山區(qū)鐵路橋梁設(shè)計淺談

曹維國

摘要：隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，時間和安全對于國民生產(chǎn)和旅途至關(guān)重要。經(jīng)過長期的檢驗，鐵路運輸是最安全的運輸方式和最舒適的乘坐方式。山區(qū)鐵路在龐大的鐵路網(wǎng)中必不可少，并且山區(qū)是多深谷溝壑、多河川和地質(zhì)情況復(fù)雜區(qū)，山區(qū)鐵路設(shè)計成為全線設(shè)計的關(guān)鍵點。本文根據(jù)工程實例闡述山區(qū)鐵路橋梁的設(shè)計要點，為以后相同工程實例借鑒學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：山區(qū)橋梁設(shè)計；梁跨選擇；橋墩樣式選擇；山坡基礎(chǔ)設(shè)計；橋隧連接處橋臺設(shè)計；橋梁與路基比選

前言

府谷線是一條煤炭鐵路專用線，位于陜西北側(cè)府谷縣，所經(jīng)地區(qū)屬于黃土高原地區(qū)。本地區(qū)黃土覆蓋層較厚，受雨水沖刷及風(fēng)蝕后，溝壑縱橫，地勢起伏較大，坡頂?shù)狡碌赘卟钸_到70～150多米。根據(jù)本區(qū)地貌的成因及其形態(tài)特征，可將其劃分為黃土梁峁區(qū)、臨谷丘陵區(qū)、河谷區(qū)。全線共42.02公里，設(shè)置3個站，包括3個裝車環(huán)線。橋梁共計41座，占全線里程的26%，涵洞107座，平均每公里4.2個。最高墩為52m圓端形橋墩，最大跨度為64m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，涵洞最大填土高38m，橋上最小曲線半徑300m，多處橋隧連接，跨越黃河一級支流2處，三線道岔梁橋1座?，F(xiàn)將橋梁設(shè)計情況進行分別論述。

1.橋梁孔跨設(shè)計的選擇

全線主要河流為皇甫川和清水川，均為黃河一級支流，橋位處流量分別為9710m3/s和3410m3/s，河槽灘地比較明顯。設(shè)計時為了減少阻水因素，盡量少在主河槽內(nèi)放置橋墩。梁底標高按照高出百年一遇水位+壅水值控制，并預(yù)留一定的安全值。結(jié)合洪水泛濫區(qū)、地形地貌和不大于10m的起橋高度，確定橋梁墩臺位置和橋梁長度。經(jīng)過具有相應(yīng)資質(zhì)的防洪評價部門鑒定，兩座橋均采用32m預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨越主河道。

全線跨越的主要道路為納榆公路和大廟路，均為重要的運煤通道。納榆公路有預(yù)留要求，預(yù)留道路寬度20m，由于交角較小，無法從一跨32m梁下通過。設(shè)計時在此處進行了32m梁跨和（32+48+32）m梁的經(jīng)濟技術(shù)比較，由于墩高較低，連續(xù)梁截面尺寸較大，雖然連續(xù)梁具有一跨跨越的優(yōu)勢，但是與32m梁跨（公路分別從兩孔通過）方案相比經(jīng)濟代價較大，經(jīng)過業(yè)主與相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位溝通，可公路可分孔通過，采用32m梁較為合理。

清水川特大橋跨越大廟路時，鐵路與大廟路交角41°，公路寬8m，道路兩側(cè)路基高度分別為2.8m和4.5m，沿鐵路方向公路兩側(cè)坡腳距離28.9m，且跨越公路處橋墩高約50m，基礎(chǔ)尺寸較大，采用32m梁無法一跨跨越。經(jīng)過研究本處立交可采用48m連續(xù)方案和改移道路方案。經(jīng)過技術(shù)比較，連續(xù)梁方案與改移道路方案造價相差不多，且能滿足既有公路線形，故此處橋梁采用（32+48+32）m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。

道岔梁橋設(shè)計優(yōu)先選用（2005）2101梁中的標準跨度邊梁和中梁；特殊設(shè)計道岔梁盡量保證T梁底板和腹板尺寸與標準梁相同，按照線上實際荷載情況進行檢算，配置預(yù)應(yīng)力束和普通鋼筋。

本線橋梁盡量減少跨度形式和樣式，目的是為了減少模板的套數(shù)，降低工程造價，且便于管理和使用。但也根據(jù)實際情況進行調(diào)整，綜合考慮并進行技術(shù)經(jīng)濟比選，使設(shè)計更合理。

2.橋墩樣式的選擇

本線采用了鐵路常用的圓端形橋墩作為主要橋墩，與矩形墩相比，它減少了水流對橋墩周圍河床的局部沖刷；與圓形橋墩相比，它墩高范圍廣，截面尺寸更經(jīng)濟合理。墩高≤30m時采用實心圓端形橋墩，按墩身高度不同分為直坡、45：1、30：1三個坡度，相鄰兩個坡段墩高有一定范圍的重合，以減少單座橋梁坡比，坡比盡量統(tǒng)一，節(jié)約模板。橋墩表面設(shè)置構(gòu)造配筋，防止墩身產(chǎn)生裂紋。

30m<墩高≤50m時，采用空心圓端形橋墩，單箱室，墩內(nèi)外采用不同坡比，使墩身環(huán)形截面由墩頂至墩底逐漸加大。墩頂壁厚0.6m，墩底最大壁厚1.02m，且墩身外輪廓尺寸逐漸加大，以抵抗不同墩身高度處的外力和力矩。在墩頂頂帽下設(shè)置3m實體過渡段，使支座反力較均勻地傳至墩壁，并減少活載沖擊力對墩壁的影響。在墩底設(shè)置3m實體過渡段，使墩壁應(yīng)力能擴大傳到基底，使基底應(yīng)力分布較均勻。實體段與墩壁連接處設(shè)置0.5×0.5m斜交，避免應(yīng)力集中。

墩高>50m時，仍采用空心圓端形橋墩，但墩身截面尺寸相應(yīng)的增加，以保證橋墩自振頻率、墩身剛度和墩頂位移等指標滿足設(shè)計要求。

本線清水川特大橋共29個橋墩，均采用圓端形橋墩，完全采用參考圖設(shè)計時，全橋需要6套模板，經(jīng)過墩身坡比優(yōu)化，30m以下、30m至50m、50m以上各墩高段橋墩采用一個坡比設(shè)計，全橋只需要3套模板，在墩身工程量增加不多的情況下，大大的減少了模板的數(shù)量，節(jié)省了工程造價，減少了不必要的浪費。

全橋平均墩高42.3m，最大墩高52m，其中超過50m墩高的有11個。設(shè)計時對墩高超過50m的橋墩做了單獨設(shè)計。在墩高50m以下橋墩的基礎(chǔ)上，以0.2m為一級，逐級成倍增加縱橫向尺寸，并以橋墩縱向和橫向的位移和剛度為控制目標，最終確定合理的墩身尺寸和坡比。對確定后的橋墩尺寸進行了整體穩(wěn)定性計算、局部穩(wěn)定性計算、墩身截面應(yīng)力的計算、溫度應(yīng)力的計算、橋墩自振周期的計算和風(fēng)振的影響。

3.山坡處橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計

府谷線大部分橋墩落在山坡上，有橫向邊坡，也有縱向邊坡，邊坡與水平面的夾角從20°到55°，有黃土邊坡，也有軟質(zhì)巖石邊坡和硬質(zhì)巖石邊坡。

當橋墩落在黃土邊坡上時，一般宜采用樁基礎(chǔ)。首先根據(jù)不穩(wěn)定邊坡坡率確定邊坡的穩(wěn)定邊線，將承臺落在穩(wěn)定邊坡內(nèi)，保證承臺頂最小埋深不低于0.5m，保證承臺底距不穩(wěn)定邊線不小于承臺厚度；然后進行基礎(chǔ)計算，穩(wěn)定邊坡距離樁基外緣大于5m時開始計入側(cè)摩阻，小于5m時的樁長按照自由樁長計入。

當橋墩在軟質(zhì)巖和硬質(zhì)巖邊坡時，應(yīng)根據(jù)巖層的容許承載力[σ0]和橋墩擴大基礎(chǔ)基底最大應(yīng)力σmax的比值來確定是否可以采用擴大基礎(chǔ)，如σmax> [σ0]，則可以采用擴大基礎(chǔ)，反之則不可以采用。在計算巖層容許承載力[σ0]時，應(yīng)將基礎(chǔ)深度和寬度修正后的數(shù)值作為最終的比較值。如采用擴大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底距離穩(wěn)定邊坡線應(yīng)不小于3～4m，基頂埋置深度不小于0.5m，且應(yīng)計算橋墩的整體穩(wěn)定性、抗滑移驗算和偏心等。如采用樁基礎(chǔ)，設(shè)計方式與土層邊坡設(shè)計方法基本相同，只是穩(wěn)定邊坡距離樁基外緣大于3～4m時開始計入側(cè)摩阻。

邊坡橋墩基礎(chǔ)設(shè)計還包括施工開挖后基礎(chǔ)以上邊坡放坡的設(shè)計。施工基礎(chǔ)時需要有施工平臺，以便機械和人工作業(yè)，平臺寬度一般比基礎(chǔ)寬出2m左右。預(yù)留一定的施工平臺后，按照穩(wěn)定邊坡坡率開始向上開挖，邊坡高度超過8m時中間設(shè)置2～3m平臺，繼續(xù)向上開挖，坡率適當放緩，直至與既有邊坡線相交。如果開挖邊坡無限向上延伸，可以在適當?shù)奈恢貌捎梅雷o樁對邊坡進行支擋，以免過度破壞自然邊坡，造成對環(huán)境的惡劣影響。邊坡何時需要支擋，應(yīng)根據(jù)工程造價和對環(huán)境的影響綜合進行評定。

本線迎路峁溝特大橋1號墩縱向刷坡14.7m，分兩級刷坡，第一級8m高，第二級高度6.7m，第一級和第二級間設(shè)置2m平臺，邊坡比為1：1。樁基頂外緣距離邊坡線大于4m，可將整個樁長計入側(cè)摩阻。為了保證施工作業(yè)寬度，邊坡底距承臺邊留出了2m的施工寬度。橋墩平臺預(yù)留10%的排水坡，以使坡面匯水及時排出。邊坡為軟質(zhì)砂泥巖邊坡，遇水易軟化，為保證邊坡的穩(wěn)定性，對邊坡采用M10漿砌片石鋪砌，并在邊坡頂設(shè)置截水溝，將水引至坡底。如下圖。

邊坡上的橋梁設(shè)計，難點在于如何確定穩(wěn)定邊坡線，如何確定橋墩高度及基礎(chǔ)形式。穩(wěn)定邊坡線需要測量準確反映現(xiàn)場實際情況，從橋墩縱斷面和橫斷面分別選取穩(wěn)定邊坡線位置，經(jīng)過比較選擇最合理的穩(wěn)定邊坡線。橋墩高度和基礎(chǔ)尺寸應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定邊坡線的位置確定，但是墩子越高，基礎(chǔ)尺寸越大，基礎(chǔ)尺寸越大，可能就很難滿足承臺邊緣與穩(wěn)定坡線距離的要求，故需要經(jīng)過幾次試算找一個平衡點來同時滿足基礎(chǔ)尺寸和距離的要求。

4.U形溝橋隧連接處橋臺的設(shè)計

在山區(qū)橋梁設(shè)計中橋梁與隧道連接也很常見，大致分為二種情況，橋梁深入隧道內(nèi)和橋梁臺尾與隧道口相接。兩種情況均應(yīng)與隧道設(shè)計緊密銜接，將橋臺設(shè)計圖與隧道口設(shè)計圖按照實際情況以相同的比例畫在一張圖上，經(jīng)過對比分析，做出合理的方案。

例如本線迎路峁溝特大橋大里程橋臺部分伸入二道峁隧道入口，設(shè)計時將隧道曲線墻下臥至承臺底以下，仰拱下臥至承臺頂，出入口擋土墻底下臥至承臺底，橋臺采用最小高度的橋臺，由于表層為黃土，采用樁基礎(chǔ)。施工時應(yīng)考慮隧道凈空的影響，采用合理的施工機具。承臺基礎(chǔ)施工采取支擋措施，保證基坑垂直開挖。本工程如下圖。

橋臺設(shè)計應(yīng)盡可能的控制橋臺身和基礎(chǔ)尺寸，盡量選用擴大基礎(chǔ)，或者明挖滿灌基礎(chǔ)，基礎(chǔ)施工時保證垂直開挖。隧道設(shè)計應(yīng)適當?shù)募哟笄€墻的厚度和仰拱的厚度，適當加大隧道口擋土墻的寬度，以抵御橋臺對隧道的影響。

5.V形溝橋梁與路基專業(yè)的比選

本線位于陜北黃土高原，黃土沖溝較多，多為V字形。填土高度低時采用路基通過，填土高時采用橋梁通過。選用路基還是橋梁需要通過技術(shù)經(jīng)濟比較來確定。路基太高時沉降大，地基承載力要求高，地基處理工程量大，且占地面積大，對環(huán)境破壞大。填土太低時選用橋梁，造價太高，且V字形溝橋墩一般在邊坡上，施工難度大，也不盡合理。要結(jié)合地質(zhì)和水文情況，綜合確定。

本線迎路峁2號大橋是為了跨越V字形溝而設(shè)置，采用1-24m+2-32m+1-24m簡支T梁，圓端形橋墩，T形橋臺，最大橋高38m，最大墩高36m，橋下流量為6.7m3/s。設(shè)計時此處進行了橋梁和路基的技術(shù)經(jīng)濟比較。由于路基填土較高，路基本體分層設(shè)置土工格柵，分層沖擊碾壓，底部填筑5m高的滲水土，并分層碾壓，邊坡采用拱形骨架防護。路基下涵洞采用肋板涵。經(jīng)過工程造價對比，路基方案比橋梁方案造價多216.5萬元。

采用路基方案的優(yōu)點是本線路基挖方較多，經(jīng)過篩選可用于路基本體的填筑，減少了棄土外運土方、臨時用地等工程量；缺點是填筑太高，沉降不宜控制，且路基占地面積較大，土石方工程量大，工程造價較高。采用橋梁方案的優(yōu)點是解決了沉降大的問題，占地面積小，且工程造價較低；缺點是兩個橋墩均在較陡的邊坡上，施工難度較大，且產(chǎn)生了大量的刷方，破壞了地表植被，造成環(huán)境污染。綜合比較，最終選用了沉降小、造價低、占地面積小的橋梁方案。

6.結(jié)束語

山區(qū)橋梁形式多樣，橋墩高度范圍廣，基礎(chǔ)形式和深度確定復(fù)雜，橋隧相連比較多見，技術(shù)經(jīng)濟比較不可或缺。為了做出更好的山區(qū)橋梁設(shè)計，需要多思考，勤動手，常比較，結(jié)合計算結(jié)果，最終確定設(shè)計方案。

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