山區(qū)高速公路抗震設計及施工探討

李 琦

（河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000）

我國位于世界兩大地震帶之間—環(huán)太平洋地震帶和亞歐地震帶，屬于地震頻繁的國家，幾乎所有地區(qū)都發(fā)生過六級以上的破壞性地震。

地震烈度是指地震對一定區(qū)域范圍的地面和建筑物的沖擊強弱程度，是衡量地震災害程度的綜合指標。

公路是生命線系統(tǒng)工程中的重要組成部分，高速公路的建設情況反映了當?shù)氐慕煌òl(fā)達程度和經(jīng)濟水平。在抗震救災中，公路交通運輸網(wǎng)特別是高速公路是搶救人民生命財產(chǎn)和重建家園、減輕次生災害的重要環(huán)節(jié)。公路抗震預案的最終目標是保證公路在遭受地震時能維持其正常的通行能力，或經(jīng)緊急搶修可以投入使用，其路線抗震重要度必然受路線所在區(qū)域的地震分布情況影響；而地震烈度是地震分布情況最直接、簡潔的描述指標，公路所在地區(qū)內(nèi)的地震烈度情況必然直接影響路線的抗震重要度。

1 抗震設計規(guī)范要求

《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）把公路分為高速公路和一級、二級、三級、四級公路共5個等級。各等級對抗震的要求也不盡相同。

《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02—2013）明確規(guī)定“高速公路、一級公路及二級公路的工程構筑物，在E1地震作用（E1地震作用，重現(xiàn)期約為475年）時，位于抗震有利地段的，經(jīng)一般整修即可正常使用；位于抗震不利地段的，經(jīng)短期搶修即可恢復使用；位于抗震危險地段的擋土墻、隧道等重要構筑物不發(fā)生嚴重破壞”。

公路橋梁結構的抗震設計分為概念設計和參數(shù)設計兩大類。概念設計是從概念上，特別是從整體結構方面考慮抗震的工程決策，而參數(shù)設計包括地震作用計算、結構和支座變形驗算、構件強度驗算等，兩者相輔相成。正確的抗震設計，要重視抗震概念設計，同時合理、靈活地使用抗震參數(shù)設計，使計算工作更加具有目的性。

2 山區(qū)高速公路普遍地質(zhì)特點

山區(qū)高速公路沿線地質(zhì)構造極為復雜，其間山嶺縱橫，河溝交織，表現(xiàn)為多構造類型，多“V”型及“U”山谷及沖溝，陡崖陡坎發(fā)育。出露基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，風化強烈，并伴有斷裂構造。為了有效提高山區(qū)高速公路的抗震水平，應該首先提高抗震設計的標準，并在地質(zhì)勘察工作中確定斷裂帶與線路之間的確切位置。

3 嵩欒高速公路概況和地質(zhì)特點

嵩縣至欒川高速公路編號為S96，是河南省高速公路網(wǎng)的重要組成部分。項目起自洛陽市嵩縣，北接洛陽至嵩縣高速公路，路線向西南依次經(jīng)過嵩縣、欒川縣，南接武西高速堯山至西峽段，路線總長約為66.538km，雙向四車道高速公路，設計速度為80km/h，路基寬度為24.5m。項目共設置特大橋1座，大橋75座，中橋8座，分離式立交橋5座，隧道24座，于2012年底建成通車。

嵩欒高速公路地質(zhì)特點如下：

（1）區(qū)域構造體系。第一，地質(zhì)構造：項目區(qū)在大地構造位置上位于華北地臺南緣與秦嶺褶皺系北側衘接部位。第二，斷裂構造：該區(qū)以北西西和北東向最為發(fā)育，區(qū)內(nèi)主要斷裂構造有舊縣—下蠻峪斷裂帶、馬超營斷裂帶、坡前街—大溝河斷裂、叫河—陶灣—后坪斷裂等。第三，褶皺構造：該區(qū)蓋層褶皺構造主要屬于加里東期褶皺，分布普遍，規(guī)模較大，奠定了本區(qū)構造格架。

（2）新構造運動。新構造運動在區(qū)內(nèi)有明顯的反映，主要表現(xiàn)為大范圍的振蕩或隆升運動：第一，在較大的河流，如伊河、淯河等河谷，普遍發(fā)育有三級階地。第二，次級水系所形成的溝谷基本為“V”型谷，有些路段為峽谷或障谷。

（3）地震基本烈度。項目區(qū)抗震設防烈度為6度、地震動峰值加速度為0.05g，相當于地震基本烈度Ⅵ度。

4 嵩欒高速公路具體抗震設計及施工措施

4.1 總體抗震設計理念

公路是由線段和節(jié)點組成的網(wǎng)絡，由于具有節(jié)點多、路線長、覆蓋范圍廣的特點，因此公路抗震預案工作的編制量浩大，在總體、路線設計時應注意以下幾點：

（1）采用“以人為本，安全實用，堅持全壽命周期安全”的設計理念，精細化設計。

（2）加強了地質(zhì)勘察、斷裂帶類型調(diào)查分析和場地地震安全性評價等設計基礎工作。

（3）合理確定過震區(qū)路段的建設標準，將設計標準定為80km/h的四車道高速公路。

（4）加強了總體技術方案論證，堅持地質(zhì)、地形選線，有效避讓了斷裂帶、滑坡等地質(zhì)敏感區(qū)。

（5）適當提高了控制性節(jié)點工程（如栗子坪伊河特大橋）的抗震設防標準及設防驗算。

（6）堅持動態(tài)設計，不斷總結經(jīng)驗及措施，將勘察設計工作貫穿于整個項目建設的全周期過程中，把施工過程中的動態(tài)設計作為整個設計階段的重要組成部分。

4.2 橋梁工程抗震設計

設置在山區(qū)高速公路的橋梁，在地震發(fā)生后就是生命線上的咽喉。橋梁最嚴重的地震災害就是主梁墜落，落梁的主要原因是橋墩的倒塌傾斜、梁體相互碰撞、相鄰墩之間位移大和支座損壞等，而主梁本身造成的破壞較少。在細部設計時采取簡單的構造措施，增加鉸、梁端和伸縮縫等上部接縫處的支承面寬度，或選擇拉桿、擋塊等措施，加強鋼筋混凝土橋墩的橫向約束，提高其抗剪強度和抗彎延性，防止橋墩的彎剪震害等，就可以避免嚴重震害。

嵩欒高速中栗子坪伊河特大橋抗震設防類別為A類，其余橋梁為B類。

橋梁工程采用的具體抗震技術措施如下：

（1）路線線形已充分考慮了橋梁的平、縱面線形及標高控制，更有利于橋梁的抗震需要。

（2）大橋上部結構采用裝配式部分預應力混凝土先簡支后連續(xù)箱梁和T梁，中橋采用跨徑20m裝配式部分預應力混凝土先簡支后連續(xù)箱梁，增強橋梁的整體穩(wěn)定性，結構連續(xù)可防止構件在地震時被震散掉落。

（3）當橋墩高度小于35m時，采用柱式橋墩。在施工時，將原設計的獨柱式橋墩變更為雙柱式橋墩結構，并根據(jù)墩高需要增加橫系梁，以改善橋梁下部受力的整體性能，增強橋梁結構的穩(wěn)定性。

（4）當橋墩高度在35～50m時，采用等截面箱型橋墩；墩高度在50～70m時，采用順橋向50∶1的變截面箱型橋墩；墩身高70～100m時，采用順橋向45∶1的變截面箱型橋墩，增強橋梁的抗震性能。

（5）小箱梁和T梁橋在蓋梁頂均設有抗震擋塊，以防止在地震水平力作用下的落梁。

（6）栗子坪伊河特大橋上部結構采用95m+170m+95m預應力混凝土連續(xù)剛構箱梁，下部構造采用雙薄壁墩，橋臺采用肋式橋臺，墩臺均采用樁基礎。具體施工時，下部結構樁基礎采用鉆孔樁，墩身采用翻模法，并順橋向雙壁間設置了臨時撐，臨時撐在高度方向每20m左右設置一道，增強橋梁結構整體穩(wěn)定性；上部結構采用節(jié)段懸臂灌注法施工，并容許上部構造產(chǎn)生一定程度的滑移、彎曲甚至扭轉(zhuǎn)變形，以釋放能量，減少地震破壞損傷。

4.3 路基防護工程抗震設計

山區(qū)高速公路通常設置有較多高填方和深挖方路段，如果高邊坡的防護措施做得不好，在地震作用下路基極易發(fā)生滑坡、坍塌等破壞情況。嵩欒高速所采用的路基防護工程的抗震措施主要如下：

（1）嚴格控制路基填料的材質(zhì)和密實度。施工時大量采用了片碎石、連續(xù)級配砂礫、硬土等作為路基填料，按照路基壓實度的要求控制并進行加固處理，避免因為壓實度不足的原因引起震害。

（2）采用柔和性鋼繩網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋會存在潛在落石危險的坡面，以防止地震發(fā)生時，大量落石下落會阻斷高速公路的通行。

（3）加強了支擋結構驗算和細節(jié)設計。擋土墻除了進行結構計算外，還考慮了土體在地震時抗剪強度的瞬時衰減而引起潛在的滑面變化。

（4）對易發(fā)生滑坡的深挖方路塹，在施工時埋設了測斜管，監(jiān)測邊坡變化，為今后邊坡處理和邊坡穩(wěn)定性的評價提供數(shù)據(jù)支持。

4.4 隧道工程抗震設計

嵩欒高速公路位于山嶺重丘區(qū)，經(jīng)過的區(qū)域地形條件復雜，山嶺縱橫，做好隧道抗震有著重要的意義。

（1）暗洞按新奧法原理設計，采用復合式襯砌結構。洞身采用柔性支護體系的復合式襯砌，即以管棚、超前錨桿、超前小導管結合的超前支護，以系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、掛鋼筋網(wǎng)、型鋼鋼架、格柵拱架等為初期支護，模筑（鋼筋）混凝土為二次襯砌，加強了隧道在地震作用下的洞口穩(wěn)定性。

（2）在隧道施工過程中，每100m在襯砌形式變化處或者四級、五級圍巖連續(xù)過長的路段設置一道沉降縫，以減少地震造成的不均勻沉降對隧道的破壞。

（3）施工階段加強了監(jiān)測和保通方案，隧道范圍的老路或施工便道基本保留，作為備用道路。

4.5 減隔震技術

減隔震技術是通過選擇合適的減隔震裝置和設置的位置，有效控制橋梁結構內(nèi)力分布與大小的一種技術，這是與傳統(tǒng)增強結構地震抗力設計的最大不同。它與延性抗震設計雖然都是通過延長周期以避開地震能量最集中的時間，并增大阻尼以消耗能量來達到降低地震破壞的目的，但二者有根本性的不同：延性設計是在結構上施加很大的地震力，考慮如何為結構提供較強的抗震性能，而減隔震技術是讓減隔震裝置去承受傳遞到重要構件的地震能量；延性的設計思想通常意味著在強烈地震作用下會在設計塑料鉸鏈的位置處破壞結構，而隔震技術可以延長設備的結構周期并增加阻尼能量的耗散，從而有效避免結構的損壞。在嵩欒高速公路中，橋梁設計所使用的減隔震裝置為摩擦擺式減隔震支座。

5 結束語

2008年的汶川地震給人們帶來了巨大的損失和傷痛，也給工程結構震害提供了寶貴的經(jīng)驗和教訓。文章結合河南省洛欒高速公路嵩縣至欒川段工程實際情況，對山區(qū)高速公路抗震設計和施工措施進行了探討，以期為日后山區(qū)高速公路的抗震技術提供參考。