雷榕高速公路橋梁改路基方案優化探討

摘要：文章結合黔東南地區雷榕高速公路桃江互通A匝橋梁改路基工程實例，在綜合考慮地形地貌與地質水文、土石方路用特性、施工可行性等因素的基礎上，分析了橋梁改路基方案的可行性，提出了相應的路基工程方案和具體技術措施，并對填筑過程中路基的穩定性進行了數值計算分析，可為山區高速公路類似工程案例的設計優化比選提供參考與借鑒。

關鍵詞：高速公路；橋梁改路基；路基穩定性；數值計算

中圖分類號：U445.6

0 引言

我國西南地區高速公路大發展，山區公路建設規模日益擴大。貴州省作為典型的喀斯特地貌山區，“地無三里平，天無三日晴”，多山多谷，在高速公路的建設過程中，不可避免地會遇到隧道與橋梁工程，以及高填方路基工程［1-2］。當隧道洞渣集中、方量大且無理想的棄土場時，如何更好地平衡土石方，減少棄方，確保工程施工進度，節約工程造價，在公路工程的建設過程中是一個很現實的問題。一般情況下，橋梁改路基的方案可能會更符合工程的實際情況［3-4］。

雷山至榕江高速公路是貴州省“678”高速公路網的重要組成部分，是連接黔東南地區南部與北部兩大片區的重要干線公路。在雷榕高速公路二分部桃江互通的建設過程中，由于桃江互通位于兩隧道之間，且隧道洞渣大量外棄，不符合當下“綠色、環保、低碳”的理念。綜合考慮場區地形地貌與地質水文、廢棄土石方路用特性、征地、運距、工程質量、進度、造價、施工可行性以及社會需求等各方面因素，最終采取了桃江互通A匝道橋梁改路基的設計方案。

1 工程概況與地質水文條件

1.1 原設計工程簡介

雷榕高速公路桃江互通連接線長190 m，連接省道S308。該連接線原設計A匝道橋1座，采用先簡支后連續T梁，中心樁號AK0+084，采用3×40 m預應力混凝土T梁，橋長150 m，橋寬34.9 m，最大樁長30 m，最大墩高52.2 m。連接線起點與S308平交口通過交安劃線實現，而終點與超限檢測站段落等寬順接（寬34.9 m）。

1.2 橋址區地形地貌與地質水文

1.2.1 地形地貌

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

1.2.2 工程地質

根據既有勘察資料，并結合現場地質調查，場區出露的地層巖性為第四系殘坡積層含碎石粉質黏土、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，結構松散，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）變余砂巖夾板巖強風化層：灰黃色，薄-中厚層狀，節理發育，破碎，巖芯呈塊狀和碎塊狀，強風化層最厚15 m；（2）變余砂巖夾板巖中風化層：灰/深灰色，薄-中厚層狀，節理發育，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，動態變化大，受季節影響明顯。基巖裂隙水賦存在于風化層基巖裂隙中，水量小，動態變化較大，受大氣降雨和河水補給的影響。大氣降雨大部以坡面流向南柳河流動，少部分通過風化裂隙和構造裂隙下滲，形成基巖裂隙水。裂隙不發育的板巖為相對隔水層。河谷區地下水位埋藏淺，受河水位控制，岸坡區地下水位埋藏較深，水位受降雨及裂隙發育深度雙重控制。

2 優化變更設計的原因

（1）雷榕高速公路桃江段沿里程樁號依次為雷公山隧道（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、白竹山隧道進口段的隧道棄渣方量約140×104 m3，方量巨大。設計棄土場位于白竹山隧道頂部一個洼地處，但該棄土場為存在爭議地塊，征地存在影響社會穩定性因素，征用難度大。而新增棄土場選址困難。

（2）設計棄土場距離雷公山隧道出口運距遠，省道交通常擁堵。桃江互通與雷公山國家自然保護區僅S308省道一路之隔，現桃江村緊鄰桃江互通區收費站，該村沿S308省道而建，交通經常性堵塞中斷，周邊無發展空間。該S308省道為隧道棄渣運往設計棄土場的唯一必經之路，且設計棄土場距白竹山隧道進口8 km，距雷公山隧道出口12 km，棄土運距遠。若維持設計棄渣方案，將導致S308交通組織崩潰、施工成本劇增、棄土場及環水保費用巨大。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）學校安置問題。桃江互通收費站采用三進三出的結構，收費站場坪根據地形布置在收費站右側，受當地地形條件限制，場坪僅占地4 666.67 m2，如圖1所示。桃江互通收費站位于原有桃江小學處，需拆遷桃江小學。但桃江村百姓房屋多依山而建，現場幾乎找不到較廣闊的平地用以建設新小學，新小學的選址是一個嚴峻的問題。橋改路基可利用路基填筑形成A匝道左側的填平區，充分解決桃江小學就近搬遷與建設新校園的選址問題。

（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，原設計最高墩身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，施工期及運營期存在一定程度的安全隱患。

3 橋改路新設計方案

3.1 變更方案

新設計方案減少橋梁1座，增設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，路基左側填平區新增建設用地約12 000 m2。AK0+000～AK0+200段填方路基的參數為：路基中心最大填高63.67 m，右側最大坡高約114.4 m。A匝路基采用雙向四車道高速公路設計標準，路基寬度24.5 m，設計時速80 km，荷載等級公路-Ⅰ級。路基左側填平，路基右側放坡；路基右側填方橫向寬度174 m，填筑體下部處原南柳河河道被占。為保證填方路基穩定，將采取如下技術措施。

（1）路基右側放坡：如圖2所示，路基頂部設計海拔高程為943.711 m，在路基右側放坡7級填筑至海拔高程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，每級邊坡高8 m；順河道下游再放坡4級，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級邊坡均按1∶2進行放坡，每級邊坡高8 m；在桃江大橋右幅邊線外側2.5 m處沿河道下游放坡2級，填筑至海拔高程837.711 m處，坡率為1∶1.5～1∶1.75，第1級邊坡高8 m，第2級邊坡高10 m，并在路基坡腳處采用擋墻支擋（高度10 m）進行收坡。路基右側共13級坡。

（2）邊坡防護：路基右側路面以下6級邊坡采用襯砌拱防護、第7級～第13級邊坡采用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：構建基底盲溝、截水溝、涵洞與改溝以及封閉防護（7級以下邊坡）等為一體的綜合防排水體系，減小或避免水對路基穩定性的不利影響。同時，通過新建過水隧道以改移路基體所占據的南柳河部分河道。

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：路基占據了南柳河部分河道，故通過新建導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。隧道進口采用導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：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。設計過水流量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流隧道將河水由左到右引至路基坡腳外，導流隧道施工完畢后再填筑路基。

（4）填料路用性能評價：路基填料采用雷公山隧道、桃江隧道和白竹山隧道的洞渣，以強風化和中風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。因此，須對典型的風化巖進行取樣與系統的室內試驗測試，明確風化巖的物理性質、力學性質和水理特性，評價風化巖作為路基填料的適宜性。通過室內試驗，確定了風化巖以較堅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、上路堤和路床應采用硬質洞渣，風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，優先路基填筑，充分考慮自然沉降穩定時間對路基沉降的影響，填筑前按工期倒排，路基盡早成型，確保路面結構層鋪筑前路基已至少經歷一個完整的雨季或6 m以上的自然沉降穩定時間，有效減少路基工后沉降；③優化填筑施工工藝，通過試驗路鋪筑，確定合理的施工機具組合、碾壓遍數、碾壓速度、碾壓方式，松鋪厚度、松鋪系數、填料粒徑，以及壓實質量檢測標準和質量控制措施等；④進行補強處治，結合路基百米級的填筑高度，采取每填筑2 m進行一次強夯的高頻補強處治措施，且夯擊能≥2 000 kN·m；⑤構建高填方路基的沉降和位移監測體系，包括路基的表面沉降、內部沉降與表面水平位移，監測周期為整個路基施工期和1個水文年的運營期。

3.2 路基穩定性分析

選取路基的典型橫斷面，構建數值仿真模型，進行路基整體穩定性分析［5-7］。采用犀牛Rhinocerse軟件建立并優化網格，然后通過Griddle插件導入FLAC 3D軟件生產網格模型，并進行分組，如圖3所示。采用強度折減法，通過“model 1”命令模擬路基填筑的施工過程，實現路基的逐級填筑和邊坡穩定安全系數的逐級求解。各巖土層和擋墻的物理力學參數取值見表1。

隨著路基的逐級填筑，邊坡穩定安全系數逐漸減小（圖4）。當路基填筑完成時，安全系數為2.008，滿足規范［8-9］關于高路堤穩定安全系數的要求。

4 經濟效益

采用原設計方案時，雷公山隧道、桃江隧道和白竹山隧道產生洞渣外棄140×104 m3，需新增棄土場，附近無棄土場，臨時征地困難且費用高，棄渣征地費用按4.5元/m3算，費用為630萬元。棄方[JP+1]運距約為12元/m3，棄土遠運距費用為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匝填方路基的運距較近，渣土車運輸一次，節省運費。利用隧道洞渣風化巖運輸單價約為8元/m3，運距費用約為1 120萬元。改為路基方案后，可節約工程造價約390.2萬元，如表2所示。

5 結語

在山區高速公路建設中，應結合實際對具體問題進行具體分析。針對橋梁改路基的工程問題，應貫徹“綠色、環保、低碳”的理念，綜合考慮場區地形地貌、地質水文、廢棄土石方的路用特性、征地、工程質量和施工可行性等各方面因素，通過論證選定最佳的設計方案。目前，該段高填方路基已填筑完成，路基性能良好，未見失穩跡象，起到了較好的工程建設效果。

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收稿日期：2024-03-09

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