程伟
摘要 山区高速公路工程地质构造复杂且岩溶极为发育，文章依托六枝至安龙高速公路项目对山区高速公路桥梁下部构造设计进行研究，该桥位处桥墩横坡陡峭对桥梁下部构造的设置极为不利，加强下部构造设计是该工程桥梁结构设计的重中之重。基于此，文章针对桥梁设计总体原则及桥梁下部结构设计存在的问题进行分析，并提出了一定的优化措施，以供参考。
关键词 山地公路桥梁;下部构造设计;关键问题;下部结构设计处理措施
中图分类号 U442.5 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）13-0023-03
0 引言
山区高速公路桥梁下部结构是山区高速公路桥梁设计中的重点，尤其是在地形、水文、地质等都较为复杂的区域，为保证山区高速公路桥梁建设质量需要做好山区高速公路桥梁下部结构的设计工作。基于此，结合笔者多年来的工作实践对山区高速公路下部结构设计进行以下探讨。
1 桥梁设置总体原则
桥涵设计应坚持科技领先、科学安全、耐久使用和经济合理的基本原则，并坚持美观和有利于环保的原则，并兼顾因地制宜、就地取材、便于实施和后期维护等要求[1]。针对该项目沿线建设条件，下列诸方面设计中须认真贯彻。桥梁方案比选时，要充分考虑项目建设地点、现场交通情况、施工工艺、项目工期和项目后期管理与维护，防止设计效果与现场施工不相符。
（1）对桥梁构造形式的选用按照安全、经济、美观的原则，要根据公路路线线形、项目区地形地貌、沿线地质、施工物料来源、施工物料运输、项目环境等各种因素综合考量。并综合考虑该项目先期开工点桥涵设计文件，尽量保持桥涵通用图的一致性，采用技术成熟、预制安装、标准孔径的桥型构造，以便利施工，减短施工工期，降低项目总造价。
（2）根据桥位处地貌、地质、河床特征、路线平、纵要求，遵循技术可靠、经济合理、外形美观的原则进行综合考虑。对于中、小孔径桥涵，力求标准化、装配化，一般采用20 m、30 m、40 m预应力混凝土连续T梁;对于对跨越河流、山谷较宽，高差较大的桥梁、大跨桥梁，采用预应力混凝土连续-刚构方案。
（3）桥梁结构形式，充分考虑技术先进、工艺成熟的结构形式，力求外形新颖，布局科学，反映现代建桥水平，体现“设计创作”的理念。
（4）根据就地取材、降低造价、方便现场施工和养护的原则，桥梁孔跨种类应归并减少，结构类型宜追求统一[2]。
2 桥梁下部结构设计存在的问题
贵州省六枝至安龙高速公路土建10标（K78+200～K100+200段）项目区地处贵州省西南部，项目位于云贵高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，整个地形自西北向东南逐渐降低，地势呈多级台阶状沿级降至北盘江河谷，地形中部比较平坦。测区地形地貌起伏大、类型繁多。因地势、地形和高海拔的影响，土壤、气候、生物等均具有垂直方向分布特点，以山地地形为主，呈典型的喀斯特地貌形态。按照地貌的外营力类型、岩石性质、地形形态组合、形态特征及切割深度等因素，主要分为岩溶地貌类型、侵蚀地貌及溶蚀—侵蚀地貌类型。路线穿过碳酸盐地类地段，主要为燧石灰岩、灰岩，发育有岩溶洼地现象[3]。项目沿线地质构造复杂且岩溶极为发育，同时项目桥位处桥墩横坡陡峭对桥梁下部构造的设置极为不利，故加强该项目的下部构造设计是该项目桥梁结构设计的重中之重。
3 下部结构设计原则及主要问题的处理措施
3.1 下部构造采用尺寸推荐
桥墩根据桥梁跨径及墩高等具体情况采用双圆/方柱墩或空心墩，其结构形状和结构尺寸的选取以满足强度、稳定性要求为准则，同时兼顾施工方便，适当合并桥墩种类，减少下构墩型。桥墩顶的水平力依据集成刚度法计算得出，桥墩主要尺寸如表1所示。
當台高H≥5 m时采用U形桥台或肋板桥台;台高H<5 m时采用U形桥台、柱式桥台，并通过计算确定。
对埋置式桥台，其锥坡及桥前溜坡率采用1∶1.5。
根据《公路桥梁抗震规范》要求，在梁端分联时，分联墩台应考虑防落梁所需最小宽度，故该项目分联墩盖梁与连续墩盖梁宽度存在差异，分联墩宽度根据桥高、跨径、联长等因素大于连续段盖梁宽度。
3.2 墩台基础的采用
根据该合同段桥址区地质情况，桥墩均采用桩基础，桥台根据不同桥台形式采用扩大基础、桩基础等形式;桩基础按端承桩（嵌岩桩）、摩擦桩两种进行设计。
摩擦桩按照容许单桩轴向受压承载力计算确定桩长，摩擦桩施工时桩底必须清孔[4]。端承桩（嵌岩桩）按桩底嵌固设计，在桩端岩层满足嵌岩要求的情况下选用，嵌岩深度见具体各桥。
3.3 墩台及基础埋置深度
根据施工图设计地勘资料控制基底埋深，对于基底不同地质情况应分别增加一定安全深度。
（1）扩大基础施工应根据现场开挖的地质情况来调整扩大基础埋深，在保证基底基岩满足设计基础底承载力的前提下，基础底全底面埋置入新鲜中风化岩层深度≥0.5 m，且扩大基础在覆盖层最薄处埋入地表以下不应小于0.5 m。若基础底岩层比较破碎或裂隙发育，扩大基础施工前应对基底岩层进行灌浆处理或其他可靠的措施，以加强基底岩层的整体性和承载能力，并要求基坑开挖完以后及时浇筑混凝土，以防止雨水浸泡基坑。
（2）摩擦桩基础的基底埋深安全深度不小于3.0 m;嵌岩桩要求桥墩台桩基嵌入中风化岩层不小于2.5～5.0倍桩基直径，基岩饱和湿度下的单轴极限抗压强度不低于8 MPa。若遇有溶洞的桩基应穿过溶洞嵌岩不小于2.0 m且保证溶洞顶板厚度在8 m以上。桩基础嵌岩深度应满足设计要求，对于斜坡上的嵌岩桩，还应同时考虑岩面的斜坡影响，注意嵌岩深度的起算点距中风化岩面水平距离不得小于4倍的桩直径。
3.4 岩溶区桩基设计措施
若采用桩基穿越溶洞造价较高，施工难度较大，工期过长，可考虑采用以下措施：
（1）若存在较厚、力学性能较好的覆盖层，且难以找到端承桩所需厚度的岩层，基桩可按摩擦桩设计。
若按摩擦桩设计桩基承载力难以满足要求，可以考虑在成桩后再在桩周布置密集的高压旋喷桩，以增加桩径，同时改善桩周土的力学性能，从而提高桩基的承载力。考虑桩基成孔塌孔的风险，也可考虑先在桩周高压旋喷后，再成孔，旋喷桩围成的直径比设计桩径大60～
80 cm。或在成桩后进行桩底、桩周后压浆，以改善桩周土的力学性能，从而提高桩基的承载力。对摩擦桩桩周、桩端均为黏土层等较差地质，且同一联内桩基性质不同，对摩擦桩基础建议采用桩底后压浆，减小桩基之间的不均匀沉降。桩基后压浆按《公路桥涵地基与基础规范》附录N 进行取值和计量。
（2）部分桩基可不必穿越埋藏比较深的土洞、溶洞，在其上厚度满足承载力要求的岩层终孔，继而采用压浆方式填充桩底的土洞、溶洞，以保证桩底岩层承载力的可靠性，从而确保桩基底部的承载力[5]。
（3）可考虑改变基础形式，如单桩变为双桩、群桩，或对地基进行处理后按扩大基础设计。
（4）可以考虑改变下部结构形式，比如改移桩柱位置，适当延长盖梁或横隔梁外延。
3.5 岩溶桩基预处理措施
在桩基钻孔施工前，对软弱地层及溶洞有针对性地进行预处理，降低桩基施工风险。主要措施包括：覆盖层钢护筒预支护、预注浆处理。具体采用如下原则：
（1）一般均采用钢护筒跟进穿过淤泥层、松散砂层，进入粘土层约2 m，如果淤泥层或砂土层直接与岩面相接，则钢护筒应沉放至进入岩面约0.5 m。
（2）对于沉放至岩面的钢护筒，底部冲至岩面前，采用抛填片石、粘土或混凝土的方式进行护筒刃脚的护壁，确保护筒刃脚的安全。
（3）岩溶区桩基护壁所采用钢护筒不回收（常规桩基孔口钢护筒回收多次利用），钢护筒下放方式应根据实际地质情况，以确保桥梁结构安全为原则，合理选用。
（4）钢护筒跟进需要采用引孔工艺，成孔期间需要采取适当的护壁措施保证覆盖层的稳定，比如加大泥浆比重、严格控制进尺、适当添加成孔材料（如片石、碎石、粘土、水泥）。
（5）经钻探揭露存在覆盖层土洞和岩面浅层溶洞的应进行预注浆处理，以避免钢护筒下沉过程中发生地面塌陷。
（6）钻探揭露深部存在单个溶洞高度≥3 m的情况，若溶洞内为无充填、半充填或全充填（充填物的状态为流塑、软塑）的情况，一般应对溶洞进行预注浆处理。预充填应进行工艺试验，试验确定预注的压力、预充填材料的计量方法，检测预充填的效果。若溶洞内全充填，充填物的状态为可塑或硬塑的情况，可不必预注浆。
3.6 钻孔施工中溶洞处理措施
根据各溶洞发育特点、发育程度，连通情况，拟采用常规施工法、抛填片石黏土法、灌注混凝土填充法、钢护筒跟进法等。具体遵循如下原则：
（1）对现有地质钻孔未发现溶洞的灰岩区桩基，桩基施工一般采用常规施工法，但施工现场应做好应急处理措施，预先准备好回填材料和机械，随时应对突发情况。
（2）对溶洞高度<3 m的情况，一般采用回填片石黏土法施工，通过抛填片石、黏土挤密填筑溶洞，形成护壁。回填的片石和黏土比例按体积比7∶3 进行分配，必要时掺加一定数量的袋装水泥。溶洞高度范围内反复成孔的次数不得少于三次，以形成可靠的护壁。反复成孔次数达到五次，仍有漏浆、塌孔发生时，从工程进度的角度考虑建议改变处置方案。
（3）对单个溶洞高度大于等于3 m、 小于5 m的情况，若溶洞内为无充填、半充填、全充填，充填物的状态为流塑、软塑的情况，对溶洞进行预注浆充填。若溶洞内全充填，充填物的状态为可塑的情况，采用抛填片石黏土法施工，通过拋填片石、黏土挤密填筑溶洞，形成护壁。
（4）对单个溶洞高度≥5 m的情况，若溶洞内为无充填、半充填、全充填，充填物的狀态为流塑、软塑的情况，对溶洞进行预注浆充填;若溶洞内全充填，充填物的状态为可塑的情况，采用抛填片石黏土法施工，通过抛填片石、黏土挤密填筑溶洞，形成护壁。回填的片石和黏土比例按体积比7∶3 进行分配，必要时掺加一定数量的袋装水泥。溶洞高度范围内反复成孔的次数不得少于三次，以形成可靠的护壁。
如果反复成孔次数达到五次，仍有漏浆、塌孔发生时，则采用灌注混凝土填充法。先向溶洞抛填片（碎）石、砂混合物和注水泥浆，然后用小冲程冲击片石挤压到溶洞边形成泥浆碎石外护壁，水泥砂浆将片石空隙初步堵塞后，停止冲击，24 h后，待水泥强度达到2.5 MPa后，再继续冲击，穿过溶洞。
（5）对于更大型的溶洞，且洞内无充填或流塑充填物，护筒内水头无法保持，可采取双层钢护筒施工法。该方法比较适合串珠型和多层的特大溶洞，对溶洞的层数以及高度等进行充分具体的图纸研究再细化方案。
（6）桩基溶洞处理措施汇总如表2。
4 结语
综合上述，为保障山区高速公路过程的建设质量和效率，高速公路过程设计时必须加强对工程设计的优化和研究，确保能够精准掌握设计的重点，进而提高设计水平和设计质量，为提高工程建设水平奠定基础。该文结合实例项目从桥梁结构设计原则进行分析，对高速公路桥梁下部构造设计存在问题及处理措施进行探讨。该项目的建设对优化贵州交通及形成地方现代综合交通体系有着重要意义。
参考文献
[1]杨芬， 张华. 山区高速公路桥梁设计关键问题分析[J]. 交通科技与管理， 2021（21）：
53-54.
[2]徐春龙. 高速公路桥梁设计常见问题分析[J]. 环球市场， 2018（29）：
348.
[3]杨振祥，张忠文. 山区高速公路的桥梁设计问题分析[J]. 交通世界， 2016（22）：
108-109.
[4]薛麦云. 山区高速公路桥梁设计关键问题分析[J]. 城市建设理论研究， 2015（19）：6322.
[5]熊文. 山区高速公路桥梁的设计与分析[J]. 交通运输研究， 2011（10）：88-90.
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