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    近海山區高速公路建設精益創新集成關鍵技術研究及示范應
    2020-09-15 來源:中國公路 

      項目名稱:近海山區高速公路建設精益創新集成關鍵技術研究及示范應用

      獲獎等級:一等獎

      溶江特大橋

      近十年來,廣東省高速公路迅速發展,連續數年保持全國首位,截至2018年底,廣東省高速公路通車總里程已達8338公里。廣東省地處南海北部,除珠江三角洲平原與潮汕平原外,其余均為山地、丘陵,全省80%的高速公路屬于典型的近海山區高速公路,高速公路所經區域地形、地質及環境條件復雜多變,最主要的特性是海洋環境,富含氯鹽和硫酸鹽等腐蝕離子;地質條件復雜,軟土地基深厚,滑坡等地質災害頻發;水網密布、地形復雜,橋隧比例大;環境保護要求高,沿線河砂緊缺;地震烈度大。

      因此,在近海山區建設高速公路時,既有一般高速公路存在的質量“通病”,又有近海山區面臨的特殊工程問題,包括重點構造物空間受限、軟基路段橋梁樁基超長、橋隧結構臨海耐久性問題突出、施工原材料獲取難度大、橋梁抗震性能亟需得到提升、隧道路面抗滑性能衰減過快等。

      廣東省潮州至惠州高速公路(簡稱“潮惠高速公路”)是一條典型的近海山區高速公路,起點位于潮州市潮安縣古巷鎮,終于惠東縣大嶺鎮。路線所經區域總體處于東南沿海丘陵區,以山區、丘陵為主,局部為平原,沿線多處橫切或沿山間河谷分布,主要河流有韓江、榕江。項目區地震基本烈度為Ⅶ度,主要構造物有榕江特大橋和蓮花山特長隧道。其中榕江特大橋位于潮惠高速公路榕江河段,其建筑高度受到雙重限制:橋下Ⅲ級航道,主跨跨度不小于380米;同時離揭陽潮汕機場較近,受機場飛機起降影響,橋梁高度受機場控高要求的限制。

      除了榕江特大橋和蓮花山特長隧道,潮惠高速公路需要重點解決的工程地質問題有飽和砂土地震液化、軟土固結產生的樁基負摩阻,以及橋臺處軟土引起的不均勻沉降等。砂料是潮惠高速公路最為緊缺的天然筑路材料,路線經過的榕江及其支流等河流砂料極少。

      基于此,研究針對廣東省近海山區典型高速公路長期存在的質量通病問題,結合潮惠高速公路工程特點及技術難點,從經濟安全、優質耐久和生態環保3個方面入手,整合國內技術實力雄厚、研究經驗豐富的單位作為課題主要參加單位,采用理論分析、數值模擬、室內外試驗和工程驗證等手段,開展單項優化、多項聯動、一體化系統分析研究,以理論研究為基礎、以工程應用為導向、以試驗驗證為標準、以管理體系為抓手;通過廣泛調研、對比分析現有國內外相關研究成果,對關鍵技術問題開展研究,從而得出一系列關鍵技術研究成果。

      01

      開發 “高速公路設計方案綜合評價系統”

      以京珠(山嶺區)、開陽和肇花(平原區)、粵贛和潮惠(重丘區)等高公路為研究對象,項目創建了高速公路設計方案綜合評價指標體系,包括環境保護類、交通安全類和技術經濟類等3個大類、11個子類、91個指標(非固化,可因地制宜選擇),提出了各個指標的量化評價方法和具體的評分規則,可用于單一設計方案的綜合評價,也可用于多個設計方案的比選評價。

      同樣是以京珠、開陽、粵贛等高速公路的實際調查數據為依據,項目建立了交通運行特征預測、環境影響評、駕駛行為影響評價、交通事故率和死傷人數預測、路面行駛質量預測、養護管理成本等量化模型,在760公里的高速公路上完成了9種代表車型的油耗試驗,重新標定了實際路況條件下油耗計算模型和車輛污染物排放量計算模型,形成了一套完整的高速公路全壽命周期成本的計算體系和模型體系。

      02

      研發低塔斜拉橋斜拉索集中錨固的鋼箱梁

      項目結合低塔斜拉橋結構體系特征,針對背景工程榕江特大橋受航空和通航限制的建設特點,研究分析了整體結構體系和局部性能,識別于低塔斜拉橋自身獨有的特征并提出了低塔斜拉橋結構體系。由于橋區地震烈度高,地震動峰值加速度達0.183伽,研究榕江特大橋主橋和典型引橋抗震性能及減震技術,研發了由橫橋向C型彈塑性阻尼器、縱橋向黏滯性阻尼器,以及引橋X型板彈簧擋塊組成的減震體系。

      項目首創了柔性大跨徑低塔斜拉橋結構體系。受航空限高的制約,斜拉橋主塔在外觀上最直觀顯著的特征就是高度小,是典型的低塔斜拉橋結構體系,該特征也成為本橋結構區別于常規斜拉橋和矮塔斜拉橋的最大特色和難點。索塔高跨比接近于矮塔斜拉橋,但斜拉索承擔的荷載比例、主梁梁高等關鍵設計特征則與常規斜拉橋柔性體系類似,使得低塔斜拉橋作為斜拉橋一種特殊的形式,有獨有的受力特點及結構設計需求,抗震要求高,設計難度大,為全國首座柔性大跨徑低塔斜拉橋。

      項目研發了低塔斜拉橋索塔集中式錨箱。拉索與主塔的錨固區的安全至關重要,也是控制橋塔設計的關鍵部位,該處結構可靠與否,將直接關系到整個大橋的安全。錨固區處于空間受力狀態,設計計算一直是難點和重點之一,目前規范中沒有針對錨固區的受力特點的專門規定,榕江特大橋最具特色的構造形式就是采用了集中式索塔錨固構造。將所有斜拉索都錨固于塔頂的位置,解決了低塔斜拉橋斜拉索利用率低的問題。同時,這種構造也有助于減小索塔承受的不平衡水平索力。

      項目還研發了適用于低塔斜拉橋的橫橋向C型彈塑性阻尼器、縱橋向黏滯性阻尼器及引橋X型板彈塑性擋塊,構建了低塔柔性斜拉橋減震體系。同時,建立了低塔斜拉橋的空間動力計算模型,在對結構地震反應研究的基礎上,提出橫橋向采用C型彈塑性阻尼器、縱橋向采用液壓阻尼器的減震體系,并采用非線性時程方法驗證所采用的減震體系的減震效果,完成了縮尺比為1/20的大比例尺模型振動臺試驗。

      03

      提出考慮樁基沉降與上部結構混凝土徐變耦合作用的超靜定橋梁設計方法

      針對潮惠高速公路沿線局部基巖埋深大且上部存在深厚軟弱土層的高架橋工程地質特點,考慮地震設防要求,項目初步設計灌注樁和后注漿灌注樁,按地層分布埋設樁身軸力測試原件,結合靜載荷試驗獲得分層土樁側摩阻力、樁端阻力及單樁承載力,尤其是單樁極限承載力,建立不同土性、同種土性不同埋深下灌注樁和后注漿灌注樁的豎向承載特性,給出該地區灌注樁和后注漿灌注樁的分層側摩阻力、端阻力推薦值,為該地區工程設計提供參考,同時檢驗施工設備和施工工藝的適用性。

      04

      研制適用于近海地區的高標號機制砂混凝土

      通過對近海地區潮惠高速公路途經區域環境條件和地質資料的基礎分析,結合實地調研惠州、揭陽地區在役高速公路混凝土結構裂化現狀,提出了潮惠高速公路典型機制砂混凝土結構(灌注樁、墩承臺、梁體)所處環境作用等級劃分,確定了其耐久性評價指標。同時,通過系統對比研究機制砂防腐蝕混凝土和天然河砂混凝土的性能(包括工作性能、力學性能、耐久性能、收縮變形性能和徐變特性)差異,提出了適用于不同結構部位(灌注樁、墩承臺和梁)的機制砂防腐蝕混凝土配合比參數,研制出面向不同結構部位的機制砂防腐蝕混凝土,研究確定了花崗巖石粉作為礦物摻和料最大摻量,形成了機制砂防腐蝕混凝土制備技術體系。

      05

      研發基于斷級配設計的全厚式露石水泥混凝土

      針對目前國內公路建設中露石水泥混凝土路面露石深度不均的現狀,對影響路面露石均勻的材料選擇開展了深入研究,開展了露石混凝土粗集料粒徑、混合料級配對露石深度、抗滑性能、降噪特性等影響的研究。通過理論分析露石混凝土路面抗滑、降噪產生的機理,結合室內試驗,粗集料最大粒徑分別選26.5毫米、19毫米、16毫米和13.2毫米;以瀝青混合料級配(特別是斷級配)作為設計級配基準,分別選擇第SMA20、SMA13、SMA16、SMA25、AC13、AC16、AC20、AC25等10組級配,制作不同級配的露石混凝土試件。在滿足一般混凝土路面技術規范要求的基礎上,測定經露石工藝處理后露石混凝土表面的露石度及表面均勻程度,研發基于SMA型斷級配設計的露石混凝土。

      該項目的研究成果在依托工程潮惠高速公路建設中得到了充分應用,實現了對高速公路設計方案的綜合評價,形成了低塔斜拉橋建造、設計及管養的全方位技術,支撐了深厚軟弱土層樁基的設計和施工,有效緩解了河砂資源緊缺的問題,提升了隧道路面的行車安全性,提高了近海山區高速公路工程質量和耐久性水平,為解決高速公路質量通病問題提供了強有力的技術支撐,并取得了顯著的社會經濟效益。



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