綜合因素下復雜地形區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取得了巨大成就，東部、南部平原微丘區高速交通網絡已經基本成型。十四五期間，湖南省西部山嶺重丘區高速公路建設將提速，但山區高速公路由于地形陡峻，地面橫坡大，路線方案的局部優化會帶來棄渣數量的較大變化[1]，合理的處置棄渣是山區高速建設中的一大難題，橋改路基是一種可行的方案。本文以湖南西部某山區高速公路橋梁方案與路基方案比選為例，從工程建設難度、工程安全、生態效益和工程造價上進行了探討。

關鍵詞：山區高速;橋改路基;工程適宜性;生態效益;工程安全性;工程造價

中圖分類號：U416.1;U445.55 文獻標識碼：A

0 引言

由于山區高速具有地貌復雜、地形起伏變化大、安全環保問題突出等特點，導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、土石方數量大、防護支擋困難、施工難度大等特點[2]，當路線方案進行優化時，局部路段易出現棄方較大的現象，合理的處置棄渣是山區高速建設中的一大難題。當棄渣場位置較難選擇或者棄渣成本較高時，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填土高度大于20 m的高填方段落，山區高填方段落施工難度較大，同時可能出現穩定性不足的問題。同時山區耕田資源寶貴，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、經濟、用地、環境保護等方面對橋梁方案與路基方案進行全面比選進行綜合比選[3]，優先選擇能夠最大限度節約土地、保護耕地、環保經濟的方案[4]。

1 項目基本情況

1.1 工程概況

湖南西部山區某高速公路屬于國家高速公路網湖南境內段落，路線全長82.383 km，公路等級為雙向四車道高速公路，設計速度100 km/h，路基寬度26.0 m。項目位于湖南省西北部的武陵山區和澧水流域，主要為山嶺重丘區地貌，地勢總體北部高，南部低。沿線地形起伏大，一般標高200 m～800 m，相對高差一般60 m～300 m，山體走向整體多為北東向和北東東向，地表切割強烈，山間溝谷多呈“V”字形[5]。

該項目原方案推薦線服務區線位主要位于山腰，地勢起伏較大，服務區設置較為困難，不利于實現服務區的基本功能。同時推薦線位服務區周邊存在三顆古樹，其中最大的一顆接近千年的歷史，服務區的修建可能對古樹產生不利影響，初步設計對服務區位置進行了優化，以避免對既有道路、古樹、居民生活區的干擾。

服務區方案優化時將服務區設置在K23+500～K25+500段落。該段落位于山丘群的頂部平臺，路線左右側地勢基本相當，服務區設置條件好，同時服務區未侵占生態紅線范圍，同時周邊小型沖溝較多，棄土方便。但路段位于山嶺重丘區，地形起伏大，服務區位置變化導致該路段高填深挖路段增長，因此該處設置服務區所產生的土石方量較大。

1.2 橋改路基方案研究

原方案（服務區位置調整前）挖方為204.8萬m3，填方為184.2萬m3，現方案（服務區位置調整后）挖方為321.3萬m3，填方為236.6萬m3，調整后挖方增加126.5萬m3，填方增加52.4萬m3。經過土石比換算后棄方89.5萬m3，相對于原方案增加了61.6萬m3的棄方數量，這將大大增加棄土場的數量。該段路線沿線人口分布稠密，村莊較多，大型棄渣場的設置對當地的環境破壞大，且路線走廊帶周邊為武陵山區生物多樣性及水土保持生態功能區，屬于限制進行大規模高強度工業化城鎮化開發的生態區域，需要對當地原生生物多樣性進行有效保護，可供選擇的大型棄渣場較少。

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

為了有效減少棄渣，切實保護環境，同時為了降低造價，初步設計線位優化時將曾家埡1號、大橋二房坪2號中橋改為路基，本文以曾家埡1號大橋橋改路基方案為例進行分析，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點：

（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，棄方規模與工可相差無幾，有效減少了棄方數量。

（2）優化工可棄土場位置：曾家埡1號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）設置為棄土場，棄土高度可達到填方二級平臺標高，可全部容納全部棄方。相對于工可同時優化了棄土場選址，棄土運距由10.0 km縮小至2.4 km，棄土運距縮小了76%，優化了棄土場位置。

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

2.2 工程生態效益分析

路線走廊帶周邊為武陵山區生物多樣性及水土保持生態功能區，屬于限制進行大規模高強度工業化城鎮化開發的生態區域，需要對當地原生生物多樣性進行有效保護。因此，路線對環保要求較高，設計時應盡量將對環境的影響降到最低。橋改路基后能產生一定的環保效應，有利于綠色公路設計理念的實施，主要如下：

（1）山嶺重丘區棄土場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、施工便道等對耕地和林地的占用，減少了環境破壞，節約了土地資源，有效保護了生物多樣性，生態效益明顯。

（2）橋改路基后，在K23+200樁號左側設置棄土場（見圖3），該棄土場位置緊靠路基，公路建設期間可直接作為混凝土攪拌基地、施工駐地、預制梁場地、工程材料堆放地等，可減少公路臨時用地對土地的占用，有利于土地資源的集約利用，符合綠色公路的設計理念。

（3）橋改路基后，可減少橋梁建設用材和專用設備投入，減少棄土場支擋防護設施投入。可以大大減少混凝土、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、架橋機等專用設備的使用，減少燃料用量和碳排放量，降低了工程施工過程中對環境的影響[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，但由于山嶺重丘區特殊的地形地貌條件，棄渣場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、路基不均勻沉降、路基沉陷等病害，需要對其進行穩定性分析，并采取一定的工程措施防止這些病害的產生[7]。

采用圓弧滑動法對K23+400斷面路基穩定性進行分析，由于項目位于山區，路基填筑采用土石混填，土體基本物理力學參數如表2所示：

計算結果圖如圖3所示，經計算，滑動半徑為85.901 m，總下滑力為5 078.907 kN，總抗滑力為6 872.123 kN，滑動安全系數為1.353，滿足規范[6]中最小安全系數不小于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）進行換填，提高地基承載力，減小地下水和沖溝積水對路堤填土的影響[8]。

②地面陡于1：5時均需開挖臺階，臺階開挖寬度大于2 m。臺階向內傾2%～4%。

③路堤材料采用土石混填，采用分層填筑、分層碾壓的方式進行填筑，檢測達到規范規定的94%壓實度后，方可進行路床沖擊碾壓補強壓實[9]。

④在路床頂部以下鋪設兩層土工隔柵，寬度延伸至邊坡邊緣1 m處，格柵在填方邊坡側應反包2 m以上，土工格柵范圍應盡量使用粒徑較小的碎石，嚴禁使用大塊石、片石填筑，以保證路面結構長期穩定。

⑤設置完善的排水系統，設置滲溝、排水溝、平臺排水溝、急流槽等設施，迅速排除路基范圍內降雨，減少低洼處積水。

⑥第一級邊坡坡率采用1：1.5，第二級以下坡率采用1：1.75～1：2，邊坡防護形式采用拱形骨架內植草灌，增強填土邊坡穩定性，減少邊坡垮塌。

⑦優先安排高路堤施工，修筑路面前應保證不少于一個雨季的自然沉降時間;施工過程中應加強沉降觀測和動態監控，嚴格控制填筑速率，確保路基安全[10]。

2.4 工程造價分析

橋梁方案與高填方方案的造價影響主要因素有：建設規模、占地面積、施工難度、建成后車輛行駛安全、運營管理、養護維修費用、環境影響等，如下表所示：

由表3可知，對比橋梁方案，采用高填方路基方案可節省工程造價2 423萬元。同時橋梁方案還存在建設規模、施工難度大、運營期間維修養護費用高等特點，其全壽命周期成本遠遠高于路基方案。

3 結語

山嶺重丘區線位選取制約較多，在工可走廊帶的基礎上，往往線位優化的空間較小，當不可避免的要調整線位時，往往會產生較大的土石方量，因此，初步設計階段在線位優化的基礎上，需要充分考慮土石方平衡，對路基方案與橋梁方案進行比選，盡可能較少棄方量，減少棄渣場占地。

本文以湖南西部山區某高速橋改路基優化設計為例，從工程適宜性、工程生態效益、工程安全性、工程造價等方面對山嶺重丘區橋梁方案與路基方案進行了對比分析，通過分析發現：路基方案可有效消化棄方，解決了周邊沒有棄土場用地、棄土場易失穩等的難題，同時節約了工程造價，工程生態效益更加顯著，路基方案更加合理，可以推廣到全省其他項目的建設中。

參考文獻：

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[3]張秉旭.山區公路設計橋梁與高填路基方案比選[J].遼寧省交通高等專科學校學報，2013（6）：10.

[4]張必勝.山區高速公路高填路堤與高架橋設計方案比較的商榷[C].華東公路發展研討會暨2006年華東公路科技情報網年會.中國公路學會，2006.

[5]王祥，彭立，張浩平，等.山區高速公路高填深切特殊路段勘察設計[J].湖南交通科技，2005（4）：16-18.

[6]中交第二公路勘察設計研究院有限公司.公路路基設計規范：JTGD30-2015[S].人民交通出版社，2015.

[7]袁昕，段少華，李尹超，等.山區高速公路高填方路基設計[J].湖南交通科技，2016（1）：41-42+153.

[8]孫廣遠.山區高速公路地質選線實例研究[J].公路工程，2013（5）：258-262.

[9]黃建雄，彭立，李宏泉，等.不同用途的山區高速公路棄土場施工控制標準研究[J].公路工程，2011（3）：22-25.

[10]王祥，彭立，張浩平，等.山區高速公路高填深切特殊路段勘察設計[J].湖南交通科技，2005（4）：16-18.