五盂高速公路橋改路方案分析與設計

郭 銳

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

當山嶺區高速公路跨越溝谷時，在路基中心填高大于20 m的情況下，需要將路基方案與橋梁方案進行充分比選后確定設計方案。但多數設計人員較為主觀地認為橋梁方案安全便利，風險較小，往往在未進行路橋方案比選的情況下采用橋梁方案。事實上，在所跨越地質情況良好，溝底坡度相對較緩的溝谷時，采取路基方案往往可能會取得更加理想的效果[1-2]。

五臺至盂縣高速公路LJ7合同段范圍內山高溝深，地形條件復雜，線位于山腰處布設，路線多次跨越自然沖溝，施工困難，進度緩慢。為方便施工，加快進度并節約投資，在綜合分析橋址處水文、地質、地形情況及充分論證施工難度、經濟效益、運營安全等因素后，最終決定將LJ7合同段范圍內御棗口1號大橋及燈花2號大橋優化為路基方案。LJ7合同段路線方案總體圖詳見圖1。

圖1 五盂高速公路LJ7合同段路線方案總體圖

1 工程概況

御棗口1號大橋為跨越“U”形沖溝所布設，橋梁全長187 m，橋跨型式6×30 m預應力混凝土連續箱梁，橋墩采用柱式墩及實心墩，橋臺采用柱式臺，基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。橋面距地面0～32 m，橋址處地質情況由上往下依次為0.6～2.40 m厚碎石（Q4el+dl）、10.8～25.1 m厚強風化黑云斜長片麻巖（Arlnh）及11.0～19.70 m厚中風化黑云斜長片麻巖（Arlnh），橋址區所跨越沖溝地表無長流水[3-4]。御棗口1號大橋橋型布置圖詳見圖2。

圖2 御棗口1號橋橋型布置圖（單位：mm）

燈花2號大橋為跨越“U”形沖溝所布設，橋梁全長222 m，橋跨型式7×30 m預應力混凝土連續箱梁，橋墩采用柱式墩及實心墩，基礎采用鉆孔灌注樁基礎，橋臺采用重力臺，基礎采用擴大基礎。橋面距地面0～46 m，橋址處地質情況由上往下依次為1～5.2 m厚碎石（Q4el+dl）、7.00～23.50 m厚強風化黑云斜長片麻巖（Arlnh）及6.00～17.60 m厚中風化黑云斜長片麻巖（Arlnh），橋址區所跨越沖溝地表無長流水[3-4]。燈花2號大橋橋型布置圖詳見圖3。

圖3 燈花2號橋橋型布置圖（單位：cm）

2 橋改路優化的原因

五盂高速公路LJ7合同段全長4.93 km，線位于山腰處布設，跨越多條沖溝，合同段內共設置大中橋梁3 080 m/10座，全線路基共分割成11段，且路線均在半山腰，自然地理條件復雜，施工難度極大。LJ7合同段施工現場情況見圖4。

圖4 LJ7合同段施工現場情況

2.1 在建設過程存在的問題

a）本合同段內梁板合計794片，梁板預制工作量大，施工現場無合適位置；現場地形條件復雜，便道修建難度大，預制梁運輸困難且存在較大安全隱患。

b）本合同段內橋梁數量較多，路基被橋梁分割，路基土石方調配難度大，基本均需隔橋調運，嚴重影響施工進度。

c）本合同段內路基大部分均為挖方路塹，廢方數量較多，棄土運量巨大，因棄土場距離較遠且地形較困難，導致棄土困難。

2.2 解決方法

a）采取橋改路后形成的長段落路基作為梁場，可以直接利用路基進行制梁、存梁及運梁。

b）橋改路后，可以盡快打通路基，較大程度減少隔橋調運。

c）橋改路后形成的路基可就近利用大量挖余廢方，較大程度地減少棄方數量。

經過多次研究和反復論證，最終確定了將御棗口1號大橋及燈花2號大橋調整為路基方案的優化設計思路。

3 橋改路方案可行性分析

3.1 水文條件分析

御棗口1號大橋橋址處匯水面積為0.026 km2，采用徑流厚度法計算流量為1.9 m3/s；燈花2號大橋橋址處匯水面積為0.096 km2，采用徑流厚度法計算流量為5.8 m3/s；橋改路后通過設置涵洞完全可以滿足上游排水要求。

3.2 地形、地質條件分析

御棗口1號大橋橋下沖溝在路線區域內溝底平均縱坡為9.64%，燈花2號大橋橋下沖溝在路線區域內溝底平均縱坡為29.75%，溝底縱坡均相對較緩，有利于保證填筑路基的穩定性。

上述兩橋梁所跨越沖溝上游溝底縱坡明顯變大，御棗口1號大橋右側上游溝底縱坡為43.21%，燈花2號大橋右側上游溝底縱坡為55.62%，該地形條件適宜將上游填平。填平區在施工過程中可作為施工場地，方便施工，施工完成后可進行綠化。

御棗口1號大橋、燈花2號大橋橋址處及前后段挖方路基邊坡地質情況主要為強風化及中風化黑云斜長片麻巖，巖質堅硬，邊坡傾角為反傾路基方向，具有較好的自穩能力，可充分利用前后側挖方邊坡挖余石方填筑路基，基本實現填挖平衡，填料滿足設計要求；溝底原地表所覆蓋碎石土層地基承載力可以滿足設計要求。

3.3 路基穩定性分析

在進行路堤穩定性分析時，御棗口1號大橋選用K26+630處橫斷面作為典型計算斷面，燈花2號大橋選用K29+280處橫斷面作為典型計算斷面。根據路堤斷面形式擬定最不利滑面，利用理正巖土計算軟件，分別采用不平衡推力法和直線法分別對路堤的整體穩定性進行分析計算。根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）《高路堤與陡坡路堤穩定安全系數表》（表3.6.11）中的相關內容，在采用不平衡推力法和直線法計算分析路堤穩定性時，安全系數選取1.30。根據計算所得剩余下滑力判斷路堤穩定性，剩余下滑力小于0說明邊坡穩定，若剩余下滑力大于0則說明邊坡不穩定。典型計算斷面見圖5、圖6。

圖5 御棗口1號橋橋改路典型計算斷面

圖6 燈花2號橋橋改路典型計算斷面

根據類似填料的經驗參數，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°，對選定的滑面進行剩余下滑力計算。驗算結果表明：御棗口1號橋、燈花2號橋橋改路基的路堤穩定性滿足規范要求。計算結果見表1所示。

表1 穩定性計算成果匯總表

綜上所述，御棗口1號大橋及燈花2號大橋充分具備橋改路所需條件，橋改路方案可行。

4 橋改路優化設計方案

4.1 填筑坡率及防護形式

御棗口1號大橋調整為路基后，路堤高度8 m內邊坡坡率為1∶1.5；大于8 m小于等于20 m的部分，邊坡坡率為1∶1.75；大于20 m的部分邊坡坡率為1∶2；在8 m、20 m及20 m以下每10 m分別設一級2 m寬平臺。

燈花2號大橋調整為路基后，因線位左側存在地方道路及魚塘，故將坡率變陡以收縮坡腳。路堤高度8 m內邊坡坡率為1∶1.30；大于8 m小于等于32 m，邊坡坡率為1∶1.5；大于32 m的部分邊坡坡率為1∶1.75；在8 m、20 m、32 m及以下每12 m設一級2 m寬平臺。

上述兩處高填方路堤左側邊坡坡面采用拱形骨架+植草防護，為確保邊坡穩定并收縮坡腳，在邊坡坡腳處增設3～5 m高護腳擋墻。

4.2 縱、橫向填挖交界處及陡坡路堤段特殊處理

對地面自然坡度陡于1∶5的斜坡路段，地表坡積碎石土層較松散，施工前必須清表，清表后路堤基底應挖臺階，臺階寬度2～8 m，基底填筑碎石，嚴格控制黏土含量，確保基底排水順暢，避免地下水富集，危及邊坡穩定，每隔一定距離設置深入基巖的防滑坎；為增強路堤的穩定性及避免差異沉降的產生，對路基縱向填挖交界處以及半填半挖路基采用鋪設3層鋼塑格柵加筋處理。

4.3 防排水工程

a）御棗口1號大橋取消后增加1-1.5 m圓管涵，燈花2號大橋取消后增加1-2×2.5 m蓋板涵，以排除上游山體及路面匯水。

b）路堤左右側坡面每20 m設置一道路堤急流槽，路面攔水帶對應位置設置開口，將路面的水引入路堤急流槽，排至溝底。

c）路右側填整平區在山腳處設置環形截水溝，同時在溝口設置跌水臺階，將上游匯水引入環形截水溝。

d）在涵洞入口設置蓄水池，將路堤右側環形截水溝和排水溝的水引入蓄水池，通過涵洞流入下游溝內。

e）在填石路堤邊坡外側增設1 m厚包邊土，以防止雨水滲入路堤，影響路堤坡體及基底的穩定性。

f）路堤右側填挖平的區域，為了防止雨水下滲對路堤的穩定性造成影響，從下至上分別設置兩布一膜防滲土工布+30 cm厚10%灰土墊層+40 cm厚種植土。

4.4 施工質量保證措施

由于御棗口1號大橋及燈花2號大橋橋改路后溝中心處路基中樁最大填土高度分別達到32 m及46 m，對高填方路堤的沉降控制成為決定橋改路方案效果的最直接因素。為確保填筑質量，最大程度減小路基不均勻沉降，主要采取了以下措施：

a）嚴格控制填料質量。根據本合同段情況，兩處高填路堤均為填石方。要求所填筑填料為硬質巖，必須保證填料單軸飽和抗壓強度不低于30 MPa；同時需保證填料最大粒徑小于壓實厚度的2/3，路床范圍內的填料粒徑應小于100 mm，路床底面以下400 mm范圍內的填料粒徑應小于150 mm。

b）在進行路基填筑前，通過填筑路基試驗段確定路基填筑及碾壓的相關技術參數和工藝要求，并在路基施工過程中嚴格貫徹執行。填石路堤的壓實質量主要是通過檢測及施工參數聯合控制。壓實質量的檢測方法主要包括壓實孔隙率及沉降差兩種；施工控制參數主要包括松鋪厚度、壓實遍數、碾壓速度及壓實功率等。

c）進行持續、系統的路堤沉降觀測。路堤沉降觀測一般通過設置觀測點及邊樁進行，在觀測過程中根據填筑厚度及位移量的大小確定觀測頻率。

d）在鋪筑路面前為高填路堤預留足夠的自然沉降期，盡量減小工后沉降，防止路基不均勻沉降所形成的的路面結構開裂及破壞。

5 橋改路效益評價

御棗口1號大橋造價為1 528.6萬元，橋改路后，對應段路基總造價為1 085.2萬元，總造價減少443.4萬元；燈花2號大橋造價為1 744.9萬元，橋改路后，對應段路基總造價為1 383.1萬元，總造價減少361.8萬元。路基還可就近利用廢方86.5萬m3，較大程度地減少了棄方數量，基本實現填挖平衡，經濟效益明顯。

橋改路后所形成平整、寬闊的路基完全可以滿足梁板預制場及存梁區要求，在制梁及存梁期間，預制梁及機械設備對路基進行了堆載預壓，可以有效地消除路基沉降，還可通過路基向兩側橋梁進行梁板運輸及架設，可有效地加快施工進度，具有較好的工程效益。橋改路后增設梁場詳見圖7，高填方路基遠景詳見圖8。

此外，橋梁調整為路基后改變了原溝谷處的地貌，對路基左側邊坡拱形骨架內進行了綠化，在路基右側填平區域內種植了草皮及景觀樹木，較大程度改善了公路兩側的自然景觀，取得較為顯著的社會效益。

圖7 橋改路后增設梁場

圖8 橋改路高填方遠景

6 結語

山區高速公路在跨越溝地質情況良好，溝底坡度相對較緩的溝谷時，在綜合分析橋址處水文、地質、地形情況及充分論證施工難度、經濟效益、運營安全等因素，并通過采取多種工程措施保證填筑質量的情況下，相對于橋梁方案，采取路基方案可能取得更加經濟合理的效果。

五盂高速公路LJ7合同段御棗口1號大橋及燈花2號大橋橋改路于2012年4月開始按優化設計方案施工，于2012年10月完成路基填筑，后續為橋梁預制場提供了理想的場地，有效地解決了預制梁建設場地的難題，更有利于路基土石方調配，使該段的施工組織整體布局更趨合理，有力地保證了五盂高速公路總體建設目標如期實現。截至目前，兩處路基穩定性良好，路面行車平穩舒適，道路兩側景觀優美怡人，橋改路取得良好的經濟效益及社會效益。