高速公路中央分隔带既有墩柱防护设计

汪子涵，陈 典

(四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司,四川 成都 610000)

我国大多数已建高速公路在遇到上跨桥梁时多采用中间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,避免了在中央分隔带立墩带来的安全隐患,保证了行车及桥梁结构安全,但随着桥梁跨度的增加,桥梁造价往往增加较多[1],对整个项目的投资不利,从而制约了此方案的实施,而中央分隔带设墩具有较高的经济性,同时可降低技术难度,节约占地,绿色环保。

随着我国经济的不断发展,已建高速公路交通量日益增长,且大型货车的比例逐年增加,对中央分隔带既有墩柱的威胁日益增大,而以往依据2006版《公路交通安全设施设计规范》对中央分隔带墩柱的防护设计措施较弱,直到2017版《公路交通安全设施设计规范》[2]才得以加强,期间11年兴建了大量高速公路,存在较多中央分隔带立墩的情况,严重影响了桥梁结构的安全。因此对高速公路中央分隔带既有墩柱防护提升刻不容缓。

对车速不大于100 km/h的高速公路,中央分隔带宽度一般取1.5 m,在既有墩柱存在的情况下,布设防护措施较为紧张,加大了处治难度。

1 工程概况

本文以某段高速公路中央分隔带既有墩柱防护设计为实例来阐述此种防护方法。该路段采用双向四车道高速公路标准建设,设计速度80 km/h,路基宽度24.5 m,中央分隔带宽2 m,于2015年建成通车。上跨高速桥梁多为车行天桥,采用中间立墩多孔跨越的方式,中间墩柱分为独柱、多柱形式,截面形式分为椭圆形以及圆形等多种形式,现墩柱两侧均为两波波形梁护栏(见图1),该种防护方式不符合现行相关规范要求,防护能力较弱,且受制于建筑限界要求[3],护栏距既有墩柱距离较小,护栏受撞变形极易对构造物造成严重损伤,对沿线高速行车及构造物存在极大安全隐患。

2 中央分隔带既有墩柱防护设计

本路段于2015年建成通车,当时对中央分隔带墩柱的防护要求相较于现行规范较为宽松。然而,为满足当前日益增长的通行安全需求,本文将依据最新的交通安全规范对既有墩柱进行防护设计。通过采用现行规范提高了墩柱防护措施的有效性和可靠性,从而提升整个高速公路的安全性能。在具体的防护设计中,需充分考虑中央分隔带墩柱的特点和既有情况,并结合最新的交通安全规范要求,制定出科学合理的防护方案。

2.1 确定护栏防护形式

本路段中央分隔带宽2 m,除去C值=0.25 m(设计速度不大于100 km/h时为0.25 m)以及既有墩柱所占空间,墩柱两侧可实施防护宽度最小不足5 cm,对防护设施的强度及刚度都有较高要求,为避免防护设施受撞变形对墩柱的影响,防护设计选用一定长度的刚性混凝土护栏[4],为加强既有墩柱附近防护能力,选用加高直臂型护栏,并延伸至既有桥墩外一定距离,以增加既有墩柱周边护栏高度及厚度。综上,为尽量保证墩柱防护设施可靠性并减少其对既有结构的影响,既有墩柱防护设计采用直臂型刚性混凝土护栏设置于既有墩柱两侧。

根据JTG/T D81—2017公路交通安全设施设计细则[5]6.2.3.1条要求,本路段中央分隔带内既有墩柱护栏防护等级应采用SBm级,同时依据相关管理单位介绍,本路段大型车辆所占比例较高,根据6.2.3.2条,应对既有墩柱防护等级提高1个等级,因此采用SAm级防护等级。

为避免混凝土护栏在实施过程中对既有墩柱产生影响,以及车辆撞击混凝土护栏时将撞击力传递到既有墩柱,同时满足混凝土护栏的变形要求,在既有墩柱周边与混凝土护栏之间保留了2 cm～5 cm间距[6](填充硬质聚氨酯泡沫材料,其具有良好的缓冲作用,能够有效地吸收和分散撞击力,降低对既有墩柱的影响),同时对既有墩柱周边护栏内的钢筋进行了加强,通过增加钢筋的数量或直径,提高了护栏的抗冲击能力和结构稳定性,尽量保证护栏的防撞能力不被削弱。

中央分隔带既有墩柱防护护栏采用桩基方式,可大大提高单侧护栏防撞能力。在现浇混凝土护栏前先打入钢管桩,钢管桩纵向布置间距为100 cm,采用φ140 mm×4.5 mm×1 200 mm镀锌钢管,伸入基座以下85 cm,其必须牢固埋入基座中,并与混凝土护栏连成整体,地基的承载力应不小于150 kN/m2。防护护栏采用分离式混凝土护栏,为加强护栏的整体防撞能力,使两侧护栏形成整体共同抵抗撞击力,更有效对既有墩柱形成防护,两侧护栏之间应间隔设置钢筋混凝土支撑块,并填充一定高度素土(可同时满足绿化要求),同时,防护护栏与既有墩柱之间间隔较小,且为刚性护栏,基础不均匀沉降易导致护栏开裂、偏斜并与既有墩柱相接触,影响防撞效果,因此还需在护栏底部铺设10 cm厚混凝土垫层以减少基础不均匀沉降对防护护栏的影响。此外,考虑到分离式护栏中间积水排放,需要在护栏底部间隔2 m预埋φ50 mm PVC排水管,一端应设置滤网进行保护,以防堵塞,如遇超高路段,需结合原设计排水系统,由纵向盲沟汇集积水再由横向排水管排出。防护护栏剖面如图2所示。

2.2 护栏防护过渡段设计

本次既有墩柱防护采用SAm级混凝土刚性防撞护栏,与之相连接的路基护栏则采用的是SBm级波形梁护栏,根据JTG D20—2017公路交通安全设施设计规范6.2.14条要求,不同防护等级或不同结构形式的护栏之间连接时,应进行过渡段设计,且护栏过渡段的防护等级应不低于所连接护栏中较低的防护等级。因此,既有墩柱防护护栏端部处理采用过渡段设计,端部处增设一段过渡段与普通波形梁护栏进行过渡[7]。本次护栏过渡段设计参照桥梁护栏与路基护栏间过渡段设计实施,过渡段采用3 m长混凝土变高段与波形梁护栏搭接,并对搭接处波形梁护栏进行加强处理,波形梁护栏过渡段长度不小于10 m,其防护等级与原设计保持一致。防护护栏过渡段布置图如图3所示。

通过这样的过渡段设计,能够确保既有墩柱防护护栏与路基护栏之间的平滑过渡,避免了不同防护等级或结构形式之间的冲突或不协调。这不仅能够提高道路交通的安全性,还能够提升驾驶员和乘客的行车体验,降低交通事故的风险。

2.3 护栏防护设计小结

综上所述,结合本路段实际情况并依据相关规范要求,对中央分隔带既有桥墩防护设计采用现浇混凝土护栏围绕包封,相应设计要点如下:

1)混凝土护栏高度1.5 m及以上;2)护栏设计等级为五(SAm)级及以上;3)自桥墩起上、下游长度为9 m范围内设置混凝土护栏;4)混凝土护栏基础采用桩基方式(钢管桩),两侧混凝土护栏之间每隔2 m设置一处宽40 cm、厚10 cm～20 cm的钢筋混凝土支撑块,中间填充素土,护栏底铺设10 cm厚现浇混凝土垫层;5)混凝土护栏采用过渡段设计,通过3 m长变高度过渡段与相邻波形梁护栏搭接,搭接处波形梁护栏进行加强处理,波形梁护栏过渡段长度不小于10 m,其防护等级与原设计保持一致;6)混凝土护栏采用直臂型。

采用上述防护设计的同时,采用下述一些辅助防护措施[8]亦能尽量降低车撞安全风险,进一步保证高速公路运营安全:

1)在桥墩上游路段宜管理大型货车靠右行驶,局部路段禁止大型货车超车并限速管理;2)在既有墩柱及防撞护栏迎车面涂刷反光漆、设置警示标志。

其中据调查数据显示,高速公路很多突发事故是因大货车车速快、超车、变道及驾驶人员注意力不集中等而避让不及发生的[9],管理大型货车靠右行驶、禁止超车、限速行驶等可以有效改善大货车在危险路段行车秩序,而在既有墩柱及防撞护栏迎车面涂刷反光漆、设置警示标志等可以提前提醒车辆驾驶人员前方道路需保持注意,两者均可降低碰撞事故发生的概率,进一步降低车辆碰撞对中央分隔带既有墩柱的潜在危害,有效保障高速通行安全。

3 保通措施

因既有墩柱防护针对已运营高速公路,为维持正常交通,保证路上交通的正常通行,应做好相关保通措施以保证施工车辆、施工人员及高速正常行车的安全,尽可能减少施工干扰造成的不利影响。考虑到防护护栏为分离式护栏,采用逐侧施工,故断道仅需对施工侧行车道进行封闭即可,具体保通措施如下:

1)警告区保通设施设置:警告区的长度为2 km,自起点依次设置前方施工2 km、前方施工1 km、限速60 km、前方施工500 m、车道数减少标志、警示频闪灯、禁止超车、前方施工车辆慢行、限速30 km、仿真警察等标志。

2)上游过渡区保通设施设置:上游过渡区长度为120 m,起点设置向左行驶闪光箭头标志、中间设置导向标志、终点设置施工长度标志。交通锥应从路肩边缘开始设置,逐渐渐变到工作区域,设置间距不大于3 m。

3)纵向缓冲区和工作区保通设置:纵向缓冲区长度为100 m,工作区设置长度应根据工作项目的情况,按照《公路养护安全作业规程》的规定执行。在纵向缓冲区起点设置带警示灯的路栏,交通锥应两个重叠,间距不大于3 m设置,水马路障间距5 m设置在横向缓冲区内。

4)下游过渡区和终止区保通设施设置:下游过渡区或终止区设置长度不小于30 m,在终止区终点设置解除限速标志、解除禁止超车标志。交通锥设置间距不大于3 m,从工作区开始设置,渐变到路肩边缘。

具体保通方案如图4所示。

4 中央分隔带既有墩柱防护设计实例

本次中央分隔带既有墩柱防护设计共涉及整条高速十多处工点,本文挑选两处具有代表性的工点进行示意。

4.1 既有墩柱为独柱椭圆墩接扩大基础

本桥为上跨高速公路而建,上部结构采用2×20 m预应力混凝土小箱梁,下部结构桥墩设立于中央分隔带,采用独柱椭圆墩接扩大基础,椭圆墩截面长轴长度1.5 m(顺高速行驶方向),短轴长度1 m,如图5(a)所示。

1)护栏与既有墩柱相接处设计。结合第二节相关内容,该墩柱两侧可实施防护宽度为25 cm。护栏与既有墩柱相接处保留5 cm空隙并采用硬质聚氨酯泡沫材料填充,护栏适应既有墩柱外形变化,最小壁厚20 cm,护栏纵向主筋与交接面干扰时在相应冲突位置截断,其余保持通长布置,以尽量减少对护栏防撞能力的削弱。相接处设计如图5所示。

2)护栏总体布置。护栏总体布置可参照第二节相关内容实施。由于该既有墩柱基础为扩大基础,相接处与防护护栏构造存在较大冲突,为避免新建防护护栏与既有结构连成整体,可采取以下措施:适当挪移钢管桩、横向支撑块等;控制护栏露出地面高度不变,适当减薄现浇层等厚度;新建结构与既有结构不可避免接触时,需在接触面铺设1 cm厚油毛毡。

护栏总体布置如图6所示。

4.2 既有墩柱为多柱圆柱墩接桩基础

本桥为上跨高速公路而建,上部结构采用2×20 m预应力分幅连续梁,下部结构单幅采用三柱圆柱墩接桩基础,6根墩柱连续设立于中央分隔带,墩柱直径1.4 m,桩基直径1.5 m,首尾墩柱间隔近25 m,既有墩柱存在较大安全风险。

1)护栏与既有墩柱相接处设计。该墩柱两侧可实施防护宽度仅为5 cm。护栏与既有墩柱相接处保留2 cm空隙并采用硬质聚氨酯泡沫材料填充,护栏适应既有墩柱外形变化,最小壁厚仅3 cm,在其25 cm范围采用涂抹聚合物水泥砂浆进行外包,内置D10钢筋网并伸入周边混凝土结构,护栏纵向主筋与交接面干扰时在相应冲突位置截断。相接处设计如图7所示。

2)护栏总体布置。护栏总体布置可参照第二节相关内容实施。由于该既有墩柱地系梁与防护护栏构造存在部分冲突,可采取同上措施避免新建防护护栏与既有结构连成整体。该处既有墩柱首尾间隔近25 m,混凝土护栏防护应自首尾墩柱上下游9 m范围内连通设置,防护范围较大。护栏总体布置如图8所示。

5 结语

随着经济的发展,高速公路交通量不断增加,重载车的比例不断上升,高速公路中央分隔带既有墩柱受撞安全风险显著增加,严重影响了高速公路的运营安全,对高速公路中央分隔带既有墩柱防护提升刻不容缓。本文提供了一种既有墩柱防护设计思路,已运用于实践中,在此供其余同类项目借鉴参考。