公路桥梁设计与风险

1铁路及洪水影响下的桥梁设计要点

1)下穿桥桥头处设置中央分隔带开口以利于养护、维修及抢险;2)在桥头处设置净高5.5m的限高设施，以防止超高车辆行驶冲撞铁路桥梁;3)优化路线竖曲线;4)对桥面防、排水做特殊构造设计。由于下穿桥位于凹曲线上，受暴雨、洪水影响大，故应从以下几方面来控制洪水对桥梁的影响。1)下穿桥采用固定支座、设置挡块防止桥梁在流水压力的作用下发生偏移;在预应力混凝土现浇箱梁箱内填充铁砂混凝土压重来抵消上浮力。2)下穿桥桥墩采用实体墩配桩基础，横向端部设锥形体，以减少对水流的阻力;中墩与主梁固结，取消支座。3)为保证汛期将洪水隔离在桥面行车道外，下穿桥采取由箱梁和防水墙组成的封闭U形槽断面，如图2所示。防水墙在墩顶和跨中均设变形缝断开，基本不参与箱梁受力。4)箱梁及防水墙采用防水混凝土，变形缝内设背贴式和中埋式止水带2道，伸缩缝处箱梁和防水墙采用OMEGA止水带1道。5)桥面排水［5］采用封闭集中排水系统。设置凹形纵向排水明槽，雨水通过纵向排水明槽汇集到集水池。

2风险评估

公路桥梁建设和运营阶段存在着诸多不确定性因素，设计、施工、运营过程中任一环节的错误和疏忽，都会降低结构安全性，导致安全事故发生。下穿桥处于特殊环境条件下，需进行风险评估［6－7］。风险估计是风险评估的主要工作，包括风险概率估计、风险损失估计和风险量测3个方面的工作［7］。本文主要采用专家调查法对下穿桥设计进行风险评估。根据该桥的建设条件、设计方案、施工方案、运营管理划分评估单元，将统计分析结果按照评估单元划分归类，分析当前工程中存在的风险，判断风险等级，并拟定对策措施控制风险［8］。限于篇幅，本文仅列Ⅱ级及以上风险。

2.1建设条件风险

下穿桥建设条件具有复杂性和多变性，通过调查、分析建设环境和项目情况，主要针对气象条件风险、水文条件风险、施工环境风险和场地条件风险等方面进行评估。风险描述见表1。对13名业内专家的调查情况见表2。以暴雨风险为例，9位专家评定暴雨风险发生概率级别为4级及以上，2位评定为3级，2位评定为2级;1位专家评定暴雨风险损失等级为4级，2位评定为3级，8位评定为2级，2位评定为1级;综合评定概率发生级别为4级，损失等级为2级。最终确定暴雨风险等级为Ⅲ级。气象、水文条件中Ⅲ级风险主要应对措施如下。1)进行水文调查计算，多设排水口，增大排水截面;设置自动控制排水系统及应急预案;合理确定洪水位，并考虑浪高，对淹没区漂浮物及洪水特性进行充分分析。2)建立下穿桥气象监测和地方气象台的信息联动机制，并根据项目范围内灾害性气候特点和统计规律制定异常气候安全通行管理规定，通过及时有效的交通控制措施，实现异常气候条件的安全管理。在下穿桥桥墩合适位置设置洪水位报警装置，报警信号可上传至监控中心，如遇暴雨、特大洪水可提前报警。

2.2结构方案风险

下穿桥下穿运营及在建的铁路桥梁，考虑嘉陵江100年一遇洪水，该桥两侧设置了挡水墙，故其主桥结构特殊。结构方案设计中应重点研究复杂环境条件、结构形式特征缺陷、排水系统失效及现有理论不足等因素给结构本身带来的风险，主要风险源及风险等级见表3。下穿桥结构方案中Ⅲ级风险应对措施如下。1)结构形式特征缺陷风险应对措施。设置排水、防水系统，适当降低纵坡，加强桥面排水功能，同时还要考虑洪水期因排水口而造成的反涌水。加强抗洪抗浮设计，加强挡水墙研究与设计，如挡水墙受到车辆撞击、洪水漂浮物撞击等。加强结构耐久性设计。对止水、防水需特别重视，应加强防排水［9］构造处理措施。2)排水系统失效风险应对措施。与城市雨水排水系统不同的是，下穿桥两端坡度较大，集水较快，考虑该桥的重要程度，应适当提高其排水的设计重现期，一般宜取其上限5年［9］，进行水文、水力验算。集水池雨水流态会对水泵的运行产生影响，由于雨水收集系统与集水井直接相连，暴雨时流速较快的雨水径流集水井直接进入集水池会形成回流、湍流，从而恶化水泵进水条件，导致水泵效率下降，故应采取导流等措施来改进雨水流态，以利于泵站的正常运行，如设置导流板或导流墩、压水板或挡水板等。泵站选址应结合当地防洪现状并考虑泵站自身防洪要求，防止泵站淹没而影响泵站运行。水泵的控制手段与能否及时排除雨水密切相关，故宜采用报警水位双泵启动方式控制，即高水位(小雨)时启动1台水泵，超高水位(大雨)时再启动1台水泵并报警。3)现有设计理论不足或设计失误风险应对措施。调研完善基础资料，吸收已有工程经验。认真研究可能工况并进行验算，完善各种工况的应急措施。加强抗洪、抗浮设计，加强挡水墙研究与设计，如挡水墙受到车辆撞击、洪水漂浮物撞击等。处理好全桥排水、防水等的构造设计。对长期运营中构件的有效性及维修、更换提出措施。对防排水设施的薄弱部位，如伸缩缝、变形缝、施工缝、集水井的防水，设计时需细化构造，并对材料选择、安装提出详细技术要求和措施。另外，还需对下穿桥的防、排水系统及暴雨、洪水预警系统展开专题研究。

2.3施工方案与施工管理风险

下穿桥在施工阶段技术要求高，一旦发生事故影响重大。因此，根据该桥结构特点，本文主要分析挡水墙施工风险、桥墩及基础施工风险以及铁路施工与运营风险。风险控制应注意以下几点:固定模板的螺栓不宜穿过防水混凝土结构，以避免水沿缝隙渗入，若必须采用对拉螺栓来固定模板时，则应加焊止水环;保证止水带的施工及质量，加强施工工艺、工序的管理，对关键环节，须经各部门共同确认达标后，方可进行下道工序施工;需加强排水设施的管理及维护，及早明确接管单位并提前介入，以保证排水设备正常运用。

2.4运营管理风险

下穿桥在运营管理期间主要存在汽车超载风险、灾害天气风险、洪水风险、高铁施工及运营风险、养护风险及车辆撞击风险。其主要风险描述及控制措施见表5。1)汽车超载风险应对措施。建立下穿桥的健康监测系统，及时发现超载、超限车辆对桥梁产生的威胁和病害，并及时进行加固维修处理;加强超载车辆的管理和宣传力度，注意警示标志的设置;在收费站或服务区设置计重系统，勒令超载车辆卸载，杜绝超重车辆上桥。2)暴雨风险应对措施。设计时可考虑设置预备排水孔，平时封闭，有暴雨天气出现时开放;加强对防、排水系统的日常检查，维护;做好暴雨及洪水预警系统，建立暴雨、洪水预防联动机制。

3结论

通过建设条件、结构方案、施工方案、运营管理中可能出现的风险因素调查，对下穿桥进行了风险评估研究，确定了特殊条件下该桥的风险源及风险级别。其中暴雨、洪水、排水系统失效、结构形式特征缺陷、现有设计理论不足或设计失误、汽车超载均为Ⅲ级风险，必须采取有效措施削减其影响。铁路及洪水特殊环境下的公路桥梁设计与风险评估十分复杂，需基于细致的调查和科学分析，从排水、防水、防撞、结构设计、运营维护等方面展开研究，尽量削减下穿桥施工、运营与铁路施工、运营的相互影响;保证桥梁在一般暴雨、洪水条件下的安全运营，极端暴雨洪水条件下结构安全，洪水过后能及时对桥梁进行维修及养护。

作者：王鹏 王美馨 汪宏 李琦 单位：招商局重庆交通科研设计院有限公司 重庆交通大学