山区高速公路改扩建路线及路基路面设计要素研究.pdf

CONSTRUCTION MACHINERY 792023/09总第571期山区高速公路改扩建路线及路基路面设计要素研究逄锦程（中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100024）摘要文章以某山区高速公路为研究对象，对其改扩建路线及路基路面设计要素进行了研究，根据高速公路实际，遵循两侧分别拼宽两车道、两侧加宽为主、局部两侧分离原则，只在旧路左侧拼宽扩建，通过中分带和车道的改造布置，从而实现整体扩建为8车道，并对路床予以掺灰处理，其拼接区域的压实度应当在规范基础的1%以上。对于新旧路基的衔接区域予以削坡以及挖台阶处理，其基底部分进行冲击碾压，然后按照相关要求设置相应的土工格室以及土工格栅，从而提升其整体性；按照是否存在积水来对其中的蒸发池以及沟予以合理回填设计；在填方路段之中运用灌木、植草等多种形式进行防护，根据各个区域的不同土质开展相应的灌木防护等。对其中的填方路段要设置相应的梯形土质排水沟，挖方路段进行混凝土边沟的设置，路面排水设计集中排水、散排，下挖型通道积水使用散排蒸发池进行 处理。关键词山区；路线；改扩建；高速公路；路基路面；设计要素中图分类号U418.8 文献标识码A 文章编号1001-554X（2023）09-0079-06Research on reconstruction and expansion route of mountainous expressway and design elements of roadbed pavementPANG Jin-cheng随着我国公路建设发展越来越快，先期建成的山区公路因超载、设计标准较低等原因，对目前交通量增长需求已经无法适应，面临扩建、改建等问题1。山区公路是山区经济运输动脉，对沿线产业布局、城镇规划有一定的影响或制约，和沿线居民生活环境关联密切2。在山区公路改扩建过程中，路线及路基工程所占工期较长，路线及路基工程受施工地形、管理水平、交通组织、地质等影响，有必要对路基的施工管理控制，施工时的交通组织、新技术、新工艺进行研究3。在公路改扩建工程中，路基拓宽出现不均匀沉降不可避免。在公路改扩建工程之中形成各种病害的主要原因为新建以及老化路基之间的沉降存在差距，所以在项目建设过程中要注意的关键性技术为如何避免或减少形成不均匀沉降4。和平原区高速公路改扩建工程项目建设有所不同，在山区所开展的公路改扩建工程往往会受到地形、加宽宽度等多种因素的限制和影响，同时山区公路也需要应对滑坡、崩塌等多种地质问题5。基于此，本文以某山区高速公路为研究对象，对其改扩建路线及路基路面设计要素进行了研究。1 山区公路改扩建工程设计的要点1.1 路线选择尽量利用老路及保护生态环境山区公路改扩建项目在建设过程中需要结合老路基础对其予以改造，通过对老路路线各项指标予以评定分析，最大限度地保持原有路线6。由于新建道路需要更高的投资额以及更大的工程量，而以山区老路作为基础对其进行改建一方面能够达到多种建设需求，另一方面还能够推动山区地区的经济稳定发展。山区老路技术等级较低，改扩建时会调整平面线形、纵坡，加宽路基，开挖山体会有大量弃方产生，影响地方生态环境。在山区公路改扩建中，遵循可持续发展理念，落实环境保护措 DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.09.010收稿日期2022-12-06通讯地址逄锦程，北京市朝阳区建国路15号院80 建筑机械SURVEYING专题论述施7。在设计路线时，合理协调路线，避开饮用水源保护区、自然保护区等环境区域。1.2 平面线形设计及局部方案的选择改扩建山区公路由于地质以及地形原因，在应用同一种技术标准的前提下，其工程量要相对较高，会对生态环境造成影响，应根据实际情况设 计8。结合实地情况，采用技术指标，确保线形顺畅及周边环境协调。在设计路线时，应当综合分析山区公路的地形、地质环境、建筑物分布等多种因素，综合工程项目需求，对经济可行方案综合选择9。如平面线形较好路段，在公路设计时速达到要求时只拓宽原路。拓宽时在一侧存在建筑物时，需要对另一侧公路进行加宽。如果其中一侧公路在加宽后需要设置相应的挡墙，则应当在对侧加宽后开挖相应的低矮边坡。2 某山区高速公路路线设计2.1 工程内容及数据收集某山区高速公路需改扩建，旧路为双向4车道标准建设，项目根据旧路建设情况分为路基宽26m和27m两段，设计时速分别为100km/h、120km/h。根据当地经济发展、运输需求，该路段需扩建为8车道，从而将公路运输能力提高，减轻交通拥堵问题。在设计工作前，设计人员针对该项目实际情况，对旧路设计图纸、相应评估报告进行分析；对旧路运营情况、当地自然环境进行分析，建立完整档案体系。2.2 改扩建方案路线的制定在方案确定前，聘请行业专家评估、分析方案，针对部分路段方案中存在问题提出解决措施，确保方案可行性。重点讨论特殊路段设计方案。对该项目部分路段扩建方式设计出三种方案，方案一是在旧路两侧分别拼宽两车道；方案二只在旧路左侧拼宽扩建，通过中分带和车道的改造布置，从而实现整体扩建为8车道；方案三是另辟路线于旧路右侧，新建4车道，旧路对中分带改造后形成4车道。表1为三种改扩建方案路线设计比较。通过对三种方案进行比较，可发现方案一节省材料，对现有资源进行充分利用，使施工时间缩短，施工难度适中；方案二受地物、地形、周围环境影响较小，工程总体投入较少，对自然环境的影响可减轻；方案三项目规模较大，需改造旧路中分带，新建跨径桥梁较大，工程投入较多。因此采用工期较短、施工难度适中、工程成本较低的方 案一。表1 改扩建方案路线设计比较方案一方案二方案三工程 内容在旧路两侧拼宽两车道，实现整体扩建为8 车道只在旧路左侧拼宽扩建，改造中分带和车道布置，实现整体扩建为8 车道另辟路线于旧路右侧，新建4车道，旧路对中分带改造后形成4车道，实现整体扩建为8车道材料使用量较少较多较多方案需解决关键问题扩建过程中，距离公路右建筑物较远，安全问题较少路基边坡较低，需改造中分带，施工较为复杂工程规模大，右幅范围桥梁占比高工程总投入较低适中较高工期 长短较短适中较长施工 难度适中适中较高3 路基加宽方案设计3.1 路基加宽原则根据项目工程特点、实际功能，结合路段地质条件、地形地貌、人文环境等，路基加宽遵循原则包括：节约用地原则，以山区公路的路基稳定性作为发展基础，通过对排水沟、护坡道等多个方面进行合理设计，使其能够达到提升施工便利性、提高工程经济性、保证项目景观美化性等多种目的，在此基础上需要综合边坡稳定、以往工程项目经验、坡面排水形式等因素进行路基防护方案的确定。采用生态防护，根据沿线自然条件进行排水；路基方案应减少施工空气、噪声、水体等环境污染。对老路拼宽路基，应不破坏原路基稳定，确保原道路通畅运行。CONSTRUCTION MACHINERY 812023/09总第571期3.2 路基横断面布置及加宽方案此次项目从原来的4车道改建扩至8车道，公路两侧对原路基进行分离并且加宽后形成3车道，单侧公路在对新建分离后拓宽2车道，每侧主要包含硬路肩、行车道、路缘带等多个组成部分，中间区域设置中央分隔带。其标准整体式宽路基主要包含土路肩、硬路肩、行车道等多个组成部分。两侧分离式路基各组成部分为土路肩+硬路肩+行车道+硬路肩+土路肩。3.3 路床处理按照轴载以及交通量对其综合计算分析，得出山路公路的路床应当设置成123cm。为了能够适度提升路床强度，转变路面以及路床之中不同层次结构，对路床的土质填料予以相应的掺加石灰处理。在下路床91.5cm上部51.2cm掺灰按4.5计列，下部40.5cm不掺灰，上路床31.5cm掺灰按6.5计列，低填路段上路床31.5cm掺灰按6.5计列，下路床91.5cm按4.5计列，改善新老路基不均匀及路基稳定性。对于新旧路基而言，压实度对其结合部位稳定性具有较大的影响，拼接部位路床应高于规范要求压实度的1%，这样可将新旧路基差异沉降减少，确保路基稳定。表2为路床土最小强度和压实度要求。表2 路床土最小强度和压实度要求路床新建高速公路压实度/%建议扩建高速公路压实度/%上路床96.597.5下路床96.597.53.4 新旧路基拼接3.4.1 新旧路基拼接方式确保山区高速公路改扩建工程质量关键之一是控制及延缓结合部位开裂10。对于保障新旧两种路基拼接之间的协调性来说，需要避免产生横向错台以及纵向裂隙。而开展路基填筑加宽之前，进行原路基边坡削坡处理后，再进行台阶开挖，削坡厚度为31.5cm。按照道路保通要求，尽可能少扰动老路基，一般需要运用由下到上的方式来开挖台阶，其台阶底面应当和公路中心之间形成内倾45，逐层进行夯实之后，保证所有层的压实度以及厚度、平整度、拱度能够符合相关要求。由于这一区域的山区高速公路之中旧路路基主要由粉质粘土以及沙土等共同组成，这两种原材料的凝聚性相对较低，所以在台阶开挖时应当注意开挖尺寸，统一为宽101.5cm、高65.8cm。在路基坡脚处，第一级台阶宽为201.5cm、高为132.5cm开挖。开挖拼接至路床底面台阶之后，需要结合路基填高设置相应的台阶宽度以及高度。如果台阶面和路床顶面两者的间距在超出路床厚度的101.5cm之后，路床作为独立台阶开挖回填。路基低填路段即路堤填土高度低于1.1m+路面结构层厚度，原路基边坡的削坡需要设定为31.5cm，并且运用一级台阶予以开挖，从而避免新老路基之间形成不均匀沉降，随之提升新、老路基衔接性。若进行清表后仍然难以达到拥有的路床底标高，应当继续开挖直至到达路床底，在此基础上利用4.5%的石灰土对其予以回填。然后在上路床底区域，设置宽度为6.5m的HDPE土工格栅。图1为新旧路基低填浅挖衔接方案图。上路床下路床双向土工格栅路床以下地基起挖后石灰土下路床上路床路面结构层路面结构层双向土工格栅高强土工格室开挖台阶压实后地面双向土工栅格图1 新旧路基低填浅挖衔接方案图路基填土高度1.25m+路面结构层厚度，在4.5m路段原路基边坡削坡31.5cm，第一级台阶采用高132.5cm、宽201.5cm，第二级台阶采用101.5cm66.5cm，开挖一级并填筑一级。在进行路基填筑时，最下一级台阶进行一层高强土工格室的铺设，上路床底部进行一层HDPE土工格栅的铺设。如果路堤填土高度能够达到4.5m以上，通常需要对路段原路基边坡进行削坡31.5cm，其第一级台阶设定高度为132.5cm、宽201.5cm，第二级台阶采用101.5cm66.5m，开挖一级并进行一级的填筑。在进行路基填筑时，最下一级台阶进行一层高强土工格室的铺设，在上路床底部、下路床底部各进行一层HDPE土工格栅的铺设。图2为新旧路基衔接方案图。82 建筑机械SURVEYING专题论述高强土工格室上路床下路床双向土工格栅高强土工格室清除表土后碾压清除表土后碾压下路床上路床路面结构层路面结构层双向土工格栅图2 新旧路基衔接方案图3.4.2 土工合成材料技术要求本项目拼接路基的路基基底铺设土工格室，路床铺设双向HDPE土工格栅。HDPE格栅的具体力学参数参照JTG/T D32-2012公路工程土工合成材料应用技术规范执行，双向HDPE土工格栅所具备的极限抗拉强度至少要达到50kN/m，即便到达2%延长率所对应的抗拉强度也至少要达到20kN/m，格栅回折长度至少应当为2m，格栅搭接宽度至少应当为20cm，采用10钢筋固定，防止格栅压实时出现错动11。3.4.3 冲击碾压为减少纵向裂缝、横向错台的发生，增加新旧路基协调性，对路基基底部分予以冲击碾压，其速度应当设定在12.515.5km/h范围以内，对其予以21遍的压实，而且管道、构筑物以及建筑物附近路段需要设置相应的保护措施，利用预留安全距离、减小压路行驶速度等多种方式，保障其可靠性。在路段填土高度4.5m时，在基底冲击碾压；路段填土高度4.5m时，每填2.1m则用25kJ的压路机补压21遍。如果能够填至下路床底标高，则需要应用25kJ以上的压路机对其进行21遍补压。所应用的冲击碾压主要评价标准有：当碾压次数达到21遍所对应的沉降量应当在3.5cm以内。如果通道顶填土高度2.5m，则土工格室、土工格栅等的竖向填土厚度需要保持在1.5m以下，而不得再利用冲击碾压方式。表3详细列举了不同冲击碾压水平所对应的安全距离。表3 冲击碾压水平安全距离构造物类型冲压水平 安全距离构造物类型冲压水平 安全距离U形桥台和涵洞通道距桥台翼墙端或涵洞通道10.5m导线点、水准点、电 线杆10.5m其余类型桥台30.5m地下管线20.5m构造物类型冲压水平 安全距离构造物类型冲压水平 安全距离重力式挡墙距墙背内侧2.1m互通式立交桥梁30.5m扶壁（悬壁）式挡墙距扶（立）壁内侧2.5m建筑物30.5m3.5 特殊路基处治3.5.1 沉降不满足要求路段加宽方案此次项目所运用的地基土中主要包含粉砂、粘土等。原公路所具备的承载力相对较低，整体结构相对较为松散，其天然含水量在液限以内，平均水平约为22.9%，所对应的压缩系数在0.150.21范围以内，平均值约能达到0.31MPa-1，其中的地基土天然孔隙比能够达到0.75，上部土层地基承载力为101.5kPa。该地质路基稳定较好，但工后沉降不能达到规范要求时应处理地基。在工后沉降计算年限15年，路基加宽部分工后沉降应满足桥头4.9cm、通道及涵洞处9.5cm；对差异沉降进行合理控制过程中，必须要保证拼宽路基路拱横坡度增大值不得超过0.5%，而所对应的相邻路段差异沉降纵坡必须不得超过0.4%。本研究通过工后沉降计算，一旦未符合以上相关标准，则需要对其中的路基予以浅层路基土方换填处理，砂性土路段换填材料主要应用3%水泥土，粘性土路段换填材料为4%石灰土。要加大通道以及涵洞等多种路段的变形控制力度，通过应用CFG桩对其予以相关处理，CFG桩具备适应度高、经济性强、施工便捷、质量稳定性高等多种优势。图3为浅层换填处治方案图。换填石灰土开挖线高强土工格室上路床下路床双向土工格栅图3 浅层换填处治方案图3.5.2 沟及蒸发池回填设计在最初修建时，该山区高速公路因在路基左续表CONSTRUCTION MACHINERY 832023/09总第571期右两侧取土，导致在路基两侧区域出现规模不同的取土坑。而其中一些取土坑内常年存在积水，并且公路两侧还存在部分软弱，而右侧软弱图的厚度可达到0.651.04m范围之内。此次主要运用沙砾土对其进行换填，设置路堤挡土墙防护和浆砌片护坡。路基范围内的蒸发池、沟等分为无水、有水，需处理老路基边沟，确保拼宽路基质量，减少工后沉降。蒸发池沟路段以及有水沟路段等多种路段首先需要对其予以排水清淤，在清淤的基础上换填相应的厚片石，其厚度需要达到50.5cm，然后运用10.5cm碎石对其予以灌封，并且利用厚石灰土对其进行填筑，填筑厚度需要达到39.5cm，然后利用素土来进行分层填筑；对于粘性土路主要运用4.5%石灰土对其进行换填；砂性土路段换填材料为3.5%水泥土。在进行回填时，其中的强化水沟回填材料以及其侧壁两者相互结合，在此基础上对水沟侧壁台阶进行开挖。图4为水沟地基处理示 意图。挖台阶素土回填石灰土碎石灌缝厚片石图4 水沟地基处理示意图3.6 路基防护工程填方边坡防护主要利用植草植树护坡挡土墙及浆砌片石护坡等多种防护形式。不同防护形式结合防护特征以及边坡高度、土质等多个方面进行综合选择。在路基高度相对较小的区域主要运用植草防护等防护方式。路基填土高度较高的使用拱形骨架植草进行防护。图5为填方拱形骨架预制块护坡布置图。3.7 路基及路面排水系统工程3.7.1 路基排水路基排水利用路基坡将路面积水排到水沟处，而路基水则主要排放到蒸发池、河道等区域，保证路基边沟水流不给附近农田灌溉带来影响，同时能够维持道路的正常运行。在填方路段需要设计倒梯形排水沟，并且运用植草防护措施对其进行有效处理和防护。其中排水纵坡相对较大着，还需要专门设置相应的混凝土排水沟。如果排水沟的排水能力不足或者纵坡相对较小，则需要加大排水沟底部宽度，使排水沟能够转变为蒸发池，并承担相关作用12。对于挖方路段需要配置相应的C20混凝土矩形边沟，其端部设置透水混凝土，并且在上部加盖规格为C35的钢筋混凝土盖板。1205坡长L伸缩缝坡脚图5 填方拱形骨架预制块护坡布置图3.7.2 路面排水如果填土高度超过4.5m路段，则路面降水需要利用散排方式，结合拱形骨架间急流槽来排出积水。其高度应当在1.54.5m范围内，纵坡需要超过0.5%路段，在路面降水区域应当加装相应的混凝土拦水带，在其纵向25.5m间隔出设置相应的开口，同时在最低出区域的适当减少开口间距，把路面水利用泄水槽向外排到两侧的排水沟，而在泄水槽的出水口3.5m以内的排水沟需要进行相应的防冲刷措施。其中的集中排水段的土路肩主要运用培土植草的方式进行防护，而在土路肩培土层底部需要设置相应的三维复合排水网，同时把进入到土路肩之中的雨水迅速排出。分散排水段土路肩的顶部进行15.5cm厚水泥混凝土预制块的铺设，可进行土路肩的硬化，从而实现防冲刷，预制块以下则直接进行培土。图6为集中排水段土路肩排水示意图。4 结论改扩建公路需根据当地实际情况进行适合工艺的选择，需考虑新旧路基间的衔接，确保公路设施在扩建后运行稳定。本文以某山区高速公路为研究对象，对其改扩建路线及路基路面设计要素进行了研究，得出如下结论：84 建筑机械SURVEYING专题论述三维复合排水网培土路缘石8030520123820硬路肩土路肩图6 集中排水段土路肩排水示意图（1）根据高速公路实际，遵循两侧分别拼宽2车道原则，只在旧路左侧拼宽扩建，通过中分带和车道的改造布置，从而实现整体扩建为8车道，对路床予以掺灰处理，其拼接区域的压实度应当在规范基础的1%以上。（2）对于新旧路基的衔接区域予以削坡以及挖台阶处理，其基底部分对其进行冲击碾压，然后按照相关要求设置相应的土工格室以及土工格栅，从而提升其整体性；按照是否存在积水来对其中的蒸发池以及沟予以合理回填设计；在填方路段之中运用灌木、植草等多种形式进行防护，根据各个区域的不同土质开展相应的灌木防护等。（3）对其中的填方路段要设置相应的梯形土质排水沟，挖方路段进行混凝土边沟的设置，路面排水设计集中排水、散排，下挖型通道积水使用散排蒸发池进行处理。参考文献1宋晓婧.山区高速公路设计中土石方对路线方案的影响J.交通世界，2019（24）：12-13.2张可.关于公路工程路基路面设计的分析J.黑龙江交通科技，2019，42（02）：72-73.3曾令钊.G211沿河黑獭至印江县城公路改扩建工程路线与路基路面设计分析J.交通世界，2017（19）：34-35.4陆新民，高光彬.改扩建新旧路基沉降影响因素及防治措施J.交通世界，2017（Z1）：28-31.5胡磊，刘晓威.关于路线设计规范和立交设计细则互通立交部分内容的讨论J.山东交通科技，2019（05）：108-112.6柴金燕.公路工程中改扩建公路路线以及路面路基设计J.工程建设与设计，2021（23）：125-127.7程斌.道路拓宽改造路基路面设计研究J.工程技术研究，2019，4（01）：171-172.8牛杜娟.公路改扩建设计的关键技术分析J.黑龙江交通科技，2018（11）：10-11.9钟少杰.泡沫轻质土在高速公路桥头路基填筑中的应用及效益J.广东土木与建筑，2020，27（06）：109-112.10 姚怡彤.公路工程中改扩建公路路线以及路面路基设计的探析J.甘肃科技，2020（09）：100-101.11 严琦玮，顾春晓.关于公路工程中改扩建公路路线以及路面路基设计的思考J.城市建筑，2020（21）：166-167.12 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