矮寨特大桥

矮寨特大桥方案研究

图片名称：矮寨特大桥方案研究

类别：桥梁论文集

简介：矮寨特大桥方案研究陈明宪(湖南省交通厅长沙市410011) 摘要: 矮寨特大桥为吉茶高速公路的控制性工程。桥位距吉首市区约20公里，跨越德夯大峡谷。桥位紧邻德夯苗族文化风景区，自然环境优美，地形条件复杂，桥面设计标高与地面高差达330m左右，山谷两侧悬崖距离从900m到1300m之间变化。推荐方案为280m+1128m+124m的钢桁加劲梁单跨悬索桥，桥梁两端直接与隧道相连，锚碇分别采用重力式锚碇和隧道式锚碇。本文重点介绍了大桥方案设计、抗风抗震及岩石力学研究的阶段成果，并对施工工艺进行了探讨。关键词：特大桥；方案；研究 1. 项目背景长沙至重庆公路通道湖南省吉首至茶洞高速公路位于湖南省西部，途经湘西土家族、苗族自治州的吉首市和花垣县，是长沙至重庆公路通道湖南省境内的最西段，也是地形、地质条件最为复杂的一段。路线起于湘西土家族苗族自治州首府——吉首市,与湖南省常德至吉首高速公路（正在建设）相接，终于湘黔渝三省（市）交界处的“边城”——茶洞镇花垣河，与重庆至长沙公路洪安至酉阳高速公路（初步设计阶段）相连。路线全长64.3093km。本项目勘察设计纳入了交通部勘察设计典型示范工程项目。矮寨特大桥为吉茶高速公路的控制性工程。桥位距吉首市区约20公里，跨越风景秀丽的德夯大峡谷和中国著名的公路奇观——矮寨盘山公路（旧川湘公路）。桥位紧邻德夯苗族文化风景区，自然环境优美，地形条件复杂，桥面设计标高与地面高差达330m左右，山谷两侧悬崖距离从900m到1300m之间变化。在“安全、舒适、环保、和谐”的设计原则下确定最佳的桥位及桥型方案是政府主管部门、业主和设计师共同关注的问题。2. 自然条件2.1 地形桥位区域从大的地貌上讲位于云贵高原的边缘，地貌单元为低山地貌，矮寨特大桥沿北西向横跨德夯大峡谷，沿桥轴线地形起伏极大。峡谷最低处地面标高为240m左右，最高处标高为660m～740m。山坡平均坡度约54°～49°。谷底宽约60m，地形较为平坦，有G209国道通过，沟内溪水自东向西流。山谷两侧悬崖距离从900m到1300m之间变化。在茶洞岸侧有一巨大的岩堆，岩堆上下高差达270m。2.2 气象亚热带季风性湿润气候，平均气温16.6℃，年平均降雨量1400mm，无霜期长，历年平均为282天。最冷月月平均气温2.8°C、最热月月平均气温25.4°C、极端最低气温-10.0°C、极端最高气温38.0°C；矮寨地区年平均冰冻天数为13天；矮寨地区年平均雾日为45天；吉首NNE向10分钟平均风速13.3m/s、吉首NW向瞬间风速25m/s、花垣NW向瞬间风速31.9m/s。 2.3 地质根据地质调查及钻孔资料，勘察场地发育的地层主要为第四系的粘土、块石和寒武系中统的灰岩和下统的灰岩、砂质页岩。岩层倾角平缓，一般在15°以内。受桥位地质构造及地形的影响，峡谷两岸发育有构造裂隙和卸荷裂隙。2.4 地震湖南省防震减灾工程研究中心《吉茶高速矮寨悬索桥工程场地地震安全性评价报告》分析认为：该工程场地所处的区域和近场区地震地质构造环境相对稳定，未来一百年内发生5.5级以上地震的可能性较小，场地工程地质条件简单，地基稳定，未发现全新世的活动断裂，在遭受设防概率水准下的地震活动时发生地震地质灾害的可能性较小，适宜拟建工程项目的建设。工程拟按100年基准期、2%超越概率水平设防，可取地震动峰值加速度0.05g、地震动反应谱特征周期为0.35s（对应于原地震基本烈度小于Ⅵ度区）进行抗震设计。 3. 桥隧方案比选吉首至茶洞高速公路面对德夯大峡谷高差达500m的悬崖绝壁和横亘其身后绵延数十公里的排碧台地，在最初的工可方案设计中，几乎让大家认为特大隧道方案是唯一选择，但是设计者们发现，特长隧道不但修建管养复杂、建设费用和管理费用昂贵，而且社会资源和能源消耗巨大、行车舒适度和安全性极差、隧道产生的大量废方和废汽严重污染环境等问题又让每个人心存隐忧，于是有了长达四年的漫长探索路，有了一桥飞跨德夯大峡谷的矮寨梦之桥。初步设计的悬索桥方案在工可隧道方案基础上产生了质的飞跃：（1）避开了不良地质的影响。矮寨悬索桥位置基岩裸露，岩石坚硬，产状平缓，地质稳定，无活动断层，有利于特大桥修建。如此同时，现场调查、遥感解译和地质勘探均标明，排碧特长隧道施工和运营期间极有可能引起隧道内大规模高水头涌水（或突泥）、隧道顶地表水源枯竭等环境地质灾害，应尽可能绕避。悬索桥方案所经地段，岩性变化较小，路堑边坡稳定性较好。特长隧道方案走向大致与一条NE向断裂带走向一致，边坡稳定性较差。（2）改善了公路的安全性能。由于特长隧道所处的特殊的水文、地质条件、其施工安全、运营安全存在极大的隐患；相对而言，悬索桥方案对各种安全隐患的可预测性、易抢救性和可修复性

均优于特长隧道方案。隧道内部不设置硬路肩，也无法设置爬坡车道，安全性能也打了折扣。（3）减小了对自然环境的影响。排碧特长隧道将产生多达180万m3 的废方，沿线高山峡谷、弃渣困难，其需大量占用耕地，在峡谷中大量弃方还可能诱发新的地质灾害；而明线方案弃渣量小且废渣场地可靠，对自然环境影响极小。特长隧道方案沿峒河展线，反复跨越峒河10余次，施工开挖的泥沙、运营期间的污水排放对峒河的水质影响较大。同时汽车噪声和废气对生活在峒河两侧山脚的居民带来较大的影响。悬索桥方案走山脊线，路线附近人烟稀少，耕地占用量极小，对周边少数民族居民影响不大；特长隧道产生的大量废汽和噪音，对隧道内的司乘人员不利。（4）增强了公路的景观。特长隧道方案在一个狭长的峡谷内反复穿越峒河和湘川公路，对峒河风光带破坏较大；矮寨悬索桥与独特的自然景观相得益彰，为矮寨的旅游盘山公路增添了新的人文景观；悬索桥方案从风景区旁通过，充分结合地形设置了多处观景平台，增加了公路景观。（5）提高了社会服务能力。特长隧道方案技术指标低，局部无法满足80Km/h的设计速度要求，安全隐患多，服务水平低；而悬索桥方案平纵面指标均衡，与地形条件结合协调，行车相对较舒适；悬索桥方案在排碧台地增设矮寨互通，将有力带动周边乡镇的经济发展，方便台地上的居民出行，同时有利于湘西旅游发展；而隧道方案从吉首西至排碧没有设置互通的条件，服务沿线经济能力较差。湘西山多田少，特长隧道方案沿峒河展线，占用耕地多，居民拆迁量大，安置工作十分困难；悬索桥方案符合当地政府部门的要求，切合地方群众的利益。（6）降低了全寿命周期成本。悬索桥方案较特长隧道方案每年可节约运营成本约1亿元，同时每年节约管理养护费约5000万元；特长隧道方案沿国道展线，施工工期对国道正常运行和地方群众出行干扰大；悬索桥方案路线长度缩短约11km，节约了工程投资，提高了运行效益。更值一提的是，一桥飞架矮寨公路奇观，显示出磅礴的气势，并与独特的自然景观相辉映，为矮寨的旅游盘山公路增添新的人文景观，进一部提升矮寨的旅游价值。 4. 桥型研究4．1总体原则由于矮寨特大桥独特的地形条件（桥面与谷底高差达330m，山顶与谷底的最大高差达500m，山谷两侧悬崖距离从900m 到1300m之间变化。在茶洞岸侧有一巨大的岩堆，岩堆上下高差高达270m），按照“安全、舒适、环保、和谐”的设计原则，梁桥、拱桥、斜拉桥对于本桥明显不合适。悬索桥目前的最大跨径约2000m，在本桥桥址处修建跨径1200m左右的悬索桥，索塔可以置于峡谷两侧的山体上，大大地降低索塔高度，同时避开茶洞岸侧的巨大岩堆。综上所述：采用悬索桥为唯一可行的方案。4.2 方案比选根据桥位区域的自然条件，综合考虑路线的总体走向，就正线、M线、N线、S线、P线、C线、Q线共七个线位方案进行了深入比较，主要考虑桥梁两端接线、索塔及锚碇的布置、两岸隧道断面形式等因素。下面就正线、M线、C线、Q线四个线位方案分述如下：4.2.1 正线方案正线方案悬索桥以290度（右交角）与德夯大峡谷相交，主缆的孔跨布置为：406m+1300m+73m，钢桁加劲梁全宽27m，主索垂跨比F/L=1/9.2，全桥采用88对吊索，吊索标准间距为12.8m，主跨梁高（主桁中心线处）6.5m；主梁桥台处设竖向支座、水平弹性支座及横向抗风支座。两岸锚碇均为隧道式锚碇；吉首岸索塔采用钢—混凝土组合结构，茶洞岸采用钢筋混凝土结构；单根主缆由234束91丝ф5.1平行镀锌钢丝组成；吊索选用骑跨式钢丝绳吊索(8X36SW+IWR，公称抗拉强度1870MPa)。图4.2.1 正线方案桥型图吉首岸索塔布置在悬崖及矮寨三号隧道上端，山体较单薄；两岸索塔间距1300m。主梁两端分别与矮寨三号隧道和坡头隧道连接。吉首岸锚碇处位于主塔以外的山体内，距主塔约406m，锚碇处山体巨大。茶洞岸边跨较短，约73m。该方案两岸均采用隧道式锚碇，较其它形式锚碇造价便宜。但存在以下弊端：①两边跨跨径相差太大，吉首岸边跨主缆刚度太小，结构布置形式不合理。②吉首岸索塔由于立在山体上方，抗推刚度大，采用常规高标号混凝土索塔无法满足设计要求，需设计成钢索塔。由于运输及地形条件限制，施工极端困难。③全桥造价偏高。4.2.2 M线方案主缆的孔跨布置为：113m+1228m+73m，钢桁加劲梁全宽27m。主索垂跨比F/L=1/9.2；全桥采用86对吊索，吊索标准间距为12.8m，主跨梁高（主桁中心线处）6.5m；主梁桥台处设竖向支座、水平弹性支座及横向抗风支座。吉首岸锚碇采用重力式锚碇，茶洞岸锚碇为隧道式锚碇。索塔均采用钢筋混凝土结构。单根主缆由200束91丝ф5.1平行镀锌钢丝组成。吊索选用骑跨式钢丝绳吊索(8X36SW+IWR，公称抗拉强度1870MPa)。吉首岸索塔布置在悬崖下部，距悬崖底部约50m。相对正线线位方案索塔间跨径减少约80m，主跨1228m，但由于索塔布置在悬崖下方的较陡的边坡上（其坡度约51度），索塔高度增加至约200m；吉首岸锚碇布置在矮寨三号隧道上端的山体上，采用重力式锚碇。M线方案克服了正线方案结构布置不合理的缺点，吉首岸索塔采用钢筋混凝土混凝土结构就能满足设计要求，但由于索塔位置下移，需额外增设一条施工便道，