公路高填土涵洞設(shè)計(jì)及施工工藝研究

焦亞斌

（蘭州乾元交通規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 引言

一些山區(qū)公路路堤填高較大，相應(yīng)地出現(xiàn)了很多高填土涵洞。高填土涵洞與普通涵洞相比，因沖溝的影響，會(huì)造成兩者的設(shè)計(jì)與施工均有所不同。對(duì)此，有必要結(jié)合工程實(shí)際情況深入分析探討高填土涵洞的設(shè)計(jì)與施工相關(guān)技術(shù)，明確設(shè)計(jì)與施工技術(shù)要點(diǎn)，解決高填土帶來的涵洞結(jié)構(gòu)環(huán)境問題，并以此為同類工程設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)支持。

1 沖溝產(chǎn)生原因與危害

沖溝的產(chǎn)生主要和流水侵蝕作用有關(guān)，為條狀凹地，深度從幾米到幾十米，長度從幾米到幾百米。沖溝產(chǎn)生與發(fā)展一般經(jīng)歷三個(gè)階段：第一階段為形成細(xì)谷。沖溝持續(xù)擴(kuò)大，向上、下游發(fā)展，于最上游可能形成有明顯地貌落差的頂部跌水，這一向上游持續(xù)發(fā)展的過程即為源侵蝕。沖溝出口部位通常為懸掛狀，此為沖溝形成與發(fā)展的第二階段，主要是下蝕作用。在這一作用發(fā)展至某種程度后，因受到各方面條件的影響和限制，將不再發(fā)生下蝕，此時(shí)會(huì)到達(dá)一個(gè)基準(zhǔn)面，一般為沖溝排泄口部位的河流或盆地水面，通常將其稱作侵蝕基準(zhǔn)面。沖溝形成與發(fā)展第三階段為谷底不斷變緩，沖溝岸坡持續(xù)坍落，產(chǎn)生達(dá)到一定穩(wěn)定狀態(tài)的坡度。以某公路工程為例，在其K256+460—K330+457.9 段范圍內(nèi)，沖溝每個(gè)階段都存在，給該工程施工質(zhì)量造成很大影響[1]。

2 高填土涵洞設(shè)計(jì)

高填土涵洞指的是填土高度達(dá)到8m 及以上的涵洞。某公路工程K298+900—K321+900 合同施工標(biāo)段，路線處在岔溝北岸，邊坡表面存在切割十分強(qiáng)烈的沖溝，共有9 處沖溝。通過外業(yè)勘查與經(jīng)濟(jì)比較，以及現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)論證可知，存在三條相對(duì)較大的沖溝采用設(shè)置橋梁的方式從中通過，其他沖溝則采用高填方路基形式通過，該路線范圍高位涵設(shè)置情況如表1所示。

表1 某公路工程K298+900—K321+900 標(biāo)段高位涵設(shè)置情況

高填土涵洞整體穩(wěn)定性和路基、填土與排水直接相關(guān)，使路基保持穩(wěn)定是涵洞處于穩(wěn)定狀態(tài)的重要基礎(chǔ)，尤其是黃土地基，必須做好沖溝處理。先對(duì)溝壁實(shí)施擴(kuò)溝處理，挖設(shè)溝壁陷穴與臺(tái)階。對(duì)坡腳部位上游50m、下游20m 的溝底和溝壁分別進(jìn)行開挖，縱向形成寬度8m、深度2m 的結(jié)合槽，施工中土質(zhì)臺(tái)階同時(shí)考慮。在開挖和填筑的結(jié)合位置，先進(jìn)行翻挖強(qiáng)夯，再整平強(qiáng)夯整個(gè)開挖部位，然后按照要求實(shí)施分層碾壓；高填路堤施工進(jìn)行分層填筑，部分位置可考慮采用強(qiáng)夯的方法處理，強(qiáng)夯處理的位置是基底填高5m 處；開挖與填筑的結(jié)合處，要求其壓實(shí)度不低于95%，強(qiáng)夯結(jié)束后需在基底和土層間沿路線分布方向的縱向前、后分別10m 的范圍內(nèi)增設(shè)土工格室，使用砂礫進(jìn)行填筑；另外，在土工格室的下方還需增設(shè)三層土工格柵，其上、下部間隔距離為60cm，每層的寬度都應(yīng)達(dá)到開挖和填筑兩側(cè)分別5m。強(qiáng)夯施工完成后才能進(jìn)行土工格室與土工格柵的施工。具體的強(qiáng)夯技術(shù)參數(shù)包括：加固深度需達(dá)到6m，夯擊遍數(shù)為2遍，夯擊布置形式為正方形，夯擊間隔距離為5m，單點(diǎn)夯擊能為3000kN·m，夯擊次數(shù)為18 次，滿擊夯擊能為100kN·m，滿擊夯擊次數(shù)為3 次（需注意，所有夯擊參數(shù)都要通過試夯進(jìn)行確定和調(diào)整）[2]。

在有代表性的路段選取原狀土樣實(shí)施剪切與常規(guī)土工試驗(yàn)，利用原始指標(biāo)分析確定邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)坡高不超過8m 時(shí)，按照1∶1.5 的坡度一坡到底；當(dāng)坡高超過8m 時(shí)，選擇折線形邊坡；當(dāng)坡高在0～8m 范圍內(nèi)時(shí)，坡度按1∶1.5 控制，當(dāng)坡高在8～20m 范圍內(nèi)時(shí)，坡度按1∶1.75 控制。匯水面積不大、底部沒有常流水存在或沒有通行要求，但溝底縱坡較陡，濕陷性不明顯的沖溝，可考慮壩式路基方案，于兩側(cè)選擇適當(dāng)位置增設(shè)高位涵。對(duì)于壩式路基，其主要優(yōu)勢(shì)在于能充分利用挖、棄方，明顯提高涵位，縮短涵長，減少工程造價(jià)，此外還能避免水土流失。壩式路堤邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算方法為圓弧法，同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，邊坡的具體形式采用臺(tái)階式邊坡為宜，超過20m 的部分按照10m 的間隔距離設(shè)置寬度為2m 的邊坡平臺(tái)，坡率從上到下依次為1∶7.75 與1∶2，而不超過20m 的部分，按照20m 的間隔距離設(shè)置寬度為2m 的邊坡平臺(tái)，坡率從上到下依次為1∶2.25、1∶2.5 與1∶2.75。

為避免流水對(duì)涵洞造成太大沖刷作用，需考慮在涵洞的進(jìn)口部位增設(shè)急流槽。在縱坡相對(duì)較大的部位，還需要在進(jìn)口部位增設(shè)跌水井，用于進(jìn)一步減弱涵洞受到的沖刷作用。除此之外，出口部位同樣要增設(shè)急流槽，按5m 的間隔距離設(shè)置防滑坎，并在坡腳線以外按照20m 的間隔距離設(shè)置消力池。對(duì)于高位涵來說，路堤防水也十分重要。在壩式路堤上的迎水面鋪設(shè)兩層復(fù)合土工膜，即一布一膜，用于避免蓄水下滲導(dǎo)致管涌現(xiàn)象，土工膜的鋪設(shè)需嵌入底部和溝壑中至少2m，并在迎水面的表面設(shè)置一道漿砌片石護(hù)坡，其基礎(chǔ)需嵌入地面至少1.25m，護(hù)坡部分的標(biāo)高應(yīng)比涵洞頂面高出1m。護(hù)坡上部和背水面邊坡都應(yīng)設(shè)置拱形骨架來加固[3]。

3 高填土涵洞施工

高填土涵洞與設(shè)于填方上的涵洞均按照反開挖法進(jìn)行施工，具體施工步驟和工藝要求為：先開挖或一并填筑到換填底部的標(biāo)高，再于涵洞所在部位及其基礎(chǔ)邊緣分別3m 之內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)夯處理，完成強(qiáng)夯后進(jìn)行換填層的填筑施工，并對(duì)涵洞的基礎(chǔ)進(jìn)行澆筑，在處理結(jié)束后要求復(fù)合地基的實(shí)際承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，基礎(chǔ)周圍還需鋪設(shè)一層塑料布用于防止混凝土中的水分發(fā)生流失，此前應(yīng)注意先扳倒臺(tái)身和基礎(chǔ)之間的連接鋼筋，然后在臺(tái)身澆筑過程中扳起并進(jìn)行對(duì)應(yīng)焊接。基礎(chǔ)澆筑成型后，將路基澆筑到涵洞頂部標(biāo)高上部1m 的位置，之后沿垂直方向開挖基坑，其寬度為臺(tái)身兩側(cè)外緣之間的距離，將連接鋼筋扳起后，對(duì)臺(tái)身進(jìn)行澆筑，并對(duì)臺(tái)身和基礎(chǔ)之間的連接部位進(jìn)行鑿毛，最后對(duì)連接鋼筋進(jìn)行焊接。在澆筑臺(tái)身的過程中應(yīng)揭開基礎(chǔ)外部包裹的塑料布，并將其鋪掛于兩側(cè)基坑邊緣，避免臺(tái)身混凝土產(chǎn)生嚴(yán)重的水分流失，最后按照要求進(jìn)行蓋板的架設(shè)和涵洞頂部回填處理[4]。

急流槽設(shè)置應(yīng)做到早接遠(yuǎn)送，將其基坑開挖完成后，需將地基夯實(shí)，壓實(shí)度達(dá)到95%及以上。在急流槽中還需按照5～8m 的間隔距離并在地質(zhì)發(fā)生變化的部位增設(shè)沉降縫，縫中填塞瀝青麻絮，此外要在接縫位置與其外圍包裹一層防水土工膜，用于避免產(chǎn)生滲漏水。如果急流槽的底部縱坡超過10%，則按照5m的間隔距離設(shè)置底部寬度為1m 的防滑坎。急流槽需要以坡度為依據(jù)設(shè)置成臺(tái)階狀，以此起到一定的消能作用，并確保急流槽底部厚度達(dá)到40cm 及以上。在施工過程中急流槽要以實(shí)際地形條件為依據(jù)合理布置，盡可能設(shè)于原狀土的表面。在施工過程中還要做好不良地質(zhì)處理，保證急流槽保持穩(wěn)定和安全[5]。

4 高填土涵洞常見病害及其產(chǎn)生原因

4.1 洞身開裂

涵洞剛度遠(yuǎn)大于填土，涵洞上方土體發(fā)生沉降變形時(shí)產(chǎn)生明顯內(nèi)外沉降差，使涵側(cè)土體難以壓實(shí)，若內(nèi)、外土柱發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，則會(huì)在涵洞的頂部產(chǎn)生一定附加土壓力。涵洞頂部除了承受填土自身重量還會(huì)受到附加應(yīng)力持續(xù)作用，在結(jié)構(gòu)所受豎向荷載達(dá)到一定程度后，就會(huì)引起洞身開裂；另一個(gè)原因是同一涵節(jié)在地基發(fā)生不均勻沉降時(shí)涵洞自身結(jié)構(gòu)受力未能達(dá)到均勻?qū)е露瓷黹_裂；涵洞施工中長度較大，未能按照設(shè)計(jì)要求增設(shè)沉降縫[6]。

4.2 接縫病害

受外界不同因素的影響，導(dǎo)致涵洞產(chǎn)生不同程度的病害，施工縫中填料發(fā)生脫落較為常見，其產(chǎn)生原因是縫寬過大使填料難以填滿，施工縫部位的防水體系沒有達(dá)到完善，或施工質(zhì)量未能達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，如果涵洞的局部處在軟基上，則施工縫部位的涵節(jié)將有可能產(chǎn)生不均勻沉降現(xiàn)象。

4.3 水的作用

高填土涵洞有一定排水作用，所以在設(shè)計(jì)和施工過程中都要注意防止由于水毀導(dǎo)致涵洞破壞。水毀是指由于水流湍急導(dǎo)致涵洞受到?jīng)_刷而破壞。另外，如果兩個(gè)相鄰的涵節(jié)未能良好連接，會(huì)使水流從涵洞的接口部位向外滲出，導(dǎo)致底板土質(zhì)被掏空造成涵洞產(chǎn)生不均勻沉降，最終使涵洞遭受破壞。涵洞部分位置發(fā)生不均勻沉降還會(huì)造成積沙淤堵，使涵洞失去排水的功能[7]。

4.4 地基沉降

兩個(gè)相鄰的涵節(jié)若所處地基土質(zhì)分布不均勻，則會(huì)由于地基發(fā)生不均勻沉降使涵節(jié)之間的接縫部位產(chǎn)生裂縫；當(dāng)基底土質(zhì)差異較大時(shí)，其堅(jiān)硬程度也會(huì)有很大不同，此時(shí)土質(zhì)較為堅(jiān)硬部位的承載力相對(duì)較大，土質(zhì)較為松軟部位的承載力則相對(duì)較小；有的地基從表面看土質(zhì)相對(duì)均勻，但深層次也可能有地質(zhì)隱患存在，如暗涌、坑洞和洞穴等。如果遇到上述情況，若未能采取一定措施對(duì)涵洞地基實(shí)施處理，此時(shí)將對(duì)涵洞造成一定程度的破壞。

4.5 混凝土病害

涵洞表面難免產(chǎn)生一些病害，如泛堿和露筋等。導(dǎo)致這些病害產(chǎn)生的原因包括：保護(hù)層厚度較小、混凝土的振搗未能達(dá)到均勻和充分等，這些原因都會(huì)導(dǎo)致混凝土中的鋼筋產(chǎn)生銹蝕，使鋼筋體積發(fā)生膨脹，進(jìn)而造成混凝土剝落，對(duì)涵洞結(jié)構(gòu)自身耐久性造成不利影響，降低涵洞結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，減小承載力。

5 高填土涵洞病害防治對(duì)策

根據(jù)高填土涵洞病害主要特征和產(chǎn)生機(jī)理，如果涵洞產(chǎn)生病害，會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)自身安全及耐久性造成很大影響，對(duì)涵洞進(jìn)行維修加固必然造成一定程度的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，且功能效果同樣會(huì)受到不同程度的影響。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，公路工程高填土涵洞數(shù)量越來越多，對(duì)此必須加強(qiáng)相關(guān)理論和技術(shù)研究，以便在涵洞產(chǎn)生病害后能夠立即采取針對(duì)性防治對(duì)策。

高填土涵洞施工可考慮采取下列措施防治病害。

一是對(duì)于上埋式涵洞，若填高相對(duì)較低，則可先使用土體進(jìn)行回填，將填土壓實(shí)，達(dá)到要求的壓實(shí)度后，再對(duì)涵洞進(jìn)行開挖修建，該方法的主要優(yōu)勢(shì)是能減小涵側(cè)受到的土壓力，避免涵洞產(chǎn)生開裂和錯(cuò)位等病害。

二是若涵洞上方填高相對(duì)較大，則先將涵側(cè)土體碾壓密實(shí)，使涵側(cè)填土達(dá)到要求的壓實(shí)度，通過適當(dāng)減小涵洞頂部填土實(shí)際密實(shí)度，可起到減小內(nèi)外部沉降差的作用，進(jìn)而減小涵洞頂部的土壓力，實(shí)現(xiàn)減荷目標(biāo)。

三是如果在V 形河谷中進(jìn)行涵洞修建，則在施工中要充分利用天然地形條件，以此對(duì)涵洞結(jié)構(gòu)自身受力予以改善。

四是在涵洞施工中進(jìn)行土體填筑時(shí)，應(yīng)對(duì)填筑速度予以嚴(yán)格控制，以此在涵洞施工中產(chǎn)生不均勻變形現(xiàn)象時(shí)立即調(diào)整，防止涵洞結(jié)構(gòu)遭到破壞。涵洞填筑必須分層和對(duì)稱進(jìn)行，使填土達(dá)到要求的壓實(shí)度，以免在填筑結(jié)束后受到大型機(jī)械設(shè)備的荷載作用導(dǎo)致側(cè)墻偏載或涵洞頂部產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。

五是填土施工中一旦發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常，應(yīng)立即暫停施工，并認(rèn)真檢查涵洞結(jié)構(gòu)，將異常現(xiàn)象排除后，才能繼續(xù)施工，另外在施工中還應(yīng)隨時(shí)檢查涵洞發(fā)生的變形。

6 結(jié)語

綜上所述，高填土涵洞這一在山區(qū)公路建設(shè)中常見的涵洞形式，其構(gòu)造環(huán)境必然受到自然雨水沖刷的影響而發(fā)生變化，明確沖溝產(chǎn)生原因和對(duì)涵洞造成病害的機(jī)理，通過高填土涵洞設(shè)計(jì)與施工典型案例總結(jié)分析，得到控制高填土涵洞設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)和防治病害的對(duì)策措施。這些技術(shù)措施的普及應(yīng)用，能夠促進(jìn)提高高填土涵洞設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量，減少涵洞重點(diǎn)部位維修整治數(shù)量，達(dá)到延長公路安全暢通周期的目的。