李征文

摘要：對運(yùn)營狀態(tài)下的高速公路高邊坡路段進(jìn)行改造難度較大，且缺少相關(guān)參考案例，要想提升運(yùn)營高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建施工的安全性與經(jīng)濟(jì)性，就需結(jié)合具體地形地勢，科學(xué)設(shè)計改擴(kuò)建方案，并依據(jù)相關(guān)技術(shù)原理，不斷優(yōu)化設(shè)計方案，確保方案的科學(xué)性與可行性。本文主要就運(yùn)營高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建方案與優(yōu)化設(shè)計問題進(jìn)行分析。

Abstract： It is difficult to reconstruct the high-slope section of the expressway under operational conditions， and there is no relevant reference case. In order to improve the safety and economy of the reconstruction and expansion of the high-slope section of the operating highway， it is necessary to combine the specific topography and terrain， scientifically design and expand the expansion plan， and continuously optimize the design plan according to the relevant technical principles to ensure the scientific and feasibility of the plan. This paper mainly analyzes the reconstruction and expansion plan and optimization design of the high-slope section of the expressway in operation.

關(guān)鍵詞：高速公路;高邊坡;改擴(kuò)建;方案設(shè)計;優(yōu)化措施

Key words： expressway;high slope;reconstruction and expansion;scheme design;optimization measures

中圖分類號：U416.1+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）09-0093-03

0 ?引言

目前，許多高速公路交通流量已經(jīng)趨于飽和，因此，改擴(kuò)建將是解決交通擁堵、緩解公路運(yùn)營壓力的重要舉措。但由于高速公路交通流量大，在運(yùn)營狀態(tài)下進(jìn)行改擴(kuò)建施工，施工難度大，技術(shù)要求高。并且，國內(nèi)對高邊坡施工研究較少，尚未就運(yùn)營狀態(tài)下高速公路的邊坡擴(kuò)挖技術(shù)與施工控制管理措施形成一個系統(tǒng)性的研究體系?；诖?，相關(guān)部門、單位更要立足實(shí)際，全面勘查公路環(huán)境，科學(xué)設(shè)計施工方案，確保工程安全。下文以某運(yùn)營狀態(tài)下的高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建施工為例進(jìn)行說明。

1 ?工程概況

1.1 邊坡分析

該項(xiàng)目工程中，邊坡主要為石質(zhì)邊坡，高45m，長550m。改擴(kuò)建前，根據(jù)實(shí)際坡率，將邊坡分為四級，從一級到四級每一級的坡率分別為1：0.75、1：0.75、1：1、1：1，其中，從下至上，第一級邊坡高15m，采用漿砌塊石擋墻;第二級邊坡高10m，采用錨噴防護(hù);第三級邊坡高10m，采用錨噴防護(hù);第四級邊坡亦是如此[1]。

1.2 邊坡地形地質(zhì)條件分析

邊坡地段山丘植被以喬木為主，山形連續(xù)未斷裂，地形為丘陵地區(qū)，改擴(kuò)建區(qū)域內(nèi)地形切割程度屬于一般[2]。該高速公路延伸方向?yàn)樽詵|北向西南，邊坡坡面傾斜度相對較大，同時改擴(kuò)建區(qū)域內(nèi)地形起伏較大。經(jīng)勘查發(fā)現(xiàn)，改擴(kuò)建區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造整體上呈現(xiàn)出以下特征：整個地段有三處斷裂，邊坡巖體受斷裂影響明顯，節(jié)理裂隙發(fā)育，石質(zhì)較破碎[3]。據(jù)地表出露情況分析，施工區(qū)域內(nèi)山體節(jié)理裂隙發(fā)育不明顯，結(jié)構(gòu)面多為剛性，貫穿性軟弱內(nèi)結(jié)構(gòu)面較少，同時巖體節(jié)理局部密集。另外，擴(kuò)改建區(qū)域內(nèi)地下水的來源主要為地表降水，主要為第四系松散堆積層中的基巖裂隙水與孔隙水，其中，附存于夾碎石殘坡積土中的孔隙水居多，但受地勢以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響，該改擴(kuò)建施工區(qū)域內(nèi)富水性整體較弱。

2 ?影響運(yùn)營高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建方案因素分析

由于進(jìn)行改擴(kuò)建施工時，高速公路正處在運(yùn)營狀態(tài)，因此在設(shè)計施工方案時需重點(diǎn)考慮安全問題;同時，較之其他路段，高邊坡路段地形地勢相對特殊，施工單位需組織專業(yè)技術(shù)人員深入施工場地，詳細(xì)勘察改擴(kuò)建施工區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)、地形地貌等條件，從各方面確保方案的科學(xué)性、可行性與經(jīng)濟(jì)性[4]。

2.1 高速公路高邊坡穩(wěn)定性分析

在組織施工前，首先要對高速公路高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，這是確保施工安全的前提，結(jié)合現(xiàn)場勘查資料以及原有地質(zhì)資料，明確高速公路高邊坡路段的地質(zhì)構(gòu)造、原有施工情況以及在原路施工過程中出現(xiàn)的變形破壞現(xiàn)象，在掌握上述資料的基礎(chǔ)上，依據(jù)相關(guān)技術(shù)理論，建立起反映邊坡變形破壞機(jī)制的地質(zhì)力學(xué)模型[5]。高速公路高邊坡路段在施工以及改擴(kuò)建過程中，可能出現(xiàn)路面隆起、開裂，防護(hù)結(jié)構(gòu)變形，坡頂?shù)乇沓霈F(xiàn)拉張裂隙等情況。針對上述可能出現(xiàn)的破壞變形情況，構(gòu)建地質(zhì)力學(xué)模型，依據(jù)有限強(qiáng)度折減法與極限平衡法，對原有邊坡以及各種擴(kuò)挖工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行定量計算與定性評價，初步掌握高邊坡路段改擴(kuò)建施工風(fēng)險系數(shù)。之后，依據(jù)相關(guān)計算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況下高邊坡穩(wěn)定性表現(xiàn)，進(jìn)行綜合評價，最后獲得現(xiàn)狀高邊坡路段的穩(wěn)定性系數(shù)。

2.1.1 極限平衡法

在利用極限平衡法計算高邊坡路段穩(wěn)定性系數(shù)與進(jìn)行改擴(kuò)建施工穩(wěn)定性評定時，需要注意以下要點(diǎn)：①高邊坡路段穩(wěn)定性分析計算要考慮三種情況：現(xiàn)狀邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度、開挖后邊坡穩(wěn)定情況以及加固后邊坡穩(wěn)定情況[6]。②在計算時，要立足高速公路實(shí)際運(yùn)營要求，合理取定坡腳開挖尺寸，同時本著經(jīng)濟(jì)性、安全性原則，合理控制開挖量。③計算中，高速公路高邊坡路段拓寬寬度是重點(diǎn)計算內(nèi)容，需重點(diǎn)考慮坡腳到軸線的距離，在此基礎(chǔ)上計算出土石方開挖量。④采用極限平衡法分析，重點(diǎn)考慮圓弧滑面與非圓弧滑面這兩種滑面類型。采用極限平衡法對高速公路高邊坡路段穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計算，可得到以下計算結(jié)果：該項(xiàng)目工程中，現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)在1.65～1.73之間，邊坡開挖施工會導(dǎo)致其穩(wěn)定性系數(shù)下降，下降值在0.03左右。同時，因?yàn)檫\(yùn)營狀態(tài)下高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建施工是在原有坡面上進(jìn)行，不但施工難度大，且國內(nèi)并無規(guī)范方案可供參考，鑒于此，在設(shè)計施工方案時就需要對開挖引起的穩(wěn)定性損失做重點(diǎn)考慮，采用預(yù)應(yīng)力錨索加固進(jìn)行補(bǔ)償，錨固力需要結(jié)合具體的開挖后穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行確定。

2.1.2 有限強(qiáng)度折減法

依據(jù)有限元算法，構(gòu)建起高速公路高邊坡路段計算模型，該計算模型中，有6861個節(jié)點(diǎn)，3350個單元，有限元網(wǎng)格也是采用6節(jié)點(diǎn)三角形單元劃分。在計算過程中，結(jié)合該項(xiàng)目工程實(shí)際路況以及具體施工環(huán)境、施工特點(diǎn)，立足高速公路實(shí)際運(yùn)營要求，合理取定坡腳開挖尺寸，通過相應(yīng)計算程序，最終獲得計算結(jié)果。

在采用極限平衡法與有限強(qiáng)度折減法計算后，需要將兩者計算結(jié)果以及計算過程進(jìn)行比較，通過分析比較兩種計算方法以及對應(yīng)計算結(jié)果（不同參數(shù)條件下），可以發(fā)現(xiàn)極限平衡法計算結(jié)果與有限強(qiáng)度折減法計算結(jié)果趨于一致。針對這一問題，施工單位采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，確保高邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不會出現(xiàn)大幅度下降，從而提升高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建施工的安全性。

2.2 高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建安全系數(shù)分析

相較于其他路段，高速公路高邊坡是一個相對復(fù)雜的地質(zhì)體，具有風(fēng)化、不同發(fā)育程度的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，因而開挖施工過程較為復(fù)雜，影響因素較多，改擴(kuò)建施工風(fēng)險系數(shù)較高。施工單位需就運(yùn)營狀態(tài)下高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建施工的安全問題做重點(diǎn)考慮并做專項(xiàng)方案，建立起相關(guān)監(jiān)測模型，落實(shí)高速公路高邊坡路段的安全監(jiān)測與動態(tài)預(yù)測工作，以此提升施工方案的安全性與有效性，確保各項(xiàng)施工計劃順利實(shí)施。

就該項(xiàng)目工程而言，擴(kuò)挖邊坡安全監(jiān)測包括以下內(nèi)容：施工區(qū)域降雨量監(jiān)測、錨索軸力變化監(jiān)測、坡面變形監(jiān)測。其中，降雨量監(jiān)測工作主要借助雨量計完成;錨索軸力監(jiān)測通過錨索軸力監(jiān)測計進(jìn)行;坡面變形監(jiān)測通過激光測距儀與巖土位移直讀儀來進(jìn)行監(jiān)測。在實(shí)際監(jiān)測過程中，要根據(jù)工程規(guī)模以及周邊環(huán)境合理確定監(jiān)測據(jù)點(diǎn)與監(jiān)測儀器地點(diǎn)、數(shù)目，方能取得相對理想的監(jiān)測效果。例如在該工程中，共布設(shè)9個預(yù)應(yīng)力錨索監(jiān)測點(diǎn)，7個激光監(jiān)測點(diǎn);同時，于坡面上設(shè)置巖土位移直讀側(cè)線兩條，每條側(cè)線上分別設(shè)置9個測點(diǎn)，這樣就能獲得相對全面、詳細(xì)的監(jiān)測結(jié)果。監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)施設(shè)置完畢后，工作人員要能實(shí)時關(guān)注監(jiān)測結(jié)果，及時記錄，分析監(jiān)測所得數(shù)據(jù)，最終對高速公路高邊坡改擴(kuò)建路段的安全性做出正確評價，技術(shù)人員根據(jù)相關(guān)安全評價報告，采取相應(yīng)解決措施，有效預(yù)防與制止各類安全事故的發(fā)生，從根本上確保人員設(shè)備安全。在該工程項(xiàng)目中，工作人員根據(jù)相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)可得以下監(jiān)測結(jié)果：在對邊坡實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨索加固措施后，擴(kuò)挖不會引起過度的結(jié)構(gòu)變化，并且施工過程也未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂、邊坡失穩(wěn)等情況，高邊坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)未發(fā)生明顯變化。這表明，在高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建施工中，采用先錨后挖的施工方案是完全可行的。預(yù)應(yīng)力錨索加固施工方案如圖1所示。

2.3 高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建方式

在進(jìn)行高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建施工時，合理選擇施工方式，能有效降低高邊坡開挖風(fēng)險、合理控制工程進(jìn)度與工程質(zhì)量。從這一角度分析，施工方式也是影響施工方案設(shè)計質(zhì)量的一大重要因素。現(xiàn)階段，在公路高邊坡改擴(kuò)建施工中，常用兩種拓寬方式為兩側(cè)加寬以及單側(cè)加寬方式[7]。其中，單側(cè)加寬方式的優(yōu)點(diǎn)是能充分利用地形，有效減少高邊坡開挖量，但缺點(diǎn)是平面線形較難調(diào)整。兩側(cè)加寬方式的優(yōu)點(diǎn)是能充分利用高速公路內(nèi)的通信管道、排水管道、中央防護(hù)欄等設(shè)施，適當(dāng)降低投資，同時也可利用原有公路的幾何線性，避免調(diào)整線路中心線，在一定程度上減少工程量，但該拓寬方式的缺點(diǎn)是對公路運(yùn)營影響大，對施工技術(shù)要求高，影響因素較多。由此可見，單側(cè)拓寬方式與雙側(cè)拓寬方式各有利弊，在實(shí)際施工中，還需結(jié)合高速公路所處環(huán)境，公路運(yùn)營情況以及施工特點(diǎn)，綜合選擇最佳拓寬方式，確保工程施工質(zhì)量。

結(jié)合該工程的周邊環(huán)境、地勢地貌以及水文條件分析，可以發(fā)現(xiàn)若采用單側(cè)拓寬方式，便不需要對右側(cè)已有邊坡再次擴(kuò)挖，但是需要對公路中心線、幾何線形做重新調(diào)整，且需要新增安全防護(hù)設(shè)施、排水通信管道等，不僅工程量大而且經(jīng)濟(jì)成本高，并非最佳拓寬方式。若采用雙側(cè)拓寬方式（垂直開挖），就能保持原有公路的幾何線形不變，也不再需要重新調(diào)整公路中心線，開挖量小，同時需新增的安全設(shè)施也較少，不會占用大面積土地，能有效緩解土地資源壓力，縮短工期，但缺點(diǎn)是會給公路運(yùn)營造成一定影響。從整體上分析，雙側(cè)拓寬方式相對經(jīng)濟(jì)可行。

3 ?運(yùn)營高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建方案設(shè)計與優(yōu)化

考慮到運(yùn)營狀態(tài)下高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建難度較大，且受多種因素影響，工程質(zhì)量與安全性不易控制。因此，在進(jìn)行正式施工前，需要對施工方案做多次調(diào)整、優(yōu)化，最終獲得最佳方案。在該項(xiàng)目工程中，可以結(jié)合高速公路改擴(kuò)建路段的地形條件，采用新建分離式路基的擴(kuò)容方案，該方案可有效避免對老路邊坡的破壞，也能降低對交通運(yùn)營的影響，達(dá)到“邊通車，邊施工”的目標(biāo)。下面就結(jié)合具體施工特點(diǎn)與施工要求，提出兩種高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建方案，在進(jìn)行深入分析比較后，選擇出最佳施工方案。

3.1 新建分離式路基方案

方案一：雙向通行施工模式。該施工方案主要是根據(jù)高速公路走向，將高速公路主線做分叉設(shè)計，然后采用原有車道以及新建車道雙向通行的模式進(jìn)行施工。

方案二：單向通行施工模式：單向通行施工模式是將整體式車道路基左半幅通過新建路基與老路分離，然后在終點(diǎn)處，將新建路基接入整體式某一車道路基的左半幅，這樣就能實(shí)現(xiàn)不同方向的單向通行。

比較兩種施工方案，可以發(fā)現(xiàn)各有利弊。其中，方案一建設(shè)規(guī)模較大，工程量大，需要投入較多的人力、物力以及資金，并且施工難度較大，在施工過程中無法做好有效的組織管理，會給高速公路的正常運(yùn)營造成一定影響，從經(jīng)濟(jì)性、安全性以及可行性等角度分析，方案一不是最為理想的施工方案。而較之方案一，方案二的工程規(guī)模較小、并且施工過程不會對公路正常運(yùn)行造成過大影響，且有利于降低高速公路建成后的運(yùn)營管理難度，防止出現(xiàn)車輛誤行情況，能確保行車安全，同時也能給交通組織、交通管理提供方便。由此可見，在該工程中，選擇方案二能獲得較為理想的施工效果（分離式路基方案示意圖如2所示）。

3.2 拼寬方案

在進(jìn)行高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建時，需綜合考慮公路周邊建筑，交通組織情況以及地形地貌等多種影響因素，就該工程而言，改擴(kuò)建是在原有工程上進(jìn)行施工，高速公路安全設(shè)施、周邊建筑已經(jīng)存在，改擴(kuò)建施工可能需要拆遷原有建筑，因此，施工內(nèi)容、流程較為繁多復(fù)雜，相關(guān)單位應(yīng)在確保改擴(kuò)建指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上簡化施工，最大程度降低公路施工對公路運(yùn)營的影響，同時有效控制工程投入，降低公路改擴(kuò)建與運(yùn)營成本?；诖?，多數(shù)施工單位在負(fù)責(zé)高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建施工時，都會最大程度利用老路，這里也基于此種思路提出兩種利用老路的拼寬方案。

方案一：改擴(kuò)建施工時，不改變原有高速公路的平縱面指標(biāo)，而是在原有高度公路的兩側(cè)拼寬。這一方案的優(yōu)點(diǎn)是不必重新改移高速公路中分帶，且結(jié)構(gòu)物拼寬難度不大，能有效控制施工質(zhì)量;但缺點(diǎn)是工期長，由于需要將所有高邊坡全部重新開挖，因此工程量相對較大，工期長，公路封鎖時間較長，可能會給公路正常運(yùn)營及沿線地方交通造成較大影響。

方案二：根據(jù)公路設(shè)計情況，劃定改擴(kuò)建范圍，同時在原有公路路幅范圍內(nèi)重新設(shè)計、布置線路，對于需要進(jìn)行改擴(kuò)建的高邊坡路段，只將原有中央分隔帶逐漸向右或向左移動，同時在單側(cè)拼寬一定寬度的新車道，這樣能避免大量高邊坡的開挖，最大程度減少工程量，縮短工期，縮短公路封閉時間，保障高速公路正常運(yùn)營。但該施工方案的缺點(diǎn)是施工難度較大，由于需要將高速公路的內(nèi)部管線以及中央分隔帶改移，所以技術(shù)要求高且拆遷量較大，用地較多。

比較兩種施工方案，同時各有優(yōu)勢也各有缺點(diǎn)，但從宏觀角度分析，分析出較之方案一，方案二的綜合效益較好、整體施工效果較為理想。因而在該工程中，可酌情考慮方案二。

4 ?結(jié)語

由上可知，運(yùn)營高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建施工具有如下特點(diǎn)：施工難度相對較大，會影響既有公路正常運(yùn)營以及影響高速公路整體建設(shè)成本。因此，在進(jìn)行運(yùn)營高速公路高邊坡路段改擴(kuò)建施工時，應(yīng)當(dāng)深入勘查施工環(huán)境，借助工程地質(zhì)分析與穩(wěn)定性評價方法，掌握各項(xiàng)影響因素，科學(xué)設(shè)計施工方案，并依據(jù)相關(guān)技術(shù)原理，不斷優(yōu)化方案設(shè)計，從各個方面提升方案的可行性、有效性，確保工程施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性。上文主要以某一實(shí)際工程為例，詳細(xì)探討了兩種施工方案，分析論述了各自優(yōu)勢與缺點(diǎn)，希望能為類似工程提供參考。

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