湖庫高速 綠色建造

文/ 供圖 | 杭州交通投資建設管理集團有限公司

溧陽至寧德國家高速公路浙江省淳安段

“湖庫區高速公路綠色建造關鍵技術研究”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管理集團有限公司、浙江工業大學、浙江大學、杭州市交通工程集團有限公司4家單位聯合承擔研究任務。項目屬于交通運輸工程技術領域，立項經費約350萬元，內容主要包括湖庫區綠色建造、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先水平。

/ 湖庫區高速建設面臨復雜挑戰/

隨著國內大規模交通基礎設施的建設，湖庫區高速公路的建造數量持續增加。湖庫區特有的地下水蒸發降雨循環和水位季節性升降造成的路基干濕循環、魚類及植物的脆弱生態環境等都成為了湖庫區高速公路建設的極大挑戰。如何降低高速公路建設對湖庫區生態環境的不良影響，思考路基、隧道與邊坡等設施的綠色建造方法成為當前交通工程的當務之急。

尚未完全掌握湖庫區巖土力學特性的變化規律

湖庫區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的環境中，巖土體力學性質下降，不宜采用填筑土體的初始力學參數作為邊坡穩定的計算參數。同時，庫灣區路段一般位于山區，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路基中，這種振動也會對路基土體的力學特性產生不利影響，而目前對于這種影響還難以實現定量化考慮。庫灣區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，會造成一定的工程浪費。

缺乏針對湖庫區路基邊坡穩定性的計算方法

湖庫區水位升降在引起水力荷載循環的同時，也導致了路基邊坡的干濕循環劣化。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振動加載，可能引起土體強度弱化和邊坡失穩。上述干濕循環和累次爆破振動對路基邊坡穩定性起到了負作用，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，現有行業規范的路基邊坡穩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環境條件的路基邊坡穩定性計算方法。

缺乏臨湖路基邊坡水下填筑施工與生態環保技術

湖庫區的水下填筑與強夯施工過程顯著區別于常規強夯加固，目前尚缺乏水下填筑、干濕循環條件下的路基邊坡填筑材料控制準則，現行水下填筑、強夯施工參數選擇只能依據現場工程經驗，水下填筑、強夯加固效果檢測缺乏行之有效的技術手段和檢測設備。同時臨湖巖石爆破開挖威脅路基邊坡穩定性、常規路基護坡植被易形成風化基巖消落帶，均會造成湖庫區生態污染、影響生態平衡，目前尚缺乏臨湖巖石爆破開挖環境影響的主動控制技術與干濕循環、高水位漲落條件下路基消落帶治理技術。

/ 湖庫區綠色建造技術取得新進展/

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

揭示湖庫區路基材料動靜力特性

針對湖庫區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往復等工程特點，團隊開展了水下填筑、干濕循環等復雜水環境與巖石爆破、根系加固等復雜受力環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。

提出湖庫區路基邊坡穩定性分析方法

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、循環振動和根系加固等環境因素的函數關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、內嵌土體巖體動態刷新功能的湖庫區路基邊坡穩定性分析方法。該方法揭示了水位漲落引起水力荷載，以及干濕循環引起強度劣化下的湖庫區路基塊石運動和失穩機制，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、體積比等關鍵特征參數對路基邊坡含水率、基質吸力與安全系數的影響規律。

研發湖庫區高速公路綠色建造系列關鍵技術

項目提出了水下填筑、干濕循環條件下路基邊坡填筑材料的控制標準，研發了適用于水下填筑與強夯的面波激發和接收設備，形成了水下填筑與強夯加固效果的立體檢測技術；針對臨湖巖石爆破開挖威脅路基邊坡穩定性，提出了臨湖邊坡巖石爆破振動與環境評價準則，形成了巖石掌子面爆破主動振動控制技術；在水位漲落、干濕循環條件下，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-護岸結構-植物根系反濾層體系的湖區消落帶綠色護岸技術，實現了過渡段車輛-地基振動特性的綜合評估，探究了路基動應力放大效應，以及剛度衰減規律，開展了現有不均勻沉降控制措施的參數影響分析，進而創新性研發了隧路過渡段自適應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/

隨著交通基礎設施的持續建設，我國將會建設越來越多的湖庫區高速公路，如何盡量降低工程建設對湖庫區生態系統的影響，確保路基、邊坡及隧道等基礎設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問題，理論和設計方法上的突破將為未來大量的湖庫區高速公路建設提供科學的設計手段及施工方法，為未來湖庫區高速公路建設補齊環境影響評價與綠色建造方法的短板提供關鍵支撐。項目在路基填料動靜力計算模型、水下強夯及檢測技術、邊坡穩定與爆破環境評價、綠色護岸結構、過渡段不均勻沉降控制措施五個方面取得了一系列創新型成果，為新建庫灣區及現有高速公路的擴建、改造和養護保障提供理論支持，對發展我國公路科學有較大的貢獻。研究成果不僅可直接應用于庫灣區高速公路設計和施工中，還可為制定相應的設計、施工規范和國家標準提供可靠的依據。截至2022年7月，課題成果已在浙江、重慶、安徽、廣西、廣東、福建等省份湖庫區高速公路綠色建設工程成功應用，取得了良好的經濟、社會和環境效益；建立的消落帶綠色護岸結構、過渡段不均勻沉降控制措施等關鍵技術已在浙江千黃高速公路項目中得到成功應用，運行情況良好。湖庫區高速公路設計、施工及檢測中亟需項目研究成果，應用前景廣闊。

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、植被養護等費用，大大降低了路基失穩、溶洞塌陷及水生態環境破壞等風險和經濟損失。

杭州千黃高速公路有限公司在千黃高速工程中成功應用課題研究成果，節約路基處理費用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、過渡段養護維修費用5670萬元，避免了路基失穩、溶洞塌陷、水生態環境破壞問題，降低路基失穩損失1920萬元、溶洞塌陷損失540萬元、水生態環境修復費1800萬元。

中交路橋建設有限公司在巫溪至開州高速公路項目工程中成功應用課題研究成果，節約植被養護費用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、溶洞塌陷、水生態環境破壞問題，降低路基失穩損失21萬元、溶洞塌陷損失42萬元、水生態環境修復費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用課題研究成果，節約爆破費用10萬元，避免了水生態環境破壞問題，減少水生態環境修復費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用課題研究成果，節約路基處理費用300萬元，避免了路基失穩問題，減少路基失穩損失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用課題研究成果，節約路基處理費用96萬元，爆破費用24萬元，植被養護費用52萬元，避免了路基失穩、水生態環境破壞問題，減少路基失穩損失52萬元、水生態環境修復費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用課題研究成果，節約過渡段處理費用70萬元。

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