公路高填土涵洞设计及施工工艺研究

焦亚斌

（兰州乾元交通规划设计咨询有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

一些山区公路路堤填高较大，相应地出现了很多高填土涵洞。高填土涵洞与普通涵洞相比，因冲沟的影响，会造成两者的设计与施工均有所不同。对此，有必要结合工程实际情况深入分析探讨高填土涵洞的设计与施工相关技术，明确设计与施工技术要点，解决高填土带来的涵洞结构环境问题，并以此为同类工程设计与施工提供技术支持。

1 冲沟产生原因与危害

冲沟的产生主要和流水侵蚀作用有关，为条状凹地，深度从几米到几十米，长度从几米到几百米。冲沟产生与发展一般经历三个阶段：第一阶段为形成细谷。冲沟持续扩大，向上、下游发展，于最上游可能形成有明显地貌落差的顶部跌水，这一向上游持续发展的过程即为源侵蚀。冲沟出口部位通常为悬挂状，此为冲沟形成与发展的第二阶段，主要是下蚀作用。在这一作用发展至某种程度后，因受到各方面条件的影响和限制，将不再发生下蚀，此时会到达一个基准面，一般为冲沟排泄口部位的河流或盆地水面，通常将其称作侵蚀基准面。冲沟形成与发展第三阶段为谷底不断变缓，冲沟岸坡持续坍落，产生达到一定稳定状态的坡度。以某公路工程为例，在其K256+460—K330+457.9 段范围内，冲沟每个阶段都存在，给该工程施工质量造成很大影响[1]。

2 高填土涵洞设计

高填土涵洞指的是填土高度达到8m 及以上的涵洞。某公路工程K298+900—K321+900 合同施工标段，路线处在岔沟北岸，边坡表面存在切割十分强烈的冲沟，共有9 处冲沟。通过外业勘查与经济比较，以及现场反复论证可知，存在三条相对较大的冲沟采用设置桥梁的方式从中通过，其他冲沟则采用高填方路基形式通过，该路线范围高位涵设置情况如表1所示。

表1 某公路工程K298+900—K321+900 标段高位涵设置情况

高填土涵洞整体稳定性和路基、填土与排水直接相关，使路基保持稳定是涵洞处于稳定状态的重要基础，尤其是黄土地基，必须做好冲沟处理。先对沟壁实施扩沟处理，挖设沟壁陷穴与台阶。对坡脚部位上游50m、下游20m 的沟底和沟壁分别进行开挖，纵向形成宽度8m、深度2m 的结合槽，施工中土质台阶同时考虑。在开挖和填筑的结合位置，先进行翻挖强夯，再整平强夯整个开挖部位，然后按照要求实施分层碾压；高填路堤施工进行分层填筑，部分位置可考虑采用强夯的方法处理，强夯处理的位置是基底填高5m 处；开挖与填筑的结合处，要求其压实度不低于95%，强夯结束后需在基底和土层间沿路线分布方向的纵向前、后分别10m 的范围内增设土工格室，使用砂砾进行填筑；另外，在土工格室的下方还需增设三层土工格栅，其上、下部间隔距离为60cm，每层的宽度都应达到开挖和填筑两侧分别5m。强夯施工完成后才能进行土工格室与土工格栅的施工。具体的强夯技术参数包括：加固深度需达到6m，夯击遍数为2遍，夯击布置形式为正方形，夯击间隔距离为5m，单点夯击能为3000kN·m，夯击次数为18 次，满击夯击能为100kN·m，满击夯击次数为3 次（需注意，所有夯击参数都要通过试夯进行确定和调整）[2]。

在有代表性的路段选取原状土样实施剪切与常规土工试验，利用原始指标分析确定边坡的稳定性。当坡高不超过8m 时，按照1∶1.5 的坡度一坡到底；当坡高超过8m 时，选择折线形边坡；当坡高在0～8m 范围内时，坡度按1∶1.5 控制，当坡高在8～20m 范围内时，坡度按1∶1.75 控制。汇水面积不大、底部没有常流水存在或没有通行要求，但沟底纵坡较陡，湿陷性不明显的冲沟，可考虑坝式路基方案，于两侧选择适当位置增设高位涵。对于坝式路基，其主要优势在于能充分利用挖、弃方，明显提高涵位，缩短涵长，减少工程造价，此外还能避免水土流失。坝式路堤边坡稳定验算方法为圆弧法，同时结合当地现有经验，边坡的具体形式采用台阶式边坡为宜，超过20m 的部分按照10m 的间隔距离设置宽度为2m 的边坡平台，坡率从上到下依次为1∶7.75 与1∶2，而不超过20m 的部分，按照20m 的间隔距离设置宽度为2m 的边坡平台，坡率从上到下依次为1∶2.25、1∶2.5 与1∶2.75。

为避免流水对涵洞造成太大冲刷作用，需考虑在涵洞的进口部位增设急流槽。在纵坡相对较大的部位，还需要在进口部位增设跌水井，用于进一步减弱涵洞受到的冲刷作用。除此之外，出口部位同样要增设急流槽，按5m 的间隔距离设置防滑坎，并在坡脚线以外按照20m 的间隔距离设置消力池。对于高位涵来说，路堤防水也十分重要。在坝式路堤上的迎水面铺设两层复合土工膜，即一布一膜，用于避免蓄水下渗导致管涌现象，土工膜的铺设需嵌入底部和沟壑中至少2m，并在迎水面的表面设置一道浆砌片石护坡，其基础需嵌入地面至少1.25m，护坡部分的标高应比涵洞顶面高出1m。护坡上部和背水面边坡都应设置拱形骨架来加固[3]。

3 高填土涵洞施工

高填土涵洞与设于填方上的涵洞均按照反开挖法进行施工，具体施工步骤和工艺要求为：先开挖或一并填筑到换填底部的标高，再于涵洞所在部位及其基础边缘分别3m 之内进行强夯处理，完成强夯后进行换填层的填筑施工，并对涵洞的基础进行浇筑，在处理结束后要求复合地基的实际承载力达到设计要求，基础周围还需铺设一层塑料布用于防止混凝土中的水分发生流失，此前应注意先扳倒台身和基础之间的连接钢筋，然后在台身浇筑过程中扳起并进行对应焊接。基础浇筑成型后，将路基浇筑到涵洞顶部标高上部1m 的位置，之后沿垂直方向开挖基坑，其宽度为台身两侧外缘之间的距离，将连接钢筋扳起后，对台身进行浇筑，并对台身和基础之间的连接部位进行凿毛，最后对连接钢筋进行焊接。在浇筑台身的过程中应揭开基础外部包裹的塑料布，并将其铺挂于两侧基坑边缘，避免台身混凝土产生严重的水分流失，最后按照要求进行盖板的架设和涵洞顶部回填处理[4]。

急流槽设置应做到早接远送，将其基坑开挖完成后，需将地基夯实，压实度达到95%及以上。在急流槽中还需按照5～8m 的间隔距离并在地质发生变化的部位增设沉降缝，缝中填塞沥青麻絮，此外要在接缝位置与其外围包裹一层防水土工膜，用于避免产生渗漏水。如果急流槽的底部纵坡超过10%，则按照5m的间隔距离设置底部宽度为1m 的防滑坎。急流槽需要以坡度为依据设置成台阶状，以此起到一定的消能作用，并确保急流槽底部厚度达到40cm 及以上。在施工过程中急流槽要以实际地形条件为依据合理布置，尽可能设于原状土的表面。在施工过程中还要做好不良地质处理，保证急流槽保持稳定和安全[5]。

4 高填土涵洞常见病害及其产生原因

4.1 洞身开裂

涵洞刚度远大于填土，涵洞上方土体发生沉降变形时产生明显内外沉降差，使涵侧土体难以压实，若内、外土柱发生相对移动，则会在涵洞的顶部产生一定附加土压力。涵洞顶部除了承受填土自身重量还会受到附加应力持续作用，在结构所受竖向荷载达到一定程度后，就会引起洞身开裂；另一个原因是同一涵节在地基发生不均匀沉降时涵洞自身结构受力未能达到均匀导致洞身开裂；涵洞施工中长度较大，未能按照设计要求增设沉降缝[6]。

4.2 接缝病害

受外界不同因素的影响，导致涵洞产生不同程度的病害，施工缝中填料发生脱落较为常见，其产生原因是缝宽过大使填料难以填满，施工缝部位的防水体系没有达到完善，或施工质量未能达到合格标准，如果涵洞的局部处在软基上，则施工缝部位的涵节将有可能产生不均匀沉降现象。

4.3 水的作用

高填土涵洞有一定排水作用，所以在设计和施工过程中都要注意防止由于水毁导致涵洞破坏。水毁是指由于水流湍急导致涵洞受到冲刷而破坏。另外，如果两个相邻的涵节未能良好连接，会使水流从涵洞的接口部位向外渗出，导致底板土质被掏空造成涵洞产生不均匀沉降，最终使涵洞遭受破坏。涵洞部分位置发生不均匀沉降还会造成积沙淤堵，使涵洞失去排水的功能[7]。

4.4 地基沉降

两个相邻的涵节若所处地基土质分布不均匀，则会由于地基发生不均匀沉降使涵节之间的接缝部位产生裂缝；当基底土质差异较大时，其坚硬程度也会有很大不同，此时土质较为坚硬部位的承载力相对较大，土质较为松软部位的承载力则相对较小；有的地基从表面看土质相对均匀，但深层次也可能有地质隐患存在，如暗涌、坑洞和洞穴等。如果遇到上述情况，若未能采取一定措施对涵洞地基实施处理，此时将对涵洞造成一定程度的破坏。

4.5 混凝土病害

涵洞表面难免产生一些病害，如泛碱和露筋等。导致这些病害产生的原因包括：保护层厚度较小、混凝土的振捣未能达到均匀和充分等，这些原因都会导致混凝土中的钢筋产生锈蚀，使钢筋体积发生膨胀，进而造成混凝土剥落，对涵洞结构自身耐久性造成不利影响，降低涵洞结构整体强度，减小承载力。

5 高填土涵洞病害防治对策

根据高填土涵洞病害主要特征和产生机理，如果涵洞产生病害，会对其结构自身安全及耐久性造成很大影响，对涵洞进行维修加固必然造成一定程度的经济浪费，且功能效果同样会受到不同程度的影响。统计结果表明，公路工程高填土涵洞数量越来越多，对此必须加强相关理论和技术研究，以便在涵洞产生病害后能够立即采取针对性防治对策。

高填土涵洞施工可考虑采取下列措施防治病害。

一是对于上埋式涵洞，若填高相对较低，则可先使用土体进行回填，将填土压实，达到要求的压实度后，再对涵洞进行开挖修建，该方法的主要优势是能减小涵侧受到的土压力，避免涵洞产生开裂和错位等病害。

二是若涵洞上方填高相对较大，则先将涵侧土体碾压密实，使涵侧填土达到要求的压实度，通过适当减小涵洞顶部填土实际密实度，可起到减小内外部沉降差的作用，进而减小涵洞顶部的土压力，实现减荷目标。

三是如果在V 形河谷中进行涵洞修建，则在施工中要充分利用天然地形条件，以此对涵洞结构自身受力予以改善。

四是在涵洞施工中进行土体填筑时，应对填筑速度予以严格控制，以此在涵洞施工中产生不均匀变形现象时立即调整，防止涵洞结构遭到破坏。涵洞填筑必须分层和对称进行，使填土达到要求的压实度，以免在填筑结束后受到大型机械设备的荷载作用导致侧墙偏载或涵洞顶部产生局部应力集中。

五是填土施工中一旦发现结构异常，应立即暂停施工，并认真检查涵洞结构，将异常现象排除后，才能继续施工，另外在施工中还应随时检查涵洞发生的变形。

6 结语

综上所述，高填土涵洞这一在山区公路建设中常见的涵洞形式，其构造环境必然受到自然雨水冲刷的影响而发生变化，明确冲沟产生原因和对涵洞造成病害的机理，通过高填土涵洞设计与施工典型案例总结分析，得到控制高填土涵洞设计与施工质量的技术指标和防治病害的对策措施。这些技术措施的普及应用，能够促进提高高填土涵洞设计与施工质量，减少涵洞重点部位维修整治数量，达到延长公路安全畅通周期的目的。