五盂高速公路桥改路方案分析与设计

郭 锐

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

当山岭区高速公路跨越沟谷时，在路基中心填高大于20 m的情况下，需要将路基方案与桥梁方案进行充分比选后确定设计方案。但多数设计人员较为主观地认为桥梁方案安全便利，风险较小，往往在未进行路桥方案比选的情况下采用桥梁方案。事实上，在所跨越地质情况良好，沟底坡度相对较缓的沟谷时，采取路基方案往往可能会取得更加理想的效果[1-2]。

五台至盂县高速公路LJ7合同段范围内山高沟深，地形条件复杂，线位于山腰处布设，路线多次跨越自然冲沟，施工困难，进度缓慢。为方便施工，加快进度并节约投资，在综合分析桥址处水文、地质、地形情况及充分论证施工难度、经济效益、运营安全等因素后，最终决定将LJ7合同段范围内御枣口1号大桥及灯花2号大桥优化为路基方案。LJ7合同段路线方案总体图详见图1。

图1 五盂高速公路LJ7合同段路线方案总体图

1 工程概况

御枣口1号大桥为跨越“U”形冲沟所布设，桥梁全长187 m，桥跨型式6×30 m预应力混凝土连续箱梁，桥墩采用柱式墩及实心墩，桥台采用柱式台，基础均采用钻孔灌注桩基础。桥面距地面0～32 m，桥址处地质情况由上往下依次为0.6～2.40 m厚碎石（Q4el+dl）、10.8～25.1 m厚强风化黑云斜长片麻岩（Arlnh）及11.0～19.70 m厚中风化黑云斜长片麻岩（Arlnh），桥址区所跨越冲沟地表无长流水[3-4]。御枣口1号大桥桥型布置图详见图2。

图2 御枣口1号桥桥型布置图（单位：mm）

灯花2号大桥为跨越“U”形冲沟所布设，桥梁全长222 m，桥跨型式7×30 m预应力混凝土连续箱梁，桥墩采用柱式墩及实心墩，基础采用钻孔灌注桩基础，桥台采用重力台，基础采用扩大基础。桥面距地面0～46 m，桥址处地质情况由上往下依次为1～5.2 m厚碎石（Q4el+dl）、7.00～23.50 m厚强风化黑云斜长片麻岩（Arlnh）及6.00～17.60 m厚中风化黑云斜长片麻岩（Arlnh），桥址区所跨越冲沟地表无长流水[3-4]。灯花2号大桥桥型布置图详见图3。

图3 灯花2号桥桥型布置图（单位：cm）

2 桥改路优化的原因

五盂高速公路LJ7合同段全长4.93 km，线位于山腰处布设，跨越多条冲沟，合同段内共设置大中桥梁3 080 m/10座，全线路基共分割成11段，且路线均在半山腰，自然地理条件复杂，施工难度极大。LJ7合同段施工现场情况见图4。

图4 LJ7合同段施工现场情况

2.1 在建设过程存在的问题

a）本合同段内梁板合计794片，梁板预制工作量大，施工现场无合适位置；现场地形条件复杂，便道修建难度大，预制梁运输困难且存在较大安全隐患。

b）本合同段内桥梁数量较多，路基被桥梁分割，路基土石方调配难度大，基本均需隔桥调运，严重影响施工进度。

c）本合同段内路基大部分均为挖方路堑，废方数量较多，弃土运量巨大，因弃土场距离较远且地形较困难，导致弃土困难。

2.2 解决方法

a）采取桥改路后形成的长段落路基作为梁场，可以直接利用路基进行制梁、存梁及运梁。

b）桥改路后，可以尽快打通路基，较大程度减少隔桥调运。

c）桥改路后形成的路基可就近利用大量挖余废方，较大程度地减少弃方数量。

经过多次研究和反复论证，最终确定了将御枣口1号大桥及灯花2号大桥调整为路基方案的优化设计思路。

3 桥改路方案可行性分析

3.1 水文条件分析

御枣口1号大桥桥址处汇水面积为0.026 km2，采用径流厚度法计算流量为1.9 m3/s；灯花2号大桥桥址处汇水面积为0.096 km2，采用径流厚度法计算流量为5.8 m3/s；桥改路后通过设置涵洞完全可以满足上游排水要求。

3.2 地形、地质条件分析

御枣口1号大桥桥下冲沟在路线区域内沟底平均纵坡为9.64%，灯花2号大桥桥下冲沟在路线区域内沟底平均纵坡为29.75%，沟底纵坡均相对较缓，有利于保证填筑路基的稳定性。

上述两桥梁所跨越冲沟上游沟底纵坡明显变大，御枣口1号大桥右侧上游沟底纵坡为43.21%，灯花2号大桥右侧上游沟底纵坡为55.62%，该地形条件适宜将上游填平。填平区在施工过程中可作为施工场地，方便施工，施工完成后可进行绿化。

御枣口1号大桥、灯花2号大桥桥址处及前后段挖方路基边坡地质情况主要为强风化及中风化黑云斜长片麻岩，岩质坚硬，边坡倾角为反倾路基方向，具有较好的自稳能力，可充分利用前后侧挖方边坡挖余石方填筑路基，基本实现填挖平衡，填料满足设计要求；沟底原地表所覆盖碎石土层地基承载力可以满足设计要求。

3.3 路基稳定性分析

在进行路堤稳定性分析时，御枣口1号大桥选用K26+630处横断面作为典型计算断面，灯花2号大桥选用K29+280处横断面作为典型计算断面。根据路堤断面形式拟定最不利滑面，利用理正岩土计算软件，分别采用不平衡推力法和直线法分别对路堤的整体稳定性进行分析计算。根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）《高路堤与陡坡路堤稳定安全系数表》（表3.6.11）中的相关内容，在采用不平衡推力法和直线法计算分析路堤稳定性时，安全系数选取1.30。根据计算所得剩余下滑力判断路堤稳定性，剩余下滑力小于0说明边坡稳定，若剩余下滑力大于0则说明边坡不稳定。典型计算断面见图5、图6。

图5 御枣口1号桥桥改路典型计算断面

图6 灯花2号桥桥改路典型计算断面

根据类似填料的经验参数，填料的C值取2 kPa，φ值取35°，基底滑面的 C值取0 kPa，φ值取35°，对选定的滑面进行剩余下滑力计算。验算结果表明：御枣口1号桥、灯花2号桥桥改路基的路堤稳定性满足规范要求。计算结果见表1所示。

表1 稳定性计算成果汇总表

综上所述，御枣口1号大桥及灯花2号大桥充分具备桥改路所需条件，桥改路方案可行。

4 桥改路优化设计方案

4.1 填筑坡率及防护形式

御枣口1号大桥调整为路基后，路堤高度8 m内边坡坡率为1∶1.5；大于8 m小于等于20 m的部分，边坡坡率为1∶1.75；大于20 m的部分边坡坡率为1∶2；在8 m、20 m及20 m以下每10 m分别设一级2 m宽平台。

灯花2号大桥调整为路基后，因线位左侧存在地方道路及鱼塘，故将坡率变陡以收缩坡脚。路堤高度8 m内边坡坡率为1∶1.30；大于8 m小于等于32 m，边坡坡率为1∶1.5；大于32 m的部分边坡坡率为1∶1.75；在8 m、20 m、32 m及以下每12 m设一级2 m宽平台。

上述两处高填方路堤左侧边坡坡面采用拱形骨架+植草防护，为确保边坡稳定并收缩坡脚，在边坡坡脚处增设3～5 m高护脚挡墙。

4.2 纵、横向填挖交界处及陡坡路堤段特殊处理

对地面自然坡度陡于1∶5的斜坡路段，地表坡积碎石土层较松散，施工前必须清表，清表后路堤基底应挖台阶，台阶宽度2～8 m，基底填筑碎石，严格控制黏土含量，确保基底排水顺畅，避免地下水富集，危及边坡稳定，每隔一定距离设置深入基岩的防滑坎；为增强路堤的稳定性及避免差异沉降的产生，对路基纵向填挖交界处以及半填半挖路基采用铺设3层钢塑格栅加筋处理。

4.3 防排水工程

a）御枣口1号大桥取消后增加1-1.5 m圆管涵，灯花2号大桥取消后增加1-2×2.5 m盖板涵，以排除上游山体及路面汇水。

b）路堤左右侧坡面每20 m设置一道路堤急流槽，路面拦水带对应位置设置开口，将路面的水引入路堤急流槽，排至沟底。

c）路右侧填整平区在山脚处设置环形截水沟，同时在沟口设置跌水台阶，将上游汇水引入环形截水沟。

d）在涵洞入口设置蓄水池，将路堤右侧环形截水沟和排水沟的水引入蓄水池，通过涵洞流入下游沟内。

e）在填石路堤边坡外侧增设1 m厚包边土，以防止雨水渗入路堤，影响路堤坡体及基底的稳定性。

f）路堤右侧填挖平的区域，为了防止雨水下渗对路堤的稳定性造成影响，从下至上分别设置两布一膜防渗土工布+30 cm厚10%灰土垫层+40 cm厚种植土。

4.4 施工质量保证措施

由于御枣口1号大桥及灯花2号大桥桥改路后沟中心处路基中桩最大填土高度分别达到32 m及46 m，对高填方路堤的沉降控制成为决定桥改路方案效果的最直接因素。为确保填筑质量，最大程度减小路基不均匀沉降，主要采取了以下措施：

a）严格控制填料质量。根据本合同段情况，两处高填路堤均为填石方。要求所填筑填料为硬质岩，必须保证填料单轴饱和抗压强度不低于30 MPa；同时需保证填料最大粒径小于压实厚度的2/3，路床范围内的填料粒径应小于100 mm，路床底面以下400 mm范围内的填料粒径应小于150 mm。

b）在进行路基填筑前，通过填筑路基试验段确定路基填筑及碾压的相关技术参数和工艺要求，并在路基施工过程中严格贯彻执行。填石路堤的压实质量主要是通过检测及施工参数联合控制。压实质量的检测方法主要包括压实孔隙率及沉降差两种；施工控制参数主要包括松铺厚度、压实遍数、碾压速度及压实功率等。

c）进行持续、系统的路堤沉降观测。路堤沉降观测一般通过设置观测点及边桩进行，在观测过程中根据填筑厚度及位移量的大小确定观测频率。

d）在铺筑路面前为高填路堤预留足够的自然沉降期，尽量减小工后沉降，防止路基不均匀沉降所形成的的路面结构开裂及破坏。

5 桥改路效益评价

御枣口1号大桥造价为1 528.6万元，桥改路后，对应段路基总造价为1 085.2万元，总造价减少443.4万元；灯花2号大桥造价为1 744.9万元，桥改路后，对应段路基总造价为1 383.1万元，总造价减少361.8万元。路基还可就近利用废方86.5万m3，较大程度地减少了弃方数量，基本实现填挖平衡，经济效益明显。

桥改路后所形成平整、宽阔的路基完全可以满足梁板预制场及存梁区要求，在制梁及存梁期间，预制梁及机械设备对路基进行了堆载预压，可以有效地消除路基沉降，还可通过路基向两侧桥梁进行梁板运输及架设，可有效地加快施工进度，具有较好的工程效益。桥改路后增设梁场详见图7，高填方路基远景详见图8。

此外，桥梁调整为路基后改变了原沟谷处的地貌，对路基左侧边坡拱形骨架内进行了绿化，在路基右侧填平区域内种植了草皮及景观树木，较大程度改善了公路两侧的自然景观，取得较为显著的社会效益。

图7 桥改路后增设梁场

图8 桥改路高填方远景

6 结语

山区高速公路在跨越沟地质情况良好，沟底坡度相对较缓的沟谷时，在综合分析桥址处水文、地质、地形情况及充分论证施工难度、经济效益、运营安全等因素，并通过采取多种工程措施保证填筑质量的情况下，相对于桥梁方案，采取路基方案可能取得更加经济合理的效果。

五盂高速公路LJ7合同段御枣口1号大桥及灯花2号大桥桥改路于2012年4月开始按优化设计方案施工，于2012年10月完成路基填筑，后续为桥梁预制场提供了理想的场地，有效地解决了预制梁建设场地的难题，更有利于路基土石方调配，使该段的施工组织整体布局更趋合理，有力地保证了五盂高速公路总体建设目标如期实现。截至目前，两处路基稳定性良好，路面行车平稳舒适，道路两侧景观优美怡人，桥改路取得良好的经济效益及社会效益。