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优化高速公路中分带排水设计考虑的因素
吴军1 殷金侠2
1.中交瑞通路桥养护科技有限公司 西安 710075 2.东盟营造工程有限公司 西安 710119
摘要：设计单位在设计高速公路排水系统时只能给出中分带和超高段横向排水管的平均间距和大致数量，而很少明确排水管的具体桩号。在施工期间，需要施工单位对横向排水管的具体桩号进行确定，确定过程中需要考虑纵坡方向、超高范围和结构物、中分带开口、人手孔、标志牌砼基础等所有与中分带有关的构造物，才能做好超高排水和中分带排水设计优化。另外对排水管、中分带防水、超高段排水施工工艺进行了优化，并对南、北方不同降雨量地区高速公路的排水设计情况进行了比较说明。
关键字：高速公路；排水设计；优化因素；中分带超高排水
中图分类号：U417.3 文献标识码：B
Optimization of drainage design of the Expressway in considerations
WU Jun1 YIN Jinxia2
(1.CCCC RuiTong Road&Bridge Maintenance Technology Co.,Ltd Xian CHINA 710075；2.Eastern Alliance Construction Engineering Co.,Ltd Xian CHINA 710119）
Abstract: Design in the design of Highway drainage system can only give or super high average spacing of horizontal drainage pipes and the approximate number, and few concrete piles, to clear the drain. During the construction period, and needs of the construction unit to determine the horizontal drainage pipes, concrete piles, need to be considered in the process of determining longitudinal direction, ultra high-scope and structure, with an opening, staffing holes, signs based on all structures associated with the zoning in to do a high-drainage and drainage design optimization. In addition to drain, waterproof, ultra high drainage construction technology is optimized, and the South, rainfall in the northern region the drainage design of the expressway were compared.
Key words: Highway；drainage design；optimization factors；median high drainage
1、引言
在高速公路建设与运营中，水是造成公路路基破坏的主要因素之一。在常见的高速公路建设中，因土建设计单位、机电设计单位与各标段不同施工单位的关系割裂，往往因各种因素造成中分带和超高段排水不畅，致使路基长时间受水浸泡，其强度和整体稳定性会随着时间的延长而降低，最终发展至路基沉陷、路面开裂，以至于道路的使用寿命大大缩短1。因此各施工单位应在设计单位总体排水设计理念的指导下，优化和细化排水设计，通过设置超高段纵向流水槽、集水井、横向排水管和中分带渗沟、纵向打孔双壁波纹管、渗井、横向排水管与路段内急流槽、边沟、排水沟、涵洞等排水设施连接贯通，形成一套完整的超高段、中分带排水系统，以迅速排出中分带路基、路面积水。
本文依据南方地区八车道嘉绍高速公路和北方地区六车道西商高速公路（第二通道）的排水设计优化经验，总结出做好中分带和超高段排水，防止路基路面水害发生的优化方案。
2、高速公路优化中分带排水系统综合考虑的因素与顺序
首先获取全线带竖曲线纵坡的路面平面图，标注出变坡点桩号和纵坡值，下坡为负值，上坡为正值。
第二步标注出全线超高段起讫桩号，以变坡0点的桩号为准，需要计算得出。
第三步标注出全线桥梁、通道、明涵（包含所有高出路床顶面的结构物）的起讫桩号（包含搭板）。因搭板外侧一般都有耳墙或锥坡，开挖排水管易引起位置冲突和破坏，因此需将排水管设置在搭板以外。特别是对于斜交的构造物，必须按实际的斜角角度在平面图中绘出，以便设置排水管时错开。
第四步查看在平面图中图示出互通区、服务区、停车区，标注出各加宽起点、主线与匝道分岔的位置桩号。
第五步从机电单位的机电设计图纸中获取中分带人、手孔和标志标牌、灯箱门架等砼基础的位置桩号及尺寸，标注在平面图上。
第六步标注出全线各互通区、地方路上跨桥中分带墩柱位置桩号、尺寸和间距。
第七步标注出各中分带开口的位置，标注时，注意原设计开口部是否位于竖曲线最低点、是否位于超高过渡段、是否与结构物（桥梁、通道、明涵）冲突，如有此类情况，应与设计代表沟通，对中分带开口部桩号位置进行调整。
第八步在竖曲线最低点、结构物桥头汇水方向、中分带开口部汇水方向先设置一道排水管2，在这些段落内的排水管间距可适当缩短，主要是为了排除中分带内在施工期间和道路运营期间的积水3。
最后以被各种构造物隔断后的每段段落长度，考虑设计要求的间距，布设横向排水管。为更好的利于排水，减少排水管工程量，必要时可对中分带开口位置、人手孔的位置、标志牌、门架基础与设计代表沟通在允许的桩号范围内进行适当调整。
3、中分带横向排水管位置确定的原则
（1）设计要求平均60m设计一道中分带排水管。全线一般统一设置在左幅或者右幅。如遇到超高段，则设在超高内侧；如位于横坡正常段，但一侧排水有困难（如挖方、外侧有挡墙）或宽度有加宽，另外一侧条件允许，则可考虑设置在另外半幅。
（2）竖曲线最高点不设置。在长纵坡低点（200~300m）和竖曲线最低点设置中分带渗井、埋设Φ200mm双壁波纹管的横向排水管，其余位置埋设Φ100mm双壁波纹管的横向排水管，与中分带渗沟内设置的打孔波纹管用三通相连。
（3）因中分带已有的构造物（桥梁、通道、明涵）、中分带开口和人手孔、标志牌、门架等砼基础、上跨桥墩柱会造成中分带纵向排水盲沟的隔断，因此需根据两个构造物之间的距离逐段考虑单独布置。原则上段落长度最长80m设置一道Φ200mm排水管，段落长度最短40m设置一道Φ100mm排水管。
（4）因人手孔一般长2.4m，因此中分带排水管一般设置在距人手孔中心桩号2m的来水方向位置。
（5）受桥梁中间的玻璃钢槽道较高，而中分带硅芯管埋设深的影响，在桥头存在硅芯管高度过渡段，因此将桥头人孔位置一般设在搭板桩号以外，需将桥头人孔来水方向的排水管设在人孔中心桩号2m的前面。
（6）一般在中分带开口均设有纵向预埋钢管和两侧开口人孔，因此需在开口人孔中心桩号来水方向外2m位置设置排水管。
4、超高段横向排水管位置确定的原则
（1）设计要求平均50m设置一道超高段排水管。超高段横向排水管要求埋设在超高内侧，以降低开挖深度，特别是对于六、八车道高速公路，若反向在超高外侧开挖，路肩边部开挖深度过深，施工难度大，如遇到低填方和挖方根本无法排水。
（2）竖曲线最高点不设置。另因已有构造物（桥梁、通道、明涵）（含搭板）已占用路中路缘带位置，因此不设流水槽。
（3）对于桥头来水方向的集水井为避开桥头人孔、中分带排水管位置，因此将集水井设在中分带排水管外2m位置。靠近桥头搭板大致5m范围流水槽做成反坡，以利排水。
（4）中分带开口全段范围内不设置流水槽和集水井。
（5）因超高段纵向流水槽只受结构物、中分带开口的影响，因此在其两者整段范围内布置。原则上间距最长60m、最短40m设置一道Φ200mm超高段排水管。
（6）中分带开口不得位于凹曲线最低点，如难以避免必须在开口部最低点设置集水井，并提前埋设横向排水管，防止雨后路面积水。
5、排水设施施工顺序与施工工艺的优化
5.1、横向排水管埋设
5.1.1工艺流程
图纸会审→现场勘查绘图→合理调整报批→放样定位→开挖路基→检查断面尺寸→清理沟槽→夯实沟底→监理报验→打铺底砼→铺设管道→混凝土包封→养生→回填级配碎石4。
5.1.2施工工艺
管道预埋施工在路基交验合格后，在水稳碎石底基层施工之前埋设。受路基交验时间短或已埋设但重车行驶后路基出现软弹进行病害处理，造成排水管破坏，应在底基层碾压结束后及时反开挖二次埋设。
（1）放样定位
横向排水管铺设时，先要对施工段落进行路基放样，然后按设计调整优化后提供的桩号准确定位，同时用灰线放出开挖位置。超高段横向排水管Φ200mm PVC-U双壁波纹管与集水井相连，距中桩距离为130cm；中分带横向排水Φ100mm双壁波纹管与渗沟内纵向排水管相连，距中桩0cm；横向排水Φ200mm PVC-U双壁波纹管与中分带渗沟井相连，距中桩距离30cm。
（2）沟槽开挖及高程控制
施工过程中的测量主要是槽底高程的确定（通过与路基相对高差来控制），开挖时竖向按照1：0.2进行放坡开挖，机械开挖后，采用跟机测量，随挖随测，杜绝超挖现象，确保槽底高程符合设计要求。管道安装后，进行复测，注意横坡，防止边部高程偏高，使管底高程控制在允许偏差范围内。
超高段横向排水管铺设前先从路基中分带处至路基外侧横向断面向下开挖53cm，横向按照3%（超高横坡）的坡度开挖断面，以保证路面排水。开挖底宽30cm，顶宽51cm。
中分带渗沟井横向Φ200mm PVC-U双壁波纹管排水管铺设前先从路基中分带处至路基外侧横向断面向下开挖75cm，横向按照2%的坡度开挖断面，以保证路面排水。开挖底宽30cm，顶宽60cm。
中分带渗沟横向双壁波纹管（Φ100mm）排水管铺设前先从路基中分带处至路基外侧横向断面向下开挖57cm，横向按照2%的纵坡开挖断面，以保证路面排水。开挖底宽20cm，顶宽43cm。
清除开挖后沟内的路基填料和杂物，检查开挖断面尺寸和高程符合设计要求经监理工程师批准后方可进行铺设。
（3）铺设5cm或3cm厚铺底砼
整平验收后的管沟，先施工5cm（超高段及中分带横向Φ200mmPVC-U双壁波纹管）或3cm（中分带Φ100mm横向双壁波纹管）厚C20砼铺底。
（4）管道进场安装检验
管材类型、规格，应符合设计要求，应有产品合格证和性能说明书；管材不得有破损、裂缝及明显缺陷。管道运到现场，现场见证取样送检，采用目测法，对管道是否有损伤进行检查，并做好记录。
（5）管道铺设
为保证管道铺筑质量，管材端面应平整，与管中心轴线垂直，轴向不得有明显的弯曲出现。管材、接头的尺寸及圆度必须符合产品标准的规定，安装应由下游往上游进行，接头时，先将管壁清理干净，然后与中心轴线对齐，为防止已铺设管道轴线位置移动，管道安好后，应复核管道的高程和轴线使其符合要求，横向排水管按设计应直接通向路基边沟或排水沟。
（6）砼包封
验收合格立即用C20的5cm混凝土包封，并用小型振捣棒进行振捣，包封混凝土时管道应进行固定，防止管道侧滑、脱落，浇筑时由高往低的方式，两侧应同时进行分层回填、分层振捣的施工方法，以免管道偏移，并使混凝土密实，施工完成后，及时进行养生覆盖七天，保证混凝土施工质量。
（7）回填级配碎石
管顶砼在养生7天后可直接回填23cm（超高段排水管）、45cm（中分带横向Φ200mmPVC-U双壁波纹管）和39cm（中分带横向Φ100mm PVC-U双壁波纹管）厚级配碎石，回填至路床顶面。
5.2、中分带防水
5.2.1工艺流程
机械开挖渗沟→人工整修抹砂浆→铺设防渗土工布→铺设打孔波纹管→回填开级配碎石→铺设无纺透水土工布→铺设硅芯管→回填土方。
5.2.2施工工艺
（1）开挖渗沟
开挖前根据基层放样的中桩，划出渗沟开挖的位置，中分带底部的纵向碎石渗沟尺寸为底宽40cm、上顶宽112cm、深57cm，采用机械开挖人工整修，挖出的土堆在基层上时，下面应垫彩条布隔离，以免污染基层。并将挖出的路基填料运送到路肩位置，作为土路肩使用。对于中分带开口、人手孔、标志牌基础、桥头搭板、墩柱内中分带位置提前做出标记，不用开挖。
所挖渗沟应严格按尺寸施工，沟底应平坦，内壁应尽量平整，以利于涂抹砂浆。
路线纵坡小于0.5%时，将中分带纵向渗沟按纵坡0.5%设置，渗沟深度10～57cm渐变。路线纵坡大于0.5%，碎石渗沟纵坡与路线纵坡相同5。开挖过程中注意水流方向，个别地段为利于排水根据现场情况需做成反坡。
（2）砂浆抹面
首先对中分带内杂物、多余废料进行清理，杂物清除出去，废料翻至路面上集中堆放，并对基层边缘松散的水稳碎石混合料进行清除或提前在压实时就洒水泥浆人工及时拍实。
采用机械拌合，在现场目测砂浆拌和的均匀性，做到色泽一致，无黄砂积聚现象。在已拍实湿润的水稳碎石基层、底基层中分带外露面和挖好的纵向渗沟两侧底面涂抹砂浆，砂浆厚度2cm，并顺路线方向每隔10m设1cm宽的断缝。
砂浆应在立柱施工后进行，应按一定厚度、顺序和方向分层施工。砂浆在抹面时对表面应仔细操作，使表面光滑、无水囊、气囊或蜂窝。
砂浆抹面的边棱线应线形正确、顺畅、光洁，表面无粗糙、不平整、蜂窝或不良外观，表面应平整、密实、无断裂、无波浪、无明显接茬和欠茬。
做面分两次进行，先找平抹平，待砂浆表面无泌水时，再做第二次精抹，使砂浆表面收光无印痕。
砂浆做面完成后，应及时进行养护。砂浆的养护采用覆盖洒水法，在砂浆终凝以后，将吸水保温能力强的土工布或塑料养生膜等覆盖在砂浆表面上，后洒水养护。养护时间为七天以上，洒水次数以能保持砂浆有足够的润湿状态为宜。
（3）铺设防渗土工布
防渗土工布采用经编二布二膜复合土工布，厚度1.8~2.2mm，纵向抗拉强度不小于2.5KN/5cm，纵向伸长率不大于28%，圆球顶破强度≥2.5KN，铺设时拉挺绷紧。
中分带砂浆抹面需经检查与验收。验收合格的砂浆抹面应在7天正常养生后才可铺设防渗土工布。一般正常段防渗土工布宽4.08m，超高段防渗土工布宽3.35m。
对砂浆表面出现的鼓包、坑洼，应人工处理后重新用水泥浆修补好。清除砂浆表面的浮灰杂物。在铺设土工布前，用扫帚扫除浮土、表面覆盖物。砂浆面在清理干净之后，人工铺设防渗土工布。
土工织物的联结可根据实际工程情况，采用搭接法，搭接宽度20cm。土工布破损的处理以现场采用搭接法修补为主。
土工布应铺设均匀、平整，保持连续性，不出现扭曲、折叠和重叠。土工布在斜坡上铺设时应保持一定的松紧度，避免石块使其变形，超出弹性极限。
（4）铺设打孔波纹管
双壁打孔波纹管：采用Ф100/116mm高密度聚乙烯双壁波纹管，其主要技术标准为：环刚度≥8KN/m2，冲击强度（TIR）≤10%，接点无渗漏，扁平试验无破裂。
纵向打孔波纹管必须与横向排水管用2通接头或3通接头连接，纵向排水管在渗沟井位置必须伸入渗沟井以利于排水。
（5）渗沟填开级配碎石
人工填开级配碎石，采用19-31.5mm碎石，为不含或4.75mm以下含量很少的石料，方孔筛26.5mm通过率90~100%，19mm通过率0~30%，9.5mm通过率0~5%，用量0.44m3/m，碎石应近距离填实，不得抛撒，并人工整平。
在施工前碎石应已提前运到工地，并根据单位距离所需碎石数量倒在中分带边上。
（6）碎石顶面铺透水长丝无纺土工布
用于过滤与排水的土工织物单位面积重≥300g/m2，技术要求：渗透系数≥0.35cm/s，撕裂强度≥500N，CBR顶破强度≥3500N，握持强度≥1400N，透水土工布宽1.22m，铺在碎石渗沟顶层。
透水土工布的主要作用是隔离、反滤和排水。铺设透水土工布前，需对碎石表面进行整平，以免刺破、损伤土工布。严禁施工机械直接在土工布上作业。
（7）硅芯管敷设
中分带土工布铺设后，及时敷设18孔Ф40/33高密度聚乙烯硅芯管，因硅管每盘长不超过2000m，并按Ⅰ型人孔间距进行了配盘，因此应按配盘距离为硅芯管敷设提供工作面。
沟槽要尽量平直，沟底无硬坎，无突出的尖石等物。放管前沟底先铺一层细土，放完管后，多根硅管在沟槽内应摆放平直并绑扎牢固，再回填细土，以保证硅芯管不受损坏。
当天敷设的硅管，应尽快回填掩埋耕植土，尽量减少硅管裸露，以防损伤及被盗事件的发生。
5.3、超高段排水
5.3.1工艺流程
施工水稳基层→施工集水井→整修水稳基层→绑扎钢筋→浇筑底板→侧壁支模→浇筑侧壁砼→拆模→养生→盖板,如设计为缝隙式流水槽则采用预制工艺。
5.3.2施工工艺
（1）施工超高内侧水稳基层时，支模预留流水槽位置，减少二次反开挖工程量。
（2）开挖水稳，查找集水井位置的横向排水管，首先支模施工集水井。集水井宽1.04m，深1.65m，需伸入中分带54cm。井底砼厚15cm，侧壁厚20cm，采用C20砼现浇，每个井的砼方量为1.14m3。
（3）超高段流水槽设置在中分带路缘带位置，如预制则采用独特的不对称缝隙式流水槽，开口缝隙宽12cm，保障车辆高速行驶时的安全要求6；如现浇则采用宽57.5cm，深55cm的急流槽，每延米混凝土方量0.21m3。流水槽纵向采用12根Φ10钢筋，箍筋采用长1.6mΦ10钢筋，间距20cm。浇筑流水槽时，先浇筑厚12cm基底C25砼，需考虑流水方向对厚度进行现场调整；再支模浇筑侧壁砼，流水槽内径宽25cm，深43cm，靠近路面一侧壁厚12.5cm，靠近中分带一侧壁厚20cm。
（4）、集水井井盖采用2块4cm厚复合材料井盖，每块宽72cm，长49cm。
（5）、养生结束后，安装流水槽复合材料盖板，。
6、南、北方不同降雨量地区高速公路超高排水设计情况的对比
前段描述了南方浙江地区嘉绍高速公路的中分带超高排水设计情况。而在北方地区因降雨量相对较小，因此采取了一些不同的设计，两条高速公路超高排水设计对比情况详见下表。
南、北方地区高速公路超高段排水设计对比表
项目
嘉绍高速公路
西商高速公路
备注
车道数
八车道
六车道

年平均降雨量
嘉兴地区1199mm
商洛地区700mm
前者是后者的1.7倍
超高纵向排水管断面
钢筋混凝土流水槽1075cm2
D30的HDPE管706cm2
前者是后者的1.5倍
超高排水管
砼包封Φ200mm双壁波纹管
D30钢筋混凝土涵管
前者是后者的0.53倍
超高排水管间距
50m
60m
（1）西商高速公路采用的涵管耐久更结实一些，但施工开挖量大、成本高。
（2）双壁波纹管易被重车压坏，特别是路基存在隐性病害的情况下更易损坏。因此对级配碎石回填的压实要求较高，如未充分压实，易引起二次压密破坏。有些高速比如沪蓉西高速公路横向排水管采用了无缝钢管作为排水管，即使有局部压变形的情况，但钢管整体仍完整而不影响中分带和超高段排水。
（3）两条高速公路所采用的超高流水槽断面尺寸与年降雨量相对应。
（4）嘉绍高速公路超高排水管有效断面尺寸比西商高速公路的小47%，西商高速公路的超高排水管尺寸有些偏大。
（5）某些北方四车道高速如洛商高速公路中分带未采用渗沟，而是在敷设硅芯管填土后，铺设20cm厚水稳碎石，在上面层沥青砼摊铺后中分带表面浇筑了8cm厚水泥砼凸型面板，防止雨水渗入路基。而在超高段未在路缘带设流水槽，在中分带采用了浅蝶形8cm砼硬化排水，凹槽深8cm，与每60m一个的设在中分带中间位置的集水井相连。
7、结语
做好路面排水是防止工后路基湿陷的主要手段，所以施工前必须做好排水管位置优化设计，做好施工与设计单位的协调工作。
因此即使设计单位在施工图设计时不能明确每个排水管的具体位置，也应在设计交底时向管理单位、施工单位和监理单位提出，细化排水管施工设计的要求，优化中分带的排水设计，才能真正防止路面施工期与运营期的中分带、超高段渗水造成的路基水损害和引发沥青路面的沉陷与纵缝的病害。
针对不同地区设计单位应根据年度降雨量的水平，结合短时暴雨程度、路基填料类型和路面宽度等因素选择确定合理的中分带和超高段排水型式，起到切实的排水作用。对于北方一般路段不设中分带排水管的路段，为防患于未然也应在凹曲线最低点和长纵坡桥头最低点增设中分带横向排水管，排出施工期间和运营期的积水，防止路基水害的发生。
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作者信息：吴军（1971年-），男，陕西乾县人，大学本科，高级工程师，中交瑞通路桥养护科技有限公司，主要从事养护设计与施工项目管理工作，联系电话[phone]，通讯地址：西安市高新区科技四路205号中交一公院科技产业园，邮编710075，邮箱wjainu@。