林上順，劉碧容，史嵩松

（1．福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室福建福州350118；2．福建省交通規(guī)劃設計院，福建福州350002）

山區(qū)高速公路路基設計

林上順1，劉碧容2，史嵩松2

（1．福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室福建福州350118；2．福建省交通規(guī)劃設計院，福建福州350002）

由于山區(qū)高速公路地形、地貌、地質、水文條件的復雜性，其路基工程的設計較為復雜且難度較大。以松建高速公路建設為例，對山區(qū)高速公路路基設計方案和全過程動態(tài)設計理念進行介紹。本項目在工程設計階段重視現場地形、地質等資料的收集，結合以往的工程經驗，有針對性地開展精心細致的設計；在施工過程中，及時根據現場實際情況的變化，對原設計方案進行合理調整，為工程施工的順利進行創(chuàng)造條件，同時進一步提升了設計成果的質量。實踐表明，本項目的設計方案和設計理念具有明顯的優(yōu)越性，對今后類似工程的設計具有參考意義。

山區(qū)；高速公路；動態(tài)設計；路基工程；不良地基；排水設計

我國已完成大量的高速公路建設，在路基設計和不良地基處治方面，已經積累了豐富的經驗，如文獻［1-2］對路基的穩(wěn)定性問題開展研究；文獻［3］研究了全風化花崗巖用作高速鐵路基床底層及路堤本體填料的適宜性；文獻［4-14］提供了大量軟土地基的處理方案和邊坡滑移等病害的處治案例。

山區(qū)高速公路的工程規(guī)模一般較大，里程長且占地較大，其地形復雜，高填深挖特殊路基已屢見不鮮；其地質情況多變，在山谷、水田、魚塘地帶，經常遇見大面積且具有較大深度的淤泥或淤泥質土等高壓縮性軟弱路基土層，以及含水量較高的高液限土等不良地基。由于地質鉆孔的數量畢竟有限，難以全面把握建設項目的實際地質情況。另一方面，從工程設計到施工期間歷時較長，由于現場情況（如氣候、水文、地形等）的變化，在工程設計前期所提出的合理性方案，可能由于現場地形、地質參數的變化，不再適用于實際工程的施工。

在這種情況下，若未能及時對原設計方案進行調整，則可能導致嚴重的工程事故，對工程的質量、安全、經濟性均會產生不良的影響。因此，在工程設計階段，對現場資料進行全面細致的收集整理，據此進行精心設計是確保工程設計質量的前提；在施工過程中，對設計成果進行跟蹤服務，根據現場情況的變化，及時調整設計方案，使之與現場實際更為吻合，可為工程施工的順利開展創(chuàng)造條件，有助于設計成果的進一步提升。

本文以福建松溪—建陽（松建）高速公路為例，對山區(qū)高速公路路基設計方案和全過程動態(tài)設計理念進行介紹。該項目位于閩北山區(qū)，常年雨量充沛，地形復雜且地質多變，其路基工程設計具有一定的難度。在設計過程中，結合以往的工程經驗以及既有的相關研究成果，充分重視外業(yè)資料收集、地質勘探工作；在路基橫斷面設計、高填深挖路基、不良地基處理、路基排水系統(tǒng)方面進行詳盡合理的設計；在施工工程中，緊密跟蹤現場施工動態(tài)，及時對原設計方案進一步進行優(yōu)化。本項目所倡導的全過程動態(tài)設計理念已成功地應用于實際工程，相關設計經驗可供今后類似的工程借鑒。

1 工程概況

松建高速公路起點位于閩北松溪縣舊縣鄉(xiāng)木城村（福建（閩）浙江省分界處）終點位于閩北建甌市建安街道東安村，與浦南高速公路弓魚樞紐互通連接，線路全長106．66 km，是國家高速公路網第三縱長春至深圳線在福建省境內的重要路段，是海西高速公路網第三縱松溪至武平線的重要組成部分。本項目路基寬度為26m，采用雙向4車道，設計行車速度為100 km／h。

項目所在區(qū)最高氣溫為41．3℃；極端最低氣溫為-8．7℃，雨季主要集中在4～6月，10月至次年3月為旱季。主要災害性氣候有季節(jié)性洪水、霜凍和臺風等。路線位于福建省北部，沿線穿越的地貌單元有構造侵蝕剝蝕丘陵地貌、山間凹地，地形起伏大。山間凹地為周圍的山谷洪流洪積作用和山坡面流坡積作用形成，多分布于侵蝕剝蝕殘丘間的低洼地帶。沿線多被開墾為果園、稻田。沿線地質情況復雜多樣，主要不良地基類別如下：（1）軟土：當高速公路的線路位于剝蝕殘丘、丘陵間溝谷及沖洪積堆積地貌時，沿線表層偶有軟弱土發(fā)育，富含腐植土質，呈飽和、軟塑狀態(tài)，具有含水量大、高壓縮性、低抗剪強度等特性，填筑時將產生過量沉降甚至滑移。（2）小崩塌：高速公路沿線多處見淺層土質崩塌，對路基及邊坡有一定影響。（3）高液限土：路基挖方部分路段坡地表層的殘坡積粘性土層為高液限土。

2 路基設計

在路線布設階段，對建設場地進行地震安全性評價、地質災害評價、邊坡穩(wěn)定性評價等專題研究工作，避免將路線布設在地質斷裂帶、古滑坡、泥石流等危險段落。在現場踏勘階段，對沿線的水文情況開展系統(tǒng)深入的調查工作；對沿線的魚塘、灘涂、水田等的不良地基的位置和區(qū)域進行測繪，為路基設計的斷面設計、排水設計以及不良地基處理提供基礎資料；根據公路工程地質勘探相關規(guī)程，對沿線的建設場地范圍布設地質鉆孔，在不良地基或陡坡地段，宜適當增加鉆孔的數量。將路基設計初步成果與路線全線的地形地物進行核對，若發(fā)現問題及時進行調整。

2．1 路基橫斷面設計

2．1．1 路基標準斷面設計

根據建設單位的項目任務書及國家相關技術標準［15-16］，本項目采用四車道高速公路，路基寬度為26．0m，根據現場實際地形，路基橫斷面形式分為兩種：其一為整體式路基（詳見圖1）；其二為分離式路基（詳見圖2）。整體式路基中間帶寬度3．5m（中央分隔帶2．0m＋路緣帶2×0．75m），行車道2×2×7．5 m，外側路緣帶及硬路肩寬度2×3．0m，土路肩寬度2×0．75m；分離式路基單幅寬度為13．00m，其中行車道寬2×3．75 m；行車道左側硬路肩寬度1．00 m，右側硬路肩寬3．00m，土路肩寬2×0．75m。

圖1 整體式路基示意圖Fig．1 Schematic of integral roadbed

圖2 分離式路基示意圖Fig．2 Schematic of separated roadbed

2．1．2 一般路基設計

路基設計堅持“以人為本”、貫徹“不破壞就是最大的保護”及“靈活設計、寬容設計、創(chuàng)作設計”的理念，最大限度地保護生態(tài)環(huán)境、使公路與沿線自然及社會環(huán)境協調相融，最終實現“安全、環(huán)保、舒適、和諧”的目標。

路基設計嚴格遵照規(guī)范［15-16］，在設計前對沿線工程地質、水文等自然條件進行較為深入的調查，在充分收集第一手資料的基礎上提出路基穩(wěn)定系數、路基壓實度等設計要求，并根據填挖、水文、地質等情況，對路基排水及防護工程等進行綜合設計。

路基設計根據自然分區(qū)的氣象、水文特征、地形、地貌、地物及工程地質、水文地質、試驗資料等，合理確定路基設計參數，根據不同的條件設計不同的路基方案。路堤邊坡護坡道及挖方邊坡碎落臺均為圓弧流線型式，以滿足美觀要求。

1）路堤設計

填土路基邊坡采用臺階式，每8m為一階，邊坡從上至下第一臺階坂率1∶1．5、第二臺階及以下坡率1∶1．75～1∶2。每階之間設置不小于2．0m寬的護坡道，護坡道向外傾斜4．0%，同時路基寬度在兩側各加寬填筑30 cm，使其壓實大于路堤設計寬度，以保證路堤邊緣的壓實度，削坡后有效的斷面尺寸應符合路基設計寬度，如圖1、2所示。當邊坡原地面較陡或者路線旁邊有重要構造物干擾，需要減小占地時，采用擋土墻、護肩或護腳處理（圖3）。

圖3 設擋墻的路基斷面Fig．3 Crosssection of roadbed w ith retaining wall

填石路基邊坡亦采用臺階式，每8～10 m一階，邊坡率從1：1．1～1：1．75。每階之間設置不小于2．0 m寬的護坡道，護坡道向外傾斜4．0%，同時邊坡還要進行碼砌，碼砌厚度1．5～2．0 m。

對于沿河路段或處于魚塘的路段，為避免受到侵蝕，在迎水的坡面采用厚度為30 cm的片石混凝土鋪砌進行防護，在設計水位以上50 cm至地面之間的路基采用石料進行填筑（圖4）。

圖4 沿河路段路基斷面Fig．4 Crosssection of roadbed along the river

2）路塹設計

路塹邊坡形式及坡率根據工程地質與水文地質條件、邊坡高度、排水措施、施工方法，并結合自然穩(wěn)定山坡和人工邊坡的調查及水力學分析綜合確定。

挖方路基設計根據外業(yè)調查及勘探資料合理確定路塹邊坡坡率和防護類型，邊坡坡率的選擇結合地層巖性、結構面、水文等，在滿足安全穩(wěn)定性的前提下，靈活自然、因地制宜、順勢而為。路塹邊坡盡量避免刀削式的單一坡，一般下陡上緩、逐漸過渡形成拋物線形以很好地融入周圍自然，同時，邊坡坡度的陡緩在確保安全的前提下還酌情兼顧植物防護的需要（圖5）。

對于碎裂結構及存在控制性結構面的巖質挖方邊坡，通過邊坡穩(wěn)定分析計算確定邊坡坡度及支擋防護形式，通過挖穿巖土界面的二元結構地層，對其上部覆土可能出現的溜坍、滑坡采取相應的支擋工程措施（圖6）。

圖5 土質挖方路基斷面Fig．5 Crosssection of soil excavated roadbed

圖6 破碎巖石挖方路基斷面Fig．6 Crosssection of fragmentized rock excavated roadbed

2．1．3 低填淺挖路基

在低填、淺挖段盡量將邊坡放緩，形成舒緩自然的曲面與原地貌融為一體，既美化環(huán)境，又提高行車安全性。為確保路基強度和變形要求，并利于路基路面排水通暢，對于填挖h＜1．5m的低填淺挖路基段落，對路床范圍（即路面底面以下0～80 cm）的填料或表土認真處理，當土層最小強度（CBR）值滿足規(guī)范要求且含水量適度時，采取翻挖后壓實處理，當土層含水量較大或土層最小強度（CBR）不能滿足要求時，一般采取換填透水性材料進行處理，處理后上、下路床的壓實度大于96%（圖7、8）。

2．1．4 高填深挖路基

對于填方邊坡h＞15 m以上的路堤；土質挖方邊坡h＞20 m的路塹，石質挖方邊坡h＞30 m的路塹，以及受河流沖刷影響、不良地質、不良巖層結構層等路段均根據邊坡穩(wěn)定性驗算結果進行特殊設計。

1）高填路基特殊設計及位移監(jiān)測

圖7 低填路堤設計圖Fig．7 Design of low filled embankment

圖8 淺挖路塹設計圖Fig．8 Design of shallow cutting

設計中將填方邊坡h＞15m的路段作為高填路基（圖9）。陡坡路基需在原地表挖臺階并在原狀土與新填土之間設置土工格柵等措施，加強二者之間的粘結，以便形成整體，防止二者在交界面處發(fā)生相對滑移。施工過程中，采用沖擊碾壓、強夯等措施進行增強補壓。當路基連續(xù)填筑L＞80 m時可采用沖擊碾壓、L＜80 m應采用強夯進行增強補壓。

高路堤填料優(yōu)先采用工程力學性質良好的土質填筑；路床頂面以下2 m采用工程力學性質良好的土質填筑；對于填方邊坡h＞15 m的路段，采用沖擊碾壓、強夯等措施進行增強補壓。當路基連續(xù)填筑L＞80 m時采用沖擊碾壓、L＜80 m采用強夯進行增強補壓。

對于陡坡路堤，需要在路基范圍內設置測斜管、沉降盤等，進行路基的沉降和側移的觀測，對路基施工的全過程進行監(jiān)控量測。

2）深挖路塹動態(tài)設計

在深挖路塹邊坡的設計中，由于地質條件的隱蔽性、復雜性以及勘探測試條件的局限性，致使地質勘探和測試資料不可能全面揭示邊坡的本來面貌。另外本項目深挖路塹部分大多為巖質，需爆破施工，爆破后開挖有可能造成穩(wěn)定邊坡的失穩(wěn)，因此需要對該類邊坡進行適時監(jiān)控和動態(tài)設計。

根據施工過程中的測量資料及位移監(jiān)測資料，進行深挖路塹的高邊坡動態(tài)設計，根據設計階段已有的地形、地質、水文等資料，采用工程地質類比法，并進行穩(wěn)定性計算，對于穩(wěn)定系數滿足要求的邊坡，則采用普通防護；對于穩(wěn)定系數達不到要求的邊坡，則采取放緩坡率和加寬平臺或錨桿（錨索）框架等措施，以使其穩(wěn)定系數滿足要求。

圖9 高填陡坡路堤設計圖Fig．9 Design of high filled embankment w ith steep slope

在施工過程中，結合現場開挖暴露的實際地質情況，必要時動態(tài)調整設計方案并適時變更支護參數及支護方式。

圖10 深挖路塹設計圖Fig．10 Design of deep roadbed cutting

2．2 路基填料

填方路基優(yōu)先選用級配較好的礫類土、砂類土等粗粒土作為填料，路床填料最大粒徑為100mm，路基填方最大粒徑為150 mm。其中上路床30 cm要求填砂類土，其填料的顆粒組成要求如下：＞0．075mm的顆粒含量應大于75%，＜0．002mm的粘粒含量應小于10%。

高液限土不宜直接作為路堤填料，高液限土路段的挖方在棄方較多的路段，首先將挖的高液限土廢棄或用于反壓護道的填筑；欠方路段，通過化學或物理改良措施對高液限土進行路基填筑利用。

2．3 路基排水設計

路基地表排水采用涵洞、邊溝、截水溝、排水溝、跌水與急流槽；路基地下排水應設置盲溝、滲溝、檢查井等地下排水設施，采用地下排水設施類型，位置尺寸根據工程地質和水文地質條件決定。根據地下水位情況，個別路段路塹邊坡還設置了坡體排水平孔。本工程邊溝設置于路塹段，排水溝設置于路堤段，截水溝設置于挖方邊坡坡頂以外約5 m處，急流槽設于陡坡地段將截水溝水引入邊溝或涵洞或將邊溝、排水溝水引入自然流水系統(tǒng)。滲溝和盲溝用

于降低地下水位或排除路基范圍內地下水或滲水，施工時應根據現場地下水情況酌情設置。

3 特殊地基處理

3．1 陡坡路堤和填挖交界處地基處理

對于陡、斜坡路堤及半填半挖之填方區(qū)路堤，當路堤不穩(wěn)定或其坡腳為軟弱土基時，或在填挖交界處結合部的路基，由于土質的密實度不同、填方部分沉降以及地下水的影響，如處理不當將使路基沉陷不均，路面變形開裂，甚至還會造成路基失穩(wěn)，因此需要引起重視。在這種情況下，總結已有經驗，采取換填、砂樁、沖擊碾壓、強夯等措施強化處理，并對填挖交界處的設計，提出如下處理原則。

（1）填方和挖方結合部：在橫向加強結合部之間的整體性，主要措施是在挖方的邊坡上挖成寬度不大于2．5m或不大于3．0m的臺階，階面呈4%向內橫坡，以加強挖填面之間連接；在填挖方的交界處視地下水或地面水情況，酌情設置縱、橫向盲溝，或在路基填挖交界面填筑一層透水性材料，以利路基內的水排出。

（2）對于橫向半填半挖的路段和填挖交界處的路段，在水泥穩(wěn)定碎石底基層中間高度處布設φ8mm的鋼筋網，間距20×20 cm。

（3）當填挖交界處填方區(qū)邊坡h＞8m的，為了減小路基填挖間的差異變形，采用沖擊碾壓、強夯等措施進行增強補壓。當路基連續(xù)填筑L＞80 m時可采用沖擊碾壓、L＜80 m應采用強夯進行增強補壓。

3．2 不良地基處理

3．2．1 地基換填處理

從本項目的地形地貌和工程地質的特點出發(fā)，根據不良地基所處的位置，進行分類并采取相應的處治方案。

（1）山坳水田處不良路基處理：山坳水田路段、地表土質濕軟，在填筑前，應先進行開溝、攔截、引排地表水，疏干和晾曬后進行填前壓實及路堤填筑。因引排有困難路段而增設積水坑的，應定期將積水坑內水抽取，使之有良好的地基施工場地。在路堤兩側坡腳外1．0 m范圍內清淤，最后進行填筑前壓實或換填。另外，視現場地質情況及材料供應情況，采取如下處理措施：對有泉眼或地下水比較豐富的路段，采用碎石盲溝或滲溝排水，同時結合地形、水文地質情況，調整碎石盲溝或滲溝的布設位置；對于地勢較為平坦、排水有困難的在施工期間采取強制排水措施，必要時增設線外排水設施。采用換填透水性材料或設砂礫墊層40～50 cm；采用砂礫墊層同時結合盲溝的設置進行地基處理。

（2）水塘地段：路基經過水塘地段，采用圍堰、抽水、清淤、換填或拋填石，并鋪砌或碼砌邊坡至常水位以上0．5m。

（3）廢棄雜填土地段：先挖除雜填土，然后回填適合路基填筑土方。

（4）地基表層處理：對于石方地段，當地面橫坡為1∶5～1∶2．5且基巖面上的覆蓋層較薄時，先清除覆蓋層后再挖臺階，填筑前，先清除表層土。當為一般土質地段，先清除表層土后，再挖臺階，并視地下水情況設置縱、橫向盲溝等。填筑路堤前，將地基表層碾壓密實。

在一般土質地段，公路基底的壓實度（重型）不應＜90%。路基填土高度小于路面和路床總厚度時，將地基表層土進行超挖并分層回填壓實，或依據設計需要進行換填土處理，其處理深度不應小于重型汽車荷載作用的工作區(qū)深度（圖11）。清表土、非適應性材料等結合附近地形進行集中堆放，以便今后綠化、復墾利用。

圖11 換填處理設計圖Fig．11 Design of fill changing treatment

3．2．2 砂溝

在一些路段，其軟土d＞2 m，若采用換填處理，不僅換填土方的數量過大，造價昂貴，且棄土的處理較為困難，對環(huán)境生態(tài)均有一定的影響。因此對于軟土d≤4m的路段，采用填砂墊層結合砂溝排水固結的方法進行地基處理。砂墊層、砂溝采用中粗砂，含泥量不大于5%，砂墊層伸出坡腳外1．5m。砂溝采用200×100 cm矩形斷面，每間隔5m設置一道（圖12）。砂溝開挖過程中，需考慮基坑支護。采用砂溝處理，不僅可顯著減少軟土的換填數量，還可實現軟基地基的快速固結，從而達到改良地基的目的。

圖12 不良地基砂溝處理設計圖Fig．12 Design of bad foundation treated by sand ditch

3．2．3 砂樁

對于軟土d＞4 m的路段，可采用砂樁結合土工格柵的方法進行地基處理。砂樁直徑為50 cm，平面呈等邊三角形布設，邊長為1．3～1．5m。砂樁采用滲水率較高的中、粗砂，大于0．5mm的砂的含量應占總重的50%，含以上泥量≤3%。軟基段要求預壓期不小于6個月。填土速率應按相關標準進行控制。

4 現場設計跟蹤服務

從踏勘到施工階段，一般需歷時幾年，在此期間由于自然條件的變化以及當地群眾所開展的生產活動、場地建設等，擬建項目的現場情況將發(fā)生一些變化。由于設計階段的地質鉆孔數量畢竟有限，仍難以全面把握現場的地質情況。一些問題可能在施工過程中才能被發(fā)現。因此，進行設計成果的跟蹤服務，對于順利開展工程施工非常必要。

圖13 不良地基砂樁處理設計圖Fig．13 Design of bad foundation treated by sand pile

為確?，F場設計服務的質量，在工地成立設計代表組。在施工過程中，設計組經常到現場查看，積極與施工單位溝通，及時發(fā)現施工過程中出現的難點和問題，同時與參建各方及時協商，在充分討論的基礎上，形成設計優(yōu)化方案，并交付施工單位實施。

5 結語

在已建成的高速公路中，路基工程出現病害的現象較為普遍，如路基邊坡滑坡、開裂、下沉等，不僅造成巨大的經濟損失，也存在很大的安全隱患，必須引起高度的重視。根據以往的工程經驗，出現這些病害的原因有設計細節(jié)的紕漏，也有施工或管理不當等因素。

本項目位于閩北山區(qū)，所處的地理位置地形多變，地質情況復雜，且常年雨量豐富，是公路路基工程出現病害的多發(fā)地區(qū)。從工程設計的角度，應特別重視外業(yè)資料收集、地質詳勘等關鍵環(huán)節(jié)，這是進行合理設計的前提；在此基礎上，應針對復雜條件下的路基工程進行詳細區(qū)分，結合以往的工程經驗，進行詳盡合理的設計。此外，從項目的設計階段到施工階段歷時較長，在此期間現場的地形地貌、地物等均可能發(fā)生變化，因此進行全過程的設計跟蹤，及時對原設計方案進行調整、優(yōu)化是非常必要的。本項目于2012年年底建成通車，至今未發(fā)現明顯病害，相關設計經驗可為今后的類似工程借鑒。

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（責任編輯：陳雯）

Roadbed design for expressways in mountainous areas

Lin Shangshun1，Liu Birong2，Shi Songsong2
（1．Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informationization in Civil Engineering（Fujian University of Technology），Fuzhou 350118，China；2．Fujian Communications Planning and Design Institute，Fuzhou 350002，China）

Due to the complexity of terrains，morphological，geological and hydrological conditions of expressways in mountainous areas，the design of expressway roadbed is extremely complex and difficult．Taking Songxi-Jianyang expressway built in northern Fujian mountainous area as an example，roadbed design schemes of the expressways inmountainous areas and dynamic design concept in the whole process of engineering construction were described．The site topology and geological information of Songxi-Jianyang expressway were collected in the engineering design process to conduct detailed and scientific roadbed design combined with the past experiences．The original design scheme was adjusted in a rationalmanner in accordance with the changes of the actual conditions，which created favourable conditions for the smooth construction and uplifted the design quality．The results indicate that the design scheme and the design concept of the expressway roadbed is advantageous and is further applicable．

mountainous area；expressway；dynamic design；roadbed engineering；bad foundation；drainage design

U416．1

A

1672-4348（2015）03-0216-07

10．3969／j．issn．1672-4348．2015．03．003

2015-03-10

林上順（1972-），男，福建永泰人，高級工程師，博士，研究方向為道路、橋梁。