文/ 供圖 | 杭州交通投資建設(shè)管理集團(tuán)有限公司
溧陽至寧德國家高速公路浙江省淳安段
“湖庫區(qū)高速公路綠色建造關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目是基于溧陽至寧德國家高速公路浙江省淳安段(以下簡稱“千黃高速”)建設(shè)工程開展的浙江省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目,由杭州交通投資建設(shè)管理集團(tuán)有限公司、浙江工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、杭州市交通工程集團(tuán)有限公司4家單位聯(lián)合承擔(dān)研究任務(wù)。項(xiàng)目屬于交通運(yùn)輸工程技術(shù)領(lǐng)域,立項(xiàng)經(jīng)費(fèi)約350萬元,內(nèi)容主要包括湖庫區(qū)綠色建造、水下填筑、綠色護(hù)坡、過渡段沉降控制等方面,于2018年8月啟動(dòng),2022年7月完成,浙江省交通運(yùn)輸廳科技成果鑒定,成果總體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
隨著國內(nèi)大規(guī)模交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),湖庫區(qū)高速公路的建造數(shù)量持續(xù)增加。湖庫區(qū)特有的地下水蒸發(fā)降雨循環(huán)和水位季節(jié)性升降造成的路基干濕循環(huán)、魚類及植物的脆弱生態(tài)環(huán)境等都成為了湖庫區(qū)高速公路建設(shè)的極大挑戰(zhàn)。如何降低高速公路建設(shè)對(duì)湖庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的不良影響,思考路基、隧道與邊坡等設(shè)施的綠色建造方法成為當(dāng)前交通工程的當(dāng)務(wù)之急。
湖庫區(qū)路段路基邊坡緊鄰湖庫,湖庫水位的往復(fù)變化使路基長期處于干濕循環(huán)的環(huán)境中,巖土體力學(xué)性質(zhì)下降,不宜采用填筑土體的初始力學(xué)參數(shù)作為邊坡穩(wěn)定的計(jì)算參數(shù)。同時(shí),庫灣區(qū)路段一般位于山區(qū),周邊爆破開挖工況較多,由爆破引起的振動(dòng),一旦以彈性波的形式傳播至庫灣區(qū)路基中,這種振動(dòng)也會(huì)對(duì)路基土體的力學(xué)特性產(chǎn)生不利影響,而目前對(duì)于這種影響還難以實(shí)現(xiàn)定量化考慮。庫灣區(qū)路堤邊坡一般采用植物綠化加固手段,這是一種有效的邊坡加固手段,然而目前植物根系加固土體的效果還難以評(píng)價(jià),因此無法在工程實(shí)踐中考慮這一效應(yīng),會(huì)造成一定的工程浪費(fèi)。
湖庫區(qū)水位升降在引起水力荷載循環(huán)的同時(shí),也導(dǎo)致了路基邊坡的干濕循環(huán)劣化。此外,路基邊坡綠化的植物根系雖會(huì)對(duì)邊坡土體起到加筋作用,但鄰近隧道爆破開挖路基土體受到循環(huán)振動(dòng)加載,可能引起土體強(qiáng)度弱化和邊坡失穩(wěn)。上述干濕循環(huán)和累次爆破振動(dòng)對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性起到了負(fù)作用,而植物根系起到了加筋正作用,加之水位漲落和大粒徑(米級(jí))填料等復(fù)雜條件,現(xiàn)有行業(yè)規(guī)范的路基邊坡穩(wěn)定性分析方法顯然無法勝任,亟需提出一種能綜合考慮上述正負(fù)因素及復(fù)雜湖庫區(qū)環(huán)境條件的路基邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法。
湖庫區(qū)的水下填筑與強(qiáng)夯施工過程顯著區(qū)別于常規(guī)強(qiáng)夯加固,目前尚缺乏水下填筑、干濕循環(huán)條件下的路基邊坡填筑材料控制準(zhǔn)則,現(xiàn)行水下填筑、強(qiáng)夯施工參數(shù)選擇只能依據(jù)現(xiàn)場工程經(jīng)驗(yàn),水下填筑、強(qiáng)夯加固效果檢測缺乏行之有效的技術(shù)手段和檢測設(shè)備。同時(shí)臨湖巖石爆破開挖威脅路基邊坡穩(wěn)定性、常規(guī)路基護(hù)坡植被易形成風(fēng)化基巖消落帶,均會(huì)造成湖庫區(qū)生態(tài)污染、影響生態(tài)平衡,目前尚缺乏臨湖巖石爆破開挖環(huán)境影響的主動(dòng)控制技術(shù)與干濕循環(huán)、高水位漲落條件下路基消落帶治理技術(shù)。
通過理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、原位測試和工程驗(yàn)證等多重手段,團(tuán)隊(duì)對(duì)湖庫區(qū)高速公路綠色建造關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究,提出了“一種計(jì)算模型、一種加固機(jī)理及監(jiān)測手段、一種爆破振動(dòng)評(píng)價(jià)方法、一種綠色護(hù)岸結(jié)構(gòu)及兩種過渡段沉降控制措施”。
針對(duì)湖庫區(qū)路基巖土體建造期間采用水下強(qiáng)夯填筑、巖石爆破施工、植物根系加固,以及運(yùn)營期干濕循環(huán)往復(fù)等工程特點(diǎn),團(tuán)隊(duì)開展了水下填筑、干濕循環(huán)等復(fù)雜水環(huán)境與巖石爆破、根系加固等復(fù)雜受力環(huán)境下路基邊坡巖土體的靜、動(dòng)力特性試驗(yàn)研究,探明了干濕交替作用下路基土體的物理力學(xué)性質(zhì)劣化機(jī)理,獲得了大周次爆破振動(dòng)荷載下巖土體的強(qiáng)度弱化規(guī)律,揭示了植物根系物理與水力耦合作用對(duì)巖土體的加固機(jī)理。
項(xiàng)目通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬水位漲落和降雨入滲等引起的水力荷載,通過離散元(DEM)實(shí)現(xiàn)塊石等庫灣路基填料的接觸運(yùn)動(dòng)模擬和下滑力計(jì)算,再將上述邊坡土體強(qiáng)度隨干濕循環(huán)、循環(huán)振動(dòng)和根系加固等環(huán)境因素的函數(shù)關(guān)系納入邊坡潛在滑面的抗滑力計(jì)算中,從而建立起基于CFD-DEM耦合計(jì)算框架、內(nèi)嵌土體巖體動(dòng)態(tài)刷新功能的湖庫區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性分析方法。該方法揭示了水位漲落引起水力荷載,以及干濕循環(huán)引起強(qiáng)度劣化下的湖庫區(qū)路基塊石運(yùn)動(dòng)和失穩(wěn)機(jī)制,明確了在植物根系加筋和滲流水力雙重作用下,不同植物根系種類、長度、體積比等關(guān)鍵特征參數(shù)對(duì)路基邊坡含水率、基質(zhì)吸力與安全系數(shù)的影響規(guī)律。
項(xiàng)目提出了水下填筑、干濕循環(huán)條件下路基邊坡填筑材料的控制標(biāo)準(zhǔn),研發(fā)了適用于水下填筑與強(qiáng)夯的面波激發(fā)和接收設(shè)備,形成了水下填筑與強(qiáng)夯加固效果的立體檢測技術(shù);針對(duì)臨湖巖石爆破開挖威脅路基邊坡穩(wěn)定性,提出了臨湖邊坡巖石爆破振動(dòng)與環(huán)境評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,形成了巖石掌子面爆破主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù);在水位漲落、干濕循環(huán)條件下,篩選出適用于高水位變化、長時(shí)間耐淹脅迫條件下的綠色護(hù)坡植物,并形成綜合利用土工織物-護(hù)岸結(jié)構(gòu)-植物根系反濾層體系的湖區(qū)消落帶綠色護(hù)岸技術(shù),實(shí)現(xiàn)了過渡段車輛-地基振動(dòng)特性的綜合評(píng)估,探究了路基動(dòng)應(yīng)力放大效應(yīng),以及剛度衰減規(guī)律,開展了現(xiàn)有不均勻沉降控制措施的參數(shù)影響分析,進(jìn)而創(chuàng)新性研發(fā)了隧路過渡段自適應(yīng)沉降控制措施及過渡段截面最佳曲線試驗(yàn)裝置。
杭新景大橋II 期
之江大橋
江東大橋高空索夾維修
隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)建設(shè),我國將會(huì)建設(shè)越來越多的湖庫區(qū)高速公路,如何盡量降低工程建設(shè)對(duì)湖庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響,確保路基、邊坡及隧道等基礎(chǔ)設(shè)施順利建造與安全運(yùn)行,是量大面廣的高速公路面臨的共性基礎(chǔ)問題,理論和設(shè)計(jì)方法上的突破將為未來大量的湖庫區(qū)高速公路建設(shè)提供科學(xué)的設(shè)計(jì)手段及施工方法,為未來湖庫區(qū)高速公路建設(shè)補(bǔ)齊環(huán)境影響評(píng)價(jià)與綠色建造方法的短板提供關(guān)鍵支撐。項(xiàng)目在路基填料動(dòng)靜力計(jì)算模型、水下強(qiáng)夯及檢測技術(shù)、邊坡穩(wěn)定與爆破環(huán)境評(píng)價(jià)、綠色護(hù)岸結(jié)構(gòu)、過渡段不均勻沉降控制措施五個(gè)方面取得了一系列創(chuàng)新型成果,為新建庫灣區(qū)及現(xiàn)有高速公路的擴(kuò)建、改造和養(yǎng)護(hù)保障提供理論支持,對(duì)發(fā)展我國公路科學(xué)有較大的貢獻(xiàn)。研究成果不僅可直接應(yīng)用于庫灣區(qū)高速公路設(shè)計(jì)和施工中,還可為制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)提供可靠的依據(jù)。截至2022年7月,課題成果已在浙江、重慶、安徽、廣西、廣東、福建等省份湖庫區(qū)高速公路綠色建設(shè)工程成功應(yīng)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益;建立的消落帶綠色護(hù)岸結(jié)構(gòu)、過渡段不均勻沉降控制措施等關(guān)鍵技術(shù)已在浙江千黃高速公路項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用,運(yùn)行情況良好。湖庫區(qū)高速公路設(shè)計(jì)、施工及檢測中亟需項(xiàng)目研究成果,應(yīng)用前景廣闊。
杭新景高速公路
項(xiàng)目成果減少了路基處理、強(qiáng)夯加固、爆破施工、植被養(yǎng)護(hù)等費(fèi)用,大大降低了路基失穩(wěn)、溶洞塌陷及水生態(tài)環(huán)境破壞等風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。
杭州千黃高速公路有限公司在千黃高速工程中成功應(yīng)用課題研究成果,節(jié)約路基處理費(fèi)用3200萬元、強(qiáng)夯費(fèi)用510萬元、爆破費(fèi)用124萬元、邊坡治理費(fèi)用320萬元、過渡段養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用5670萬元,避免了路基失穩(wěn)、溶洞塌陷、水生態(tài)環(huán)境破壞問題,降低路基失穩(wěn)損失1920萬元、溶洞塌陷損失540萬元、水生態(tài)環(huán)境修復(fù)費(fèi)1800萬元。
中交路橋建設(shè)有限公司在巫溪至開州高速公路項(xiàng)目工程中成功應(yīng)用課題研究成果,節(jié)約植被養(yǎng)護(hù)費(fèi)用160萬元、路基處理費(fèi)用320萬元、強(qiáng)夯費(fèi)用171萬元、爆破費(fèi)用14萬元,避免了路基失穩(wěn)、溶洞塌陷、水生態(tài)環(huán)境破壞問題,降低路基失穩(wěn)損失21萬元、溶洞塌陷損失42萬元、水生態(tài)環(huán)境修復(fù)費(fèi)300萬元。
安徽省交通控股集團(tuán)有限公司在上海至武漢高速公路無為至岳西段工程中成功應(yīng)用課題研究成果,節(jié)約爆破費(fèi)用10萬元,避免了水生態(tài)環(huán)境破壞問題,減少水生態(tài)環(huán)境修復(fù)費(fèi)300萬元。
杭州市交通工程集團(tuán)有限公司在國道235線杭州老余杭至五常段改建工程中成功應(yīng)用課題研究成果,節(jié)約路基處理費(fèi)用300萬元,避免了路基失穩(wěn)問題,減少路基失穩(wěn)損失60萬元。
中交第三公路工程局有限公司在巴馬至憑祥高速公路巴馬至田東段工程中成功應(yīng)用課題研究成果,節(jié)約路基處理費(fèi)用96萬元,爆破費(fèi)用24萬元,植被養(yǎng)護(hù)費(fèi)用52萬元,避免了路基失穩(wěn)、水生態(tài)環(huán)境破壞問題,減少路基失穩(wěn)損失52萬元、水生態(tài)環(huán)境修復(fù)費(fèi)120萬元。
中鐵大橋局集團(tuán)有限公司在福泉高速公路連接線拓寬改造工程中成功應(yīng)用課題研究成果,節(jié)約過渡段處理費(fèi)用70萬元。
通過應(yīng)用該項(xiàng)目成果,目前全國共計(jì)節(jié)約施工費(fèi)用1.104億元,減少事故損失5155萬元,取得了很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,應(yīng)用效果良好。