談黃土地區(qū)高填土沖溝涵的施工

張勃蓬

1 我國黃土地區(qū)概況

我國是世界上黃土分布較多的幾個(gè)國家之一，其總面積多達(dá)60萬km2。尤其在山西、陜西和甘肅省分布最為廣泛，我國黃土地區(qū)的一般特點(diǎn)為:底層發(fā)育好，地層完整，面積大，地貌類型多，層序清楚[1]。在我國廣大的黃土分布中，濕陷性黃土占了很大一部分的比例，約為60%。濕隱性黃土在西北、華北地區(qū)分布廣泛，其結(jié)構(gòu)為上層覆蓋著濕陷性新黃土，承載力較低;下層是以前堆積的老黃土;地貌表現(xiàn)為地形破碎，黃土碟形洼地，溝谷切割強(qiáng)烈，地下水匱乏，暗溝、陷穴、黃土橋發(fā)育，水土流失嚴(yán)重。特別是在暴雨期間，沖溝側(cè)向溯源侵蝕和緩蝕非常嚴(yán)重，特別容易出現(xiàn)淺層滑坡事故。黃土地區(qū)的公路涵洞在設(shè)計(jì)施工過程中，不可避免地會(huì)遇到地基承載力不足及濕陷性黃土等問題，因此必須加強(qiáng)對這方面的重視。

2 黃土地區(qū)高填土涵洞的設(shè)計(jì)及處理

2.1 黃土沖溝

國道主干線連霍高速天水至定西段，坡面沖溝切割非常強(qiáng)烈，沖溝多處分布。依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)比較，對黃土沖溝處治原則一般為:較大沖溝采取設(shè)橋形式，較小沖溝采取壩式路基或高填路基高位涵相結(jié)合形式。

沖溝大部分是地表受流水的侵蝕作用形成的，屬于暫時(shí)性的線狀溝谷地形，地貌特征表現(xiàn)為條狀的凹地(長度約為幾米至幾十米，深度約為幾米至幾十米)。

沖溝的形成一般要經(jīng)過三個(gè)發(fā)展階段。首先是細(xì)谷的形成:沖溝向上游與下游兩個(gè)方向不斷發(fā)展擴(kuò)大，經(jīng)常在最上游形成較大落差的頂部跌水，這種沿上游方向不斷擴(kuò)展的過程叫做向源侵蝕。其次是“懸掛”狀出口的形成，這主要是由強(qiáng)烈的下蝕作用產(chǎn)生的。下蝕作用到達(dá)一定基準(zhǔn)面(一般是某一盆地的水面或沖溝排泄口河流)后便會(huì)受條件限制而不能繼續(xù)下蝕，這一基準(zhǔn)面叫作侵蝕基準(zhǔn)面。最后一個(gè)階段，谷底逐漸變緩，沖溝岸坡塌落逐漸形成穩(wěn)定的天然坡度。在這三個(gè)階段常會(huì)伴隨不同的破壞形式。在黃土地區(qū)進(jìn)行道路施工時(shí)，對沖溝進(jìn)行處理尤其重要，因?yàn)楦鱾€(gè)階段沖溝的存在會(huì)使工程質(zhì)量存在重大隱患。

2.2 高填土涵洞的沖溝治理

涵洞穩(wěn)定的基礎(chǔ)是路基穩(wěn)定。高填土涵洞的穩(wěn)定與填土、路基、排水等方面密切相關(guān)。

進(jìn)行溝壁的擴(kuò)溝處理包括開挖溝壁陷穴和臺(tái)階兩部分。開挖范圍和對象為坡腳外的上游方向50 m與下游方向20 m的內(nèi)溝壁和溝底處的黃土陷穴，特別要注意對大陷穴的處治，一定要將其開挖徹底。在縱向方向上開挖結(jié)合槽，結(jié)合槽寬深依據(jù)沖溝而定，同時(shí)考慮土質(zhì)臺(tái)階的施工。對路基填挖結(jié)合部的處理，依次采取翻挖強(qiáng)夯、整平強(qiáng)夯開挖區(qū)、分層碾壓等操作，最終使其壓實(shí)度達(dá)到95%以上的要求;進(jìn)行路堤施工時(shí)應(yīng)當(dāng)采取分層填筑的方式，且對局部位置(自基底處填土5 m處)進(jìn)行強(qiáng)夯處理。強(qiáng)夯施工完成之后，在土基和基底層之間，順著路線縱向在其前后10 m之內(nèi)分層進(jìn)行土工格室鋪設(shè)之后，用砂礫進(jìn)行填筑。然后在土工格室下鋪設(shè)3層土工格柵(每層間距約為0.6 m，寬度為填挖方兩側(cè)各5 m)[2]。鋪設(shè)土工格柵與土工格室的工作應(yīng)在強(qiáng)夯完成之后進(jìn)行。

2.3 路基邊坡形式

對原狀土樣進(jìn)行剪切與常規(guī)土工試驗(yàn)，使用原始的試驗(yàn)指標(biāo)對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算后得出的規(guī)律如表1所示[3]。

表1 路基邊坡施工依據(jù)

壩式路基具有能夠有效利用挖方棄方提高涵位，減短涵長，降低工程造價(jià)和防止水土流失等優(yōu)點(diǎn)，它適用于溝底無常流水，匯水面積小或者無車輛與行人通行的要求、黃土濕陷性較小、溝底縱坡較陡的沖溝。

依據(jù)西北地區(qū)使用的邊坡形式和進(jìn)行的圓弧法穩(wěn)定驗(yàn)算，壩式路基一般采用臺(tái)階式邊坡:20 m以下每隔20 m設(shè)置一道寬2 m的邊坡平臺(tái)(坡率從上至下依次取 1∶2.25，1∶2.5 與 1∶2.75);20 m以上每10 m設(shè)置一道寬2 m的邊坡平臺(tái)(坡率從上至下依次取 1∶1.75 與 1∶2)[4]。

3 高填土涵洞的防護(hù)與排水

采取有效的減荷措施是高填土涵洞的好的防護(hù)手段之一，減荷措施的核心是充分發(fā)揮“土拱效應(yīng)”，使涵體本身與外側(cè)土柱共同承擔(dān)涵頂重量。以下為常用的減荷方法:充分利用溝谷與地形;在涵洞頂部一定范圍內(nèi)使用“中松側(cè)實(shí)”填土法或高壓縮性填料;采用低壓縮性填料等方法將涵臺(tái)背后填土的壓實(shí)度增大;采用加固涵臺(tái)兩側(cè)地基或使用相對松軟的地基等地基處理方法使地基產(chǎn)生負(fù)的沉降差。

在涵洞進(jìn)口處設(shè)置急流槽能夠有效減少流水對涵洞產(chǎn)生的沖刷作用，如果出現(xiàn)縱坡較大的情況，最好在進(jìn)口處設(shè)置一個(gè)跌水井與在出口處設(shè)急流槽。坡腳線外隔20 m設(shè)置一消力池，同時(shí)每隔5 m設(shè)置一道防滑坎，這樣能夠很好降低涵洞受到的沖刷[5]。路堤防水對高位涵同等重要，具體措施如下:為預(yù)防蓄水下滲造成管涌現(xiàn)象，應(yīng)在迎水面鋪設(shè)雙層(一布一膜)復(fù)合土工膜，土工膜嵌入溝壑和底面的深度約2 m;設(shè)漿砌片石護(hù)坡，其基礎(chǔ)嵌入地面深度不應(yīng)小于1.25 m。漿砌片石護(hù)坡同復(fù)合土工膜的設(shè)計(jì)標(biāo)高都不應(yīng)低于涵洞頂面1 m的高度;在背水面邊坡處與迎水面護(hù)坡以上，設(shè)置拱形骨架起到加固的作用。

4 高填土涵洞施工工藝

鋼筋蓋板涵的施工:首先，清理施工現(xiàn)場，進(jìn)行涵洞基礎(chǔ)放樣，然后進(jìn)行基礎(chǔ)施工。地表排水工作，將基坑加寬0.5 m的工作面，邊坡為1∶0.5。挖掘機(jī)開挖，并進(jìn)行人工刷坡，當(dāng)開挖至設(shè)計(jì)基底0.2 m左右時(shí)進(jìn)行人工清底，立模澆筑基礎(chǔ)混凝土。地基夯實(shí)工作，承載力必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求，否則必須進(jìn)行基底處理，并且保證其填實(shí)度達(dá)95%以上[6]。山區(qū)沖溝涵布設(shè)時(shí)可以根據(jù)地形條件適當(dāng)移動(dòng)涵洞設(shè)置，將涵洞設(shè)置在溝谷的側(cè)坡上[7]。

因此，布設(shè)于側(cè)坡上的涵洞，對頂填土大于8 m的高填土涵洞或置于填方上的涵洞一般采取反開挖法施工，施工工藝流程為:同路基一并填土或開挖至換填底標(biāo)高后，在涵洞范圍和兩側(cè)基礎(chǔ)邊緣大于3 m的范圍依據(jù)《特殊路基設(shè)計(jì)工程數(shù)量表》進(jìn)行強(qiáng)夯施工，之后進(jìn)行換填層填筑、涵洞基礎(chǔ)混凝土澆筑的工作，使處理后的復(fù)合地基承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求值。為防止混凝土的水分流失，基礎(chǔ)混凝土四周滿鋪一層塑料布并扳倒連接鋼筋。進(jìn)行路基填筑工作，使其高度至涵頂標(biāo)高1 m處后，垂直方向開挖涵洞基坑(基坑寬度僅為臺(tái)身兩外緣之間的距離)，將連接鋼筋扳起，進(jìn)行涵洞臺(tái)身混凝土澆筑(同時(shí)注意提起基礎(chǔ)外包塑料布，鋪放在基坑邊上，這樣能夠有效防止混凝土內(nèi)的水分流失)，鑿毛基礎(chǔ)連接部位同臺(tái)身的混凝土后對應(yīng)焊接連接鋼筋。最后進(jìn)行架設(shè)蓋板，回填涵頂工作。

涵洞急流槽依據(jù)早接遠(yuǎn)送原則進(jìn)行設(shè)置，基坑開挖之后的地基必須進(jìn)行強(qiáng)夯，使壓實(shí)度達(dá)到95%以上。急流槽應(yīng)在地質(zhì)變化處或每隔5 m～8 m設(shè)瀝青麻絮沉降縫(為防滲漏水應(yīng)包裹防水土工膜)。如果急流槽底的縱坡坡度大于10%，則應(yīng)每隔5 m設(shè)底寬約1 m的防滑坎。急流槽底厚度應(yīng)大于0.4 m，且采取臺(tái)階狀達(dá)到消能的作用。急流槽的布置應(yīng)以實(shí)際地形為參考依據(jù)，同時(shí)盡量保證將其設(shè)在原狀土上。為確保急流槽安全穩(wěn)定，施工時(shí)應(yīng)做好周圍沖溝、陷穴等不良地質(zhì)的處理工作。

5 結(jié)語

我國濕陷性黃土分布范圍廣泛，黃土地區(qū)高填土涵洞的設(shè)計(jì)與施工應(yīng)當(dāng)依據(jù)水文地質(zhì)、沖溝的形式等實(shí)際地理情況確定。如果有必要，可將高填土涵洞同橋梁跨越進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，最終確定出合理的經(jīng)濟(jì)性好且滿足使用功能的方法。

[1]高大釗，袁聚云.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].北京:人民交通出版社，2002:56-82.

[2]謝永利.公路涵洞工程[M].北京:人民交通出版社，2009.

[3]蒙春宇.淺談高填土涵洞的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[J].廣西城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2010(31):5-8.

[4]高發(fā)忠.高填方涵洞的設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].吉林省公路勘測設(shè)計(jì)院，2010(1):6-12.

[5]謝守斌.涵洞設(shè)計(jì)與施工研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(25):46-53.

[6]付 春.高填方涵洞問題研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2008(14):78-85.

[7]衛(wèi)建華.山區(qū)涵洞設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析[J].山西交通科技，2008(6):49-50.