挡墙工程在某山区高速公路中的应用

任亚鹏

（北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京 100073）

0 引言

挡土墙是支撑路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳，承受土体侧压力的墙式构造物。挡墙工程常应用于山区高速之中，可有效节约用地，减少拆迁，避免大量填、挖土方，对沿河位置可保护路基防冲刷，对于填方陡坡、挖方滑塌地段，可有效提高边坡稳定性。本文以北京某高速公路为例，深入剖析了挡墙工程在该工程中的应用。

1 工程概况

1.1 技术标准及工程规模

某新线高速公路（西六环路—市界段）工程设计起点为西六环路军庄立交，向西经军庄镇、龙泉镇、妙峰山镇、王平镇、雁翅镇、斋堂镇、清水镇，终点至市界与河北张涿高速公路相接，全长约65km。道路等级为高速公路，设计速度为80km/h，双向6/4车道，路基宽度为33/28.5m。全线设置5座互通式立交，桥梁34座、合计23km，隧道15处、合计34km，涵洞48座，桥隧比高达90%。

1.2 沿线地质条件

门头沟区地处蒙古高原向华北平原过渡地带，境内98.5%为山地，平原面积仅占1.5%，海拔1 500m左右的山峰160余座。线路穿越区域的整体地貌类型属山地地貌，沿线地形地貌复杂，水系发育（清水河、斋堂水库）。根据绝对高度和相对高度可进一步划分为中山区、低山-丘陵区及山间沟谷流水侵蚀堆积地貌，在山间河谷两岸一般都有发育数级阶地。

填方挡墙地基主要为河滩地、林地、农田、山体坡脚等位置，局部地基承载力较低。沿线的特殊性岩土主要包括人工填土、湿陷性土、风化岩、残坡积土及永定河河道形成的卵漂石地层等。

挖方路堑墙地基主要为山体开挖坡脚土基。整体浅表层岩体受风化作用及地质构造影响节理裂隙发育，岩体较破碎。

2 不同结构形式挡墙对比

2.1 挡墙考虑因素

案例高速公路路基段多在山谷半坡位置布线，路基断面一侧为开挖边坡，另一侧靠近清水河河道。挡墙主要考虑如下几方面因素：①挡墙结构可靠性、使用耐久性；②挡墙透水性、抗冲刷特性；③挡墙外观、生态绿化需求；④挡墙工程投资。

2.2 挡墙自身特点对比

2.2.1 结构可靠性、使用耐久性

（1）片石混凝土挡墙：利用挡墙自重平衡土压力；自身为圬工结构，使用年限长，工程应用多，技术成熟。

（2）加筋格宾挡墙：主要依靠格宾网内片块石重力及加筋土摩擦力保持结构稳定；格宾网采用镀锌覆高耐磨有机涂层防腐；网箱内填充石料，面墙后铺设聚酯长纤无纺布。

（3）坦萨加筋挡墙：主要依靠土体和格栅之间的摩擦力和咬合作用。

2.2.2 透水性、抗冲刷特性

（1）片石混凝土挡墙：圬工结构较厚，有效减少填料和水流接触；可加大基础埋深，并设置防冲刷护坦；墙后采用透水性材料，并加密泄水孔。

（2）加筋格宾挡墙：顶部硬化包封截水；背部设置三维聚丙烯排水垫，结合碎石排水层并将其排出至墙体外；面板格宾石笼本身具备透水、防冲刷特性。

（3）坦萨加筋挡墙：主要依靠面板防冲刷，依靠面板缝隙排水。

2.2.3 挡墙外观效果、生态绿化需求

（1）片石混凝土挡墙：圬工结构，绿化景观性差。

（2）加筋格宾挡墙：格宾石笼景观效果较差；石笼横向台阶处可进行绿化种植。

（3）坦萨加筋挡墙：挡墙外观效果好，可选择多种装饰面板营造不同效果。

2.2.4 工程投资对比

（1）片石混凝土挡墙：按均高9m考虑，造价较高，每延米1.8万。

（2）加筋格宾挡墙：按均高9m考虑，造价较低，每延米约1.0万。

（3）坦萨加筋挡墙：按均高9m考虑，造价较低，每延米约0.8万。

2.3 挡墙优缺点对比分析

（1）片石混凝土挡墙

优点：工程应用较多，技术成熟；稳定性及抗冲刷能力较好。

缺点：基底承载力要求较高；造价较高，每延米1.8万，每立方847元。

（2）加筋格宾挡墙：

优点：结构透水性及防冲刷能力较强；对基底承载力要求较低；造价较低，每延米约1.0万。

缺点：石笼外漏，景观效果较差。

（3）坦萨加筋挡墙

优点：景观效果好，装饰面板造型多；对基底承载力要求较低；造价较低，每延米约1.0万。

缺点：防冲刷能力较差。

2.4 挡墙形式选择

考虑到案例高速公路位于门头沟山区，地质条件较差，路侧沿清水河，考虑到高速作为永久工程，结构安全、稳定、抗冲刷是其首要考虑因素。片石混凝土结构挡墙，在这几方面优势较大；加筋格宾挡墙石笼片石外露，景观效果较差，石笼之间结构连接稳定性较差；坦萨加筋挡墙，主要依靠填土与筋条之间摩阻力保证结构稳定，而山区地质条件较差，加筋挡墙后期易变形失稳。综上，案例高速公路挡墙形式采用片石混凝土挡墙。

3 挡墙设计过程中的重难点

3.1 地基承载力不足

本项目局部挡墙地基位于农田、果园、河滩地等地基承载较低的位置。地表土以粉土素填土为主（局部杂填土），土质松软，工程性质较差。

其中一处挡墙工点，填方边坡高12m，受外侧占地限制，需设置挡墙收坡。边坡形式为放坡3m后设置路堤墙，地面以上墙高9m，挡墙全高11m，采用片石混凝土挡墙，地基承载力要求350kPa。

该位置地质条件：第一层：粉土素填土①-3层，黄褐色，稍密，稍湿，以粉土为主，含少量碎石和植物根系，厚度1.4~2.7m，地基承载力90kPa。第二层：粉土②-2层：黄褐色，稍密~中密，稍湿，土质较均匀，厚度1.2~10m，地基承载力120kPa。第三层：角砾③-6层：杂色，中密~密实，饱和，呈棱角状，一般粒径1~2cm，最大粒径不小于10cm，母岩以砂岩和安山岩为主，角砾含量不小于55%，充填中砂、粗砂和黏性土，厚度5.2~7m，地基承载力200kPa。

因为现状地基土层地质条件较差，地基承载力在100kPa左右，而高挡墙要求承载力需达到350kPa，常规换填级配碎石方案换填深度超过3m，地基开挖面较大，同时经济性较差，换填方案已不能满足设计要求，故提出两种设计方案，以针对地基承载力较低位置挡墙及边坡处治措施。

方案一：扩展基础片石混凝土挡墙。通过加宽挡墙基础，设置仰斜墙背等方式，提供较大面积的基底承载面，以减少地基承载力要求值，同时为防止墙趾断裂，墙趾需进行配筋加固。通过上述措施，最终11m高扩展基础挡墙地基承载力要求值降低为180kPa。

方案二：加筋土边坡。因为挡墙工程对地基承载力要求较高，而边坡工程在做好地基压实后对地基承载力要求相对较低，另外，常规1∶1.5边坡会影响占地外构筑物，因此采用1∶0.75坡率的加筋土边坡方案。实施过程中，首先清除表层素填土，回填碎石土并压实，坡脚位置设置毛石混凝土基础护脚，路堤底部全宽范围做50cm级配碎石排水层。

3.2 沿河挡墙设计

案例高速公路局部位置道路一侧临清水河，在雨季河道汇水较大时，部分路段河道汇水会对路基造成冲刷。因此，在挡墙设计时，需考虑沿河挡墙设计因素。

沿河路基采用片石混凝土挡墙形式，减小河道冲刷对路基影响，增强灾害防御能力，具体措施如下：①加大基础埋深；②墙脚设置混凝土护坦及钢筋石笼防冲刷；③墙背填筑透水性填料；④加密挡墙泄水孔。同时在挡墙施工过程中，为防止基坑开挖后表面水或地下水溢入，可设置钢板桩围堰。

3.3 路堑墙设计

挖方路堑墙主要应用在隧道洞口及高边坡第一级边坡位置，从功能上分为重力式挖方路堑墙及护面墙。重力式路堑墙主要起到收坡、保证边坡稳定等作用；护面墙主要应用在坡面破碎，但整体稳定的中风化、弱风化的岩质边坡，起到护面、防止坡面岩土碎落的作用。

重力式路堑墙设计过程中，不可仅仅单独计算挡墙，尤其在高路堑墙、高挖方边坡同时存在时，应整体考虑边坡稳定性。

护面墙在设计过程中，仅提供护面作用，不宜作为重力式挡墙考虑，在进行高边坡稳定性计算时，第一级边坡应按自然边坡考虑。

工点一：该边坡覆盖层较厚，以粉土、碎石土层为主，下部基岩以强风化砂岩为主。边坡若采用完全放坡，按1∶1~1∶1.5坡率分级开挖，分级高度为10m，会产生四级边坡，边坡开挖面过大，因此，边坡第一级需设置重力式路堑挡墙，面坡坡率为1∶0.25，挡墙上共2级边坡。

工点二：该边坡以强风化凝灰质砂岩为主，黏聚力c=35kPa，摩擦角φ=30°，坡面局部破损，但整体具备自稳能力，可采用护面墙方案。

3.4 涵洞横穿路堤挡墙设计

本项目局部填方路堤挡墙设置在冲沟下游位置，该位置往往设置涵洞或通道进行过水或行人。涵洞与挡墙存在交叉工程，涵洞需横穿挡墙。在设计过程中，涵洞顶部需预留连接钢筋，保证涵洞顶部挡墙与涵洞存在整体性，钢筋形式包括竖向钢筋和横向箍筋，纵横间距不小于30cm，配筋与原涵洞配筋位置存在冲突时，连接钢筋需进行位置调整。在施工过程中，涵洞与挡墙在现浇时，宜同时施工，涵洞两侧及顶部混凝土需与挡墙同步施工，涵洞两侧挡墙位置不宜设置伸缩缝，保证两者的整体性。

3.5 桥区边坡路堑墙设计

本项目部分桥梁外侧紧邻挖方边坡，挖方高度较大，需设置挡墙进行收坡。在设计过程中，挡墙基础埋深需从桥梁盖梁底部算起，不可从桥面顶处地面高程算起，挡墙基础需埋设在盖梁底部1.5m以下，施工时盖梁底部至桥面位置的三角空间范围内需回填级配碎石，同时需考虑排水条件。

3.6 理正软件在挡墙设计中的计算要点

（1）挡墙及边坡线需保证和实际一致，尤其墙底倾斜坡率、墙趾墙踵尺寸、自然地面横坡角度等参数对计算结果影响较大。

（2）物理参数应取值合理。如填料内摩擦角应结合填料性质取值，如果不是级配碎石、天然砂砾材料，内摩擦角取值不宜大于35°。基底摩擦系数，对于自然土基，取值宜在0.4以下，对于岩质地基或换填级配碎石后，取值可为0.5。

（3）地基承载力要选用修整后的地基承载力特征值，同时要保证自然地基或换填后的地基承载力能达到设计要求值。

（4）坡面及地面荷载按实际考虑，并换算为土柱高度。

（5）沿河或浸水挡墙，参数取值应考虑水影响，如填土浮重度，水位升降产生的作用力对挡墙的影响。

4 结论

（1）案例高速公路位于山岭重丘区，沿线地形地貌复杂，地质条件较差，同时路侧临清水河，对地基承载力、路基抗冲刷能力有较高要求。

（2）通过对不同圬工材料挡墙、不同结构形式挡墙的适用性及优缺点进行对比分析，再结合本案例高速公路自身特点确定最终采用片石混凝土挡墙，该挡墙工程应用较多，技术成熟，结构稳定、抗冲刷能力较好。

（3）在山区高速设计过程中，遇到地基承载力低的情况时，可采用常规换填级配碎石、扩展基础挡墙、加筋土边坡等方案。

（4）在沿河挡墙设计过程中，可采用加大基础埋深、墙脚设置混凝土护坦及钢筋石笼防冲刷、墙背填筑透水性填料、加密挡墙泄水孔等措施。

（5）在地质条件较差的高边坡防护中，第一级可采用重力式路堑墙进行收坡固脚；对破碎中风化岩层边坡可采用护面墙，防止坡面岩土碎落。

（6）在涵洞横穿挡墙时，需设置纵横向连接钢筋，施工时需同步施工，保证两者结构整体性。

（7）在挖方桥梁外侧设置挡墙时，挡墙埋深应从梁体结构底部算起。