山区桥隧相连工程设计探讨

本文作者：赵志明 吴 光 王喜华 单位：西南交通大学 地球科学与环境工程学院 西南石油大学 资源与环境学院

复杂山区工程地质条件的主要特点有:①大高差:地形起伏大，受铁路设计高程限制，线路多以高墩大跨桥梁和隧道形式通过;②复杂的地质构造:山区断裂发育，岩体受构造影响大，物理力学性质差异大;③复杂的水循环系统:山区地表水地下水受构造、岩性影响，具有复杂的水循环系统［1-2］。另外山区往往是风化、剥蚀强烈地区，地表重力地质现象发育，滑坡、崩塌、泥石流等次生地质灾害严重。由于山区复杂的地质条件，山区铁路工程的选线理念、设计思路、勘测方法、工程措施等诸方面都与平原地区有较大不同。尤其是桥基(桥隧相连)高边坡问题是桥梁结构设计的技术难点之一。又因主墩台多设置在峡谷区高陡岸坡上，也就带来了另一重要的技术难点———墩台的设置位置和合理埋深的确定。由于桥、隧、路基不同结构形式加上复杂山区地形限制，产生很多工程问题，为铁路修建及行车安全带来不利影响。桥隧相连部位的工程设计问题已经成为当前山区高速铁路工程设计的重要工程问题之一。

1复杂山区铁路工程桥隧相连工程的设计理念

1.1复杂山区自然边坡的稳定性山区由于地形大高差，在山高谷深地区边坡不同于一般边坡，常常是高度近百米至数百米的坡度较陡、岩体结构复杂的岩质边坡。由于受其岩性、岩体结构、不连续面、水文条件、施工条件等诸多不确定性因素的影响，其变形破坏的机制非常复杂，对其稳定性评价也非常困难。边坡失稳对铁路工程施工、运营造成重大影响。在铁路工程设计阶段，自然边坡的稳定性直接影响桥位置和隧道口位置的选择，进而影响桥型的选择和铁路选线。因此，在铁路选线初步设计阶段就应有针对性地评价高陡边坡稳定性，分析边坡稳定坡角(图1)，以便科学选择隧道洞口、桥台基础合理位置以及桥基的深度(图2)。

1.2复杂山区边坡工程设计线路在峡谷地段，如以傍山明线通过，可能会对山体进行开挖，形成大量工程边坡。工程边坡的稳定直接关系到铁路施工和运营的安全。山区地质灾害具有沿沟谷呈线状分布的特点，顺河傍山地段，在内外应力作用下极易诱发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。“5.12”汶川地震后都(江堰)汶(川)国道频繁断线主要问题就是受沿岷江河谷大量边坡地质灾害影响。为避免灾害对铁路的破坏，在峡谷地段，线路应避免以傍山明线方式通过，线路宜向山侧内移以隧道方式通过(或向沟谷外移，以桥梁形式通过)。在建成(都)兰(州)铁路沿岷江地段，为了躲避沿岷江河谷大量的崩塌落石等地质灾害，采用了线路向靠山侧内移的隧道方案(图3)。

1.3线路应避免短隧道群，洞口位置的选择应贯彻“早进晚出”原则高陡峡谷段隧道洞口是崩塌落石多发地段，在内外应力作用下极易发生斜坡重力地质灾害，而且一旦因地质灾害造成隧道内列车出轨、翻车事故，抢险救灾难度极大，极易形成灾害链。线路应避免短隧道群，洞口位置的选择应该贯彻“早进晚出”的原则，尽量减少削坡。在山坡陡峻与岩层破碎地段，应进行地质横断面选线，确定合理的线路位置。应尽量减少隧道群，避免隧道浅埋、洞壁过薄而产生偏压等现象。要重视洞门位置的选择，避免设计高仰坡和出洞口高边坡。严格控制隧道洞口的刷坡高度，陡崖、落石易发生地段应接长明洞。桥隧相接地段明洞设计经常涉及到隧道和桥梁专业两方面问题，为了工程安全，两个专业应加强合作。边、仰坡范围外可能产生次生灾害且影响隧道安全的地段应纳入支护设计范围。洞口软硬围岩接触带、松散堆积体与围岩接触带、断层破碎带、洞深浅埋地带及洞深大型溶洞发育地段应重点设防，同时考虑发生灾害后的快速抢修。

1.4尽量从边坡坡面正面进洞，避免侧坡进洞隧道及桥台施工引起工程附近山体应力重新分布，侧坡进洞在隧道口一定范围内形成偏压，由于应力差会引起隧道靠山一侧变形增大，破坏隧道衬砌。长沙—昆明铁路某工点线路走向与边坡坡向呈45°左右斜交(图4)，在隧道口处进行工程削坡，形成高边坡(图5)。同时在隧道进口段出现偏压问题。在隧道洞口段选取典型断面，采用数值模拟方法对工程边坡岩体和隧道偏压段隧道围岩的应力、应变、强度进行模拟分析。计算表明，工程边坡开挖后由于边坡临空面的应力重分布，岩性分界面和边坡坡面变坡点的地方存在剪切和卸荷拉张破坏区(图5)。隧道洞身两侧潜在强度破坏特征明显不同(图6)，由于应力不平衡隧道洞身两侧出现差异性应变，引起两侧岩体破坏趋势差异。

2桥隧相连工程设计若干形式

2.1缓坡地段在缓坡地段可以采用桥梁(桥台)+桥头搭板+柔性短路基+隧道口过渡板+隧道的形式连接，隧道口部位采用一定的工程刷坡，洞口在边坡坡面。或者采用桥梁(桥台)+隧道口过渡板+隧道的形式连接(图7)。桥梁和隧道属于刚性结构，短路基属于柔性结构，设桥头搭板和隧道口过渡板的主要目的是达到刚柔过渡的效果。但在实际施工中［3-6］，往往由于台背回填、土基沉降、雨水下渗侵蚀、排水不畅、压实难度大等因素，短路基段线路纵向和竖向结构上很难达到刚柔过渡的效果。即便达到刚柔过渡的效果，由于路基段太短，行车速度较高，两次过渡不可避免地会造成行车不舒适甚至颠簸。因此应使衔接段刚度一致，桥、路、隧保持刚度连续。采用钢筋混凝土厚基层［4-5］，纵向上可以实现刚度连续，厚基层下设半刚性底基层、垫层过渡，竖向上可以实现刚柔渐变过渡。利用钢筋混凝土基层具有刚度大、强度高、整体性好，稳定性、耐久性好，抗侵蚀能力强，后期养护费用少，经济效益高等优点。

2.2陡坡地段陡坡地段的岩土体，通常存在卸荷问题。由于桥梁在后期运营中制动力、振动等因素的影响，容易产生水平荷载，这对卸荷裂隙造成的危岩体的安全是极为不利的。因此桥台必须深入隧道内一定的长度，以跨过或部分跨过该裂隙带，减小这种影响(图8)。陡坡地段难以开展作业面，施工时通常采用侧洞或竖井施工，先施工桥台，从内往外开挖。

3复杂山区桥梁形式

客运专线是以客运为主的快速铁路，时速一般为200～350km/h，曲线半径一般在2200m以上。对于桥梁设计，与普通铁路相比，在荷载、结构以及运营舒适性、耐久性、经济性乃至建设工期上都有显著的不同。针对山区特别是复杂山区山大沟深，经常出现的高墩、大跨桥梁，桥隧相连段客运专线桥梁的勘察，目前尚未有现成的经验可资借鉴。复杂山区对桥梁工程的影响主要是:山高谷深，大型运架设备无法通行;沟谷狭窄，制梁场等大型临时工程布设困难;地形地貌、地质条件和水文条件非常复杂;工程艰巨集中，特别是桥隧相间，长隧、高桥相连。

3.1桥梁桥式目前我国高速铁路桥梁设计以梁桥、拱桥和组合结构桥为主，其中山区隧道间的桥梁形式以梁桥、拱桥为主。梁桥主要有简支梁、连续梁、连续刚构、刚构连续梁、T构桥等桥式。高速铁路桥梁的梁型一般采用简支箱梁，对于特殊地形地貌、地质条件的地方，可采用连续梁、连续刚构、刚构连续梁、T构桥等特殊结构桥式。拱桥从结构形式上分为上承式、中承式、下承式，从材料上又分为钢筋混凝土拱桥和钢管混凝土拱桥。主要适用于沟谷呈V型，桥高达百米以上，且沟谷两侧地质条件良好的地区(图9)。山区铁路在跨泥石流沟谷时，桥墩位置设置应考虑洪水期(泥石流形成时)对桥墩的冲击破坏性。

3.2施工方法针对以上的桥式方案，桥梁梁部的施工方法分为两大类［7-10］:预制架设和桥位处造桥。预制架设指桥梁在梁厂预制，整孔运输至桥址处架设。桥位处造桥包括满堂支架法、移动模架逐孔浇筑法、节段拼装移动支架造桥机法、顶推法、悬臂浇筑施工法等。4结语本文通过对山区铁路桥隧相连段工程形式进行分析，根据不同的地形特点，将桥隧相接形式分为缓坡桥+路基+隧道形式、陡坡桥+隧道直接相连的形式。根据线路方位与地形相互关系，分为线路与边坡坡面垂直和斜交形式。根据桥隧相接不同形式分析了工程遇到的特殊地质问题、结构设计问题、桥梁施工等问题。研究内容可为铁路选线和桥隧相接工程设计提供参考。