道路低路堤路基設(shè)計(jì)研究

摘要 為了探討道路低路堤路基設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法及其應(yīng)用，文章闡述了低路堤特點(diǎn)及控制因素，并分析了低路堤路基高度的計(jì)算方法。采用填高加權(quán)平均法確定低路堤的路基高度，結(jié)合工程實(shí)例，具體分析了低路堤的設(shè)計(jì)方案，并與高路堤路基方案進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：低路堤設(shè)計(jì)在減少工程規(guī)模、提高行車安全以及促進(jìn)道路可持續(xù)發(fā)展方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，其在具體工程應(yīng)用中需根據(jù)地形地貌和工程需求靈活調(diào)整。

關(guān)鍵詞 道路工程；低路堤設(shè)計(jì)；路基高度；優(yōu)化方法

中圖分類號(hào) U416.12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）23-0097-04

0 引言

道路低路堤路基設(shè)計(jì)在現(xiàn)代道路建設(shè)，特別是平原地區(qū)道路建設(shè)中，扮演著至關(guān)重要的角色。隨著人們交通需求的增長(zhǎng)和對(duì)環(huán)境影響的日益關(guān)注，傳統(tǒng)的高路堤設(shè)計(jì)方法面臨著諸多挑戰(zhàn)，如占地面積大、成本高昂以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在破壞等。低路堤設(shè)計(jì)作為一種創(chuàng)新方案，重要性日益凸顯，不僅因?yàn)槠淠軌蝻@著降低工程規(guī)模和成本，還因?yàn)閷?duì)環(huán)境的影響較小，有利于維護(hù)生態(tài)平衡。此外，低路堤在提升行車安全和舒適性方面也表現(xiàn)出色，能有效減少車輛在行駛中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，探討低路堤路基設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法及其應(yīng)用，不僅對(duì)于滿足現(xiàn)代道路交通的需求至關(guān)重要，也對(duì)促進(jìn)道路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

1 低路堤路基特點(diǎn)

低路堤路基在道路建設(shè)中與高路堤路基相比具有以下優(yōu)點(diǎn)^[1]：

（1）減小工程規(guī)模，降低成本：在早期建設(shè)的平原區(qū)道路中，建筑安裝費(fèi)用通常約占總造價(jià)的80%。隨著新的征地拆遷政策的實(shí)施，這一比例降至約67%。采用低路堤設(shè)計(jì)可以有效減少土方工作量和占用的土地面積。例如，某4車道市政道路，路基寬28 m，若路堤填土高度每降低1 m，則土方量可減少約18 000 m³/km，減少占地約3 335 m²，從而顯著降低整個(gè)項(xiàng)目的成本。此外，低路堤由于其恒載減小，能夠降低軟基處理費(fèi)用、減少路基防護(hù)工程量以及縮短橋梁長(zhǎng)度，進(jìn)一步降低工程規(guī)模和投資。

（2）增強(qiáng)行車安全：低路堤的設(shè)計(jì)有利于降低工后沉降，使行車更加舒適。在發(fā)生交通事故時(shí)，由于路基較低，可能造成的損失也相對(duì)較小。此外，低路堤的緩坡邊設(shè)計(jì)可以形成安全緩沖區(qū)，進(jìn)一步提升行車的安全性。

（3）促進(jìn)道路可持續(xù)發(fā)展：在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的平原地區(qū)，由于交通需求迅速增長(zhǎng)，道路密度不斷加大。高路堤后續(xù)的道路規(guī)劃中往往會(huì)有一定的困難，特別是在上跨設(shè)計(jì)方面。此外，隨著交通量的增長(zhǎng)速度超過(guò)預(yù)測(cè)，許多道路在投入使用后不久便需要考慮擴(kuò)建，而低路堤設(shè)計(jì)在擴(kuò)建項(xiàng)目中提供了更大的靈活性和便利性。

然而，低路堤的設(shè)計(jì)和實(shí)施在一些方面也存在問(wèn)題，主要有：在某些情況下，實(shí)施上跨的難度很大，有時(shí)甚至無(wú)法實(shí)施，最終不得不改為主線上跨，重新回到高路堤的設(shè)計(jì)；低路堤可能導(dǎo)致通道排水困難，進(jìn)而影響道路表面的完整性和可通行性；涵洞可能因積水和淤塞而無(wú)法正常發(fā)揮功能；低路堤可能導(dǎo)致路基和路面的整體強(qiáng)度不足，從而減少道路的使用壽命。

2 低路堤路基設(shè)計(jì)的控制因素

在低路堤路基設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了確保設(shè)計(jì)的有效性和可靠性，主要采用以下控制因素^[2-3]：

（1）充分利用地質(zhì)條件：設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮工程地區(qū)的地質(zhì)條件。在地基堅(jiān)實(shí)、地下水位較深且地表排水良好的區(qū)域，應(yīng)盡量降低路基的填筑高度并減小邊坡角度。這不僅有助于減少不必要的填方作業(yè)，而且可以顯著降低整體的工程成本，同時(shí)避免由于地質(zhì)信息不明確而造成的資源浪費(fèi)。

（2）優(yōu)化橫向穿越結(jié)構(gòu)的布置：橫向穿越結(jié)構(gòu)，包括跨線橋和下穿通道，是低路堤設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分。應(yīng)根據(jù)交叉道路的性質(zhì)和交通流量，在必要地段采用合適的橫向穿越方式。例如，在以汽車通行為主的道路或挖方路段，優(yōu)先考慮支線上跨方式，以解決路基填土高度問(wèn)題。這些橫向結(jié)構(gòu)的數(shù)量和類型直接影響道路的整體填土高度。

（3）應(yīng)用置換法調(diào)整路基高度：在地下水位高或存在凍融循環(huán)等復(fù)雜水文地質(zhì)條件的地區(qū)，可通過(guò)置換法來(lái)調(diào)整路基高度。這種方法通常涉及將土壤替換為碎石等透水材料，從而降低路基的高度。雖然此法的初期投資較高，但最終能帶來(lái)更高的道路整體效益，尤其是在經(jīng)濟(jì)條件較好的地區(qū)。

（4）整治和合并河道：與水利部門合作，對(duì)河流進(jìn)行整治和合并，尤其是那些不再用于航運(yùn)的小河流。在跨越這些河流時(shí)，可以用涵洞替代橋梁，即使在排洪要求較高的河流中，去除航運(yùn)需求后也能顯著降低橋梁的高度。

（5）采用低建筑高度的結(jié)構(gòu)：在橋梁和涵洞設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)水文數(shù)據(jù)精確計(jì)算設(shè)計(jì)流量，保留足夠的凈空高度。優(yōu)先選擇預(yù)應(yīng)力混凝土板梁或標(biāo)準(zhǔn)化裝配式結(jié)構(gòu)作為橋梁上部結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)有助于降低橋涵的整體高度。同時(shí)，在材料選擇上，盡可能使用高強(qiáng)度材料，以進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的高度。

3 工程概況

某道路工程位于我國(guó)北方典型黃河沖積平原地區(qū)，路線全長(zhǎng)60.24 km，地形起伏不大，高差保持在8 m以內(nèi)。道路設(shè)計(jì)采用雙向4車道，設(shè)計(jì)速度為120 km/h，路基寬度為28 m。當(dāng)?shù)貫槠皆⑶饏^(qū)，地形較為平坦，人口稠密，農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁，因此土地資源極為寶貴。道路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多種因素，包括構(gòu)造物的凈空高度、路基設(shè)計(jì)的洪水頻率、路基的干濕狀態(tài)以及橫向交通流。通常，該地區(qū)的道路建設(shè)傾向于使用具有一定高度的路堤，而較少采用主線下挖、低填路堤、高架橋或地下高速等方案。這種做法雖然在某種程度上方便了交通流動(dòng)，但也導(dǎo)致了道路填土高度較高，從而引發(fā)了大規(guī)模的土地挖掘和填充，增加了工程量和建設(shè)成本。更重要的是，這種做法在一定程度上破壞了自然環(huán)境和生態(tài)平衡。

4 低路堤路基方案設(shè)計(jì)

在平原區(qū)的道路設(shè)計(jì)中，通常采用較高的路堤方案，其中路堤填土高度一般超過(guò)3 m。該項(xiàng)目地處平原區(qū)，對(duì)高路堤和低路堤方案進(jìn)行比較分析。

4.1 高路堤方案

通過(guò)設(shè)置通道，該方案有效解決了沿線交叉道路的橫穿問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有路網(wǎng)的影響較小并符合當(dāng)?shù)鼐用竦某鲂辛?xí)慣，使得工程實(shí)施的難度相對(duì)較低。由于設(shè)置的天橋數(shù)量較少，主線上的行車視野相對(duì)開(kāi)闊。然而，高路堤方案也存在一些缺點(diǎn)：一是由于路基填高較大，容易導(dǎo)致路基不均勻沉降、橋頭跳車現(xiàn)象，增加了施工質(zhì)量控制的難度。二是在運(yùn)營(yíng)期間，道路可能出現(xiàn)更多的維護(hù)問(wèn)題，導(dǎo)致維修和養(yǎng)護(hù)成本增加。三是較高的路基在發(fā)生交通事故時(shí)可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果，特別是車輛沖出路堤時(shí)。

4.2 低路堤方案

在考慮低路堤方案時(shí)，需要結(jié)合項(xiàng)目的具體情況。首先，低路堤設(shè)計(jì)能夠根據(jù)地形特點(diǎn)在適當(dāng)?shù)穆范谓档吐返谈叨?，通過(guò)天橋上跨交叉道路，同時(shí)在難以實(shí)施的路段維持主線上跨。這種方法不僅與沿線的自然地理特征更加協(xié)調(diào)，還實(shí)現(xiàn)了人與自然環(huán)境的和諧共生，同時(shí)，路堤高低相結(jié)合的設(shè)計(jì)也使得道路景觀更加多樣化，提高了駕駛的舒適性。其次，較低的路基填高減少了路堤不均勻沉降、橋頭跳車等問(wèn)題，從而降低了工程實(shí)施的難度。最后，低路堤方案對(duì)行車安全性的提升也非常有利，能有效避免嚴(yán)重的交通事故。然而，低路堤方案也存在一些不足之處：首先，由于需要以天橋形式上跨被交道路，可能會(huì)增加項(xiàng)目的總體投資。其次，增加的上跨天橋可能會(huì)影響主線的行車視線。此外，合并設(shè)置的某些橫跨道路天橋可能導(dǎo)致被交道路需要繞行，這對(duì)于習(xí)慣于平地行走、機(jī)械化程度較低的當(dāng)?shù)鼐用窨赡茉斐刹槐?，甚至可能?dǎo)致工程進(jìn)展受阻。

4.3 低路堤路基高度的確定

在確定低路堤路基高度時(shí)，通常采用填高加權(quán)平均法^[4-5]。考慮道路沿線各個(gè)點(diǎn)的地形和地物變化，使得每個(gè)測(cè)點(diǎn)處的路堤填高具有不同的權(quán)重。具體計(jì)算時(shí)，路線中的樁點(diǎn)放樣會(huì)根據(jù)地形變化進(jìn)行調(diào)整，從而影響每個(gè)樁點(diǎn)處路堤填高的權(quán)重。計(jì)算公式如下：

填高加權(quán)平均法考慮了路段間距離的權(quán)重變化，能更準(zhǔn)確地反映駕駛者在道路上的視覺(jué)感受，在科學(xué)性和合理性方面表現(xiàn)更佳，通常被推薦用于實(shí)際計(jì)算，同時(shí)應(yīng)注意不扣除路段中的橋梁、主線上跨的分離式立交橋和互通式立交橋等特殊結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。該項(xiàng)目全線共劃分為14個(gè)路段，各路段路基高度及全線路基平均填高如表1所示。

4.4 低路堤路基方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為了降低路基的填高，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地資源的節(jié)約和可持續(xù)利用，通常對(duì)構(gòu)造物優(yōu)化設(shè)置，取消或重構(gòu)橫向通道涵洞并適當(dāng)調(diào)整主線的高度以減少通道的凈空。此外，設(shè)計(jì)還可以考慮將主線上跨改為支線上跨，以進(jìn)一步減少土地的使用。低路堤不僅有助于減少土地占用，還能提升道路使用的安全性和舒適性，也會(huì)使道路景觀與周圍的自然環(huán)境更加和諧統(tǒng)一。與傳統(tǒng)的路基設(shè)計(jì)相比，低路堤設(shè)計(jì)更注重在特定措施的應(yīng)用后，表現(xiàn)出與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異化。

（1）選擇合適的路段。選擇時(shí)應(yīng)考慮技術(shù)的可行性和兩側(cè)交流的便利性，以確保綜合效益的最大化。因此，在選擇低路堤路段時(shí)，應(yīng)避免地質(zhì)條件不佳、溝塘密集、地下水位高以及易發(fā)生內(nèi)澇的地區(qū)，同時(shí)也應(yīng)規(guī)避城鎮(zhèn)、村莊或開(kāi)發(fā)區(qū)等橫向通道密集的路段。理想的低路堤路段應(yīng)該是那些沒(méi)有大型立交橋或橋梁的主線路段，或者是那些通道涵洞較少的地區(qū)。在該項(xiàng)目中，B線被選為低路堤設(shè)計(jì)的理想?yún)^(qū)域。這一段位于遠(yuǎn)離村莊的地區(qū)，路網(wǎng)相對(duì)較少且缺乏橋梁和立交橋結(jié)構(gòu)，涵洞的數(shù)量也相對(duì)較少。B線段與K線平行，其樁號(hào)范圍為BK17+700～BK23+000，全長(zhǎng)約為5.3 km。通過(guò)減少土地占用和優(yōu)化道路設(shè)計(jì)，促進(jìn)土地資源的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)提高道路的安全性和環(huán)境友好性。

（2）對(duì)沿線的設(shè)計(jì)控制參數(shù)進(jìn)行細(xì)致調(diào)查。對(duì)農(nóng)用機(jī)械的高度、溝渠的排灌需求以及設(shè)計(jì)水位進(jìn)行全面評(píng)估?？紤]平原區(qū)的農(nóng)業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化和機(jī)械化，沿途的主要農(nóng)用機(jī)械和車輛的尺寸測(cè)量成為關(guān)鍵因素。此外，涵洞的設(shè)計(jì)尺寸也應(yīng)根據(jù)排水和灌溉的需求、農(nóng)田水利管理計(jì)劃來(lái)確定。由于平原區(qū)地形的平坦特性，當(dāng)?shù)氐呐潘ǔ］^為困難，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，路基的高度需要滿足特定的洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)。在行洪區(qū)、圩區(qū)或易發(fā)生內(nèi)澇的區(qū)域，設(shè)計(jì)水位的確定應(yīng)基于綜合調(diào)查和洪水評(píng)估數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目沿線區(qū)域的農(nóng)業(yè)收割機(jī)高度范圍在2.5～3.6 m之間。該地區(qū)不存在內(nèi)澇水位問(wèn)題，這在一定程度上簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程中的水位管理和排水設(shè)計(jì)。綜合考量后，低路堤路基設(shè)計(jì)能夠更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際條件和需求，確保了道路設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性。

（3）減小構(gòu)造物規(guī)模并優(yōu)化其數(shù)量，同時(shí)對(duì)支線上跨進(jìn)行合理規(guī)劃。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要進(jìn)行全面的區(qū)域路網(wǎng)分析，包括現(xiàn)有交通規(guī)劃和當(dāng)?shù)鼐用癯鲂辛?xí)慣?；谶@些信息，可以采取如下措施：縮減分離立交的規(guī)模，將橋梁改為涵洞并減少通道涵洞的數(shù)量。此外，通過(guò)下挖工程，可以降低通道涵洞的頂部高度，減小其凈空高度。

考慮支線上跨可能與當(dāng)?shù)鼐用竦某鲂蟹绞讲惶ヅ?，特別是在以步行和非機(jī)動(dòng)車為主的農(nóng)業(yè)區(qū)域，上下坡可能造成不便并影響交通安全。因此，在設(shè)計(jì)支線上跨時(shí)需特別謹(jǐn)慎。通常情況下，平原區(qū)的居民更傾向于在原有路線上設(shè)置過(guò)路通道，若無(wú)法實(shí)現(xiàn)，則可能選擇短距離繞行。在必須設(shè)置支線上跨的情況下，應(yīng)仔細(xì)考慮其位置和接線設(shè)計(jì)，以盡量減少對(duì)土地的占用和對(duì)環(huán)境的影響。例如，可以使用擋墻技術(shù)來(lái)縮減坡腳所需空間，同時(shí)確保縱坡達(dá)到規(guī)范要求并充分考慮安全措施，以最大限度地減小工程規(guī)模。針對(duì)該項(xiàng)目的B線，相較于K線，已經(jīng)核減了4座通道，并且在B線和K線上均沒(méi)有設(shè)置支線上跨。這種設(shè)計(jì)選擇符合低路堤路基設(shè)計(jì)初衷，即降低土地使用和保護(hù)環(huán)境，同時(shí)考慮當(dāng)?shù)鼐用竦膶?shí)際出行需求和習(xí)慣。低路堤路基設(shè)計(jì)能夠在滿足基礎(chǔ)交通需求的同時(shí)，最大限度地減少對(duì)環(huán)境的影響。

（4）在實(shí)施低路堤路基設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于是否在取消的通道位置設(shè)置涵洞進(jìn)行細(xì)致核查和評(píng)估至關(guān)重要。特別是在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的平原區(qū)，排水和灌溉系統(tǒng)的有效性對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆詈娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。由于該地區(qū)存在沿路挖渠的長(zhǎng)期習(xí)慣，確保水系暢通尤為重要。因此，在減少部分通道的同時(shí)，應(yīng)通過(guò)外業(yè)調(diào)查來(lái)確定是否需要在這些地方增設(shè)涵洞，以確保不影響周邊區(qū)域的水利需求。在該項(xiàng)目B線中，與K線相比，減少4座通道。為了滿足該地區(qū)排水灌溉需求，增設(shè)3座直徑為1.5 m的圓管涵洞，這樣不僅符合地區(qū)的水利需求，還能保持道路設(shè)計(jì)的連續(xù)性和效率，既考慮了地區(qū)的農(nóng)業(yè)特性，又確保了交通基礎(chǔ)設(shè)施的有效性和持續(xù)性。

（5）在低路堤路基設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主線縱斷面的調(diào)整要根據(jù)已經(jīng)修改的構(gòu)造物的凈空和水位要求進(jìn)行，對(duì)每個(gè)構(gòu)造物的凈空進(jìn)行仔細(xì)復(fù)核，并基于這些數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算出最低可接受的設(shè)計(jì)高度，將其作為主要的設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而影響整個(gè)縱斷面的設(shè)計(jì)。

在坡長(zhǎng)的設(shè)計(jì)上，應(yīng)遵循“短坡長(zhǎng)”原則，盡可能地減少坡度的長(zhǎng)度，從而避免過(guò)高的填土。建議根據(jù)不同構(gòu)造物的數(shù)量和類型，坡長(zhǎng)控制在400～700 m。在平原區(qū)，由于地形的平緩特性，道路的縱坡設(shè)計(jì)通常也較為平緩。然而，低路堤設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)是減少路基的填高，因此在確保所有必要的安全準(zhǔn)則和舒適性前提下，適當(dāng)增加縱坡的坡度是可取的。這樣做不僅符合“快起快落”的設(shè)計(jì)理念，還能充分發(fā)揮低路堤設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)該項(xiàng)目B線，最大縱坡被設(shè)為1.8%，坡長(zhǎng)平均為530 m，設(shè)計(jì)既考慮了地形的自然特點(diǎn)，又能滿足低路堤路基設(shè)計(jì)目標(biāo)，有效減少了對(duì)土地資源的占用，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)項(xiàng)目的環(huán)境友好性。

（6）加強(qiáng)道路通道的排水設(shè)計(jì)，可以采取以下具體的排水措施：首先，針對(duì)該地區(qū)特有的地下水位較深和砂性土壤的高滲透性特點(diǎn)，在通道附近的溝渠底部設(shè)置下滲井，以利用這些地質(zhì)優(yōu)勢(shì)來(lái)提高排水效率。其次，在通道的出入口處，尤其是在一定的范圍內(nèi)，建議安裝防水雨棚，以減少雨水對(duì)道路的直接沖刷和積水。此外，對(duì)于采用下挖方式建設(shè)的通道，建議在其進(jìn)出口處設(shè)置適當(dāng)?shù)姆聪蚩v坡，以阻止周邊道路的積水流入通道，從而保持通道的干燥和暢通，如圖1～3所示。

經(jīng)過(guò)上述的排水和設(shè)計(jì)調(diào)整措施，道路路基設(shè)計(jì)得到了顯著改善。在全線路段中，約有25.65 km的路堤填土平均高度為3.46 m，其余34.59 km路段的路堤填土平均高度則降低到1.74 m。特別是在K16+400～K26+400路段中，路堤平均填高接近1 m，而在經(jīng)過(guò)沙崗的一些特定區(qū)域，路堤甚至實(shí)現(xiàn)了零填挖，全線路堤的平均填土高度（扣除了路面結(jié)構(gòu)的0.72 m）從原先的3.37 m降低到了2.43 m，不僅使路線的平面和縱向線性更加協(xié)調(diào)，還使道路與周邊環(huán)境的融合更加和諧，使整體設(shè)計(jì)更趨合理。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，該文依托工程實(shí)例，主要研究了低路堤路基設(shè)計(jì)在道路建設(shè)中的應(yīng)用，分析了低路堤設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及關(guān)鍵控制因素。通過(guò)對(duì)某道路工程低路堤路基設(shè)計(jì)進(jìn)行具體分析，對(duì)比分析了高路堤和低路堤方案，可以看出低路堤設(shè)計(jì)在降低工程規(guī)模、控制成本、提升行車安全以及促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其在人口密集的平原區(qū)，低路堤方案能更好地適應(yīng)地形地貌，減少對(duì)環(huán)境的干擾，同時(shí)提高道路的安全性和舒適性。

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收稿日期：2023-09-15

作者簡(jiǎn)介：楊為忠（1990—），男，本科，工程師，研究方向：道路低路堤設(shè)計(jì)研究。