雷榕高速公路橋梁改路基方案優(yōu)化探討

摘要：文章結(jié)合黔東南地區(qū)雷榕高速公路桃江互通A匝橋梁改路基工程實(shí)例，在綜合考慮地形地貌與地質(zhì)水文、土石方路用特性、施工可行性等因素的基礎(chǔ)上，分析了橋梁改路基方案的可行性，提出了相應(yīng)的路基工程方案和具體技術(shù)措施，并對(duì)填筑過程中路基的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析，可為山區(qū)高速公路類似工程案例的設(shè)計(jì)優(yōu)化比選提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：高速公路；橋梁改路基；路基穩(wěn)定性；數(shù)值計(jì)算

中圖分類號(hào)：U445.6

0 引言

我國西南地區(qū)高速公路大發(fā)展，山區(qū)公路建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大。貴州省作為典型的喀斯特地貌山區(qū)，“地?zé)o三里平，天無三日晴”，多山多谷，在高速公路的建設(shè)過程中，不可避免地會(huì)遇到隧道與橋梁工程，以及高填方路基工程［1-2］。當(dāng)隧道洞渣集中、方量大且無理想的棄土場時(shí)，如何更好地平衡土石方，減少棄方，確保工程施工進(jìn)度，節(jié)約工程造價(jià)，在公路工程的建設(shè)過程中是一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問題。一般情況下，橋梁改路基的方案可能會(huì)更符合工程的實(shí)際情況［3-4］。

雷山至榕江高速公路是貴州省“678”高速公路網(wǎng)的重要組成部分，是連接黔東南地區(qū)南部與北部兩大片區(qū)的重要干線公路。在雷榕高速公路二分部桃江互通的建設(shè)過程中，由于桃江互通位于兩隧道之間，且隧道洞渣大量外棄，不符合當(dāng)下“綠色、環(huán)保、低碳”的理念。綜合考慮場區(qū)地形地貌與地質(zhì)水文、廢棄土石方路用特性、征地、運(yùn)距、工程質(zhì)量、進(jìn)度、造價(jià)、施工可行性以及社會(huì)需求等各方面因素，最終采取了桃江互通A匝道橋梁改路基的設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況與地質(zhì)水文條件

1.1 原設(shè)計(jì)工程簡介

雷榕高速公路桃江互通連接線長190 m，連接省道S308。該連接線原設(shè)計(jì)A匝道橋1座，采用先簡支后連續(xù)T梁，中心樁號(hào)AK0+084，采用3×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橋長150 m，橋?qū)?4.9 m，最大樁長30 m，最大墩高52.2 m。連接線起點(diǎn)與S308平交口通過交安劃線實(shí)現(xiàn)，而終點(diǎn)與超限檢測站段落等寬順接（寬34.9 m）。

1.2 橋址區(qū)地形地貌與地質(zhì)水文

1.2.1 地形地貌

橋址區(qū)地處云貴高原的東南側(cè)向湘桂丘陵盆地過渡的斜坡臺(tái)地，場區(qū)地貌類型屬侵蝕-剝蝕型中低山地貌。

1.2.2 工程地質(zhì)

根據(jù)既有勘察資料，并結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，場區(qū)出露的地層巖性為第四系殘坡積層含碎石粉質(zhì)黏土、沖洪積層卵石土以及砂巖夾板巖。覆蓋層：（1）含碎石粉質(zhì)黏土：褐黃色，可塑狀，含少量碎石，厚0～3.5 m；（2）卵石土：雜色、卵石成分為變余砂巖、板巖，結(jié)構(gòu)松散，含水飽和，粒徑1.0～10.0 cm，厚2.0～5.0 m，沿南柳河分布。基巖：（1）變余砂巖夾板巖強(qiáng)風(fēng)化層：灰黃色，薄-中厚層狀，節(jié)理發(fā)育，破碎，巖芯呈塊狀和碎塊狀，強(qiáng)風(fēng)化層最厚15 m；（2）變余砂巖夾板巖中風(fēng)化層：灰/深灰色，薄-中厚層狀，節(jié)理發(fā)育，較破碎-較完整，巖芯呈柱狀、少量塊狀。

1.2.3 水文條件

場區(qū)地下水的類型為松散層孔隙水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水賦存在于第四系松散土層中，水量小，動(dòng)態(tài)變化大，受季節(jié)影響明顯?；鶐r裂隙水賦存在于風(fēng)化層基巖裂隙中，水量小，動(dòng)態(tài)變化較大，受大氣降雨和河水補(bǔ)給的影響。大氣降雨大部以坡面流向南柳河流動(dòng)，少部分通過風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙下滲，形成基巖裂隙水。裂隙不發(fā)育的板巖為相對(duì)隔水層。河谷區(qū)地下水位埋藏淺，受河水位控制，岸坡區(qū)地下水位埋藏較深，水位受降雨及裂隙發(fā)育深度雙重控制。

2 優(yōu)化變更設(shè)計(jì)的原因

（1）雷榕高速公路桃江段沿里程樁號(hào)依次為雷公山隧道（4.7 km）、桃江隧道（1.7 km）、桃江互通、白竹山隧道（2.2 km）。桃江互通位于桃江隧道與白竹山隧道之間，兩隧道間距1.62 km。雷公山隧道出口、桃江隧道、白竹山隧道進(jìn)口段的隧道棄渣方量約140×104 m3，方量巨大。設(shè)計(jì)棄土場位于白竹山隧道頂部一個(gè)洼地處，但該棄土場為存在爭議地塊，征地存在影響社會(huì)穩(wěn)定性因素，征用難度大。而新增棄土場選址困難。

（2）設(shè)計(jì)棄土場距離雷公山隧道出口運(yùn)距遠(yuǎn)，省道交通常擁堵。桃江互通與雷公山國家自然保護(hù)區(qū)僅S308省道一路之隔，現(xiàn)桃江村緊鄰桃江互通區(qū)收費(fèi)站，該村沿S308省道而建，交通經(jīng)常性堵塞中斷，周邊無發(fā)展空間。該S308省道為隧道棄渣運(yùn)往設(shè)計(jì)棄土場的唯一必經(jīng)之路，且設(shè)計(jì)棄土場距白竹山隧道進(jìn)口8 km，距雷公山隧道出口12 km，棄土運(yùn)距遠(yuǎn)。若維持設(shè)計(jì)棄渣方案，將導(dǎo)致S308交通組織崩潰、施工成本劇增、棄土場及環(huán)水保費(fèi)用巨大。連接線A匝道橋改為路基方案，可以有效消化棄方，解決雷公山隧道、桃江隧道和白竹山隧道的就近棄土棄渣問題。

（3）學(xué)校安置問題。桃江互通收費(fèi)站采用三進(jìn)三出的結(jié)構(gòu)，收費(fèi)站場坪根據(jù)地形布置在收費(fèi)站右側(cè)，受當(dāng)?shù)氐匦螚l件限制，場坪僅占地4 666.67 m2，如圖1所示。桃江互通收費(fèi)站位于原有桃江小學(xué)處，需拆遷桃江小學(xué)。但桃江村百姓房屋多依山而建，現(xiàn)場幾乎找不到較廣闊的平地用以建設(shè)新小學(xué)，新小學(xué)的選址是一個(gè)嚴(yán)峻的問題。橋改路基可利用路基填筑形成A匝道左側(cè)的填平區(qū)，充分解決桃江小學(xué)就近搬遷與建設(shè)新校園的選址問題。

（4）主線桃江大橋橋梁墩柱安全性。桃江互通連接線原A1匝道橋位于南柳河河道內(nèi)，原設(shè)計(jì)最高墩身97 m，該南柳河段為深切V字形峽谷地段，地形陡峭，上下高差超過100 m，水流湍急直接沖刷主線桃江大橋的左幅5#～6#墩、右幅6#～7#墩柱，施工期及運(yùn)營期存在一定程度的安全隱患。

3 橋改路新設(shè)計(jì)方案

3.1 變更方案

新設(shè)計(jì)方案減少橋梁1座，增設(shè)4 m×3 m鋼筋混凝土蓋板涵1道，增加填方、消耗棄方140×104 m3，增加1座450 m的過水隧道，路基新增用地62 666.67 m2，且新增用地全部為溝谷荒地、河道，路基左側(cè)填平區(qū)新增建設(shè)用地約12 000 m2。AK0+000～AK0+200段填方路基的參數(shù)為：路基中心最大填高63.67 m，右側(cè)最大坡高約114.4 m。A匝路基采用雙向四車道高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度24.5 m，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km，荷載等級(jí)公路-Ⅰ級(jí)。路基左側(cè)填平，路基右側(cè)放坡；路基右側(cè)填方橫向?qū)挾?74 m，填筑體下部處原南柳河河道被占。為保證填方路基穩(wěn)定，將采取如下技術(shù)措施。

（1）路基右側(cè)放坡：如圖2所示，路基頂部設(shè)計(jì)海拔高程為943.711 m，在路基右側(cè)放坡7級(jí)填筑至海拔高程887.711 m處將河道填平，填方邊坡從路面以下依次按1∶1.5～1∶1.75～1∶1.75～1∶1.75～1∶1.75～1∶2～1∶2放坡，每級(jí)邊坡高8 m；順河道下游再放坡4級(jí)，填筑至海拔高程855.711 m處再將河道填平，以保證主線桃江大橋左幅5#～6#墩、右幅6#～7#墩的安全和方便施工，此4級(jí)邊坡均按1∶2進(jìn)行放坡，每級(jí)邊坡高8 m；在桃江大橋右幅邊線外側(cè)2.5 m處沿河道下游放坡2級(jí)，填筑至海拔高程837.711 m處，坡率為1∶1.5～1∶1.75，第1級(jí)邊坡高8 m，第2級(jí)邊坡高10 m，并在路基坡腳處采用擋墻支擋（高度10 m）進(jìn)行收坡。路基右側(cè)共13級(jí)坡。

（2）邊坡防護(hù)：路基右側(cè)路面以下6級(jí)邊坡采用襯砌拱防護(hù)、第7級(jí)～第13級(jí)邊坡采用30 cm厚M7.5漿砌片石封閉，減少雨水滲入路基體。

（3）排水系統(tǒng)：構(gòu)建基底盲溝、截水溝、涵洞與改溝以及封閉防護(hù)（7級(jí)以下邊坡）等為一體的綜合防排水體系，減小或避免水對(duì)路基穩(wěn)定性的不利影響。同時(shí)，通過新建過水隧道以改移路基體所占據(jù)的南柳河部分河道。

地表水和地下水：地表水沿填方路基邊緣采用各平臺(tái)截水溝、AK0+010處涵洞與改溝將地表水引排至南柳河河道；填筑體基底采用2 m×2 m盲溝將地表下滲水排入南柳河河道。

改移河道：路基占據(jù)了南柳河部分河道，故通過新建導(dǎo)流過水隧道的方式將河水引排至下游與南柳河既有河道接順。隧道進(jìn)口采用導(dǎo)流墻將河水引排至過水隧道，隧道出口與既有河道采用階梯改溝與既有河道接順。過水隧道參數(shù)：單幅，長度450 m，建筑界限寬、高為7.5 m×5 m，最大埋深94.8 m。設(shè)計(jì)過水流量513 m3/s，隧道過水面積86.855 m2，縱坡12%。為保證路基填筑安全和河道流水暢通，在路基填筑前在先施工導(dǎo)流隧道將河水由左到右引至路基坡腳外，導(dǎo)流隧道施工完畢后再填筑路基。

（4）填料路用性能評(píng)價(jià)：路基填料采用雷公山隧道、桃江隧道和白竹山隧道的洞渣，以強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化變余砂巖夾板巖為主。填料的路用特性是明確填料是否可用作路基填料的基礎(chǔ)。因此，須對(duì)典型的風(fēng)化巖進(jìn)行取樣與系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)測試，明確風(fēng)化巖的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和水理特性，評(píng)價(jià)風(fēng)化巖作為路基填料的適宜性。通過室內(nèi)試驗(yàn)，確定了風(fēng)化巖以較堅(jiān)硬巖石和較軟巖石為主，可用于A匝高填方路基的填筑；南柳河溝底以上4 m、路堤底部、上路堤和路床應(yīng)采用硬質(zhì)洞渣，風(fēng)化巖盡量用于路堤的上部。

（5）為控制與減小路基的工后沉降，在路基施工過程中，做好以下幾方面：①強(qiáng)化地基處理，完全清除表層松散土體，使路基填筑體位于巖質(zhì)地基上，確保地基容許承載力大于路基填筑體引起的附加應(yīng)力，并最大程度減少或避免地基部分的沉降；②合理安排工期，優(yōu)先路基填筑，充分考慮自然沉降穩(wěn)定時(shí)間對(duì)路基沉降的影響，填筑前按工期倒排，路基盡早成型，確保路面結(jié)構(gòu)層鋪筑前路基已至少經(jīng)歷一個(gè)完整的雨季或6 m以上的自然沉降穩(wěn)定時(shí)間，有效減少路基工后沉降；③優(yōu)化填筑施工工藝，通過試驗(yàn)路鋪筑，確定合理的施工機(jī)具組合、碾壓遍數(shù)、碾壓速度、碾壓方式，松鋪厚度、松鋪系數(shù)、填料粒徑，以及壓實(shí)質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制措施等；④進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處治，結(jié)合路基百米級(jí)的填筑高度，采取每填筑2 m進(jìn)行一次強(qiáng)夯的高頻補(bǔ)強(qiáng)處治措施，且夯擊能≥2 000 kN·m；⑤構(gòu)建高填方路基的沉降和位移監(jiān)測體系，包括路基的表面沉降、內(nèi)部沉降與表面水平位移，監(jiān)測周期為整個(gè)路基施工期和1個(gè)水文年的運(yùn)營期。

3.2 路基穩(wěn)定性分析

選取路基的典型橫斷面，構(gòu)建數(shù)值仿真模型，進(jìn)行路基整體穩(wěn)定性分析［5-7］。采用犀牛Rhinocerse軟件建立并優(yōu)化網(wǎng)格，然后通過Griddle插件導(dǎo)入FLAC 3D軟件生產(chǎn)網(wǎng)格模型，并進(jìn)行分組，如圖3所示。采用強(qiáng)度折減法，通過“model 1”命令模擬路基填筑的施工過程，實(shí)現(xiàn)路基的逐級(jí)填筑和邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的逐級(jí)求解。各巖土層和擋墻的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

隨著路基的逐級(jí)填筑，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸減?。▓D4）。當(dāng)路基填筑完成時(shí)，安全系數(shù)為2.008，滿足規(guī)范［8-9］關(guān)于高路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的要求。

4 經(jīng)濟(jì)效益

采用原設(shè)計(jì)方案時(shí)，雷公山隧道、桃江隧道和白竹山隧道產(chǎn)生洞渣外棄140×104 m3，需新增棄土場，附近無棄土場，臨時(shí)征地困難且費(fèi)用高，棄渣征地費(fèi)用按4.5元/m3算，費(fèi)用為630萬元。棄方[JP+1]運(yùn)距約為12元/m3，棄土遠(yuǎn)運(yùn)距費(fèi)用為1 680萬元。采用新的變更方案后，無須新增棄土場，隧道出口距A匝填方路基的運(yùn)距較近，渣土車運(yùn)輸一次，節(jié)省運(yùn)費(fèi)。利用隧道洞渣風(fēng)化巖運(yùn)輸單價(jià)約為8元/m3，運(yùn)距費(fèi)用約為1 120萬元。改為路基方案后，可節(jié)約工程造價(jià)約390.2萬元，如表2所示。

5 結(jié)語

在山區(qū)高速公路建設(shè)中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際對(duì)具體問題進(jìn)行具體分析。針對(duì)橋梁改路基的工程問題，應(yīng)貫徹“綠色、環(huán)保、低碳”的理念，綜合考慮場區(qū)地形地貌、地質(zhì)水文、廢棄土石方的路用特性、征地、工程質(zhì)量和施工可行性等各方面因素，通過論證選定最佳的設(shè)計(jì)方案。目前，該段高填方路基已填筑完成，路基性能良好，未見失穩(wěn)跡象，起到了較好的工程建設(shè)效果。

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收稿日期：2024-03-09

作者簡介：柯善劍（1980—），碩士，高級(jí)工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。