生態(tài)柔性路基支擋在烏瑪高速的應(yīng)用探討

張子陽

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司第二公路市政設(shè)計(jì)分院, 甘肅蘭州 730030)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的全面發(fā)展,以及在鄉(xiāng)村振興發(fā)展戰(zhàn)略中,高速公路建設(shè)正如火如荼地開展,目前正逐步完善高速公路網(wǎng)的各處“毛細(xì)血管”,但是也正是處于艱險(xiǎn)山區(qū)的“毛細(xì)血管”,成為了當(dāng)前交通建設(shè)領(lǐng)域難啃的“硬骨頭”[1],這類工程既要面臨邊坡的防護(hù)處理,更要面對(duì)路基支擋結(jié)構(gòu)的防護(hù)處理,如何處理好工程建設(shè)與生態(tài)建設(shè)的關(guān)系,這是當(dāng)前高速公路建設(shè)急需破解的難題[2-4]。其中,生態(tài)柔性路基支擋以生態(tài)性、環(huán)保性和柔性支護(hù)理念為特色,因地制宜,充分利用線路周邊的自然資源,作為生態(tài)柔性路基支擋的填充材料,做到物盡其用的目的,達(dá)到“少棄碴,多利用,全循環(huán)”的建設(shè)目的[5]。

1 工程概述

1.1 項(xiàng)目概況

擬建項(xiàng)目(烏瑪高速)位于甘肅省甘南藏族自治州合作市、夏河縣、碌曲縣境內(nèi)，地處青藏高原東端，甘、青、川三省交界處，東南與四川省阿壩藏族羌族自治州的若爾蓋縣、阿壩縣為鄰，西面與青海省果洛藏族自治州河南蒙古族自治縣毗鄰。項(xiàng)目起點(diǎn)位于合作市西南的大灑，與現(xiàn)有臨合高速公路終點(diǎn)相接，經(jīng)周曲、阿木去乎、碌曲(日洼多)、來格加尼合、多喀尕秀，終點(diǎn)位于尕秀西哈斯迪肉、甘青兩省交界處。

本項(xiàng)目主線采用設(shè)計(jì)速度100 km/h的雙向四車道高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),整體式路基寬度26 m、分離式路基寬度13 m,行車道寬度2×2×3.75 m;夏河機(jī)場(chǎng)連接線采用設(shè)計(jì)速度80 km/h的雙向4車道一級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),整體式路基寬度22.5 m,分離式路基寬度11.25 m。

1.2 地形地貌

甘南山地高原位于青藏高原東部邊緣,西鄰青海,南接四川省,東部逐漸向隴南山地過渡,北連甘肅隴中黃土高原,兩者之間有清晰的地貌界線。這是一個(gè)海拔較高、地表呈現(xiàn)波狀起伏、山地與高原相間分布的地區(qū),常被稱為山原。地勢(shì)西高東低,地形復(fù)雜,西有積石山,南有岷山,北有太子山,中有西傾山,均呈近東西向展布。區(qū)內(nèi)山巒重迭,河流溝谷縱橫,草原遍布,可劃分為高原山地和中高山河(峽)谷兩個(gè)大的地貌單元。

高山森林區(qū),森林茂密,溝壑縱橫,是甘南主要的林區(qū);丘陵低山區(qū),山巒起伏,溝淺谷寬,是發(fā)展飼養(yǎng)業(yè)和種植業(yè)的主要地區(qū)。山脈主要有岷山、西傾山、積石山3條山脈,均屬昆侖山脈余脈,呈西北—東南走向,主峰多在3 500～5 400 m之間。河流侵蝕作用微弱,山地多在4 000 m以下,一般坡度不大,溝淺谷寬,在山體與河谷交接處形成許多緩坡和灘地,各山地間多為開闊的盆地草灘,盆地中部海拔3 000 m左右,地表切割深度在300 m以下,地表起伏比較平緩,許多山麓有黃土覆蓋,呈典型的山原地貌。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)及成因類型可分為構(gòu)造堆積盆地(Ⅰ)、構(gòu)造剝蝕山地(Ⅱ)、河流侵蝕堆積河(溝)谷(Ⅲ)三大地貌單元,其中構(gòu)造堆積盆地(Ⅰ)又可細(xì)分為山麓斜坡堆積(Ⅰ-1)和山間堆積平原(Ⅰ-2),河流侵蝕堆積河(溝)谷(Ⅲ)又可細(xì)分為河流侵蝕堆積河谷(Ⅲ-1)和河流侵蝕堆積溝谷(Ⅲ-2),1.3 變速車道的構(gòu)成

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性

項(xiàng)目區(qū)地處秦嶺東西復(fù)雜構(gòu)造帶西端,北鄰祁呂賀山字型前弧西翼,西毗康藏歹字型體系,東部已達(dá)武都弧型構(gòu)造的邊緣,構(gòu)造格局大體形成于三迭紀(jì)末至白堊紀(jì)之間,為強(qiáng)烈擠壓形成的構(gòu)造形式,在強(qiáng)烈擠壓的同時(shí),伴有中酸性巖漿侵入。

工程區(qū)出露地層主要有三疊系(T)、新近系(N)和第四系(Q)不同成因堆沉積物(見下圖),區(qū)內(nèi)分布主要地層,貫穿路線全線,可分為下三迭統(tǒng)(T1)和中三迭統(tǒng)(T2),并進(jìn)一步細(xì)分為:下三迭統(tǒng)下巖組(T1a)、下三迭統(tǒng)上巖組(T1b)、中三迭統(tǒng)下巖組(T2a)和中三迭統(tǒng)上巖組(T2b)。

2 生態(tài)柔性路基支擋的設(shè)計(jì)原則

路基支擋結(jié)構(gòu)形式多樣,作用機(jī)理各異,使用場(chǎng)合靈活,根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn),適度應(yīng)用生態(tài)擋墻結(jié)構(gòu),減少圬工數(shù)量,預(yù)留綠化平臺(tái),通過綠植的遮擋作用,削弱混凝土結(jié)構(gòu)的生硬感,降低環(huán)境影響。現(xiàn)對(duì)加筋土擋土墻、加筋土砌塊擋土墻、石籠擋土墻、混凝土擋土墻等防護(hù)形式做比較論證[6],具體如表1所示。

表1 路基支擋防護(hù)方案比較

為了貫徹生態(tài)防護(hù)、柔性防護(hù)設(shè)計(jì)理念,路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)積極采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝,采用植被生態(tài)擋墻(加筋土擋土墻、砌塊加筋土擋土墻),預(yù)留綠化平臺(tái),達(dá)到生態(tài)防護(hù)效果(圖1、圖2)。

圖1 加筋土擋墻

圖2 加筋土砌塊擋墻

(1)吊裝石籠擋墻推薦用于上邊坡滲水坡腳防護(hù)。

(2)路基高度不大于8 m時(shí)(非臨河路段),適度采用加筋土及加筋土砌塊擋墻,收縮坡腳。

(3)臨河段沖刷防護(hù),推薦采用混凝土擋土墻,墻外碼砌吊裝石籠,減少圬工痕跡。

(4)路基高度大于8 m時(shí),推薦采用混凝土擋土墻,應(yīng)結(jié)合民族特色,有景觀需求時(shí),裝飾要體現(xiàn)民俗民風(fēng),響應(yīng)“五無甘南”、“七美碌曲”等政策導(dǎo)向,有條件時(shí)慮設(shè)置綠化平臺(tái)或采用植物遮蓋,遵循工程防護(hù)和植物防護(hù)相結(jié)合的原則。

3 生態(tài)柔性路基支擋的工程應(yīng)用

3.1 生態(tài)柔性路基支擋的設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)設(shè)計(jì)荷載:公路—Ⅰ級(jí),設(shè)計(jì)地震加速度0.1g,設(shè)計(jì)采用地震烈度Ⅶ度。

(2)生態(tài)柔性路基支擋基底摩擦系數(shù)f=0.45(基底換填砂礫后)。

(3)墻背填料計(jì)算內(nèi)摩擦角φ=35°,重度γ=18～19 kN/m3。

(4)墻身圬工γ=24 kN/m3。

(5)生態(tài)柔性路基支擋最不利荷載組合穩(wěn)定系數(shù)見表2。

(6)生態(tài)柔性路基支擋結(jié)構(gòu)采用極限狀態(tài)法驗(yàn)算。

(7)沿線土壤最大凍結(jié)深度150 cm,擋土墻等構(gòu)造物最小埋置深度不小于1.5 m。

(8)本項(xiàng)目局部支擋段落下臥層巖性為粉質(zhì)黏土,原地基承載力為120 kPa左右,無法滿足設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)中對(duì)支擋基底進(jìn)行了換填處理(換填厚度0.5～1.5 m)或者采用復(fù)合地基進(jìn)行處治。

3.2 生態(tài)柔性路基支擋的結(jié)構(gòu)檢算

生態(tài)柔性路基支擋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性檢算采用簡化Bishop法[7-8],其結(jié)構(gòu)檢算模型依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行,如圖3所示。簡化Bishop法檢算示意圖如圖4所示,檢算公式如式(1)所示。

圖3 結(jié)構(gòu)檢算示意

(1)

經(jīng)過簡化Bishop法檢算,生態(tài)柔性路基支擋結(jié)構(gòu)所劃分的642個(gè)微單元,計(jì)算所得的穩(wěn)定性系數(shù)取值均滿足要求。

3.3 生態(tài)柔性路基支擋的材料及施工要求

3.3.1 吊裝石籠擋墻(上邊坡)

(1)石籠內(nèi)填塞直徑為10～25 cm的卵石、片塊石;

(2)石籠網(wǎng)采用φ6 mm鋅鋁合金絲焊接而成,合金鋼絲抗拉強(qiáng)度采用高強(qiáng)度等級(jí),抗拉強(qiáng)度大于400 MPa;

(3)石籠網(wǎng)片采用螺旋鋼筋與角鋼兩種連接方式連接、固定,螺旋鋼筋兩端采用老虎鉗夾緊,避免脫落或被盜;

(4)石籠網(wǎng)連接成型后,將吊裝加強(qiáng)箍放入石籠網(wǎng),采用螺旋筋與網(wǎng)箱連接成為整體后,將網(wǎng)箱放入裝石模板箱內(nèi),再填裝石料;

(5)石籠采取6點(diǎn)吊裝方式安裝,吊裝點(diǎn)處,螺旋鋼筋設(shè)置須環(huán)向封閉成環(huán)。

3.3.2 石籠擋墻(下邊坡)

(1)供貨前網(wǎng)箱生產(chǎn)廠家需提供:鍍10%鋁鋅合金鋼絲鍍層重量、鋁含量、均勻度檢驗(yàn)報(bào)告;熱鍍10%鋁鋅合金鋼絲須提供國家級(jí)實(shí)驗(yàn)室——鹽水噴霧試驗(yàn)GB/T 10125-2021《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》1 000 h以上的試驗(yàn)報(bào)告。其中鍍層的腐蝕量不得大于170 g/m。網(wǎng)箱/網(wǎng)墊采用熱鍍10%鋁鋅合金鋼絲鍍層重量需要達(dá)到表3要求。

表3 鋼絲網(wǎng)防腐要求

(2)綠格網(wǎng)箱/網(wǎng)墊編織方法需滿足YB/T 4190-2019《工程用機(jī)編鋼絲網(wǎng)及組合體》中相關(guān)要求:GT827網(wǎng)箱網(wǎng)孔為8 cm×10 cm,網(wǎng)片網(wǎng)絲φ2.7 mm,網(wǎng)片邊絲φ3.4 mm扎絲絲徑φ2.2mm。綁扎間距為200～250 mm。

(3)熱鍍10%鋁鋅合金鋼絲鍍層的結(jié)合牢固性必須符合GB2976-88《金屬線材纏繞試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,鋼絲在自身纏繞(即一倍纏繞)8圈以上后,對(duì)鋼絲表面進(jìn)行放大拍照 (放大到12倍),鍍層不得出現(xiàn)裂痕。對(duì)熱鍍10%鋁鋅合金鋼絲鍍層厚度均勻測(cè)量四點(diǎn)數(shù)值(上下左右),其中最厚處與最薄處的比值不得大于2。

3.3.3 加筋土砌塊擋墻

(1)加筋材料采用整體式高強(qiáng)土工格室,要求格室片單位寬度的斷裂拉力不小于18 kN/10cm;格室片間連接處的斷裂拉力不小于18 kN/10cm。

(2)連接處連接件的抗剪切力≥18 kN/10cm;格室網(wǎng)帶連接方式采用U型鋼釘插接編織,U型釘直徑≥2.8mm,U型鋼釘須做鍍鋅防腐處理。

(3)格室高度50 mm,網(wǎng)格尺寸40 cm×40 cm,單網(wǎng)面積50 m2,布網(wǎng)時(shí)應(yīng)張拉到位,及時(shí)填埋,嚴(yán)禁暴曬。

(4)填料原則上就近采用碎石土或開山土,加筋體填料分層壓實(shí),壓實(shí)度不低于96%。

4 結(jié)束語

通過對(duì)烏瑪高速部分路段路基支擋結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用,結(jié)果表明:采用生態(tài)柔性路基支擋結(jié)構(gòu)既能充分利用事故過程中的棄土或棄渣,而且能確保路基承載能力滿足設(shè)計(jì)要求,施工工藝成熟可靠,施工材料易得,能夠有效降低施工成本,為未來的山區(qū)高速公路路基支擋防護(hù)技術(shù)提供了可行的方法與經(jīng)驗(yàn)。