焦亞斌

（蘭州乾元交通規(guī)劃設計咨詢有限公司，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，會造成兩者的設計與施工均有所不同。對此，有必要結合工程實際情況深入分析探討高填土涵洞的設計與施工相關技術，明確設計與施工技術要點，解決高填土帶來的涵洞結構環(huán)境問題，并以此為同類工程設計與施工提供技術支持。

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，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)歷三個階段：第一階段為形成細谷。沖溝持續(xù)擴大，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，此時會到達一個基準面，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，沖溝每個階段都存在，給該工程施工質量造成很大影響[1]。

2 高填土涵洞設計

高填土涵洞指的是填土高度達到8m 及以上的涵洞。某公路工程K298+900—K321+900 合同施工標段，路線處在岔溝北岸，邊坡表面存在切割十分強烈的沖溝，共有9 處沖溝。通過外業(yè)勘查與經(jīng)濟比較，以及現(xiàn)場反復論證可知，存在三條相對較大的沖溝采用設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置情況如表1所示。

表1 某公路工程K298+900—K321+900 標段高位涵設置情況

高填土涵洞整體穩(wěn)定性和路基、填土與排水直接相關，使路基保持穩(wěn)定是涵洞處于穩(wěn)定狀態(tài)的重要基礎，尤其是黃土地基，必須做好沖溝處理。先對溝壁實施擴溝處理，挖設溝壁陷穴與臺階。對坡腳部位上游50m、下游20m 的溝底和溝壁分別進行開挖，縱向形成寬度8m、深度2m 的結合槽，施工中土質臺階同時考慮。在開挖和填筑的結合位置，先進行翻挖強夯，再整平強夯整個開挖部位，然后按照要求實施分層碾壓；高填路堤施工進行分層填筑，部分位置可考慮采用強夯的方法處理，強夯處理的位置是基底填高5m 處；開挖與填筑的結合處，要求其壓實度不低于95%，強夯結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 的范圍內增設土工格室，使用砂礫進行填筑；另外，在土工格室的下方還需增設三層土工格柵，其上、下部間隔距離為60cm，每層的寬度都應達到開挖和填筑兩側分別5m。強夯施工完成后才能進行土工格室與土工格柵的施工。具體的強夯技術參數(shù)包括：加固深度需達到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)都要通過試夯進行確定和調整）[2]。

在有代表性的路段選取原狀土樣實施剪切與常規(guī)土工試驗，利用原始指標分析確定邊坡的穩(wěn)定性。當坡高不超過8m 時，按照1∶1.5 的坡度一坡到底；當坡高超過8m 時，選擇折線形邊坡；當坡高在0～8m 范圍內時，坡度按1∶1.5 控制，當坡高在8～20m 范圍內時，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，于兩側選擇適當位置增設高位涵。對于壩式路基，其主要優(yōu)勢在于能充分利用挖、棄方，明顯提高涵位，縮短涵長，減少工程造價，此外還能避免水土流失。壩式路堤邊坡穩(wěn)定驗算方法為圓弧法，同時結合當?shù)噩F(xiàn)有經(jīng)驗，邊坡的具體形式采用臺階式邊坡為宜，超過20m 的部分按照10m 的間隔距離設置寬度為2m 的邊坡平臺，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 的間隔距離設置寬度為2m 的邊坡平臺，坡率從上到下依次為1∶2.25、1∶2.5 與1∶2.75。

為避免流水對涵洞造成太大沖刷作用，需考慮在涵洞的進口部位增設急流槽。在縱坡相對較大的部位，還需要在進口部位增設跌水井，用于進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急流槽，按5m 的間隔距離設置防滑坎，并在坡腳線以外按照20m 的間隔距離設置消力池。對于高位涵來說，路堤防水也十分重要。在壩式路堤上的迎水面鋪設兩層復合土工膜，即一布一膜，用于避免蓄水下滲導致管涌現(xiàn)象，土工膜的鋪設需嵌入底部和溝壑中至少2m，并在迎水面的表面設置一道漿砌片石護坡，其基礎需嵌入地面至少1.25m，護坡部分的標高應比涵洞頂面高出1m。護坡上部和背水面邊坡都應設置拱形骨架來加固[3]。

3 高填土涵洞施工

高填土涵洞與設于填方上的涵洞均按照反開挖法進行施工，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高，再于涵洞所在部位及其基礎邊緣分別3m 之內進行強夯處理，完成強夯后進行換填層的填筑施工，并對涵洞的基礎進行澆筑，在處理結束后要求復合地基的實際承載力達到設計要求，基礎周圍還需鋪設一層塑料布用于防止混凝土中的水分發(fā)生流失，此前應注意先扳倒臺身和基礎之間的連接鋼筋，然后在臺身澆筑過程中扳起并進行對應焊接?；A澆筑成型后，將路基澆筑到涵洞頂部標高上部1m 的位置，之后沿垂直方向開挖基坑，其寬度為臺身兩側外緣之間的距離，將連接鋼筋扳起后，對臺身進行澆筑，并對臺身和基礎之間的連接部位進行鑿毛，最后對連接鋼筋進行焊接。在澆筑臺身的過程中應揭開基礎外部包裹的塑料布，并將其鋪掛于兩側基坑邊緣，避免臺身混凝土產(chǎn)生嚴重的水分流失，最后按照要求進行蓋板的架設和涵洞頂部回填處理[4]。

急流槽設置應做到早接遠送，將其基坑開挖完成后，需將地基夯實，壓實度達到95%及以上。在急流槽中還需按照5～8m 的間隔距離并在地質發(fā)生變化的部位增設沉降縫，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的間隔距離設置底部寬度為1m 的防滑坎。急流槽需要以坡度為依據(jù)設置成臺階狀，以此起到一定的消能作用，并確保急流槽底部厚度達到40cm 及以上。在施工過程中急流槽要以實際地形條件為依據(jù)合理布置，盡可能設于原狀土的表面。在施工過程中還要做好不良地質處理，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

涵洞剛度遠大于填土，涵洞上方土體發(fā)生沉降變形時產(chǎn)生明顯內外沉降差，使涵側土體難以壓實，若內、外土柱發(fā)生相對移動，則會在涵洞的頂部產(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受到附加應力持續(xù)作用，在結構所受豎向荷載達到一定程度后，就會引起洞身開裂；另一個原因是同一涵節(jié)在地基發(fā)生不均勻沉降時涵洞自身結構受力未能達到均勻導致洞身開裂；涵洞施工中長度較大，未能按照設計要求增設沉降縫[6]。

4.2 接縫病害

受外界不同因素的影響，導致涵洞產(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到完善，或施工質量未能達到合格標準，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，所以在設計和施工過程中都要注意防止由于水毀導致涵洞破壞。水毀是指由于水流湍急導致涵洞受到?jīng)_刷而破壞。另外，如果兩個相鄰的涵節(jié)未能良好連接，會使水流從涵洞的接口部位向外滲出，導致底板土質被掏空造成涵洞產(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

兩個相鄰的涵節(jié)若所處地基土質分布不均勻，則會由于地基發(fā)生不均勻沉降使涵節(jié)之間的接縫部位產(chǎn)生裂縫；當基底土質差異較大時，其堅硬程度也會有很大不同，此時土質較為堅硬部位的承載力相對較大，土質較為松軟部位的承載力則相對較小；有的地基從表面看土質相對均勻，但深層次也可能有地質隱患存在，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涵洞地基實施處理，此時將對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。導致這些病害產(chǎn)生的原因包括：保護層厚度較小、混凝土的振搗未能達到均勻和充分等，這些原因都會導致混凝土中的鋼筋產(chǎn)生銹蝕，使鋼筋體積發(fā)生膨脹，進而造成混凝土剝落，對涵洞結構自身耐久性造成不利影響，降低涵洞結構整體強度，減小承載力。

5 高填土涵洞病害防治對策

根據(jù)高填土涵洞病害主要特征和產(chǎn)生機理，如果涵洞產(chǎn)生病害，會對其結構自身安全及耐久性造成很大影響，對涵洞進行維修加固必然造成一定程度的經(jīng)濟浪費，且功能效果同樣會受到不同程度的影響。統(tǒng)計結果表明，公路工程高填土涵洞數(shù)量越來越多，對此必須加強相關理論和技術研究，以便在涵洞產(chǎn)生病害后能夠立即采取針對性防治對策。

高填土涵洞施工可考慮采取下列措施防治病害。

一是對于上埋式涵洞，若填高相對較低，則可先使用土體進行回填，將填土壓實，達到要求的壓實度后，再對涵洞進行開挖修建，該方法的主要優(yōu)勢是能減小涵側受到的土壓力，避免涵洞產(chǎn)生開裂和錯位等病害。

二是若涵洞上方填高相對較大，則先將涵側土體碾壓密實，使涵側填土達到要求的壓實度，通過適當減小涵洞頂部填土實際密實度，可起到減小內外部沉降差的作用，進而減小涵洞頂部的土壓力，實現(xiàn)減荷目標。

三是如果在V 形河谷中進行涵洞修建，則在施工中要充分利用天然地形條件，以此對涵洞結構自身受力予以改善。

四是在涵洞施工中進行土體填筑時，應對填筑速度予以嚴格控制，以此在涵洞施工中產(chǎn)生不均勻變形現(xiàn)象時立即調整，防止涵洞結構遭到破壞。涵洞填筑必須分層和對稱進行，使填土達到要求的壓實度，以免在填筑結束后受到大型機械設備的荷載作用導致側墻偏載或涵洞頂部產(chǎn)生局部應力集中。

五是填土施工中一旦發(fā)現(xiàn)結構異常，應立即暫停施工，并認真檢查涵洞結構，將異?，F(xiàn)象排除后，才能繼續(xù)施工，另外在施工中還應隨時檢查涵洞發(fā)生的變形。

6 結語

綜上所述，高填土涵洞這一在山區(qū)公路建設中常見的涵洞形式，其構造環(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)生原因和對涵洞造成病害的機理，通過高填土涵洞設計與施工典型案例總結分析，得到控制高填土涵洞設計與施工質量的技術指標和防治病害的對策措施。這些技術措施的普及應用，能夠促進提高高填土涵洞設計與施工質量，減少涵洞重點部位維修整治數(shù)量，達到延長公路安全暢通周期的目的。