论文部分内容阅读
摘要：随着国民经济的发展，时间和安全对于国民生产和旅途至关重要。经过长期的检验，铁路运输是最安全的运输方式和最舒适的乘坐方式。山区铁路在庞大的铁路网中必不可少，并且山区是多深谷沟壑、多河川和地质情况复杂区，山区铁路设计成为全线设计的关键点。本文根据工程实例阐述山区铁路桥梁的设计要点，为以后相同工程实例借鉴学习。
关键词：山区桥梁设计；梁跨选择；桥墩样式选择；山坡基础设计；桥隧连接处桥台设计；桥梁与路基比选
前言
府谷线是一条煤炭铁路专用线，位于陕西北侧府谷县，所经地区属于黄土高原地区。本地区黄土覆盖层较厚，受雨水冲刷及风蚀后，沟壑纵横，地势起伏较大，坡顶到坡底高差达到70～150多米。根据本区地貌的成因及其形态特征，可将其划分为黄土梁峁区、临谷丘陵区、河谷区。全线共42.02公里，设置3个站，包括3个装车环线。桥梁共计41座，占全线里程的26%，涵洞107座，平均每公里4.2个。最高墩为52m圆端形桥墩，最大跨度为64m三跨预应力混凝土连续箱梁，涵洞最大填土高38m，桥上最小曲线半径300m，多处桥隧连接，跨越黄河一级支流2处，三线道岔梁桥1座。现将桥梁设计情况进行分别论述。
1.桥梁孔跨设计的选择
全线主要河流为皇甫川和清水川，均为黄河一级支流，桥位处流量分别为9710m3/s和3410m3/s，河槽滩地比较明显。设计时为了减少阻水因素，尽量少在主河槽内放置桥墩。梁底标高按照高出百年一遇水位+壅水值控制，并预留一定的安全值。结合洪水泛滥区、地形地貌和不大于10m的起桥高度，确定桥梁墩台位置和桥梁长度。经过具有相应资质的防洪评价部门鉴定，两座桥均采用32m预应力混凝土梁跨越主河道。
全线跨越的主要道路为纳榆公路和大庙路，均为重要的运煤通道。纳榆公路有预留要求，预留道路宽度20m，由于交角较小，无法从一跨32m梁下通过。设计时在此处进行了32m梁跨和（32+48+32）m梁的经济技术比较，由于墩高较低，连续梁截面尺寸较大，虽然连续梁具有一跨跨越的优势，但是与32m梁跨（公路分别从两孔通过）方案相比经济代价较大，经过业主与相关产权单位沟通，可公路可分孔通过，采用32m梁较为合理。
清水川特大桥跨越大庙路时，铁路与大庙路交角41°，公路宽8m，道路两侧路基高度分别为2.8m和4.5m，沿铁路方向公路两侧坡脚距离28.9m，且跨越公路处桥墩高约50m，基础尺寸较大，采用32m梁无法一跨跨越。经过研究本处立交可采用48m连续方案和改移道路方案。经过技术比较，连续梁方案与改移道路方案造价相差不多，且能满足既有公路线形，故此处桥梁采用（32+48+32）m预应力混凝土箱梁。
道岔梁桥设计优先选用（2005）2101梁中的标准跨度边梁和中梁；特殊设计道岔梁尽量保证T梁底板和腹板尺寸与标准梁相同，按照线上实际荷载情况进行检算，配置预应力束和普通钢筋。
本线桥梁尽量减少跨度形式和樣式，目的是为了减少模板的套数，降低工程造价，且便于管理和使用。但也根据实际情况进行调整，综合考虑并进行技术经济比选，使设计更合理。
2.桥墩样式的选择
本线采用了铁路常用的圆端形桥墩作为主要桥墩，与矩形墩相比，它减少了水流对桥墩周围河床的局部冲刷；与圆形桥墩相比，它墩高范围广，截面尺寸更经济合理。墩高≤30m时采用实心圆端形桥墩，按墩身高度不同分为直坡、45：1、30：1三个坡度，相邻两个坡段墩高有一定范围的重合，以减少单座桥梁坡比，坡比尽量统一，节约模板。桥墩表面设置构造配筋，防止墩身产生裂纹。
30m<墩高≤50m时，采用空心圆端形桥墩，单箱室，墩内外采用不同坡比，使墩身环形截面由墩顶至墩底逐渐加大。墩顶壁厚0.6m，墩底最大壁厚1.02m，且墩身外轮廓尺寸逐渐加大，以抵抗不同墩身高度处的外力和力矩。在墩顶顶帽下设置3m实体过渡段，使支座反力较均匀地传至墩壁，并减少活载冲击力对墩壁的影响。在墩底设置3m实体过渡段，使墩壁应力能扩大传到基底，使基底应力分布较均匀。实体段与墩壁连接处设置0.5×0.5m斜交，避免应力集中。
墩高>50m时，仍采用空心圆端形桥墩，但墩身截面尺寸相应的增加，以保证桥墩自振频率、墩身刚度和墩顶位移等指标满足设计要求。
本线清水川特大桥共29个桥墩，均采用圆端形桥墩，完全采用参考图设计时，全桥需要6套模板，经过墩身坡比优化，30m以下、30m至50m、50m以上各墩高段桥墩采用一个坡比设计，全桥只需要3套模板，在墩身工程量增加不多的情况下，大大的减少了模板的数量，节省了工程造价，减少了不必要的浪费。
全桥平均墩高42.3m，最大墩高52m，其中超过50m墩高的有11个。设计时对墩高超过50m的桥墩做了单独设计。在墩高50m以下桥墩的基础上，以0.2m为一级，逐级成倍增加纵横向尺寸，并以桥墩纵向和横向的位移和刚度为控制目标，最终确定合理的墩身尺寸和坡比。对确定后的桥墩尺寸进行了整体稳定性计算、局部稳定性计算、墩身截面应力的计算、温度应力的计算、桥墩自振周期的计算和风振的影响。
3.山坡处桥梁基础的设计
府谷线大部分桥墩落在山坡上，有横向边坡，也有纵向边坡，边坡与水平面的夹角从20°到55°，有黄土边坡，也有软质岩石边坡和硬质岩石边坡。
当桥墩落在黄土边坡上时，一般宜采用桩基础。首先根据不稳定边坡坡率确定边坡的稳定边线，将承台落在稳定边坡内，保证承台顶最小埋深不低于0.5m，保证承台底距不稳定边线不小于承台厚度；然后进行基础计算，稳定边坡距离桩基外缘大于5m时开始计入侧摩阻，小于5m时的桩长按照自由桩长计入。
当桥墩在软质岩和硬质岩边坡时，应根据岩层的容许承载力[σ0]和桥墩扩大基础基底最大应力σmax的比值来确定是否可以采用扩大基础，如σmax> [σ0]，则可以采用扩大基础，反之则不可以采用。在计算岩层容许承载力[σ0]时，应将基础深度和宽度修正后的数值作为最终的比较值。如采用扩大基础，基础底距离稳定边坡线应不小于3～4m，基顶埋置深度不小于0.5m，且应计算桥墩的整体稳定性、抗滑移验算和偏心等。如采用桩基础，设计方式与土层边坡设计方法基本相同，只是稳定边坡距离桩基外缘大于3～4m时开始计入侧摩阻。 边坡桥墩基础设计还包括施工开挖后基础以上边坡放坡的设计。施工基础时需要有施工平台，以便机械和人工作业，平台宽度一般比基础宽出2m左右。预留一定的施工平台后，按照稳定边坡坡率开始向上开挖，边坡高度超过8m时中间设置2～3m平台，继续向上开挖，坡率适当放缓，直至与既有边坡线相交。如果开挖边坡无限向上延伸，可以在适当的位置采用防护桩对边坡进行支挡，以免过度破坏自然边坡，造成对环境的恶劣影响。边坡何时需要支挡，应根据工程造价和对环境的影响综合进行评定。
本线迎路峁沟特大桥1号墩纵向刷坡14.7m，分两级刷坡，第一级8m高，第二级高度6.7m，第一级和第二级间设置2m平台，边坡比为1：1。桩基顶外缘距离边坡线大于4m，可将整个桩长计入侧摩阻。为了保证施工作业宽度，边坡底距承台边留出了2m的施工宽度。桥墩平台预留10%的排水坡，以使坡面汇水及时排出。边坡为软质砂泥岩边坡，遇水易软化，为保证边坡的稳定性，对边坡采用M10浆砌片石铺砌，并在边坡顶设置截水沟，将水引至坡底。如下图。
边坡上的桥梁设计，难点在于如何确定稳定边坡线，如何确定桥墩高度及基础形式。稳定边坡线需要测量准确反映现场实际情况，从桥墩纵断面和横断面分别选取稳定边坡线位置，经过比较选择最合理的稳定边坡线。桥墩高度和基础尺寸应根据稳定边坡线的位置确定，但是墩子越高，基础尺寸越大，基础尺寸越大，可能就很难满足承台边缘与稳定坡线距离的要求，故需要经过几次试算找一个平衡点来同时满足基础尺寸和距离的要求。
4.U形沟桥隧连接处桥台的设计
在山区桥梁设计中桥梁与隧道连接也很常见，大致分为二种情况，桥梁深入隧道内和桥梁台尾与隧道口相接。两种情况均应与隧道设计紧密衔接，将桥台设计图与隧道口设计图按照实际情况以相同的比例画在一张图上，经过对比分析，做出合理的方案。
例如本线迎路峁沟特大桥大里程桥台部分伸入二道峁隧道入口，设计时将隧道曲线墙下卧至承台底以下，仰拱下卧至承台顶，出入口挡土墙底下卧至承台底，桥台采用最小高度的桥台，由于表层为黄土，采用桩基础。施工时应考虑隧道净空的影响，采用合理的施工机具。承台基础施工采取支挡措施，保证基坑垂直开挖。本工程如下图。
桥台设计应尽可能的控制桥台身和基础尺寸，尽量选用扩大基础，或者明挖满灌基础，基础施工时保证垂直开挖。隧道设计应适当的加大曲线墙的厚度和仰拱的厚度，适当加大隧道口挡土墙的宽度，以抵御桥台对隧道的影响。
5.V形沟桥梁与路基专业的比选
本线位于陕北黄土高原，黄土冲沟较多，多为V字形。填土高度低时采用路基通过，填土高时采用桥梁通过。选用路基还是桥梁需要通过技术经济比较来确定。路基太高时沉降大，地基承载力要求高，地基处理工程量大，且占地面积大，对环境破坏大。填土太低时选用桥梁，造价太高，且V字形沟桥墩一般在边坡上，施工难度大，也不尽合理。要结合地质和水文情况，综合确定。
本线迎路峁2号大桥是为了跨越V字形沟而设置，采用1-24m+2-32m+1-24m簡支T梁，圆端形桥墩，T形桥台，最大桥高38m，最大墩高36m，桥下流量为6.7m3/s。设计时此处进行了桥梁和路基的技术经济比较。由于路基填土较高，路基本体分层设置土工格栅，分层冲击碾压，底部填筑5m高的渗水土，并分层碾压，边坡采用拱形骨架防护。路基下涵洞采用肋板涵。经过工程造价对比，路基方案比桥梁方案造价多216.5万元。
采用路基方案的优点是本线路基挖方较多，经过筛选可用于路基本体的填筑，减少了弃土外运土方、临时用地等工程量；缺点是填筑太高，沉降不宜控制，且路基占地面积较大，土石方工程量大，工程造价较高。采用桥梁方案的优点是解决了沉降大的问题，占地面积小，且工程造价较低；缺点是两个桥墩均在较陡的边坡上，施工难度较大，且产生了大量的刷方，破坏了地表植被，造成环境污染。综合比较，最终选用了沉降小、造价低、占地面积小的桥梁方案。
6.结束语
山区桥梁形式多样，桥墩高度范围广，基础形式和深度确定复杂，桥隧相连比较多见，技术经济比较不可或缺。为了做出更好的山区桥梁设计，需要多思考，勤动手，常比较，结合计算结果，最终确定设计方案。
参考文献：
[1]铁道第三勘察设计院《铁路工程设计技术手册桥涵地基和基础》2002年版
[2]苏荣耀 山区公路桥梁设计 建材与装饰 2010-02[3]毕玉琢 复杂山区铁路桥梁设计 铁道标准设计 2005-11
关键词：山区桥梁设计；梁跨选择；桥墩样式选择；山坡基础设计；桥隧连接处桥台设计；桥梁与路基比选
前言
府谷线是一条煤炭铁路专用线，位于陕西北侧府谷县，所经地区属于黄土高原地区。本地区黄土覆盖层较厚，受雨水冲刷及风蚀后，沟壑纵横，地势起伏较大，坡顶到坡底高差达到70～150多米。根据本区地貌的成因及其形态特征，可将其划分为黄土梁峁区、临谷丘陵区、河谷区。全线共42.02公里，设置3个站，包括3个装车环线。桥梁共计41座，占全线里程的26%，涵洞107座，平均每公里4.2个。最高墩为52m圆端形桥墩，最大跨度为64m三跨预应力混凝土连续箱梁，涵洞最大填土高38m，桥上最小曲线半径300m，多处桥隧连接，跨越黄河一级支流2处，三线道岔梁桥1座。现将桥梁设计情况进行分别论述。
1.桥梁孔跨设计的选择
全线主要河流为皇甫川和清水川，均为黄河一级支流，桥位处流量分别为9710m3/s和3410m3/s，河槽滩地比较明显。设计时为了减少阻水因素，尽量少在主河槽内放置桥墩。梁底标高按照高出百年一遇水位+壅水值控制，并预留一定的安全值。结合洪水泛滥区、地形地貌和不大于10m的起桥高度，确定桥梁墩台位置和桥梁长度。经过具有相应资质的防洪评价部门鉴定，两座桥均采用32m预应力混凝土梁跨越主河道。
全线跨越的主要道路为纳榆公路和大庙路，均为重要的运煤通道。纳榆公路有预留要求，预留道路宽度20m，由于交角较小，无法从一跨32m梁下通过。设计时在此处进行了32m梁跨和（32+48+32）m梁的经济技术比较，由于墩高较低，连续梁截面尺寸较大，虽然连续梁具有一跨跨越的优势，但是与32m梁跨（公路分别从两孔通过）方案相比经济代价较大，经过业主与相关产权单位沟通，可公路可分孔通过，采用32m梁较为合理。
清水川特大桥跨越大庙路时，铁路与大庙路交角41°，公路宽8m，道路两侧路基高度分别为2.8m和4.5m，沿铁路方向公路两侧坡脚距离28.9m，且跨越公路处桥墩高约50m，基础尺寸较大，采用32m梁无法一跨跨越。经过研究本处立交可采用48m连续方案和改移道路方案。经过技术比较，连续梁方案与改移道路方案造价相差不多，且能满足既有公路线形，故此处桥梁采用（32+48+32）m预应力混凝土箱梁。
道岔梁桥设计优先选用（2005）2101梁中的标准跨度边梁和中梁；特殊设计道岔梁尽量保证T梁底板和腹板尺寸与标准梁相同，按照线上实际荷载情况进行检算，配置预应力束和普通钢筋。
本线桥梁尽量减少跨度形式和樣式，目的是为了减少模板的套数，降低工程造价，且便于管理和使用。但也根据实际情况进行调整，综合考虑并进行技术经济比选，使设计更合理。
2.桥墩样式的选择
本线采用了铁路常用的圆端形桥墩作为主要桥墩，与矩形墩相比，它减少了水流对桥墩周围河床的局部冲刷；与圆形桥墩相比，它墩高范围广，截面尺寸更经济合理。墩高≤30m时采用实心圆端形桥墩，按墩身高度不同分为直坡、45：1、30：1三个坡度，相邻两个坡段墩高有一定范围的重合，以减少单座桥梁坡比，坡比尽量统一，节约模板。桥墩表面设置构造配筋，防止墩身产生裂纹。
30m<墩高≤50m时，采用空心圆端形桥墩，单箱室，墩内外采用不同坡比，使墩身环形截面由墩顶至墩底逐渐加大。墩顶壁厚0.6m，墩底最大壁厚1.02m，且墩身外轮廓尺寸逐渐加大，以抵抗不同墩身高度处的外力和力矩。在墩顶顶帽下设置3m实体过渡段，使支座反力较均匀地传至墩壁，并减少活载冲击力对墩壁的影响。在墩底设置3m实体过渡段，使墩壁应力能扩大传到基底，使基底应力分布较均匀。实体段与墩壁连接处设置0.5×0.5m斜交，避免应力集中。
墩高>50m时，仍采用空心圆端形桥墩，但墩身截面尺寸相应的增加，以保证桥墩自振频率、墩身刚度和墩顶位移等指标满足设计要求。
本线清水川特大桥共29个桥墩，均采用圆端形桥墩，完全采用参考图设计时，全桥需要6套模板，经过墩身坡比优化，30m以下、30m至50m、50m以上各墩高段桥墩采用一个坡比设计，全桥只需要3套模板，在墩身工程量增加不多的情况下，大大的减少了模板的数量，节省了工程造价，减少了不必要的浪费。
全桥平均墩高42.3m，最大墩高52m，其中超过50m墩高的有11个。设计时对墩高超过50m的桥墩做了单独设计。在墩高50m以下桥墩的基础上，以0.2m为一级，逐级成倍增加纵横向尺寸，并以桥墩纵向和横向的位移和刚度为控制目标，最终确定合理的墩身尺寸和坡比。对确定后的桥墩尺寸进行了整体稳定性计算、局部稳定性计算、墩身截面应力的计算、温度应力的计算、桥墩自振周期的计算和风振的影响。
3.山坡处桥梁基础的设计
府谷线大部分桥墩落在山坡上，有横向边坡，也有纵向边坡，边坡与水平面的夹角从20°到55°，有黄土边坡，也有软质岩石边坡和硬质岩石边坡。
当桥墩落在黄土边坡上时，一般宜采用桩基础。首先根据不稳定边坡坡率确定边坡的稳定边线，将承台落在稳定边坡内，保证承台顶最小埋深不低于0.5m，保证承台底距不稳定边线不小于承台厚度；然后进行基础计算，稳定边坡距离桩基外缘大于5m时开始计入侧摩阻，小于5m时的桩长按照自由桩长计入。
当桥墩在软质岩和硬质岩边坡时，应根据岩层的容许承载力[σ0]和桥墩扩大基础基底最大应力σmax的比值来确定是否可以采用扩大基础，如σmax> [σ0]，则可以采用扩大基础，反之则不可以采用。在计算岩层容许承载力[σ0]时，应将基础深度和宽度修正后的数值作为最终的比较值。如采用扩大基础，基础底距离稳定边坡线应不小于3～4m，基顶埋置深度不小于0.5m，且应计算桥墩的整体稳定性、抗滑移验算和偏心等。如采用桩基础，设计方式与土层边坡设计方法基本相同，只是稳定边坡距离桩基外缘大于3～4m时开始计入侧摩阻。 边坡桥墩基础设计还包括施工开挖后基础以上边坡放坡的设计。施工基础时需要有施工平台，以便机械和人工作业，平台宽度一般比基础宽出2m左右。预留一定的施工平台后，按照稳定边坡坡率开始向上开挖，边坡高度超过8m时中间设置2～3m平台，继续向上开挖，坡率适当放缓，直至与既有边坡线相交。如果开挖边坡无限向上延伸，可以在适当的位置采用防护桩对边坡进行支挡，以免过度破坏自然边坡，造成对环境的恶劣影响。边坡何时需要支挡，应根据工程造价和对环境的影响综合进行评定。
本线迎路峁沟特大桥1号墩纵向刷坡14.7m，分两级刷坡，第一级8m高，第二级高度6.7m，第一级和第二级间设置2m平台，边坡比为1：1。桩基顶外缘距离边坡线大于4m，可将整个桩长计入侧摩阻。为了保证施工作业宽度，边坡底距承台边留出了2m的施工宽度。桥墩平台预留10%的排水坡，以使坡面汇水及时排出。边坡为软质砂泥岩边坡，遇水易软化，为保证边坡的稳定性，对边坡采用M10浆砌片石铺砌，并在边坡顶设置截水沟，将水引至坡底。如下图。
边坡上的桥梁设计，难点在于如何确定稳定边坡线，如何确定桥墩高度及基础形式。稳定边坡线需要测量准确反映现场实际情况，从桥墩纵断面和横断面分别选取稳定边坡线位置，经过比较选择最合理的稳定边坡线。桥墩高度和基础尺寸应根据稳定边坡线的位置确定，但是墩子越高，基础尺寸越大，基础尺寸越大，可能就很难满足承台边缘与稳定坡线距离的要求，故需要经过几次试算找一个平衡点来同时满足基础尺寸和距离的要求。
4.U形沟桥隧连接处桥台的设计
在山区桥梁设计中桥梁与隧道连接也很常见，大致分为二种情况，桥梁深入隧道内和桥梁台尾与隧道口相接。两种情况均应与隧道设计紧密衔接，将桥台设计图与隧道口设计图按照实际情况以相同的比例画在一张图上，经过对比分析，做出合理的方案。
例如本线迎路峁沟特大桥大里程桥台部分伸入二道峁隧道入口，设计时将隧道曲线墙下卧至承台底以下，仰拱下卧至承台顶，出入口挡土墙底下卧至承台底，桥台采用最小高度的桥台，由于表层为黄土，采用桩基础。施工时应考虑隧道净空的影响，采用合理的施工机具。承台基础施工采取支挡措施，保证基坑垂直开挖。本工程如下图。
桥台设计应尽可能的控制桥台身和基础尺寸，尽量选用扩大基础，或者明挖满灌基础，基础施工时保证垂直开挖。隧道设计应适当的加大曲线墙的厚度和仰拱的厚度，适当加大隧道口挡土墙的宽度，以抵御桥台对隧道的影响。
5.V形沟桥梁与路基专业的比选
本线位于陕北黄土高原，黄土冲沟较多，多为V字形。填土高度低时采用路基通过，填土高时采用桥梁通过。选用路基还是桥梁需要通过技术经济比较来确定。路基太高时沉降大，地基承载力要求高，地基处理工程量大，且占地面积大，对环境破坏大。填土太低时选用桥梁，造价太高，且V字形沟桥墩一般在边坡上，施工难度大，也不尽合理。要结合地质和水文情况，综合确定。
本线迎路峁2号大桥是为了跨越V字形沟而设置，采用1-24m+2-32m+1-24m簡支T梁，圆端形桥墩，T形桥台，最大桥高38m，最大墩高36m，桥下流量为6.7m3/s。设计时此处进行了桥梁和路基的技术经济比较。由于路基填土较高，路基本体分层设置土工格栅，分层冲击碾压，底部填筑5m高的渗水土，并分层碾压，边坡采用拱形骨架防护。路基下涵洞采用肋板涵。经过工程造价对比，路基方案比桥梁方案造价多216.5万元。
采用路基方案的优点是本线路基挖方较多，经过筛选可用于路基本体的填筑，减少了弃土外运土方、临时用地等工程量；缺点是填筑太高，沉降不宜控制，且路基占地面积较大，土石方工程量大，工程造价较高。采用桥梁方案的优点是解决了沉降大的问题，占地面积小，且工程造价较低；缺点是两个桥墩均在较陡的边坡上，施工难度较大，且产生了大量的刷方，破坏了地表植被，造成环境污染。综合比较，最终选用了沉降小、造价低、占地面积小的桥梁方案。
6.结束语
山区桥梁形式多样，桥墩高度范围广，基础形式和深度确定复杂，桥隧相连比较多见，技术经济比较不可或缺。为了做出更好的山区桥梁设计，需要多思考，勤动手，常比较，结合计算结果，最终确定设计方案。
参考文献：
[1]铁道第三勘察设计院《铁路工程设计技术手册桥涵地基和基础》2002年版
[2]苏荣耀 山区公路桥梁设计 建材与装饰 2010-02[3]毕玉琢 复杂山区铁路桥梁设计 铁道标准设计 2005-11