徐德敏 董世賦 李新

【摘要：】文章依托老河口至宜昌高速公路老河口至谷城段建設過程中膨脹土路塹邊坡坍塌處治工程實例，貫徹綠色公路建設理念，將坍塌的膨脹土路塹邊坡放緩至適合耕種的自然穩(wěn)定坡率1∶5，處治完成后坡面復墾為耕地交還給當?shù)剞r民耕種，取得了降低消耗、節(jié)約資源、保護環(huán)境、安全舒適、綠色生態(tài)的效果，可為其他類似工程膨脹土路塹邊坡坍塌處治提供技術指引和經(jīng)驗借鑒。

【關鍵詞：】綠色公路;綠色交通;膨脹土;路塹邊坡;邊坡坍塌

U418.5+5A270845

0 引言

改革開放以來，我國公路基礎建設實現(xiàn)了跨越性的發(fā)展。至2019年年底，我國公路總里程已達501.25萬km，其中高速公路里程為14.96萬km，雙雙位居世界第一。然而，經(jīng)過多年來的公路基礎建設，資源能源約束趨緊、環(huán)境污染嚴重、生態(tài)系統(tǒng)退化、人文景觀破壞等問題十分嚴峻。特別是在一些膨脹土地區(qū)的公路建設中，路塹邊坡穩(wěn)定性差，一般遵循“放緩邊坡、加寬平臺、加固坡腳”的原則進行設計，但是仍存在“逢塹必滑、屢治屢滑”現(xiàn)象，耕地超占、資源浪費、環(huán)境污染、通行安全等問題更為突出。

為了貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”五大發(fā)展要求，促進公路基礎建設由追求速度規(guī)模向更加注重質量和效益轉型，實現(xiàn)高質量發(fā)展，交通運輸部在2016年7月提出了《關于實施綠色公路建設的指導意見》，不斷推進和深化綠色公路建設，建成了一批示范引領工程，形成了一套可復制、可推廣的實踐經(jīng)驗，提出了一系列綠色公路建設技術思路和方法[1]。

本文依托老河口至宜昌高速公路老河口至谷城段（以下簡稱老谷高速公路）施工過程中坍塌的膨脹土路塹邊坡處治工程實例，按照綠色公路建設理念指引，嘗試理念創(chuàng)新，探討將坍塌的膨脹土路塹邊坡進行綠色處治的可行性、實用性和經(jīng)濟性。

1 綠色公路理念概述

1.1 綠色公路的內涵

綠色公路的內涵就是貫徹高質量發(fā)展要求，落實2019年9月中共中央、國務院印發(fā)的《交通強國建設綱要》，支撐交通強國建設，實現(xiàn)新的高質量發(fā)展，主要可歸納為“全壽命、低消耗、高效能”?！叭珘勖币笤谝?guī)劃、設計、建設、運營和養(yǎng)護各個階段貫徹綠色發(fā)展理念，注重全壽命周期成本最低;“低消耗”就是要節(jié)約資源、降低能耗、減少污染，在公路建設過程中積極穩(wěn)妥地進行理念創(chuàng)新，采用新材料和新工藝，減少資源、能源占用，保護環(huán)境和生態(tài);“高效能”就是通過創(chuàng)新驅動實現(xiàn)整體運行效率和服務能力最大化，以最小的環(huán)境和資源代價獲得可持續(xù)發(fā)展的最大利益，實現(xiàn)公路經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益的和諧統(tǒng)一[1]。

1.2 綠色公路建設的基本原則及要求

綠色公路建設堅持四大基本原則：（1）堅持可持續(xù)發(fā)展原則，統(tǒng)籌資源利用，實現(xiàn)集約節(jié)約，加強生態(tài)保護，注重自然和諧;（2）堅持統(tǒng)籌協(xié)調原則，突出全壽命周期成本理念，著眼周期成本，強化建管養(yǎng)并重;（3）堅持創(chuàng)新驅動原則，強化理念、技術、管理和制度創(chuàng)新的驅動與支撐作用;（4）堅持因地制宜原則，根據(jù)區(qū)域環(huán)境和工程特點，建設有特色、有亮點、有品位的綠色公路[2-5]。

綠色公路建設的基本要求是保護自然環(huán)境，堅持以人為本，集約節(jié)約利用資源，精心創(chuàng)作設計，靈活選用技術指標，全周期成本最小，傳承歷史文化，景觀綠化適度[1]。

2 工程實例

2.1 工程概況

老谷高速公路是湖北省主骨架公路網(wǎng)規(guī)劃“六縱五橫一環(huán)”中“縱五”（老河口至宜昌）的起始段。本項目路段起始于豫鄂省界，中間經(jīng)過老河口市、谷城縣，終點與谷城至?？刀胃咚俟酚诠瘸俏鳂屑~互通相接，路線全長39.312 km。全線設置老河口互通、冷集互通、谷城西樞紐互通等3處互通式立體交叉，設置1處監(jiān)控分中心、1處服務區(qū)、1處養(yǎng)護工區(qū)和2處匝道收費站。

2.2 建設條件

老谷高速公路處于秦嶺支脈伏牛山、南陽盆地和武當山交匯地帶，地形逶迤起伏，地勢西高東低;屬于北亞熱帶季風氣候區(qū)，雨量充沛、光照充足、氣候溫和、四季分明、冬冷夏熱、冬干夏濕、雨熱同季;年降雨量為800～1 000 mm，年均氣溫為15.4 ℃。項目主要穿行于侵蝕堆積壟崗微丘和剝蝕丘陵兩個地貌單元之中：侵蝕堆積壟崗微丘地表覆蓋第四系上更新統(tǒng)沖積、殘積含鐵錳結核黏土，具有膨脹性，下伏白堊系粉砂巖和黏土質砂巖;剝蝕丘陵地表覆蓋第四系上更新統(tǒng)殘積、坡積粉質黏土和砂礫土，下伏第三系黏土質粉砂巖、細砂巖，以及白堊系含礫砂巖、鈣質長石砂巖。

老谷高速公路地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反映譜特征周期為0.35 s，抗震設防烈度為6度。水文地質條件相對簡單，地下水主要為松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙潛水兩類，地層賦水性差，地下水量總體較貧乏，天然水對混凝土不具腐蝕性。項目沿線未見明顯的斷裂構造活動行跡以及不良地質現(xiàn)象，特殊性巖土以膨脹土和軟土為主。其中，膨脹土大面積分布于壟崗微丘地表，為沖積黏土，含鐵錳質結核，呈可塑-硬塑狀態(tài)，具有弱-中等膨脹性，分布長度合計14 550 m。為免贅述，本文僅以一標段施工過程發(fā)生較大坍塌的7處膨脹土路塹邊坡作為研究對象，具體情況如表1所示。

2.3 原設計方案

弱膨脹土挖方邊坡原設計按坡高6 m分級，平臺和碎落臺寬2 m，坡率為1∶1.5，坡面采用骨架植草、灌防護。當挖方邊坡高度>6 m時，邊坡坡腳設路塹擋墻支擋，墻高4.25 m，埋深3.25 m;碎落臺頂部以上高1 m，頂寬2～3 m。其中，坡高6～12 m采用頂寬2.0 m;坡高12～18 m采用頂寬2.5 m;坡高18 m以上采用頂寬3 m。具體設計如圖1所示。

中膨脹土挖方邊坡原設計按坡高6 m分級，平臺和碎落臺寬2 m，坡率為1∶1.5，邊坡采用加筋柔性支護。在設計邊坡的基礎上超挖3.5 m寬的平臺，并在坡腳設置碎石盲溝。超挖部分采用4%～6%石灰改良土分層回填壓實并加筋，其施工工藝同路基填筑要求，壓實度≥90%。具體設計如下頁圖2所示。E993D0D0-9E61-492A-BE5A-216212B78122

2.4 邊坡坍塌過程

老谷高速公路一標段膨脹土路塹邊坡于2015年9月開始施工，按照1∶1.5的坡率開挖，其中有7處邊坡（具體見表1）由于坡高較大，邊坡自穩(wěn)能力較差，在開挖過程中產(chǎn)生坡面開裂和局部坍塌現(xiàn)象并逐漸發(fā)展擴大。

為了提高邊坡自穩(wěn)能力，保證開挖施工順利推進，按照“邊開挖邊支護”的原則，自上而下分別在坡頂、邊坡平臺和碎落處各增設3排注漿鋼管樁進行支護，待上級3排注漿鋼管樁的水泥漿達到設計強度后再進行其下級邊坡開挖。其中碎落臺處鋼管樁長3 m，第1級邊坡平臺處鋼管樁長6 m，第2級、第3級邊坡平臺及坡頂處鋼管樁長9 m。鋼管樁采用50 mm鋼管制作，底部1/3樁長范圍內間隔20 cm在管壁上對稱打設6～8個3 mm注漿孔，注漿壓力為1 MPa。3排鋼管樁按照梅花形布置，樁距為0.6 m。至2016年4月，膨脹土路塹邊坡基本開挖成形，增設注漿鋼管樁23 210 m，邊坡整體穩(wěn)定，未見破壞現(xiàn)象。但隨著雨季來臨，經(jīng)處理后的7處膨脹土路塹邊坡又開始出現(xiàn)失穩(wěn)行跡并逐漸發(fā)展，至2016年9月雨季結束，均再次發(fā)生了較大的坍塌現(xiàn)象。

3 坍塌原因分析及處治方案

3.1 坍塌原因分析

膨脹土是富含親水性礦物的高塑性黏土，具有明顯的吸水膨脹和失水收縮特性。路塹邊坡開挖后，坡面不及時封閉進行防水保濕，表層土體在大氣干濕循環(huán)影響下產(chǎn)生膨脹與收縮，土體開裂，雨水入滲，土體抗剪強度大幅度降低，土體膨脹又產(chǎn)生較大的膨脹力，從而導致邊坡淺層土體變形破壞，隨著干濕循環(huán)作用的持續(xù)，變形破壞范圍逐漸擴大，進而形成坡面坍塌。這是老谷高速公路乃至國內大部分公路無不利軟弱結構面膨脹土路塹邊坡破壞的主要形式。這種破壞基本發(fā)生在大氣影響范圍內，主要受氣候變化、巖土風化和裂隙發(fā)育等因素影響，活動區(qū)深度一般為1.5～5.0 m[6-8]。

膨脹土經(jīng)過多次干濕循環(huán)作用之后，抗剪強度大幅度降低，若無不利軟弱結構面，路塹邊坡整體穩(wěn)定坡率一般可采用1∶2～1∶3左右，但局部破壞失穩(wěn)現(xiàn)象也時有發(fā)生，且可能發(fā)生于坡面各個部位。所以老谷高速公路膨脹土路塹邊坡按照1∶1.5的坡率開挖，雖然在坡頂、邊坡平臺和碎落臺增設了注漿鋼管樁支護，但在干濕循環(huán)作用下仍然可能在樁前的坡面產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象。

3.2 常用處治方案

膨脹土路塹邊坡坍塌處治以防水、控濕、防風化為主，遵循“放緩邊坡、加寬平臺、加固坡腳”的原則，旱季施工，及時封閉和防護。開挖坡率一般設置為1∶2～1∶ 每級邊坡高6 m，平臺寬2.0～3.0 m。坡面常采用植草、草灌混植、掛網(wǎng)噴播、骨架植生、護面墻等進行防護，或采用支撐滲溝、錨桿框架等進行支護。坡腳、平臺采用擋土墻、抗滑樁等支擋結構進行加固[7-11]。

根據(jù)膨脹土路塹坍塌邊坡的地層巖性、坡體結構及其坍塌成因特點，綜合采用放緩邊坡、穩(wěn)定坡面、加固坡腳的方案對坍塌邊坡進行處治的方案已經(jīng)得到了廣泛的應用，有較多的成功案例可以借鑒，積累了豐富的經(jīng)驗。但是，在施工和運營期間坡面土體仍然處于氣候干濕循環(huán)作用影響之中，要求防護、支護和支擋結構對坡面土體的脹縮變形有較強的緩解能力，以免發(fā)生變形破壞，對處治設計和施工要求較高，稍有不慎將可能導致坍塌再次發(fā)生。經(jīng)過處治趨穩(wěn)的邊坡在通車數(shù)年后再次發(fā)生坍塌的例子也屢見不鮮，嚴重威脅通行安全。此外，過多的圬工防護在坡面留下明顯的人工痕跡，厚實的擋土墻和抗滑樁顯得粗笨、呆板，邊坡難以顯景透綠，與周圍環(huán)境配合不協(xié)調。

近年來，針對膨脹土路塹邊坡破壞機理及防治技術研究取得了較為豐碩的成果。其中，防治膨脹土邊坡變形破壞的柔性支護技術在廣西南友路和南百高速公路等一系列公路建設中得到了較為成功的應用并逐漸推廣。老谷高速公路原設計對于中膨脹土路塹邊坡也是采用柔性支護方案，具體如圖2所示，但邊坡開挖坡率設置偏陡，坡體無法自穩(wěn)，導致坍塌發(fā)生而亟待處治。因此，柔性支護應因地制宜、靈活應用。比如雷軍偉[6]針對湖北省安猇公路的特點，采用改進的柔性支護方案對膨脹土路塹邊坡淺層滑坡進行處治，開挖坡率為1∶2.5，取得了較好的效果。

柔性支護極大限度地降低了氣候干濕循環(huán)作用對坡面膨脹土體的影響，對膨脹土路塹邊坡坍塌進行根治是可行的，既解決了邊坡的長期穩(wěn)定問題，又使公路和周邊環(huán)境融合為一體。柔性支護施工必須以較緩的坡率開挖，一般為1∶2～1∶ 以保證施工過程中邊坡維持穩(wěn)定。另外，需超挖2.5～5 m寬度范圍內的土方，并采用非膨脹土回填壓實。處治后的坡面通常采用草灌混植防護，無法進行復墾耕種。柔性支護往往必須面對耕地資源占用過多和非膨脹土借方困難這兩大問題，一般不宜大范圍采用。

3.3 綠色處治方案

膨脹土路塹邊坡坍塌常用處治方案在穩(wěn)定邊坡方面雖然取得了一定的效果，但是沒有很好地貫徹落實綠色公路建設理念，普遍存在耕地超占、資源浪費、環(huán)境污染、通行安全等問題。因此，膨脹土路塹邊坡坍塌處治亟待理念創(chuàng)新和技術創(chuàng)新，按照區(qū)域環(huán)境和工程特點因地制宜地制定綠色處治方案，統(tǒng)籌協(xié)調降低全壽命周期成本，減少資源占用，降低能源消耗，保護環(huán)境生態(tài)。

3.3.1 主要任務

針對常用處治方案的不足，綠色處治方案的主要任務是解決以下問題：

（1）維持邊坡自然穩(wěn)定，避免過度使用工程防護和支擋結構，減輕人工痕跡，避免視覺污染。

（2）處治后的邊坡安全可靠，坡面不產(chǎn)生沖刷、開裂破壞，杜絕坍塌再次發(fā)生，避免水土流失和環(huán)境污染。

（3）統(tǒng)籌規(guī)劃土方的綜合利用，合理調配，盡量做到“零棄方、少借方”，減少取、棄土對周邊環(huán)境的影響。

（4）保護耕地資源，減少永久占用耕地，臨時占用耕地適時復墾，避免耕地退化。

（5）充分考慮建設、管理和運營成本，力爭做到全壽命周期成本最低。

（6）處治后的邊坡寬容流暢，生態(tài)恢復良好，與自然坡面和周邊自然環(huán)境融為一體，營造出一個安全順暢、舒適怡人的通行環(huán)境。E993D0D0-9E61-492A-BE5A-216212B78122

3.3.2 處治方案

老谷高速公路一標段地處壟崗微丘區(qū)，地形起伏小，坡面平緩，基本為已利用耕地，填方769 575 m 挖方602 199 m 借方290 519 m3?，F(xiàn)場調查結果顯示：坡率≤1∶1.5、坡高≤3 m的路塹邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài);坡率≤1∶5、坡高≥6 m的自然邊坡也未發(fā)現(xiàn)有坍塌現(xiàn)象，農作物長勢良好。

根據(jù)老谷高速公路膨脹土路塹邊坡坍塌路段的特點，突破傳統(tǒng)按照1∶2～1∶3的坡率放緩邊坡、加固坡腳的常用處治理念，統(tǒng)籌兼顧綠色處治需解決的主要問題，決定將坍塌邊坡距碎落臺高度>3 m以上部分削成1∶5的緩坡，距碎落臺高度≤3 m部分維持原設計為1∶1.5的坡率;取消坡腳擋墻，坡面采用植草防護;在坡面折點以外2 m距離的內側設置截水溝，截水溝以外1 m為用地邊界，其余部分作為臨時用地，處治完成后進行整治復墾為耕地，交還給當?shù)剞r民耕種。具體處治方案如圖3所示。

對老谷高速公路一標段發(fā)生較大坍塌的7處膨脹土路塹邊坡進行綠色處治，與傳統(tǒng)按照坡率1∶2.5放緩邊坡的處治方案相比較，挖方和臨時用地略有增加，但永久征地、防護工程以及路段借方減少，造價降低，具體如下頁表2所示。

3.3.3 處治效果

老谷高速公路一標段從2016年10月開始對發(fā)生較大坍塌的7處膨脹土路塹邊坡進行綠色處治，2017年1月處治施工完成。同時，對臨時用地進行復墾并交還給當?shù)剞r民耕種，施工過程中邊坡始終保持穩(wěn)定，復墾后的邊坡與自然坡面渾然一體，達到了較好的效果。

老谷高速公路于2020-05-06開始通車試運營，至今經(jīng)歷了3次季節(jié)性干濕循環(huán)作用，經(jīng)綠色處治后的邊坡再沒有發(fā)生邊坡坍塌現(xiàn)象，經(jīng)濟、社會、環(huán)境和生態(tài)效益顯著。

老谷高速公路膨脹土路塹邊坡坍塌綠色處治方案較好地解決了傳統(tǒng)處治方案普遍存在的問題，實現(xiàn)了綠色處治的目標，主要表現(xiàn)在：

（1）邊坡自然穩(wěn)定，取消了厚重粗笨的坡腳擋墻，坡面采用植物防護，坡面綠色生態(tài)，景觀效果好。

（2）處治后的邊坡在季節(jié)干濕循環(huán)作用下長期穩(wěn)定，安全可靠，有效地避免了坍塌的再次發(fā)生，防止水土流失和環(huán)境污染效果顯著。

（3）放緩邊坡增加的挖方綜合利用于路堤填筑，使本標段借方數(shù)量減少了52.9%，大大降低了取土對周邊環(huán)境的影響。

（4）綠色處治方案采用臨時用地復墾還地措施，永久征地僅為原設計方案的41.9%，為傳統(tǒng)處治方案的28.7%，耕地資源占用顯著減少。

（5）綠色處治方案的征地、借方和防護減少，工程造價僅為原設計方案的45.6%，為傳統(tǒng)處治方案的37.3%，后期養(yǎng)護費用少，全壽命周期成本最低。

（6）坡率平緩，視野開闊，寬容性好;坡面生態(tài)恢復良好，坡面景觀與周邊自然環(huán)境和諧融合;行車安全舒適、順暢愉悅。

4 結語

根據(jù)老谷高速公路膨脹土路塹邊坡坍塌路段的區(qū)域環(huán)境和工程特點，在詳細分析坍塌成因和處治方案基礎上，基于綠色公路建設理念，大膽創(chuàng)新，因地制宜地提出了綠色處治方案并順利實施。主要結論如下：

（1）膨脹土路塹邊坡在季節(jié)干濕循環(huán)作用下容易產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象，綜合采取“放緩邊坡、加寬平臺、加固坡腳”等措施進行處治基本可以達到邊坡整體穩(wěn)定的效果，但耕地超占、資源浪費、環(huán)境污染、通行安全等問題較為突出。

（2）綠色處治方案將坍塌的膨脹土路塹邊坡放緩至適合耕種的自然穩(wěn)定坡率，處治完成后坡面復墾交還給當?shù)剞r民耕種，杜絕了“屢治屢滑”現(xiàn)象，達到了降低消耗、節(jié)約資源、保護環(huán)境、安全舒適和綠色生態(tài)的效果，可為其他類似工程膨脹土路塹邊坡坍塌處治提供技術指引和經(jīng)驗借鑒。

（3）綠色處治方案在坡腳設置了一段高3 m、坡率為1∶1.5的相對陡坡，有效地減少了挖方數(shù)量和臨時用地，其高度和坡率是基于現(xiàn)場穩(wěn)定邊坡調查統(tǒng)計確定的，其他類似工程膨脹土路塹邊坡坍塌處治應因地制宜地確定其坡腳相對陡坡的高度和坡率，確保穩(wěn)定。

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