湖庫高速 綠色建造

文/ 供圖 | 杭州交通投資建設(shè)管理集團有限公司

溧陽至寧德國家高速公路浙江省淳安段

“湖庫區(qū)高速公路綠色建造關(guān)鍵技術(shù)研究”項目是基于溧陽至寧德國家高速公路浙江省淳安段（以下簡稱“千黃高速”）建設(shè)工程開展的浙江省交通運輸廳科研計劃項目，由杭州交通投資建設(shè)管理集團有限公司、浙江工業(yè)大學、浙江大學、杭州市交通工程集團有限公司4家單位聯(lián)合承擔研究任務(wù)。項目屬于交通運輸工程技術(shù)領(lǐng)域，立項經(jīng)費約350萬元，內(nèi)容主要包括湖庫區(qū)綠色建造、水下填筑、綠色護坡、過渡段沉降控制等方面，于2018年8月啟動，2022年7月完成，浙江省交通運輸廳科技成果鑒定，成果總體達到國際領(lǐng)先水平。

/ 湖庫區(qū)高速建設(shè)面臨復雜挑戰(zhàn)/

隨著國內(nèi)大規(guī)模交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，湖庫區(qū)高速公路的建造數(shù)量持續(xù)增加。湖庫區(qū)特有的地下水蒸發(fā)降雨循環(huán)和水位季節(jié)性升降造成的路基干濕循環(huán)、魚類及植物的脆弱生態(tài)環(huán)境等都成為了湖庫區(qū)高速公路建設(shè)的極大挑戰(zhàn)。如何降低高速公路建設(shè)對湖庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的不良影響，思考路基、隧道與邊坡等設(shè)施的綠色建造方法成為當前交通工程的當務(wù)之急。

尚未完全掌握湖庫區(qū)巖土力學特性的變化規(guī)律

湖庫區(qū)路段路基邊坡緊鄰湖庫，湖庫水位的往復變化使路基長期處于干濕循環(huán)的環(huán)境中，巖土體力學性質(zhì)下降，不宜采用填筑土體的初始力學參數(shù)作為邊坡穩(wěn)定的計算參數(shù)。同時，庫灣區(qū)路段一般位于山區(qū)，周邊爆破開挖工況較多，由爆破引起的振動，一旦以彈性波的形式傳播至庫灣區(qū)路基中，這種振動也會對路基土體的力學特性產(chǎn)生不利影響，而目前對于這種影響還難以實現(xiàn)定量化考慮。庫灣區(qū)路堤邊坡一般采用植物綠化加固手段，這是一種有效的邊坡加固手段，然而目前植物根系加固土體的效果還難以評價，因此無法在工程實踐中考慮這一效應(yīng)，會造成一定的工程浪費。

缺乏針對湖庫區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性的計算方法

湖庫區(qū)水位升降在引起水力荷載循環(huán)的同時，也導致了路基邊坡的干濕循環(huán)劣化。此外，路基邊坡綠化的植物根系雖會對邊坡土體起到加筋作用，但鄰近隧道爆破開挖路基土體受到循環(huán)振動加載，可能引起土體強度弱化和邊坡失穩(wěn)。上述干濕循環(huán)和累次爆破振動對路基邊坡穩(wěn)定性起到了負作用，而植物根系起到了加筋正作用，加之水位漲落和大粒徑（米級）填料等復雜條件，現(xiàn)有行業(yè)規(guī)范的路基邊坡穩(wěn)定性分析方法顯然無法勝任，亟需提出一種能綜合考慮上述正負因素及復雜湖庫區(qū)環(huán)境條件的路基邊坡穩(wěn)定性計算方法。

缺乏臨湖路基邊坡水下填筑施工與生態(tài)環(huán)保技術(shù)

湖庫區(qū)的水下填筑與強夯施工過程顯著區(qū)別于常規(guī)強夯加固，目前尚缺乏水下填筑、干濕循環(huán)條件下的路基邊坡填筑材料控制準則，現(xiàn)行水下填筑、強夯施工參數(shù)選擇只能依據(jù)現(xiàn)場工程經(jīng)驗，水下填筑、強夯加固效果檢測缺乏行之有效的技術(shù)手段和檢測設(shè)備。同時臨湖巖石爆破開挖威脅路基邊坡穩(wěn)定性、常規(guī)路基護坡植被易形成風化基巖消落帶，均會造成湖庫區(qū)生態(tài)污染、影響生態(tài)平衡，目前尚缺乏臨湖巖石爆破開挖環(huán)境影響的主動控制技術(shù)與干濕循環(huán)、高水位漲落條件下路基消落帶治理技術(shù)。

/ 湖庫區(qū)綠色建造技術(shù)取得新進展/

通過理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗、原位測試和工程驗證等多重手段，團隊對湖庫區(qū)高速公路綠色建造關(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)、深入的研究，提出了“一種計算模型、一種加固機理及監(jiān)測手段、一種爆破振動評價方法、一種綠色護岸結(jié)構(gòu)及兩種過渡段沉降控制措施”。

揭示湖庫區(qū)路基材料動靜力特性

針對湖庫區(qū)路基巖土體建造期間采用水下強夯填筑、巖石爆破施工、植物根系加固，以及運營期干濕循環(huán)往復等工程特點，團隊開展了水下填筑、干濕循環(huán)等復雜水環(huán)境與巖石爆破、根系加固等復雜受力環(huán)境下路基邊坡巖土體的靜、動力特性試驗研究，探明了干濕交替作用下路基土體的物理力學性質(zhì)劣化機理，獲得了大周次爆破振動荷載下巖土體的強度弱化規(guī)律，揭示了植物根系物理與水力耦合作用對巖土體的加固機理。

提出湖庫區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性分析方法

項目通過計算流體力學（CFD）模擬水位漲落和降雨入滲等引起的水力荷載，通過離散元（DEM）實現(xiàn)塊石等庫灣路基填料的接觸運動模擬和下滑力計算，再將上述邊坡土體強度隨干濕循環(huán)、循環(huán)振動和根系加固等環(huán)境因素的函數(shù)關(guān)系納入邊坡潛在滑面的抗滑力計算中，從而建立起基于CFD-DEM耦合計算框架、內(nèi)嵌土體巖體動態(tài)刷新功能的湖庫區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性分析方法。該方法揭示了水位漲落引起水力荷載，以及干濕循環(huán)引起強度劣化下的湖庫區(qū)路基塊石運動和失穩(wěn)機制，明確了在植物根系加筋和滲流水力雙重作用下，不同植物根系種類、長度、體積比等關(guān)鍵特征參數(shù)對路基邊坡含水率、基質(zhì)吸力與安全系數(shù)的影響規(guī)律。

研發(fā)湖庫區(qū)高速公路綠色建造系列關(guān)鍵技術(shù)

項目提出了水下填筑、干濕循環(huán)條件下路基邊坡填筑材料的控制標準，研發(fā)了適用于水下填筑與強夯的面波激發(fā)和接收設(shè)備，形成了水下填筑與強夯加固效果的立體檢測技術(shù)；針對臨湖巖石爆破開挖威脅路基邊坡穩(wěn)定性，提出了臨湖邊坡巖石爆破振動與環(huán)境評價準則，形成了巖石掌子面爆破主動振動控制技術(shù)；在水位漲落、干濕循環(huán)條件下，篩選出適用于高水位變化、長時間耐淹脅迫條件下的綠色護坡植物，并形成綜合利用土工織物-護岸結(jié)構(gòu)-植物根系反濾層體系的湖區(qū)消落帶綠色護岸技術(shù)，實現(xiàn)了過渡段車輛-地基振動特性的綜合評估，探究了路基動應(yīng)力放大效應(yīng)，以及剛度衰減規(guī)律，開展了現(xiàn)有不均勻沉降控制措施的參數(shù)影響分析，進而創(chuàng)新性研發(fā)了隧路過渡段自適應(yīng)沉降控制措施及過渡段截面最佳曲線試驗裝置。

杭新景大橋II 期

之江大橋

江東大橋高空索夾維修

/ 研究項目社會效益顯著/

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)建設(shè)，我國將會建設(shè)越來越多的湖庫區(qū)高速公路，如何盡量降低工程建設(shè)對湖庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響，確保路基、邊坡及隧道等基礎(chǔ)設(shè)施順利建造與安全運行，是量大面廣的高速公路面臨的共性基礎(chǔ)問題，理論和設(shè)計方法上的突破將為未來大量的湖庫區(qū)高速公路建設(shè)提供科學的設(shè)計手段及施工方法，為未來湖庫區(qū)高速公路建設(shè)補齊環(huán)境影響評價與綠色建造方法的短板提供關(guān)鍵支撐。項目在路基填料動靜力計算模型、水下強夯及檢測技術(shù)、邊坡穩(wěn)定與爆破環(huán)境評價、綠色護岸結(jié)構(gòu)、過渡段不均勻沉降控制措施五個方面取得了一系列創(chuàng)新型成果，為新建庫灣區(qū)及現(xiàn)有高速公路的擴建、改造和養(yǎng)護保障提供理論支持，對發(fā)展我國公路科學有較大的貢獻。研究成果不僅可直接應(yīng)用于庫灣區(qū)高速公路設(shè)計和施工中，還可為制定相應(yīng)的設(shè)計、施工規(guī)范和國家標準提供可靠的依據(jù)。截至2022年7月，課題成果已在浙江、重慶、安徽、廣西、廣東、福建等省份湖庫區(qū)高速公路綠色建設(shè)工程成功應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益；建立的消落帶綠色護岸結(jié)構(gòu)、過渡段不均勻沉降控制措施等關(guān)鍵技術(shù)已在浙江千黃高速公路項目中得到成功應(yīng)用，運行情況良好。湖庫區(qū)高速公路設(shè)計、施工及檢測中亟需項目研究成果，應(yīng)用前景廣闊。

杭新景高速公路

項目成果減少了路基處理、強夯加固、爆破施工、植被養(yǎng)護等費用，大大降低了路基失穩(wěn)、溶洞塌陷及水生態(tài)環(huán)境破壞等風險和經(jīng)濟損失。

杭州千黃高速公路有限公司在千黃高速工程中成功應(yīng)用課題研究成果，節(jié)約路基處理費用3200萬元、強夯費用510萬元、爆破費用124萬元、邊坡治理費用320萬元、過渡段養(yǎng)護維修費用5670萬元，避免了路基失穩(wěn)、溶洞塌陷、水生態(tài)環(huán)境破壞問題，降低路基失穩(wěn)損失1920萬元、溶洞塌陷損失540萬元、水生態(tài)環(huán)境修復費1800萬元。

中交路橋建設(shè)有限公司在巫溪至開州高速公路項目工程中成功應(yīng)用課題研究成果，節(jié)約植被養(yǎng)護費用160萬元、路基處理費用320萬元、強夯費用171萬元、爆破費用14萬元，避免了路基失穩(wěn)、溶洞塌陷、水生態(tài)環(huán)境破壞問題，降低路基失穩(wěn)損失21萬元、溶洞塌陷損失42萬元、水生態(tài)環(huán)境修復費300萬元。

安徽省交通控股集團有限公司在上海至武漢高速公路無為至岳西段工程中成功應(yīng)用課題研究成果，節(jié)約爆破費用10萬元，避免了水生態(tài)環(huán)境破壞問題，減少水生態(tài)環(huán)境修復費300萬元。

杭州市交通工程集團有限公司在國道235線杭州老余杭至五常段改建工程中成功應(yīng)用課題研究成果，節(jié)約路基處理費用300萬元，避免了路基失穩(wěn)問題，減少路基失穩(wěn)損失60萬元。

中交第三公路工程局有限公司在巴馬至憑祥高速公路巴馬至田東段工程中成功應(yīng)用課題研究成果，節(jié)約路基處理費用96萬元，爆破費用24萬元，植被養(yǎng)護費用52萬元，避免了路基失穩(wěn)、水生態(tài)環(huán)境破壞問題，減少路基失穩(wěn)損失52萬元、水生態(tài)環(huán)境修復費120萬元。

中鐵大橋局集團有限公司在福泉高速公路連接線拓寬改造工程中成功應(yīng)用課題研究成果，節(jié)約過渡段處理費用70萬元。

通過應(yīng)用該項目成果，目前全國共計節(jié)約施工費用1.104億元，減少事故損失5155萬元，取得了很好的社會經(jīng)濟效益，應(yīng)用效果良好。