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              近海山区高速公路建设精益创新集成关键技术研究及示范应
              2020-09-15 来源:中国公路 

                项目名称:近海山区高速公路建设精益创新集成关键技术研究及示范应用

                获奖等级:一等奖

                溶江特大桥

                近十年来,广东省高速公路迅速发展,连续数年保持全国首位,截至2018年底,广东省高速公路通车总里程已达8338公里。广东省地处南海北部,除珠江三角洲平原与潮汕平原外,其余均为山地、丘陵,全省80%的高速公路属于典型的近海山区高速公路,高速公路所经区域地形、地质及环境条件复杂多变,最主要的特性是海洋环境,富含氯盐和硫酸盐等腐蚀离子;地质条件复杂,软土地基深厚,滑坡等地质灾害频发;水网密布、地形复杂,桥隧比例大;环境保护要求高,沿线河砂紧缺;地震烈度大。

                因此,在近海山区建设高速公路时,既有一般高速公路存在的质量“通病”,又有近海山区面临的特殊工程问题,包括重点构造物空间受限、软基路段桥梁桩基超长、桥隧结构临海耐久性问题突出、施工原材料获取难度大、桥梁抗震性能亟需得到提升、隧道路面抗滑性能衰减过快等。

                广东省潮州至惠州高速公路(简称“潮惠高速公路”)是一条典型的近海山区高速公路,起点位于潮州市潮安县古巷镇,终于惠东县大岭镇。路线所经区域总体处于东南沿海丘陵区,以山区、丘陵为主,局部为平原,沿线多处横切或沿山间河谷分布,主要河流有韩江、榕江。项目区地震基本烈度为Ⅶ度,主要构造物有榕江特大桥和莲花山特长隧道。其中榕江特大桥位于潮惠高速公路榕江河段,其建筑高度受到双重限制:桥下Ⅲ级航道,主跨跨度不小于380米;同时离揭阳潮汕机场较近,受机场飞机起降影响,桥梁高度受机场控高要求的限制。

                除了榕江特大桥和莲花山特长隧道,潮惠高速公路需要重点解决的工程地质问题有饱和砂土地震液化、软土固结产生的桩基负摩阻,以及桥台处软土引起的不均匀沉降等。砂料是潮惠高速公路最为紧缺的天然筑路材料,路线经过的榕江及其支流等河流砂料极少。

                基于此,研究针对广东省近海山区典型高速公路长期存在的质量通病问题,结合潮惠高速公路工程特点及技术难点,从经济安全、优质耐久和生态环保3个方面入手,整合国内技术实力雄厚、研究经验丰富的单位作为课题主要参加单位,采用理论分析、数值模拟、室内外试验和工程验证等手段,开展单项优化、多项联动、一体化系统分析研究,以理论研究为基础、以工程应用为导向、以试验验证为标准、以管理体系为抓手;通过广泛调研、对比分析现有国内外相关研究成果,对关键技术问题开展研究,从而得出一系列关键技术研究成果。

                01

                开发 “高速公路设计方案综合评价系统”

                以京珠(山岭区)、开阳和肇花(平原区)、粤赣和潮惠(重丘区)等高公路为研究对象,项目创建了高速公路设计方案综合评价指标体系,包括环境保护类、交通安全类和技术经济类等3个大类、11个子类、91个指标(非固化,可因地制宜选择),提出了各个指标的量化评价方法和具体的评分规则,可用于单一设计方案的综合评价,也可用于多个设计方案的比选评价。

                同样是以京珠、开阳、粤赣等高速公路的实际调查数据为依据,项目建立了交通运行特征预测、环境影响评、驾驶行为影响评价、交通事故率和死伤人数预测、路面行驶质量预测、养护管理成本等量化模型,在760公里的高速公路上完成了9种代表车型的油耗试验,重新标定了实际路况条件下油耗计算模型和车辆污染物排放量计算模型,形成了一套完整的高速公路全寿命周期成本的计算体系和模型体系。

                02

                研发低塔斜拉桥斜拉索集中锚固的钢箱梁

                项目结合低塔斜拉桥结构体系特征,针对背景工程榕江特大桥受航空和通航限制的建设特点,研究分析了整体结构体系和局部性能,识别于低塔斜拉桥自身独有的特征并提出了低塔斜拉桥结构体系。由于桥区地震烈度高,地震动峰值加速度达0.183伽,研究榕江特大桥主桥和典型引桥抗震性能及减震技术,研发了由横桥向C型弹塑性阻尼器、纵桥向黏滞性阻尼器,以及引桥X型板弹簧挡块组成的减震体系。

                项目首创了柔性大跨径低塔斜拉桥结构体系。受航空限高的制约,斜拉桥主塔在外观上最直观显著的特征就是高度小,是典型的低塔斜拉桥结构体系,该特征也成为本桥结构区别于常规斜拉桥和矮塔斜拉桥的最大特色和难点。索塔高跨比接近于矮塔斜拉桥,但斜拉索承担的荷载比例、主梁梁高等关键设计特征则与常规斜拉桥柔性体系类似,使得低塔斜拉桥作为斜拉桥一种特殊的形式,有独有的受力特点及结构设计需求,抗震要求高,设计难度大,为全国首座柔性大跨径低塔斜拉桥。

                项目研发了低塔斜拉桥索塔集中式锚箱。拉索与主塔的锚固区的安全至关重要,也是控制桥塔设计的关键部位,该处结构可靠与否,将直接关系到整个大桥的安全。锚固区处于空间受力状态,设计计算一直是难点和重点之一,目前规范中没有针对锚固区的受力特点的专门规定,榕江特大桥最具特色的构造形式就是采用了集中式索塔锚固构造。将所有斜拉索都锚固于塔顶的位置,解决了低塔斜拉桥斜拉索利用率低的问题。同时,这种构造也有助于减小索塔承受的不平衡水平索力。

                项目还研发了适用于低塔斜拉桥的横桥向C型弹塑性阻尼器、纵桥向黏滞性阻尼器及引桥X型板弹塑性挡块,构建了低塔柔性斜拉桥减震体系。同时,建立了低塔斜拉桥的空间动力计算模型,在对结构地震反应研究的基础上,提出横桥向采用C型弹塑性阻尼器、纵桥向采用液压阻尼器的减震体系,并采用非线性时程方法验证所采用的减震体系的减震效果,完成了缩尺比为1/20的大比例尺模型振动台试验。

                03

                提出考虑桩基沉降与上部结构混凝土徐变耦合作用的超静定桥梁设计方法

                针对潮惠高速公路沿线局部基岩埋深大且上部存在深厚软弱土层的高架桥工程地质特点,考虑地震设防要求,项目初步设计灌注桩和后注浆灌注桩,按地层分布埋设桩身轴力测试原件,结合静载荷试验获得分层土桩侧摩阻力、桩端阻力及单桩承载力,尤其是单桩极限承载力,建立不同土性、同种土性不同埋深下灌注桩和后注浆灌注桩的竖向承载特性,给出该地区灌注桩和后注浆灌注桩的分层侧摩阻力、端阻力推荐值,为该地区工程设计提供参考,同时检验施工设备和施工工艺的适用性。

                04

                研制适用于近海地区的高标号机制砂混凝土

                通过对近海地区潮惠高速公路途经区域环境条件和地质资料的基础分析,结合实地调研惠州、揭阳地区在役高速公路混凝土结构裂化现状,提出了潮惠高速公路典型机制砂混凝土结构(灌注桩、墩承台、梁体)所处环境作用等级划分,确定了其耐久性评价指标。同时,通过系统对比研究机制砂防腐蚀混凝土和天然河砂混凝土的性能(包括工作性能、力学性能、耐久性能、收缩变形性能和徐变特性)差异,提出了适用于不同结构部位(灌注桩、墩承台和梁)的机制砂防腐蚀混凝土配合比参数,研制出面向不同结构部位的机制砂防腐蚀混凝土,研究确定了花岗岩石粉作为矿物掺和料最大掺量,形成了机制砂防腐蚀混凝土制备技术体系。

                05

                研发基于断级配设计的全厚式露石水泥混凝土

                针对目前国内公路建设中露石水泥混凝土路面露石深度不均的现状,对影响路面露石均匀的材料选择开展了深入研究,开展了露石混凝土粗集料粒径、混合料级配对露石深度、抗滑性能、降噪特性等影响的研究。通过理论分析露石混凝土路面抗滑、降噪产生的机理,结合室内试验,粗集料最大粒径分别选26.5毫米、19毫米、16毫米和13.2毫米;以沥青混合料级配(特别是断级配)作为设计级配基准,分别选择第SMA20、SMA13、SMA16、SMA25、AC13、AC16、AC20、AC25等10组级配,制作不同级配的露石混凝土试件。在满足一般混凝土路面技术规范要求的基础上,测定经露石工艺处理后露石混凝土表面的露石度及表面均匀程度,研发基于SMA型断级配设计的露石混凝土。

                该项目的研究成果在依托工程潮惠高速公路建设中得到了充分应用,实现了对高速公路设计方案的综合评价,形成了低塔斜拉桥建造、设计及管养的全方位技术,支撑了深厚软弱土层桩基的设计和施工,有效缓解了河砂资源紧缺的问题,提升了隧道路面的行车安全性,提高了近海山区高速公路工程质量和耐久性水平,为解决高速公路质量通病问题提供了强有力的技术支撑,并取得了显著的社会经济效益。



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