题及对策分析[J]. 科技创新与应用，2019（33）：203-205.