李征文

摘要：對運營狀態(tài)下的高速公路高邊坡路段進行改造難度較大，且缺少相關參考案例，要想提升運營高速公路高邊坡路段改擴建施工的安全性與經(jīng)濟性，就需結合具體地形地勢，科學設計改擴建方案，并依據(jù)相關技術原理，不斷優(yōu)化設計方案，確保方案的科學性與可行性。本文主要就運營高速公路高邊坡路段改擴建方案與優(yōu)化設計問題進行分析。

Abstract： It is difficult to reconstruct the high-slope section of the expressway under operational conditions， and there is no relevant reference case. In order to improve the safety and economy of the reconstruction and expansion of the high-slope section of the operating highway， it is necessary to combine the specific topography and terrain， scientifically design and expand the expansion plan， and continuously optimize the design plan according to the relevant technical principles to ensure the scientific and feasibility of the plan. This paper mainly analyzes the reconstruction and expansion plan and optimization design of the high-slope section of the expressway in operation.

關鍵詞：高速公路;高邊坡;改擴建;方案設計;優(yōu)化措施

Key words： expressway;high slope;reconstruction and expansion;scheme design;optimization measures

中圖分類號：U416.1+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）09-0093-03

0 ?引言

目前，許多高速公路交通流量已經(jīng)趨于飽和，因此，改擴建將是解決交通擁堵、緩解公路運營壓力的重要舉措。但由于高速公路交通流量大，在運營狀態(tài)下進行改擴建施工，施工難度大，技術要求高。并且，國內(nèi)對高邊坡施工研究較少，尚未就運營狀態(tài)下高速公路的邊坡擴挖技術與施工控制管理措施形成一個系統(tǒng)性的研究體系?；诖耍嚓P部門、單位更要立足實際，全面勘查公路環(huán)境，科學設計施工方案，確保工程安全。下文以某運營狀態(tài)下的高速公路高邊坡路段改擴建施工為例進行說明。

1 ?工程概況

1.1 邊坡分析

該項目工程中，邊坡主要為石質(zhì)邊坡，高45m，長550m。改擴建前，根據(jù)實際坡率，將邊坡分為四級，從一級到四級每一級的坡率分別為1：0.75、1：0.75、1：1、1：1，其中，從下至上，第一級邊坡高15m，采用漿砌塊石擋墻;第二級邊坡高10m，采用錨噴防護;第三級邊坡高10m，采用錨噴防護;第四級邊坡亦是如此[1]。

1.2 邊坡地形地質(zhì)條件分析

邊坡地段山丘植被以喬木為主，山形連續(xù)未斷裂，地形為丘陵地區(qū)，改擴建區(qū)域內(nèi)地形切割程度屬于一般[2]。該高速公路延伸方向為自東北向西南，邊坡坡面傾斜度相對較大，同時改擴建區(qū)域內(nèi)地形起伏較大。經(jīng)勘查發(fā)現(xiàn)，改擴建區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構造整體上呈現(xiàn)出以下特征：整個地段有三處斷裂，邊坡巖體受斷裂影響明顯，節(jié)理裂隙發(fā)育，石質(zhì)較破碎[3]。據(jù)地表出露情況分析，施工區(qū)域內(nèi)山體節(jié)理裂隙發(fā)育不明顯，結構面多為剛性，貫穿性軟弱內(nèi)結構面較少，同時巖體節(jié)理局部密集。另外，擴改建區(qū)域內(nèi)地下水的來源主要為地表降水，主要為第四系松散堆積層中的基巖裂隙水與孔隙水，其中，附存于夾碎石殘坡積土中的孔隙水居多，但受地勢以及地質(zhì)結構影響，該改擴建施工區(qū)域內(nèi)富水性整體較弱。

2 ?影響運營高速公路高邊坡路段改擴建方案因素分析

由于進行改擴建施工時，高速公路正處在運營狀態(tài)，因此在設計施工方案時需重點考慮安全問題;同時，較之其他路段，高邊坡路段地形地勢相對特殊，施工單位需組織專業(yè)技術人員深入施工場地，詳細勘察改擴建施工區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)、地形地貌等條件，從各方面確保方案的科學性、可行性與經(jīng)濟性[4]。

2.1 高速公路高邊坡穩(wěn)定性分析

在組織施工前，首先要對高速公路高邊坡穩(wěn)定性進行分析，這是確保施工安全的前提，結合現(xiàn)場勘查資料以及原有地質(zhì)資料，明確高速公路高邊坡路段的地質(zhì)構造、原有施工情況以及在原路施工過程中出現(xiàn)的變形破壞現(xiàn)象，在掌握上述資料的基礎上，依據(jù)相關技術理論，建立起反映邊坡變形破壞機制的地質(zhì)力學模型[5]。高速公路高邊坡路段在施工以及改擴建過程中，可能出現(xiàn)路面隆起、開裂，防護結構變形，坡頂?shù)乇沓霈F(xiàn)拉張裂隙等情況。針對上述可能出現(xiàn)的破壞變形情況，構建地質(zhì)力學模型，依據(jù)有限強度折減法與極限平衡法，對原有邊坡以及各種擴挖工況下的穩(wěn)定性進行定量計算與定性評價，初步掌握高邊坡路段改擴建施工風險系數(shù)。之后，依據(jù)相關計算結果，結合現(xiàn)實情況下高邊坡穩(wěn)定性表現(xiàn)，進行綜合評價，最后獲得現(xiàn)狀高邊坡路段的穩(wěn)定性系數(shù)。

2.1.1 極限平衡法

在利用極限平衡法計算高邊坡路段穩(wěn)定性系數(shù)與進行改擴建施工穩(wěn)定性評定時，需要注意以下要點：①高邊坡路段穩(wěn)定性分析計算要考慮三種情況：現(xiàn)狀邊坡結構穩(wěn)定程度、開挖后邊坡穩(wěn)定情況以及加固后邊坡穩(wěn)定情況[6]。②在計算時，要立足高速公路實際運營要求，合理取定坡腳開挖尺寸，同時本著經(jīng)濟性、安全性原則，合理控制開挖量。③計算中，高速公路高邊坡路段拓寬寬度是重點計算內(nèi)容，需重點考慮坡腳到軸線的距離，在此基礎上計算出土石方開挖量。④采用極限平衡法分析，重點考慮圓弧滑面與非圓弧滑面這兩種滑面類型。采用極限平衡法對高速公路高邊坡路段穩(wěn)定系數(shù)進行計算，可得到以下計算結果：該項目工程中，現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)在1.65～1.73之間，邊坡開挖施工會導致其穩(wěn)定性系數(shù)下降，下降值在0.03左右。同時，因為運營狀態(tài)下高速公路高邊坡路段改擴建施工是在原有坡面上進行，不但施工難度大，且國內(nèi)并無規(guī)范方案可供參考，鑒于此，在設計施工方案時就需要對開挖引起的穩(wěn)定性損失做重點考慮，采用預應力錨索加固進行補償，錨固力需要結合具體的開挖后穩(wěn)定性系數(shù)進行確定。

2.1.2 有限強度折減法

依據(jù)有限元算法，構建起高速公路高邊坡路段計算模型，該計算模型中，有6861個節(jié)點，3350個單元，有限元網(wǎng)格也是采用6節(jié)點三角形單元劃分。在計算過程中，結合該項目工程實際路況以及具體施工環(huán)境、施工特點，立足高速公路實際運營要求，合理取定坡腳開挖尺寸，通過相應計算程序，最終獲得計算結果。

在采用極限平衡法與有限強度折減法計算后，需要將兩者計算結果以及計算過程進行比較，通過分析比較兩種計算方法以及對應計算結果（不同參數(shù)條件下），可以發(fā)現(xiàn)極限平衡法計算結果與有限強度折減法計算結果趨于一致。針對這一問題，施工單位采用預應力錨索加固，確保高邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不會出現(xiàn)大幅度下降，從而提升高速公路高邊坡路段改擴建施工的安全性。

2.2 高速公路高邊坡路段改擴建安全系數(shù)分析

相較于其他路段，高速公路高邊坡是一個相對復雜的地質(zhì)體，具有風化、不同發(fā)育程度的節(jié)理、裂隙等結構面，因而開挖施工過程較為復雜，影響因素較多，改擴建施工風險系數(shù)較高。施工單位需就運營狀態(tài)下高速公路高邊坡路段改擴建施工的安全問題做重點考慮并做專項方案，建立起相關監(jiān)測模型，落實高速公路高邊坡路段的安全監(jiān)測與動態(tài)預測工作，以此提升施工方案的安全性與有效性，確保各項施工計劃順利實施。

就該項目工程而言，擴挖邊坡安全監(jiān)測包括以下內(nèi)容：施工區(qū)域降雨量監(jiān)測、錨索軸力變化監(jiān)測、坡面變形監(jiān)測。其中，降雨量監(jiān)測工作主要借助雨量計完成;錨索軸力監(jiān)測通過錨索軸力監(jiān)測計進行;坡面變形監(jiān)測通過激光測距儀與巖土位移直讀儀來進行監(jiān)測。在實際監(jiān)測過程中，要根據(jù)工程規(guī)模以及周邊環(huán)境合理確定監(jiān)測據(jù)點與監(jiān)測儀器地點、數(shù)目，方能取得相對理想的監(jiān)測效果。例如在該工程中，共布設9個預應力錨索監(jiān)測點，7個激光監(jiān)測點;同時，于坡面上設置巖土位移直讀側線兩條，每條側線上分別設置9個測點，這樣就能獲得相對全面、詳細的監(jiān)測結果。監(jiān)測系統(tǒng)設施設置完畢后，工作人員要能實時關注監(jiān)測結果，及時記錄，分析監(jiān)測所得數(shù)據(jù)，最終對高速公路高邊坡改擴建路段的安全性做出正確評價，技術人員根據(jù)相關安全評價報告，采取相應解決措施，有效預防與制止各類安全事故的發(fā)生，從根本上確保人員設備安全。在該工程項目中，工作人員根據(jù)相應監(jiān)測數(shù)據(jù)可得以下監(jiān)測結果：在對邊坡實施預應力錨索加固措施后，擴挖不會引起過度的結構變化，并且施工過程也未出現(xiàn)結構斷裂、邊坡失穩(wěn)等情況，高邊坡的結構穩(wěn)定系數(shù)未發(fā)生明顯變化。這表明，在高速公路高邊坡路段改擴建施工中，采用先錨后挖的施工方案是完全可行的。預應力錨索加固施工方案如圖1所示。

2.3 高速公路高邊坡路段改擴建方式

在進行高速公路高邊坡路段改擴建施工時，合理選擇施工方式，能有效降低高邊坡開挖風險、合理控制工程進度與工程質(zhì)量。從這一角度分析，施工方式也是影響施工方案設計質(zhì)量的一大重要因素?，F(xiàn)階段，在公路高邊坡改擴建施工中，常用兩種拓寬方式為兩側加寬以及單側加寬方式[7]。其中，單側加寬方式的優(yōu)點是能充分利用地形，有效減少高邊坡開挖量，但缺點是平面線形較難調(diào)整。兩側加寬方式的優(yōu)點是能充分利用高速公路內(nèi)的通信管道、排水管道、中央防護欄等設施，適當降低投資，同時也可利用原有公路的幾何線性，避免調(diào)整線路中心線，在一定程度上減少工程量，但該拓寬方式的缺點是對公路運營影響大，對施工技術要求高，影響因素較多。由此可見，單側拓寬方式與雙側拓寬方式各有利弊，在實際施工中，還需結合高速公路所處環(huán)境，公路運營情況以及施工特點，綜合選擇最佳拓寬方式，確保工程施工質(zhì)量。

結合該工程的周邊環(huán)境、地勢地貌以及水文條件分析，可以發(fā)現(xiàn)若采用單側拓寬方式，便不需要對右側已有邊坡再次擴挖，但是需要對公路中心線、幾何線形做重新調(diào)整，且需要新增安全防護設施、排水通信管道等，不僅工程量大而且經(jīng)濟成本高，并非最佳拓寬方式。若采用雙側拓寬方式（垂直開挖），就能保持原有公路的幾何線形不變，也不再需要重新調(diào)整公路中心線，開挖量小，同時需新增的安全設施也較少，不會占用大面積土地，能有效緩解土地資源壓力，縮短工期，但缺點是會給公路運營造成一定影響。從整體上分析，雙側拓寬方式相對經(jīng)濟可行。

3 ?運營高速公路高邊坡路段改擴建方案設計與優(yōu)化

考慮到運營狀態(tài)下高速公路高邊坡路段改擴建難度較大，且受多種因素影響，工程質(zhì)量與安全性不易控制。因此，在進行正式施工前，需要對施工方案做多次調(diào)整、優(yōu)化，最終獲得最佳方案。在該項目工程中，可以結合高速公路改擴建路段的地形條件，采用新建分離式路基的擴容方案，該方案可有效避免對老路邊坡的破壞，也能降低對交通運營的影響，達到“邊通車，邊施工”的目標。下面就結合具體施工特點與施工要求，提出兩種高速公路高邊坡路段改擴建方案，在進行深入分析比較后，選擇出最佳施工方案。

3.1 新建分離式路基方案

方案一：雙向通行施工模式。該施工方案主要是根據(jù)高速公路走向，將高速公路主線做分叉設計，然后采用原有車道以及新建車道雙向通行的模式進行施工。

方案二：單向通行施工模式：單向通行施工模式是將整體式車道路基左半幅通過新建路基與老路分離，然后在終點處，將新建路基接入整體式某一車道路基的左半幅，這樣就能實現(xiàn)不同方向的單向通行。

比較兩種施工方案，可以發(fā)現(xiàn)各有利弊。其中，方案一建設規(guī)模較大，工程量大，需要投入較多的人力、物力以及資金，并且施工難度較大，在施工過程中無法做好有效的組織管理，會給高速公路的正常運營造成一定影響，從經(jīng)濟性、安全性以及可行性等角度分析，方案一不是最為理想的施工方案。而較之方案一，方案二的工程規(guī)模較小、并且施工過程不會對公路正常運行造成過大影響，且有利于降低高速公路建成后的運營管理難度，防止出現(xiàn)車輛誤行情況，能確保行車安全，同時也能給交通組織、交通管理提供方便。由此可見，在該工程中，選擇方案二能獲得較為理想的施工效果（分離式路基方案示意圖如2所示）。

3.2 拼寬方案

在進行高速公路高邊坡路段改擴建時，需綜合考慮公路周邊建筑，交通組織情況以及地形地貌等多種影響因素，就該工程而言，改擴建是在原有工程上進行施工，高速公路安全設施、周邊建筑已經(jīng)存在，改擴建施工可能需要拆遷原有建筑，因此，施工內(nèi)容、流程較為繁多復雜，相關單位應在確保改擴建指標符合相關標準的基礎上簡化施工，最大程度降低公路施工對公路運營的影響，同時有效控制工程投入，降低公路改擴建與運營成本?；诖?，多數(shù)施工單位在負責高速公路高邊坡路段改擴建施工時，都會最大程度利用老路，這里也基于此種思路提出兩種利用老路的拼寬方案。

方案一：改擴建施工時，不改變原有高速公路的平縱面指標，而是在原有高度公路的兩側拼寬。這一方案的優(yōu)點是不必重新改移高速公路中分帶，且結構物拼寬難度不大，能有效控制施工質(zhì)量;但缺點是工期長，由于需要將所有高邊坡全部重新開挖，因此工程量相對較大，工期長，公路封鎖時間較長，可能會給公路正常運營及沿線地方交通造成較大影響。

方案二：根據(jù)公路設計情況，劃定改擴建范圍，同時在原有公路路幅范圍內(nèi)重新設計、布置線路，對于需要進行改擴建的高邊坡路段，只將原有中央分隔帶逐漸向右或向左移動，同時在單側拼寬一定寬度的新車道，這樣能避免大量高邊坡的開挖，最大程度減少工程量，縮短工期，縮短公路封閉時間，保障高速公路正常運營。但該施工方案的缺點是施工難度較大，由于需要將高速公路的內(nèi)部管線以及中央分隔帶改移，所以技術要求高且拆遷量較大，用地較多。

比較兩種施工方案，同時各有優(yōu)勢也各有缺點，但從宏觀角度分析，分析出較之方案一，方案二的綜合效益較好、整體施工效果較為理想。因而在該工程中，可酌情考慮方案二。

4 ?結語

由上可知，運營高速公路高邊坡路段改擴建施工具有如下特點：施工難度相對較大，會影響既有公路正常運營以及影響高速公路整體建設成本。因此，在進行運營高速公路高邊坡路段改擴建施工時，應當深入勘查施工環(huán)境，借助工程地質(zhì)分析與穩(wěn)定性評價方法，掌握各項影響因素，科學設計施工方案，并依據(jù)相關技術原理，不斷優(yōu)化方案設計，從各個方面提升方案的可行性、有效性，確保工程施工的安全性、經(jīng)濟性。上文主要以某一實際工程為例，詳細探討了兩種施工方案，分析論述了各自優(yōu)勢與缺點，希望能為類似工程提供參考。

參考文獻：

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