高速公路中央分隔帶既有墩柱防護設計

汪子涵，陳 典

(四川公路橋梁建設集團有限公司勘察設計分公司,四川 成都 610000)

我國大多數已建高速公路在遇到上跨橋梁時多采用中間立墩多孔跨越的方式。一般而言,上跨高速公路采用一孔跨越,避免了在中央分隔帶立墩帶來的安全隱患,保證了行車及橋梁結構安全,但隨著橋梁跨度的增加,橋梁造價往往增加較多[1],對整個項目的投資不利,從而制約了此方案的實施,而中央分隔帶設墩具有較高的經濟性,同時可降低技術難度,節約占地,綠色環保。

隨著我國經濟的不斷發展,已建高速公路交通量日益增長,且大型貨車的比例逐年增加,對中央分隔帶既有墩柱的威脅日益增大,而以往依據2006版《公路交通安全設施設計規范》對中央分隔帶墩柱的防護設計措施較弱,直到2017版《公路交通安全設施設計規范》[2]才得以加強,期間11年興建了大量高速公路,存在較多中央分隔帶立墩的情況,嚴重影響了橋梁結構的安全。因此對高速公路中央分隔帶既有墩柱防護提升刻不容緩。

對車速不大于100 km/h的高速公路,中央分隔帶寬度一般取1.5 m,在既有墩柱存在的情況下,布設防護措施較為緊張,加大了處治難度。

1 工程概況

本文以某段高速公路中央分隔帶既有墩柱防護設計為實例來闡述此種防護方法。該路段采用雙向四車道高速公路標準建設,設計速度80 km/h,路基寬度24.5 m,中央分隔帶寬2 m,于2015年建成通車。上跨高速橋梁多為車行天橋,采用中間立墩多孔跨越的方式,中間墩柱分為獨柱、多柱形式,截面形式分為橢圓形以及圓形等多種形式,現墩柱兩側均為兩波波形梁護欄(見圖1),該種防護方式不符合現行相關規范要求,防護能力較弱,且受制于建筑限界要求[3],護欄距既有墩柱距離較小,護欄受撞變形極易對構造物造成嚴重損傷,對沿線高速行車及構造物存在極大安全隱患。

2 中央分隔帶既有墩柱防護設計

本路段于2015年建成通車,當時對中央分隔帶墩柱的防護要求相較于現行規范較為寬松。然而,為滿足當前日益增長的通行安全需求,本文將依據最新的交通安全規范對既有墩柱進行防護設計。通過采用現行規范提高了墩柱防護措施的有效性和可靠性,從而提升整個高速公路的安全性能。在具體的防護設計中,需充分考慮中央分隔帶墩柱的特點和既有情況,并結合最新的交通安全規范要求,制定出科學合理的防護方案。

2.1 確定護欄防護形式

本路段中央分隔帶寬2 m,除去C值=0.25 m(設計速度不大于100 km/h時為0.25 m)以及既有墩柱所占空間,墩柱兩側可實施防護寬度最小不足5 cm,對防護設施的強度及剛度都有較高要求,為避免防護設施受撞變形對墩柱的影響,防護設計選用一定長度的剛性混凝土護欄[4],為加強既有墩柱附近防護能力,選用加高直臂型護欄,并延伸至既有橋墩外一定距離,以增加既有墩柱周邊護欄高度及厚度。綜上,為盡量保證墩柱防護設施可靠性并減少其對既有結構的影響,既有墩柱防護設計采用直臂型剛性混凝土護欄設置于既有墩柱兩側。

根據JTG/T D81—2017公路交通安全設施設計細則[5]6.2.3.1條要求,本路段中央分隔帶內既有墩柱護欄防護等級應采用SBm級,同時依據相關管理單位介紹,本路段大型車輛所占比例較高,根據6.2.3.2條,應對既有墩柱防護等級提高1個等級,因此采用SAm級防護等級。

為避免混凝土護欄在實施過程中對既有墩柱產生影響,以及車輛撞擊混凝土護欄時將撞擊力傳遞到既有墩柱,同時滿足混凝土護欄的變形要求,在既有墩柱周邊與混凝土護欄之間保留了2 cm～5 cm間距[6](填充硬質聚氨酯泡沫材料,其具有良好的緩沖作用,能夠有效地吸收和分散撞擊力,降低對既有墩柱的影響),同時對既有墩柱周邊護欄內的鋼筋進行了加強,通過增加鋼筋的數量或直徑,提高了護欄的抗沖擊能力和結構穩定性,盡量保證護欄的防撞能力不被削弱。

中央分隔帶既有墩柱防護護欄采用樁基方式,可大大提高單側護欄防撞能力。在現澆混凝土護欄前先打入鋼管樁,鋼管樁縱向布置間距為100 cm,采用φ140 mm×4.5 mm×1 200 mm鍍鋅鋼管,伸入基座以下85 cm,其必須牢固埋入基座中,并與混凝土護欄連成整體,地基的承載力應不小于150 kN/m2。防護護欄采用分離式混凝土護欄,為加強護欄的整體防撞能力,使兩側護欄形成整體共同抵抗撞擊力,更有效對既有墩柱形成防護,兩側護欄之間應間隔設置鋼筋混凝土支撐塊,并填充一定高度素土(可同時滿足綠化要求),同時,防護護欄與既有墩柱之間間隔較小,且為剛性護欄,基礎不均勻沉降易導致護欄開裂、偏斜并與既有墩柱相接觸,影響防撞效果,因此還需在護欄底部鋪設10 cm厚混凝土墊層以減少基礎不均勻沉降對防護護欄的影響。此外,考慮到分離式護欄中間積水排放,需要在護欄底部間隔2 m預埋φ50 mm PVC排水管,一端應設置濾網進行保護,以防堵塞,如遇超高路段,需結合原設計排水系統,由縱向盲溝匯集積水再由橫向排水管排出。防護護欄剖面如圖2所示。

2.2 護欄防護過渡段設計

本次既有墩柱防護采用SAm級混凝土剛性防撞護欄,與之相連接的路基護欄則采用的是SBm級波形梁護欄,根據JTG D20—2017公路交通安全設施設計規范6.2.14條要求,不同防護等級或不同結構形式的護欄之間連接時,應進行過渡段設計,且護欄過渡段的防護等級應不低于所連接護欄中較低的防護等級。因此,既有墩柱防護護欄端部處理采用過渡段設計,端部處增設一段過渡段與普通波形梁護欄進行過渡[7]。本次護欄過渡段設計參照橋梁護欄與路基護欄間過渡段設計實施,過渡段采用3 m長混凝土變高段與波形梁護欄搭接,并對搭接處波形梁護欄進行加強處理,波形梁護欄過渡段長度不小于10 m,其防護等級與原設計保持一致。防護護欄過渡段布置圖如圖3所示。

通過這樣的過渡段設計,能夠確保既有墩柱防護護欄與路基護欄之間的平滑過渡,避免了不同防護等級或結構形式之間的沖突或不協調。這不僅能夠提高道路交通的安全性,還能夠提升駕駛員和乘客的行車體驗,降低交通事故的風險。

2.3 護欄防護設計小結

綜上所述,結合本路段實際情況并依據相關規范要求,對中央分隔帶既有橋墩防護設計采用現澆混凝土護欄圍繞包封,相應設計要點如下:

1)混凝土護欄高度1.5 m及以上;2)護欄設計等級為五(SAm)級及以上;3)自橋墩起上、下游長度為9 m范圍內設置混凝土護欄;4)混凝土護欄基礎采用樁基方式(鋼管樁),兩側混凝土護欄之間每隔2 m設置一處寬40 cm、厚10 cm～20 cm的鋼筋混凝土支撐塊,中間填充素土,護欄底鋪設10 cm厚現澆混凝土墊層;5)混凝土護欄采用過渡段設計,通過3 m長變高度過渡段與相鄰波形梁護欄搭接,搭接處波形梁護欄進行加強處理,波形梁護欄過渡段長度不小于10 m,其防護等級與原設計保持一致;6)混凝土護欄采用直臂型。

采用上述防護設計的同時,采用下述一些輔助防護措施[8]亦能盡量降低車撞安全風險,進一步保證高速公路運營安全:

1)在橋墩上游路段宜管理大型貨車靠右行駛,局部路段禁止大型貨車超車并限速管理;2)在既有墩柱及防撞護欄迎車面涂刷反光漆、設置警示標志。

其中據調查數據顯示,高速公路很多突發事故是因大貨車車速快、超車、變道及駕駛人員注意力不集中等而避讓不及發生的[9],管理大型貨車靠右行駛、禁止超車、限速行駛等可以有效改善大貨車在危險路段行車秩序,而在既有墩柱及防撞護欄迎車面涂刷反光漆、設置警示標志等可以提前提醒車輛駕駛人員前方道路需保持注意,兩者均可降低碰撞事故發生的概率,進一步降低車輛碰撞對中央分隔帶既有墩柱的潛在危害,有效保障高速通行安全。

3 保通措施

因既有墩柱防護針對已運營高速公路,為維持正常交通,保證路上交通的正常通行,應做好相關保通措施以保證施工車輛、施工人員及高速正常行車的安全,盡可能減少施工干擾造成的不利影響?？紤]到防護護欄為分離式護欄,采用逐側施工,故斷道僅需對施工側行車道進行封閉即可,具體保通措施如下:

1)警告區保通設施設置:警告區的長度為2 km,自起點依次設置前方施工2 km、前方施工1 km、限速60 km、前方施工500 m、車道數減少標志、警示頻閃燈、禁止超車、前方施工車輛慢行、限速30 km、仿真警察等標志。

2)上游過渡區保通設施設置:上游過渡區長度為120 m,起點設置向左行駛閃光箭頭標志、中間設置導向標志、終點設置施工長度標志。交通錐應從路肩邊緣開始設置,逐漸漸變到工作區域,設置間距不大于3 m。

3)縱向緩沖區和工作區保通設置:縱向緩沖區長度為100 m,工作區設置長度應根據工作項目的情況,按照《公路養護安全作業規程》的規定執行。在縱向緩沖區起點設置帶警示燈的路欄,交通錐應兩個重疊,間距不大于3 m設置,水馬路障間距5 m設置在橫向緩沖區內。

4)下游過渡區和終止區保通設施設置:下游過渡區或終止區設置長度不小于30 m,在終止區終點設置解除限速標志、解除禁止超車標志。交通錐設置間距不大于3 m,從工作區開始設置,漸變到路肩邊緣。

具體保通方案如圖4所示。

4 中央分隔帶既有墩柱防護設計實例

本次中央分隔帶既有墩柱防護設計共涉及整條高速十多處工點,本文挑選兩處具有代表性的工點進行示意。

4.1 既有墩柱為獨柱橢圓墩接擴大基礎

本橋為上跨高速公路而建,上部結構采用2×20 m預應力混凝土小箱梁,下部結構橋墩設立于中央分隔帶,采用獨柱橢圓墩接擴大基礎,橢圓墩截面長軸長度1.5 m(順高速行駛方向),短軸長度1 m,如圖5(a)所示。

1)護欄與既有墩柱相接處設計。結合第二節相關內容,該墩柱兩側可實施防護寬度為25 cm。護欄與既有墩柱相接處保留5 cm空隙并采用硬質聚氨酯泡沫材料填充,護欄適應既有墩柱外形變化,最小壁厚20 cm,護欄縱向主筋與交接面干擾時在相應沖突位置截斷,其余保持通長布置,以盡量減少對護欄防撞能力的削弱。相接處設計如圖5所示。

2)護欄總體布置。護欄總體布置可參照第二節相關內容實施。由于該既有墩柱基礎為擴大基礎,相接處與防護護欄構造存在較大沖突,為避免新建防護護欄與既有結構連成整體,可采取以下措施:適當挪移鋼管樁、橫向支撐塊等;控制護欄露出地面高度不變,適當減薄現澆層等厚度;新建結構與既有結構不可避免接觸時,需在接觸面鋪設1 cm厚油毛氈。

護欄總體布置如圖6所示。

4.2 既有墩柱為多柱圓柱墩接樁基礎

本橋為上跨高速公路而建,上部結構采用2×20 m預應力分幅連續梁,下部結構單幅采用三柱圓柱墩接樁基礎,6根墩柱連續設立于中央分隔帶,墩柱直徑1.4 m,樁基直徑1.5 m,首尾墩柱間隔近25 m,既有墩柱存在較大安全風險。

1)護欄與既有墩柱相接處設計。該墩柱兩側可實施防護寬度僅為5 cm。護欄與既有墩柱相接處保留2 cm空隙并采用硬質聚氨酯泡沫材料填充,護欄適應既有墩柱外形變化,最小壁厚僅3 cm,在其25 cm范圍采用涂抹聚合物水泥砂漿進行外包,內置D10鋼筋網并伸入周邊混凝土結構,護欄縱向主筋與交接面干擾時在相應沖突位置截斷。相接處設計如圖7所示。

2)護欄總體布置。護欄總體布置可參照第二節相關內容實施。由于該既有墩柱地系梁與防護護欄構造存在部分沖突,可采取同上措施避免新建防護護欄與既有結構連成整體。該處既有墩柱首尾間隔近25 m,混凝土護欄防護應自首尾墩柱上下游9 m范圍內連通設置,防護范圍較大。護欄總體布置如圖8所示。

5 結語

隨著經濟的發展,高速公路交通量不斷增加,重載車的比例不斷上升,高速公路中央分隔帶既有墩柱受撞安全風險顯著增加,嚴重影響了高速公路的運營安全,對高速公路中央分隔帶既有墩柱防護提升刻不容緩。本文提供了一種既有墩柱防護設計思路,已運用于實踐中,在此供其余同類項目借鑒參考。