综合因素下复杂地形区桥改路基方案论证研究

彭立勇 胡玉华

摘 要：十三五期间，湖南省高速公路建设取得了巨大成就，东部、南部平原微丘区高速交通网络已经基本成型。十四五期间，湖南省西部山岭重丘区高速公路建设将提速，但山区高速公路由于地形陡峻，地面横坡大，路线方案的局部优化会带来弃渣数量的较大变化[1]，合理的处置弃渣是山区高速建设中的一大难题，桥改路基是一种可行的方案。本文以湖南西部某山区高速公路桥梁方案与路基方案比选为例，从工程建设难度、工程安全、生态效益和工程造价上进行了探讨。

关键词：山区高速;桥改路基;工程适宜性;生态效益;工程安全性;工程造价

中图分类号：U416.1;U445.55 文献标识码：A

0 引言

由于山區高速具有地貌复杂、地形起伏变化大、安全环保问题突出等特点，导致其路线平纵面受制约因素多，往往伴随着高填深挖路段多、土石方数量大、防护支挡困难、施工难度大等特点[2]，当路线方案进行优化时，局部路段易出现弃方较大的现象，合理的处置弃渣是山区高速建设中的一大难题。当弃渣场位置较难选择或者弃渣成本较高时，桥改路基是一种可行的方案，但是桥改路基后的路基方案往往易出现填土高度大于20 m的高填方段落，山区高填方段落施工难度较大，同时可能出现稳定性不足的问题。同时山区耕田资源宝贵，在工程量增加不大或无其他明显制约因素的情况下，宜从技术、经济、用地、环境保护等方面对桥梁方案与路基方案进行全面比选进行综合比选[3]，优先选择能够最大限度节约土地、保护耕地、环保经济的方案[4]。

1 项目基本情况

1.1 工程概况

湖南西部山区某高速公路属于国家高速公路网湖南境内段落，路线全长82.383 km，公路等级为双向四车道高速公路，设计速度100 km/h，路基宽度26.0 m。项目位于湖南省西北部的武陵山区和澧水流域，主要为山岭重丘区地貌，地势总体北部高，南部低。沿线地形起伏大，一般标高200 m～800 m，相对高差一般60 m～300 m，山体走向整体多为北东向和北东东向，地表切割强烈，山间沟谷多呈“V”字形[5]。

该项目原方案推荐线服务区线位主要位于山腰，地势起伏较大，服务区设置较为困难，不利于实现服务区的基本功能。同时推荐线位服务区周边存在三颗古树，其中最大的一颗接近千年的历史，服务区的修建可能对古树产生不利影响，初步设计对服务区位置进行了优化，以避免对既有道路、古树、居民生活区的干扰。

服务区方案优化时将服务区设置在K23+500～K25+500段落。该段落位于山丘群的顶部平台，路线左右侧地势基本相当，服务区设置条件好，同时服务区未侵占生态红线范围，同时周边小型冲沟较多，弃土方便。但路段位于山岭重丘区，地形起伏大，服务区位置变化导致该路段高填深挖路段增长，因此该处设置服务区所产生的土石方量较大。

1.2 桥改路基方案研究

原方案（服务区位置调整前）挖方为204.8万m³，填方为184.2万m³，现方案（服务区位置调整后）挖方为321.3万m³，填方为236.6万m³，调整后挖方增加126.5万m³，填方增加52.4万m³。经过土石比换算后弃方89.5万m³，相对于原方案增加了61.6万m³的弃方数量，这将大大增加弃土场的数量。该段路线沿线人口分布稠密，村庄较多，大型弃渣场的设置对当地的环境破坏大，且路线走廊带周边为武陵山区生物多样性及水土保持生态功能区，属于限制进行大规模高强度工业化城镇化开发的生态区域，需要对当地原生生物多样性进行有效保护，可供选择的大型弃渣场较少。

弃渣场的选择只能选在10 km之外，不仅用地面积增加较大，而且运距较远，这将大大增加工程造价。同时而且由于弃渣场的位置多位于冲沟，地表高低起伏较大，汇水面积较大，存在稳定性不足的问题，可能带来次生灾害，影响居民村庄的安全。

为了有效减少弃渣，切实保护环境，同时为了降低造价，初步设计线位优化时将曾家垭1号、大桥二房坪2号中桥改为路基，本文以曾家垭1号大桥桥改路基方案为例进行分析，桥梁方案与路基方案如图1、图2所示，桥改路基前后基本情况表如表1所示。

2 桥改路基优化前后特性分析

2.1 工程适宜性分析

桥改路基后具有以下优点：

（1）消化弃方：可消化废方57.5万m³，弃方由89.5万m³减少至31.2万m³，弃方规模与工可相差无几，有效减少了弃方数量。

（2）优化工可弃土场位置：曾家垭1号大桥由桥改为路基后，将该段高路基与冲沟形成的约2.2万m2的低洼地带（原桥梁上游）设置为弃土场，弃土高度可达到填方二级平台标高，可全部容纳全部弃方。相对于工可同时优化了弃土场选址，弃土运距由10.0 km缩小至2.4 km，弃土运距缩小了76%，优化了弃土场位置。

（3）利于施工组织：桥改路基后，弃土场位置得到了优化，有效缩短了施工便道总长度，优化了施工组织方案，减少了施工难度。

2.2 工程生态效益分析

路线走廊带周边为武陵山区生物多样性及水土保持生态功能区，属于限制进行大规模高强度工业化城镇化开发的生态区域，需要对当地原生生物多样性进行有效保护。因此，路线对环保要求较高，设计时应尽量将对环境的影响降到最低。桥改路基后能产生一定的环保效应，有利于绿色公路设计理念的实施，主要如下：

（1）山岭重丘区弃土场选址一般位于低洼处，类型多为耕地和林地。桥改路基后，减少了弃土场、施工便道等对耕地和林地的占用，减少了环境破坏，节约了土地资源，有效保护了生物多样性，生态效益明显。

（2）桥改路基后，在K23+200桩号左侧设置弃土场（见图3），该弃土场位置紧靠路基，公路建设期间可直接作为混凝土搅拌基地、施工驻地、预制梁场地、工程材料堆放地等，可减少公路临时用地对土地的占用，有利于土地资源的集约利用，符合绿色公路的设计理念。

（3）桥改路基后，可减少桥梁建设用材和专用设备投入，减少弃土场支挡防护设施投入。可以大大减少混凝土、钢筋等高耗能的永久性圬工材料的使用，例如可以减少桥梁模板、挡土墙模板、架桥机等专用设备的使用，减少燃料用量和碳排放量，降低了工程施工过程中对环境的影响[3]。

2.3 工程安全性分析

（1）桥改路基前，由于弃方量巨大，需要选择多处弃渣场，但由于山岭重丘区特殊的地形地貌条件，弃渣场的位置多位于冲沟或者桥梁上游处，汇水面积较大，可能带来滑坡、泥石流等次生灾害，影响居民村庄的安全;桥改路基后，可以有效避免这类隐患。

（2）桥改路基后，产生了两处最大中心填土高度分别为35.6 m和31.3 m的路堤，按照规范要求[6]，填土高度大于20 m的路堤为高填方路堤。由于高填方路堤填筑高度和土方工程量都比较大，存在边坡垮塌、路基沿边坡滑动、路基不均匀沉降、路基沉陷等病害，需要对其进行稳定性分析，并采取一定的工程措施防止这些病害的产生[7]。

采用圆弧滑动法对K23+400断面路基稳定性进行分析，由于项目位于山区，路基填筑采用土石混填，土体基本物理力学参数如表2所示：

计算结果图如图3所示，经计算，滑动半径为85.901 m，总下滑力为5 078.907 kN，总抗滑力为6 872.123 kN，滑动安全系数为1.353，满足规范[6]中最小安全系数不小于1.35的要求。

为了减少桥改路基后高填方可能带来的病害，主要采用以下处置措施：

①采用开山石渣对冲沟底部不满足承载力的软弱地基土（表层软塑状黏土层、过湿土）进行换填，提高地基承载力，减小地下水和冲沟积水对路堤填土的影响[8]。

②地面陡于1：5时均需开挖台阶，台阶开挖宽度大于2 m。台阶向内倾2%～4%。

③路堤材料采用土石混填，采用分层填筑、分层碾压的方式进行填筑，检测达到规范规定的94%压实度后，方可进行路床冲击碾压补强压实[9]。

④在路床顶部以下铺设两层土工隔栅，宽度延伸至边坡边缘1 m处，格栅在填方边坡侧应反包2 m以上，土工格栅范围应尽量使用粒径较小的碎石，严禁使用大块石、片石填筑，以保证路面结构长期稳定。

⑤设置完善的排水系统，设置渗沟、排水沟、平台排水沟、急流槽等设施，迅速排除路基范围内降雨，减少低洼处积水。

⑥第一级边坡坡率采用1：1.5，第二级以下坡率采用1：1.75～1：2，边坡防护形式采用拱形骨架内植草灌，增强填土边坡稳定性，减少边坡垮塌。

⑦优先安排高路堤施工，修筑路面前应保证不少于一个雨季的自然沉降时间;施工过程中应加强沉降观测和动态监控，严格控制填筑速率，确保路基安全[10]。

2.4 工程造价分析

桥梁方案与高填方方案的造价影响主要因素有：建设规模、占地面积、施工难度、建成后车辆行驶安全、运营管理、养护维修费用、环境影响等，如下表所示：

由表3可知，对比桥梁方案，采用高填方路基方案可节省工程造价2 423万元。同时桥梁方案还存在建设规模、施工难度大、运营期间维修养护费用高等特点，其全寿命周期成本远远高于路基方案。

3 结语

山岭重丘区线位选取制约较多，在工可走廊带的基础上，往往线位优化的空间较小，当不可避免的要调整线位时，往往会产生较大的土石方量，因此，初步设计阶段在线位优化的基础上，需要充分考虑土石方平衡，对路基方案与桥梁方案进行比选，尽可能较少弃方量，减少弃渣场占地。

本文以湖南西部山区某高速桥改路基优化设计为例，从工程适宜性、工程生态效益、工程安全性、工程造价等方面对山岭重丘区桥梁方案与路基方案进行了对比分析，通过分析发现：路基方案可有效消化弃方，解决了周边没有弃土场用地、弃土场易失稳等的难题，同时节约了工程造价，工程生态效益更加显著，路基方案更加合理，可以推广到全省其他项目的建设中。

参考文献：

[1]王晋斌.公路桥梁方案与路基方案的分析与比选[J].山西交通科技，2020（4）：127-128+170.

[2]彭立，黄伟伟，徐希武，等.山区高速公路弃土场选址分类方法及其穩定性分析[J].铁道科学与工程学报，2011

（6）：75-79.

[3]张秉旭.山区公路设计桥梁与高填路基方案比选[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2013（6）：10.

[4]张必胜.山区高速公路高填路堤与高架桥设计方案比较的商榷[C].华东公路发展研讨会暨2006年华东公路科技情报网年会.中国公路学会，2006.

[5]王祥，彭立，张浩平，等.山区高速公路高填深切特殊路段勘察设计[J].湖南交通科技，2005（4）：16-18.

[6]中交第二公路勘察设计研究院有限公司.公路路基设计规范：JTGD30-2015[S].人民交通出版社，2015.

[7]袁昕，段少华，李尹超，等.山区高速公路高填方路基设计[J].湖南交通科技，2016（1）：41-42+153.

[8]孙广远.山区高速公路地质选线实例研究[J].公路工程，2013（5）：258-262.

[9]黄建雄，彭立，李宏泉，等.不同用途的山区高速公路弃土场施工控制标准研究[J].公路工程，2011（3）：22-25.

[10]王祥，彭立，张浩平，等.山区高速公路高填深切特殊路段勘察设计[J].湖南交通科技，2005（4）：16-18.