橋隧相連工程的多源損傷特點(diǎn)及控制

唐明友 張啟瓊

摘要：橋隧相連工程作為橋梁、隧洞、洞口圍巖及其防護(hù)工程的復(fù)雜組合體，在我國(guó)西部、南部山區(qū)應(yīng)用廣泛，由于橋梁、隧洞、洞口圍巖的相互關(guān)系，橋隧相連工程往往損傷來(lái)源廣泛，力學(xué)行為異常復(fù)雜。隨著橋隧相連工程在我國(guó)的日益廣泛應(yīng)用，其多源損傷特點(diǎn)及控制已經(jīng)成為亟待解決的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】橋隧相連工程；多源損傷特點(diǎn)；控制

近年來(lái)，隨著我國(guó)西部、南部山區(qū)高速公路、景區(qū)公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，橋隧相連工程的應(yīng)用日漸頻繁。然而，一方面，很多橋隧相連工程地段地勢(shì)險(xiǎn)峻、地質(zhì)條件較差、施工場(chǎng)地促狹，給設(shè)計(jì)、施工、后期管理帶來(lái)了很大問(wèn)題；另一方面，隨著我國(guó)交通流量的猛增和車輛超載現(xiàn)象的多發(fā)，導(dǎo)致橋隧相連工程病害多發(fā)，已越來(lái)越引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

1.橋隧相連工程的多源損傷特點(diǎn)

1.1在車載作用下的多源損傷力學(xué)行為特點(diǎn)

公路車輛荷載是橋隧相連工程各結(jié)構(gòu)承受的主要活荷載，隨環(huán)境、時(shí)間、空間、路表特征而變化，具有方向循環(huán)往復(fù)、速度時(shí)變、大小各異的特點(diǎn)。在長(zhǎng)期循環(huán)往復(fù)的車輛荷載影響下，橋隧相連工程各結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和應(yīng)力不斷變化與調(diào)整，增加了脆性破壞出現(xiàn)的可能性，即以疲勞損傷累積為主的疲勞破壞。這是因?yàn)?，近年?lái)混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高強(qiáng)、輕質(zhì)的發(fā)展趨勢(shì)，導(dǎo)致橋隧各結(jié)構(gòu)構(gòu)件長(zhǎng)期處于高應(yīng)力之下，當(dāng)長(zhǎng)期遭受循環(huán)往復(fù)的車輛荷載、尤其是超載車輛荷載時(shí)，就會(huì)越來(lái)越接近于疲勞應(yīng)力幅，產(chǎn)生所謂的疲勞破壞。而一旦橋隧相連段存在橋頭局部破損、伸縮縫損壞、隧道內(nèi)路面沉降，會(huì)導(dǎo)致橋面、橋頭、隧道內(nèi)跳車現(xiàn)象多發(fā)，最終加劇橋梁局部沖擊疲勞及隧道洞門防護(hù)結(jié)構(gòu)損傷。在橋頭或隧道洞口圍巖的巖性較差時(shí)，容易出現(xiàn)隧道內(nèi)路面下陷或局部損害，并由此引發(fā)隧道襯砌破損、路面積水、翻楽冒泥等問(wèn)題；而對(duì)洞口圍巖體，也容易產(chǎn)生不均勻沉降、變位、損傷，甚至引發(fā)崩裂、塌陷。在橋隧相連段各部位的各種損傷不斷出現(xiàn)和加劇后，最終會(huì)對(duì)整個(gè)橋隧工程的安全穩(wěn)定造成危害。

1.2多源損傷及力學(xué)行為的產(chǎn)生機(jī)理與過(guò)程

車輛通過(guò)橋隧相連工程時(shí)，會(huì)引發(fā)各結(jié)構(gòu)及路基路面的振動(dòng)，這種震動(dòng)又反作用于車輛震動(dòng)，最終在車輛與橋隧相連工程結(jié)構(gòu)間形成耦合作用，即所謂的耦合震動(dòng)。研究表明，當(dāng)耦合震動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的安全性與車輛行駛安全性將產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響，當(dāng)遭遇嚴(yán)重超載車輛時(shí)，甚至可能導(dǎo)致橋梁垮塌。在車輛等循環(huán)動(dòng)荷載的影響下，橋隧相連工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件在低于靜載強(qiáng)度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)性能劣化、甚至失效，而且，這種疲勞現(xiàn)象是不可逆的。具體表現(xiàn)為橋面破壞、伸縮縫破壞、橋梁上部結(jié)構(gòu)剛度下降，從而加大車輛經(jīng)過(guò)的振動(dòng)幅度、橋梁撓度及對(duì)圍巖的撓動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁各部位損傷加劇；隧道局部破壞、襯砌損傷；圍巖明顯變形、位移及沉降。換言之，對(duì)橋隧相連工程病害多發(fā)的分析，主要是基于疲勞損傷的分析。

1.3橋、隧、巖受力特點(diǎn)及多源損傷影響因素

在受力特點(diǎn)上，橋、隧、巖除受外部環(huán)境（地震、山洪、大風(fēng)、暴雨、泥石流、凍融、冰雪）等的影響，所受的最大外部荷載來(lái)源，對(duì)橋梁來(lái)說(shuō)主要是恒載（如自重）、汽車荷載及其沖擊；對(duì)隧道來(lái)說(shuō)主要是圍巖反作用、施工撓動(dòng)、橋梁傳遞來(lái)的荷載；對(duì)洞口圍巖來(lái)說(shuō)主要是開挖撓動(dòng)、砌筑撓動(dòng)、橋梁傳遞來(lái)的荷載及隧道結(jié)構(gòu)約束。不難看出，橋隧相連工程病害的出現(xiàn)，是橋、隧、巖三者相互影響的結(jié)果，其中包括橋、隧、巖相連處的地形地質(zhì)條件、三者的位置關(guān)系、外部荷載情況及結(jié)構(gòu)類型，這些也是導(dǎo)致橋隧相連工程各結(jié)構(gòu)間藕合作用、多源損傷的主要影響因素。我國(guó)西部、西南山區(qū)，如云南、貴州、四川，具有晝夜溫差大、常年多雨的氣候特點(diǎn)，和多山川河流、喀斯特地貌的地質(zhì)地形條件，再加上極端天氣頻繁，如果在橋隧相連工程設(shè)計(jì)施工中不充分考慮這些外部環(huán)境因素，以及自然災(zāi)害發(fā)生的可能，就很可能導(dǎo)致橋隧相連工程出現(xiàn)多源損傷，對(duì)工程安全性及車輛行駛安全產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.橋隧相連工程多源損傷力學(xué)行為與病害控制

2.1公路橋梁的結(jié)構(gòu)選型

我國(guó)西部、南部山區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，在采用橋隧相連工程時(shí)，應(yīng)該充分考慮當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)擬定科學(xué)合理的技術(shù)方案，處理好橋梁結(jié)構(gòu)形式與選址地質(zhì)地形、路線等的關(guān)系。一般而言，山區(qū)公路所處地區(qū)具有高差大、沖溝發(fā)育、不良地質(zhì)發(fā)育（如多不穩(wěn)定斜坡，易滑坡）、地質(zhì)條件差（如巖體承載力低、穩(wěn)定性差），因此，橋隧相連工程具有以下特點(diǎn)：高墩大跨多、墩臺(tái)形式多、斜彎坡橋多、施工難度大等。在橋型選擇時(shí)，應(yīng)因地制宜，充分考慮山區(qū)氣象條件的多變行，特別是一些地形條件限制大的位置，往往采用高墩大跨結(jié)構(gòu)，因此，必須確保橋梁整體剛度分配和構(gòu)件的穩(wěn)定性；而為了滿足現(xiàn)代高速路快速、舒適的要求，應(yīng)盡量采用橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)的梁或板，盡量減少伸縮縫。在橋梁上部結(jié)構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)綜合橋梁受力特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性及實(shí)際情況，以標(biāo)準(zhǔn)化、便捷化、節(jié)約化、系統(tǒng)化為目標(biāo)，因此，先簡(jiǎn)支后連續(xù)的上部結(jié)構(gòu)體系就成為中等跨徑山區(qū)梁橋的常見選項(xiàng)，特別是抗扭能力強(qiáng)的整體式閉合箱梁，已成為曲線橋梁的首選。在橋梁下部結(jié)構(gòu)選型時(shí)，由于山區(qū)公路具有半徑小、坡度大特點(diǎn)，針對(duì)跨高與跨徑的選擇，應(yīng)結(jié)合橋梁跨徑、橋墩高度等實(shí)際情況進(jìn)行綜合比較，得出適當(dāng)?shù)亩崭撸会槍?duì)橋墩及橋臺(tái)形式的選擇，應(yīng)多考慮穩(wěn)定性與強(qiáng)度問(wèn)題；針對(duì)橋梁基礎(chǔ)的選擇，應(yīng)充分結(jié)合地質(zhì)條件，地基承載條件較好的可采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，條件較差的宜采用摩擦樁。

2.2施工設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

山區(qū)雨霧多、降水多、冬季路面易結(jié)冰，具有一定的隧道交通安全隱患，同時(shí)地勢(shì)險(xiǎn)要，不利于行車安全和運(yùn)營(yíng)管理。因此在橋隧相連工程的施工、設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：第一，重視隧道的地質(zhì)勘察及超前預(yù)報(bào)，廣泛采用航測(cè)遙感等先進(jìn)技術(shù)，為隧址選擇提供地質(zhì)和環(huán)境依據(jù)，同時(shí)應(yīng)盡量趨利避害、避重就輕，避免隧道穿越地質(zhì)條件極為復(fù)雜的地段，將選址確定在巖性較好的地層中，確保工程質(zhì)量與安全。第二，隧道選址或設(shè)計(jì)應(yīng)具有靈活性，山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、土地寶貴、地形狹窄，因此橋隧相連工程設(shè)計(jì)中要對(duì)這些因素進(jìn)行綜合考慮，保障功能與環(huán)境的和諧統(tǒng)一。第三，要重視隧道洞口位置選擇及洞門選型，依據(jù)“早進(jìn)玩出”原則，避免洞口大開挖，如遇到隧道橫向跨度大導(dǎo)致的洞口開挖創(chuàng)面大，則應(yīng)該盡量將洞口布置在地質(zhì)條件最好的位置。

2.3相關(guān)損傷及病害控制技術(shù)與風(fēng)險(xiǎn)管理

影響橋隧相連工程結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷的因素主要有平均應(yīng)力、少數(shù)極高應(yīng)力、施工及養(yǎng)護(hù)工藝等，以平均應(yīng)力為例，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于疲勞損傷狀態(tài)時(shí)，累計(jì)損傷值會(huì)隨著平均應(yīng)力增加而增加，若要減小結(jié)構(gòu)的累計(jì)損傷，則可以選擇控制結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力、減少極高應(yīng)力的影響。針對(duì)差異沉降導(dǎo)致的跳車現(xiàn)象，一方面，可以采用設(shè)置橋臺(tái)搭板的辦法，在橋隧鄰接段做好加長(zhǎng)及加厚處理，另一方面，可以采用用鋼筋混凝土厚基層剛性路面結(jié)構(gòu)，以有效避免鄰接段短距離內(nèi)的剛?cè)徇^(guò)度，保證剛度連續(xù)。同時(shí)，要處理好橋隨相連時(shí)隧道洞口的排水問(wèn)題，避免因排水不暢而導(dǎo)致的橋梁伸縮縫積水銹燭、襯砌滲漏水、隧道內(nèi)路面翻漿冒泥等現(xiàn)象，以減輕車輛跳車現(xiàn)象。

3.結(jié)束語(yǔ)

橋隧相連工程長(zhǎng)期遭受循環(huán)往復(fù)的車輛荷載，尤其是超載車輛時(shí)，就會(huì)越來(lái)越接近于疲勞應(yīng)力幅，最終引發(fā)多源損傷。確保橋隧相連工程施工、運(yùn)營(yíng)安全，減少或規(guī)避病害的產(chǎn)生，需要進(jìn)行科學(xué)的結(jié)構(gòu)選型，重視施工流程的合理控制，采取有效的損傷及病害控制技術(shù)。

【參考文獻(xiàn)】

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