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        雷榕高速公路橋梁改路基方案優(yōu)化探討

        2024-01-01 00:00:00柯善劍李鵬李明江陳海斌汪海
        西部交通科技 2024年6期
        關(guān)鍵詞:高速公路

        摘要:文章結(jié)合黔東南地區(qū)雷榕高速公路桃江互通A匝橋梁改路基工程實(shí)例,在綜合考慮地形地貌與地質(zhì)水文、土石方路用特性、施工可行性等因素的基礎(chǔ)上,分析了橋梁改路基方案的可行性,提出了相應(yīng)的路基工程方案和具體技術(shù)措施,并對(duì)填筑過程中路基的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析,可為山區(qū)高速公路類似工程案例的設(shè)計(jì)優(yōu)化比選提供參考與借鑒。

        關(guān)鍵詞:高速公路;橋梁改路基;路基穩(wěn)定性;數(shù)值計(jì)算

        中圖分類號(hào):U445.6

        0 引言

        我國西南地區(qū)高速公路大發(fā)展,山區(qū)公路建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大。貴州省作為典型的喀斯特地貌山區(qū),“地?zé)o三里平,天無三日晴”,多山多谷,在高速公路的建設(shè)過程中,不可避免地會(huì)遇到隧道與橋梁工程,以及高填方路基工程[1-2]。當(dāng)隧道洞渣集中、方量大且無理想的棄土場時(shí),如何更好地平衡土石方,減少棄方,確保工程施工進(jìn)度,節(jié)約工程造價(jià),在公路工程的建設(shè)過程中是一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問題。一般情況下,橋梁改路基的方案可能會(huì)更符合工程的實(shí)際情況[3-4]。

        雷山至榕江高速公路是貴州省“678”高速公路網(wǎng)的重要組成部分,是連接黔東南地區(qū)南部與北部兩大片區(qū)的重要干線公路。在雷榕高速公路二分部桃江互通的建設(shè)過程中,由于桃江互通位于兩隧道之間,且隧道洞渣大量外棄,不符合當(dāng)下“綠色、環(huán)保、低碳”的理念。綜合考慮場區(qū)地形地貌與地質(zhì)水文、廢棄土石方路用特性、征地、運(yùn)距、工程質(zhì)量、進(jìn)度、造價(jià)、施工可行性以及社會(huì)需求等各方面因素,最終采取了桃江互通A匝道橋梁改路基的設(shè)計(jì)方案。

        1 工程概況與地質(zhì)水文條件

        1.1 原設(shè)計(jì)工程簡介

        雷榕高速公路桃江互通連接線長190 m,連接省道S308。該連接線原設(shè)計(jì)A匝道橋1座,采用先簡支后連續(xù)T梁,中心樁號(hào)AK0+084,采用3×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁,橋長150 m,橋?qū)?4.9 m,最大樁長30 m,最大墩高52.2 m。連接線起點(diǎn)與S308平交口通過交安劃線實(shí)現(xiàn),而終點(diǎn)與超限檢測站段落等寬順接(寬34.9 m)。

        1.2 橋址區(qū)地形地貌與地質(zhì)水文

        1.2.1 地形地貌

        橋址區(qū)地處云貴高原的東南側(cè)向湘桂丘陵盆地過渡的斜坡臺(tái)地,場區(qū)地貌類型屬侵蝕-剝蝕型中低山地貌。

        1.2.2 工程地質(zhì)

        根據(jù)既有勘察資料,并結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查,場區(qū)出露的地層巖性為第四系殘坡積層含碎石粉質(zhì)黏土、沖洪積層卵石土以及砂巖夾板巖。覆蓋層:(1)含碎石粉質(zhì)黏土:褐黃色,可塑狀,含少量碎石,厚0~3.5 m;(2)卵石土:雜色、卵石成分為變余砂巖、板巖,結(jié)構(gòu)松散,含水飽和,粒徑1.0~10.0 cm,厚2.0~5.0 m,沿南柳河分布?;鶐r:(1)變余砂巖夾板巖強(qiáng)風(fēng)化層:灰黃色,薄-中厚層狀,節(jié)理發(fā)育,破碎,巖芯呈塊狀和碎塊狀,強(qiáng)風(fēng)化層最厚15 m;(2)變余砂巖夾板巖中風(fēng)化層:灰/深灰色,薄-中厚層狀,節(jié)理發(fā)育,較破碎-較完整,巖芯呈柱狀、少量塊狀。

        1.2.3 水文條件

        場區(qū)地下水的類型為松散層孔隙水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水賦存在于第四系松散土層中,水量小,動(dòng)態(tài)變化大,受季節(jié)影響明顯?;鶐r裂隙水賦存在于風(fēng)化層基巖裂隙中,水量小,動(dòng)態(tài)變化較大,受大氣降雨和河水補(bǔ)給的影響。大氣降雨大部以坡面流向南柳河流動(dòng),少部分通過風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙下滲,形成基巖裂隙水。裂隙不發(fā)育的板巖為相對(duì)隔水層。河谷區(qū)地下水位埋藏淺,受河水位控制,岸坡區(qū)地下水位埋藏較深,水位受降雨及裂隙發(fā)育深度雙重控制。

        2 優(yōu)化變更設(shè)計(jì)的原因

        (1)雷榕高速公路桃江段沿里程樁號(hào)依次為雷公山隧道(4.7 km)、桃江隧道(1.7 km)、桃江互通、白竹山隧道(2.2 km)。桃江互通位于桃江隧道與白竹山隧道之間,兩隧道間距1.62 km。雷公山隧道出口、桃江隧道、白竹山隧道進(jìn)口段的隧道棄渣方量約140×104 m3,方量巨大。設(shè)計(jì)棄土場位于白竹山隧道頂部一個(gè)洼地處,但該棄土場為存在爭議地塊,征地存在影響社會(huì)穩(wěn)定性因素,征用難度大。而新增棄土場選址困難。

        (2)設(shè)計(jì)棄土場距離雷公山隧道出口運(yùn)距遠(yuǎn),省道交通常擁堵。桃江互通與雷公山國家自然保護(hù)區(qū)僅S308省道一路之隔,現(xiàn)桃江村緊鄰桃江互通區(qū)收費(fèi)站,該村沿S308省道而建,交通經(jīng)常性堵塞中斷,周邊無發(fā)展空間。該S308省道為隧道棄渣運(yùn)往設(shè)計(jì)棄土場的唯一必經(jīng)之路,且設(shè)計(jì)棄土場距白竹山隧道進(jìn)口8 km,距雷公山隧道出口12 km,棄土運(yùn)距遠(yuǎn)。若維持設(shè)計(jì)棄渣方案,將導(dǎo)致S308交通組織崩潰、施工成本劇增、棄土場及環(huán)水保費(fèi)用巨大。連接線A匝道橋改為路基方案,可以有效消化棄方,解決雷公山隧道、桃江隧道和白竹山隧道的就近棄土棄渣問題。

        (3)學(xué)校安置問題。桃江互通收費(fèi)站采用三進(jìn)三出的結(jié)構(gòu),收費(fèi)站場坪根據(jù)地形布置在收費(fèi)站右側(cè),受當(dāng)?shù)氐匦螚l件限制,場坪僅占地4 666.67 m2,如圖1所示。桃江互通收費(fèi)站位于原有桃江小學(xué)處,需拆遷桃江小學(xué)。但桃江村百姓房屋多依山而建,現(xiàn)場幾乎找不到較廣闊的平地用以建設(shè)新小學(xué),新小學(xué)的選址是一個(gè)嚴(yán)峻的問題。橋改路基可利用路基填筑形成A匝道左側(cè)的填平區(qū),充分解決桃江小學(xué)就近搬遷與建設(shè)新校園的選址問題。

        (4)主線桃江大橋橋梁墩柱安全性。桃江互通連接線原A1匝道橋位于南柳河河道內(nèi),原設(shè)計(jì)最高墩身97 m,該南柳河段為深切V字形峽谷地段,地形陡峭,上下高差超過100 m,水流湍急直接沖刷主線桃江大橋的左幅5#~6#墩、右幅6#~7#墩柱,施工期及運(yùn)營期存在一定程度的安全隱患。

        3 橋改路新設(shè)計(jì)方案

        3.1 變更方案

        新設(shè)計(jì)方案減少橋梁1座,增設(shè)4 m×3 m鋼筋混凝土蓋板涵1道,增加填方、消耗棄方140×104 m3,增加1座450 m的過水隧道,路基新增用地62 666.67 m2,且新增用地全部為溝谷荒地、河道,路基左側(cè)填平區(qū)新增建設(shè)用地約12 000 m2。AK0+000~AK0+200段填方路基的參數(shù)為:路基中心最大填高63.67 m,右側(cè)最大坡高約114.4 m。A匝路基采用雙向四車道高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),路基寬度24.5 m,設(shè)計(jì)時(shí)速80 km,荷載等級(jí)公路-Ⅰ級(jí)。路基左側(cè)填平,路基右側(cè)放坡;路基右側(cè)填方橫向?qū)挾?74 m,填筑體下部處原南柳河河道被占。為保證填方路基穩(wěn)定,將采取如下技術(shù)措施。

        (1)路基右側(cè)放坡:如圖2所示,路基頂部設(shè)計(jì)海拔高程為943.711 m,在路基右側(cè)放坡7級(jí)填筑至海拔高程887.711 m處將河道填平,填方邊坡從路面以下依次按1∶1.5~1∶1.75~1∶1.75~1∶1.75~1∶1.75~1∶2~1∶2放坡,每級(jí)邊坡高8 m;順河道下游再放坡4級(jí),填筑至海拔高程855.711 m處再將河道填平,以保證主線桃江大橋左幅5#~6#墩、右幅6#~7#墩的安全和方便施工,此4級(jí)邊坡均按1∶2進(jìn)行放坡,每級(jí)邊坡高8 m;在桃江大橋右幅邊線外側(cè)2.5 m處沿河道下游放坡2級(jí),填筑至海拔高程837.711 m處,坡率為1∶1.5~1∶1.75,第1級(jí)邊坡高8 m,第2級(jí)邊坡高10 m,并在路基坡腳處采用擋墻支擋(高度10 m)進(jìn)行收坡。路基右側(cè)共13級(jí)坡。

        (2)邊坡防護(hù):路基右側(cè)路面以下6級(jí)邊坡采用襯砌拱防護(hù)、第7級(jí)~第13級(jí)邊坡采用30 cm厚M7.5漿砌片石封閉,減少雨水滲入路基體。

        (3)排水系統(tǒng):構(gòu)建基底盲溝、截水溝、涵洞與改溝以及封閉防護(hù)(7級(jí)以下邊坡)等為一體的綜合防排水體系,減小或避免水對(duì)路基穩(wěn)定性的不利影響。同時(shí),通過新建過水隧道以改移路基體所占據(jù)的南柳河部分河道。

        地表水和地下水:地表水沿填方路基邊緣采用各平臺(tái)截水溝、AK0+010處涵洞與改溝將地表水引排至南柳河河道;填筑體基底采用2 m×2 m盲溝將地表下滲水排入南柳河河道。

        改移河道:路基占據(jù)了南柳河部分河道,故通過新建導(dǎo)流過水隧道的方式將河水引排至下游與南柳河既有河道接順。隧道進(jìn)口采用導(dǎo)流墻將河水引排至過水隧道,隧道出口與既有河道采用階梯改溝與既有河道接順。過水隧道參數(shù):單幅,長度450 m,建筑界限寬、高為7.5 m×5 m,最大埋深94.8 m。設(shè)計(jì)過水流量513 m3/s,隧道過水面積86.855 m2,縱坡12%。為保證路基填筑安全和河道流水暢通,在路基填筑前在先施工導(dǎo)流隧道將河水由左到右引至路基坡腳外,導(dǎo)流隧道施工完畢后再填筑路基。

        (4)填料路用性能評(píng)價(jià):路基填料采用雷公山隧道、桃江隧道和白竹山隧道的洞渣,以強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化變余砂巖夾板巖為主。填料的路用特性是明確填料是否可用作路基填料的基礎(chǔ)。因此,須對(duì)典型的風(fēng)化巖進(jìn)行取樣與系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)測試,明確風(fēng)化巖的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和水理特性,評(píng)價(jià)風(fēng)化巖作為路基填料的適宜性。通過室內(nèi)試驗(yàn),確定了風(fēng)化巖以較堅(jiān)硬巖石和較軟巖石為主,可用于A匝高填方路基的填筑;南柳河溝底以上4 m、路堤底部、上路堤和路床應(yīng)采用硬質(zhì)洞渣,風(fēng)化巖盡量用于路堤的上部。

        (5)為控制與減小路基的工后沉降,在路基施工過程中,做好以下幾方面:①強(qiáng)化地基處理,完全清除表層松散土體,使路基填筑體位于巖質(zhì)地基上,確保地基容許承載力大于路基填筑體引起的附加應(yīng)力,并最大程度減少或避免地基部分的沉降;②合理安排工期,優(yōu)先路基填筑,充分考慮自然沉降穩(wěn)定時(shí)間對(duì)路基沉降的影響,填筑前按工期倒排,路基盡早成型,確保路面結(jié)構(gòu)層鋪筑前路基已至少經(jīng)歷一個(gè)完整的雨季或6 m以上的自然沉降穩(wěn)定時(shí)間,有效減少路基工后沉降;③優(yōu)化填筑施工工藝,通過試驗(yàn)路鋪筑,確定合理的施工機(jī)具組合、碾壓遍數(shù)、碾壓速度、碾壓方式,松鋪厚度、松鋪系數(shù)、填料粒徑,以及壓實(shí)質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制措施等;④進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處治,結(jié)合路基百米級(jí)的填筑高度,采取每填筑2 m進(jìn)行一次強(qiáng)夯的高頻補(bǔ)強(qiáng)處治措施,且夯擊能≥2 000 kN·m;⑤構(gòu)建高填方路基的沉降和位移監(jiān)測體系,包括路基的表面沉降、內(nèi)部沉降與表面水平位移,監(jiān)測周期為整個(gè)路基施工期和1個(gè)水文年的運(yùn)營期。

        3.2 路基穩(wěn)定性分析

        選取路基的典型橫斷面,構(gòu)建數(shù)值仿真模型,進(jìn)行路基整體穩(wěn)定性分析[5-7]。采用犀牛Rhinocerse軟件建立并優(yōu)化網(wǎng)格,然后通過Griddle插件導(dǎo)入FLAC 3D軟件生產(chǎn)網(wǎng)格模型,并進(jìn)行分組,如圖3所示。采用強(qiáng)度折減法,通過“model 1”命令模擬路基填筑的施工過程,實(shí)現(xiàn)路基的逐級(jí)填筑和邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的逐級(jí)求解。各巖土層和擋墻的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

        隨著路基的逐級(jí)填筑,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸減?。▓D4)。當(dāng)路基填筑完成時(shí),安全系數(shù)為2.008,滿足規(guī)范[8-9]關(guān)于高路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的要求。

        4 經(jīng)濟(jì)效益

        采用原設(shè)計(jì)方案時(shí),雷公山隧道、桃江隧道和白竹山隧道產(chǎn)生洞渣外棄140×104 m3,需新增棄土場,附近無棄土場,臨時(shí)征地困難且費(fèi)用高,棄渣征地費(fèi)用按4.5元/m3算,費(fèi)用為630萬元。棄方[JP+1]運(yùn)距約為12元/m3,棄土遠(yuǎn)運(yùn)距費(fèi)用為1 680萬元。采用新的變更方案后,無須新增棄土場,隧道出口距A匝填方路基的運(yùn)距較近,渣土車運(yùn)輸一次,節(jié)省運(yùn)費(fèi)。利用隧道洞渣風(fēng)化巖運(yùn)輸單價(jià)約為8元/m3,運(yùn)距費(fèi)用約為1 120萬元。改為路基方案后,可節(jié)約工程造價(jià)約390.2萬元,如表2所示。

        5 結(jié)語

        在山區(qū)高速公路建設(shè)中,應(yīng)結(jié)合實(shí)際對(duì)具體問題進(jìn)行具體分析。針對(duì)橋梁改路基的工程問題,應(yīng)貫徹“綠色、環(huán)保、低碳”的理念,綜合考慮場區(qū)地形地貌、地質(zhì)水文、廢棄土石方的路用特性、征地、工程質(zhì)量和施工可行性等各方面因素,通過論證選定最佳的設(shè)計(jì)方案。目前,該段高填方路基已填筑完成,路基性能良好,未見失穩(wěn)跡象,起到了較好的工程建設(shè)效果。

        參考文獻(xiàn)

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        收稿日期:2024-03-09

        作者簡介:柯善劍(1980—),碩士,高級(jí)工程師,主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

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