綜合因素下復(fù)雜地形區(qū)橋改路基方案論證研究

彭立勇 胡玉華

摘 要：十三五期間，湖南省高速公路建設(shè)取得了巨大成就，東部、南部平原微丘區(qū)高速交通網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本成型。十四五期間，湖南省西部山嶺重丘區(qū)高速公路建設(shè)將提速，但山區(qū)高速公路由于地形陡峻，地面橫坡大，路線方案的局部?jī)?yōu)化會(huì)帶來?xiàng)壴鼣?shù)量的較大變化[1]，合理的處置棄渣是山區(qū)高速建設(shè)中的一大難題，橋改路基是一種可行的方案。本文以湖南西部某山區(qū)高速公路橋梁方案與路基方案比選為例，從工程建設(shè)難度、工程安全、生態(tài)效益和工程造價(jià)上進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：山區(qū)高速;橋改路基;工程適宜性;生態(tài)效益;工程安全性;工程造價(jià)

中圖分類號(hào)：U416.1;U445.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

由于山區(qū)高速具有地貌復(fù)雜、地形起伏變化大、安全環(huán)保問題突出等特點(diǎn)，導(dǎo)致其路線平縱面受制約因素多，往往伴隨著高填深挖路段多、土石方數(shù)量大、防護(hù)支擋困難、施工難度大等特點(diǎn)[2]，當(dāng)路線方案進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，局部路段易出現(xiàn)棄方較大的現(xiàn)象，合理的處置棄渣是山區(qū)高速建設(shè)中的一大難題。當(dāng)棄渣場(chǎng)位置較難選擇或者棄渣成本較高時(shí)，橋改路基是一種可行的方案，但是橋改路基后的路基方案往往易出現(xiàn)填土高度大于20 m的高填方段落，山區(qū)高填方段落施工難度較大，同時(shí)可能出現(xiàn)穩(wěn)定性不足的問題。同時(shí)山區(qū)耕田資源寶貴，在工程量增加不大或無其他明顯制約因素的情況下，宜從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、用地、環(huán)境保護(hù)等方面對(duì)橋梁方案與路基方案進(jìn)行全面比選進(jìn)行綜合比選[3]，優(yōu)先選擇能夠最大限度節(jié)約土地、保護(hù)耕地、環(huán)保經(jīng)濟(jì)的方案[4]。

1 項(xiàng)目基本情況

1.1 工程概況

湖南西部山區(qū)某高速公路屬于國(guó)家高速公路網(wǎng)湖南境內(nèi)段落，路線全長(zhǎng)82.383 km，公路等級(jí)為雙向四車道高速公路，設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬度26.0 m。項(xiàng)目位于湖南省西北部的武陵山區(qū)和澧水流域，主要為山嶺重丘區(qū)地貌，地勢(shì)總體北部高，南部低。沿線地形起伏大，一般標(biāo)高200 m～800 m，相對(duì)高差一般60 m～300 m，山體走向整體多為北東向和北東東向，地表切割強(qiáng)烈，山間溝谷多呈“V”字形[5]。

該項(xiàng)目原方案推薦線服務(wù)區(qū)線位主要位于山腰，地勢(shì)起伏較大，服務(wù)區(qū)設(shè)置較為困難，不利于實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)的基本功能。同時(shí)推薦線位服務(wù)區(qū)周邊存在三顆古樹，其中最大的一顆接近千年的歷史，服務(wù)區(qū)的修建可能對(duì)古樹產(chǎn)生不利影響，初步設(shè)計(jì)對(duì)服務(wù)區(qū)位置進(jìn)行了優(yōu)化，以避免對(duì)既有道路、古樹、居民生活區(qū)的干擾。

服務(wù)區(qū)方案優(yōu)化時(shí)將服務(wù)區(qū)設(shè)置在K23+500～K25+500段落。該段落位于山丘群的頂部平臺(tái)，路線左右側(cè)地勢(shì)基本相當(dāng)，服務(wù)區(qū)設(shè)置條件好，同時(shí)服務(wù)區(qū)未侵占生態(tài)紅線范圍，同時(shí)周邊小型沖溝較多，棄土方便。但路段位于山嶺重丘區(qū)，地形起伏大，服務(wù)區(qū)位置變化導(dǎo)致該路段高填深挖路段增長(zhǎng)，因此該處設(shè)置服務(wù)區(qū)所產(chǎn)生的土石方量較大。

1.2 橋改路基方案研究

原方案（服務(wù)區(qū)位置調(diào)整前）挖方為204.8萬m3，填方為184.2萬m3，現(xiàn)方案（服務(wù)區(qū)位置調(diào)整后）挖方為321.3萬m3，填方為236.6萬m3，調(diào)整后挖方增加126.5萬m3，填方增加52.4萬m3。經(jīng)過土石比換算后棄方89.5萬m3，相對(duì)于原方案增加了61.6萬m3的棄方數(shù)量，這將大大增加棄土場(chǎng)的數(shù)量。該段路線沿線人口分布稠密，村莊較多，大型棄渣場(chǎng)的設(shè)置對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境破壞大，且路線走廊帶周邊為武陵山區(qū)生物多樣性及水土保持生態(tài)功能區(qū)，屬于限制進(jìn)行大規(guī)模高強(qiáng)度工業(yè)化城鎮(zhèn)化開發(fā)的生態(tài)區(qū)域，需要對(duì)當(dāng)?shù)卦锒鄻有赃M(jìn)行有效保護(hù)，可供選擇的大型棄渣場(chǎng)較少。

棄渣場(chǎng)的選擇只能選在10 km之外，不僅用地面積增加較大，而且運(yùn)距較遠(yuǎn)，這將大大增加工程造價(jià)。同時(shí)而且由于棄渣場(chǎng)的位置多位于沖溝，地表高低起伏較大，匯水面積較大，存在穩(wěn)定性不足的問題，可能帶來次生災(zāi)害，影響居民村莊的安全。

為了有效減少棄渣，切實(shí)保護(hù)環(huán)境，同時(shí)為了降低造價(jià)，初步設(shè)計(jì)線位優(yōu)化時(shí)將曾家埡1號(hào)、大橋二房坪2號(hào)中橋改為路基，本文以曾家埡1號(hào)大橋橋改路基方案為例進(jìn)行分析，橋梁方案與路基方案如圖1、圖2所示，橋改路基前后基本情況表如表1所示。

2 橋改路基優(yōu)化前后特性分析

2.1 工程適宜性分析

橋改路基后具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）消化棄方：可消化廢方57.5萬m3，棄方由89.5萬m3減少至31.2萬m3，棄方規(guī)模與工可相差無幾，有效減少了棄方數(shù)量。

（2）優(yōu)化工可棄土場(chǎng)位置：曾家埡1號(hào)大橋由橋改為路基后，將該段高路基與沖溝形成的約2.2萬m2的低洼地帶（原橋梁上游）設(shè)置為棄土場(chǎng)，棄土高度可達(dá)到填方二級(jí)平臺(tái)標(biāo)高，可全部容納全部棄方。相對(duì)于工可同時(shí)優(yōu)化了棄土場(chǎng)選址，棄土運(yùn)距由10.0 km縮小至2.4 km，棄土運(yùn)距縮小了76%，優(yōu)化了棄土場(chǎng)位置。

（3）利于施工組織：橋改路基后，棄土場(chǎng)位置得到了優(yōu)化，有效縮短了施工便道總長(zhǎng)度，優(yōu)化了施工組織方案，減少了施工難度。

2.2 工程生態(tài)效益分析

路線走廊帶周邊為武陵山區(qū)生物多樣性及水土保持生態(tài)功能區(qū)，屬于限制進(jìn)行大規(guī)模高強(qiáng)度工業(yè)化城鎮(zhèn)化開發(fā)的生態(tài)區(qū)域，需要對(duì)當(dāng)?shù)卦锒鄻有赃M(jìn)行有效保護(hù)。因此，路線對(duì)環(huán)保要求較高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將對(duì)環(huán)境的影響降到最低。橋改路基后能產(chǎn)生一定的環(huán)保效應(yīng)，有利于綠色公路設(shè)計(jì)理念的實(shí)施，主要如下：

（1）山嶺重丘區(qū)棄土場(chǎng)選址一般位于低洼處，類型多為耕地和林地。橋改路基后，減少了棄土場(chǎng)、施工便道等對(duì)耕地和林地的占用，減少了環(huán)境破壞，節(jié)約了土地資源，有效保護(hù)了生物多樣性，生態(tài)效益明顯。

（2）橋改路基后，在K23+200樁號(hào)左側(cè)設(shè)置棄土場(chǎng)（見圖3），該棄土場(chǎng)位置緊靠路基，公路建設(shè)期間可直接作為混凝土攪拌基地、施工駐地、預(yù)制梁場(chǎng)地、工程材料堆放地等，可減少公路臨時(shí)用地對(duì)土地的占用，有利于土地資源的集約利用，符合綠色公路的設(shè)計(jì)理念。

（3）橋改路基后，可減少橋梁建設(shè)用材和專用設(shè)備投入，減少棄土場(chǎng)支擋防護(hù)設(shè)施投入?？梢源蟠鬁p少混凝土、鋼筋等高耗能的永久性圬工材料的使用，例如可以減少橋梁模板、擋土墻模板、架橋機(jī)等專用設(shè)備的使用，減少燃料用量和碳排放量，降低了工程施工過程中對(duì)環(huán)境的影響[3]。

2.3 工程安全性分析

（1）橋改路基前，由于棄方量巨大，需要選擇多處棄渣場(chǎng)，但由于山嶺重丘區(qū)特殊的地形地貌條件，棄渣場(chǎng)的位置多位于沖溝或者橋梁上游處，匯水面積較大，可能帶來滑坡、泥石流等次生災(zāi)害，影響居民村莊的安全;橋改路基后，可以有效避免這類隱患。

（2）橋改路基后，產(chǎn)生了兩處最大中心填土高度分別為35.6 m和31.3 m的路堤，按照規(guī)范要求[6]，填土高度大于20 m的路堤為高填方路堤。由于高填方路堤填筑高度和土方工程量都比較大，存在邊坡垮塌、路基沿邊坡滑動(dòng)、路基不均勻沉降、路基沉陷等病害，需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并采取一定的工程措施防止這些病害的產(chǎn)生[7]。

采用圓弧滑動(dòng)法對(duì)K23+400斷面路基穩(wěn)定性進(jìn)行分析，由于項(xiàng)目位于山區(qū)，路基填筑采用土石混填，土體基本物理力學(xué)參數(shù)如表2所示：

計(jì)算結(jié)果圖如圖3所示，經(jīng)計(jì)算，滑動(dòng)半徑為85.901 m，總下滑力為5 078.907 kN，總抗滑力為6 872.123 kN，滑動(dòng)安全系數(shù)為1.353，滿足規(guī)范[6]中最小安全系數(shù)不小于1.35的要求。

為了減少橋改路基后高填方可能帶來的病害，主要采用以下處置措施：

①采用開山石渣對(duì)沖溝底部不滿足承載力的軟弱地基土（表層軟塑狀黏土層、過濕土）進(jìn)行換填，提高地基承載力，減小地下水和沖溝積水對(duì)路堤填土的影響[8]。

②地面陡于1：5時(shí)均需開挖臺(tái)階，臺(tái)階開挖寬度大于2 m。臺(tái)階向內(nèi)傾2%～4%。

③路堤材料采用土石混填，采用分層填筑、分層碾壓的方式進(jìn)行填筑，檢測(cè)達(dá)到規(guī)范規(guī)定的94%壓實(shí)度后，方可進(jìn)行路床沖擊碾壓補(bǔ)強(qiáng)壓實(shí)[9]。

④在路床頂部以下鋪設(shè)兩層土工隔柵，寬度延伸至邊坡邊緣1 m處，格柵在填方邊坡側(cè)應(yīng)反包2 m以上，土工格柵范圍應(yīng)盡量使用粒徑較小的碎石，嚴(yán)禁使用大塊石、片石填筑，以保證路面結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定。

⑤設(shè)置完善的排水系統(tǒng)，設(shè)置滲溝、排水溝、平臺(tái)排水溝、急流槽等設(shè)施，迅速排除路基范圍內(nèi)降雨，減少低洼處積水。

⑥第一級(jí)邊坡坡率采用1：1.5，第二級(jí)以下坡率采用1：1.75～1：2，邊坡防護(hù)形式采用拱形骨架內(nèi)植草灌，增強(qiáng)填土邊坡穩(wěn)定性，減少邊坡垮塌。

⑦優(yōu)先安排高路堤施工，修筑路面前應(yīng)保證不少于一個(gè)雨季的自然沉降時(shí)間;施工過程中應(yīng)加強(qiáng)沉降觀測(cè)和動(dòng)態(tài)監(jiān)控，嚴(yán)格控制填筑速率，確保路基安全[10]。

2.4 工程造價(jià)分析

橋梁方案與高填方方案的造價(jià)影響主要因素有：建設(shè)規(guī)模、占地面積、施工難度、建成后車輛行駛安全、運(yùn)營(yíng)管理、養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用、環(huán)境影響等，如下表所示：

由表3可知，對(duì)比橋梁方案，采用高填方路基方案可節(jié)省工程造價(jià)2 423萬元。同時(shí)橋梁方案還存在建設(shè)規(guī)模、施工難度大、運(yùn)營(yíng)期間維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高等特點(diǎn)，其全壽命周期成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于路基方案。

3 結(jié)語(yǔ)

山嶺重丘區(qū)線位選取制約較多，在工可走廊帶的基礎(chǔ)上，往往線位優(yōu)化的空間較小，當(dāng)不可避免的要調(diào)整線位時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生較大的土石方量，因此，初步設(shè)計(jì)階段在線位優(yōu)化的基礎(chǔ)上，需要充分考慮土石方平衡，對(duì)路基方案與橋梁方案進(jìn)行比選，盡可能較少棄方量，減少棄渣場(chǎng)占地。

本文以湖南西部山區(qū)某高速橋改路基優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，從工程適宜性、工程生態(tài)效益、工程安全性、工程造價(jià)等方面對(duì)山嶺重丘區(qū)橋梁方案與路基方案進(jìn)行了對(duì)比分析，通過分析發(fā)現(xiàn)：路基方案可有效消化棄方，解決了周邊沒有棄土場(chǎng)用地、棄土場(chǎng)易失穩(wěn)等的難題，同時(shí)節(jié)約了工程造價(jià)，工程生態(tài)效益更加顯著，路基方案更加合理，可以推廣到全省其他項(xiàng)目的建設(shè)中。

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