淤区高填方公路路基灾变防控关键技术研究及应用.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023淤区高填方公路路基灾变防控关键技术研究及应用赵大闯1，赵啟旸1，张一凡2（1.河南黄河河务局 工程建设中心，河南 郑州 450003；2.黄河水利委员 经济发展管理局，河南 郑州 450000）摘要：高填方作为公路工程质量管理的关键环节，如果对其质量控制不严，将会出现路基整体下沉、局部下沉、边坡滑塌、路基开裂等病害，影响工程质量。以省道312郑州境改建工程（G107东移至江山路段）黄河淤背区路段高填方路基在郑州“7.20”暴雨中产生的病害为例，结合不同路堤现状，分析了病害产生的原因和软基处理的重要性。根据黄河大堤淤背区软基工程的地质特点，依据现场软基的地质条件，通过有限元法单元自动剖分方法以及典型路基的现场检测及室内试验，有针对性地研究淤区高填方公路路基灾变防控关键技术，分析、论述几种典型的软土地基处理方法，提出在软基上修筑高等级公路的设计方法。关键词：淤背区；高填方；灾变；软基处理；防灾措施；黄河中图分类号：TV871.1；TV882.1文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.008收稿日期：2023-01-10作者简介：赵大闯（1978），男，河南舞阳人，高级工程师，主要从事水利工程建设与管理工作E-mail：1研究背景为践行习近平总书记“让黄河成为造福人民的幸福河”的伟大号召，实施黄河流域生态保护和高质量发展国家战略，以交通功能与城市功能空间结构相协调为原则，在黄河淤背区修筑高等级公路，打造黄河流域生态保护和高质量发展核心示范区的重要通道1。省道312郑州境改建工程（G107东移至江山路段）黄河淤背区路段工程是在自然落淤的黄河淤背区上修建的高等级公路，该建设项目在河南省乃至全国均为首例。在黄河大堤淤背区上进行高填方施工，加之个别段落位于淤区边坡与护堤地的结合部位，必须控制两种路基之间不均匀沉降在容许范围内。因此，地基处理是该工程设计及施工的关键问题。2021年7月，郑州经历了“7.20”暴雨过程，省道312郑州境改建工程（G107东移至江山路段）黄河淤背区路段出现了不同程度的破坏，给黄河大堤淤背区上进行高路堤施工提出了新的要求，对不同路床的淤背区高填方路基使用性能进行评价，分析可能存在的灾变，确定淤背区高填方路基设计方法、施工工艺及质量控制指标，并对可能出现的灾变采取相应的防灾措施，以期为在黄河淤背区建设高等级公路提供技术指导。2工程概况省道312郑州境改建工程（G107东移至江山路段）黄河淤背区路段K38+800K52+700段布设在黄河大堤淤背区内，对应路段黄河大堤右岸桩号K28+200K14+700，共13.9 km，代建投资7.05亿元，采用一级公路技术标准，兼具城市道路、防洪功能。省道 312 郑州境改建工程黄河大堤淤背区路段沿现状100 m 宽淤背区南侧平行于右岸黄河大堤布置，与现状黄河大堤平均净距约为 50 m，在淤背区平面线形指标较低的段落有部分路基掉落于淤背区外，其中12.37 km的道路全部布置于淤区内，1.23 km道路偏移出淤区。路面总宽度46 m，其中：双向4车道机动车道宽16 m，双向非机动车道7 m，两侧设置人行道4 m，中分及侧分带宽19 m2。3“7.20”暴雨造成的道路灾害省道312郑州境改建工程黄河大堤淤背区路段在经历郑州“7.20”暴雨过程后，出现的病害有路基沉陷、路基边坡塌方、路基失稳、路基翻浆等。3.1路基沉陷路基沉陷引起的局部路段损坏是多种因素造成的，一是原地面较弱土层填筑前未经换土，填筑方法不合理、压实度不足等；二是“7.20”降雨量过大，使路堤产生不均匀下沉；三是省道312郑州境改建工程试运行后没有交由交管部门管理，大吨位渣土车辆比重不断增大，超载导致路基沉陷。3.2路基边坡的塌方路基边坡的塌方包括路堤边坡和路堑边坡的塌方，是公路常见的病害，也是水毁造成的普遍现象。“7.20”暴雨后，省道312郑州境改建工程黄河大堤淤背区路段出现多处塌方，其塌方长度由几米到几十米，严重影响道路运行安全。路基边坡的塌方伴有大量土方的整体下滑及崩落，路基边坡塌方主要发生在原淤区的边坡处，大量降雨反复侵蚀路堤边坡造成路基边坡的塌方。3.3路基失稳路基失稳通常是指路基整体或局部在重力的作用下沿地面向下滑动，失去其基本的稳定性。“7.20”暴雨后，省道312郑州境改建工程黄河大堤淤背区路段沿花园口引黄灌渠段多处出现路基失稳（见图1），其原因是公路紧邻花园口引黄灌渠，占地不足造成边坡过陡，路基下的地基为不稳定的天然滑动体，排水系统设计不合理等。3.4路基翻浆造成省道312郑州境改建工程黄河大堤淤背区路段路基翻浆的主要原因是2021年雨季历程长，地表排水不良，路基呈弹簧松软状态，公路通行后，反复进行加载和卸载，导致路基产生泥浆，并被挤压到路面，从而造成路面龟裂、潮湿、车辆行驶时有轻微弹簧状，局部路面出现大片裂纹、松散、鼓包，个别部位严重变形、翻浆冒泥、车辙很深3。4灾害的预防措施研究4.1模型的有限元分析部分路段通过拼接淤背区和填方作为路基，淤背区路基和拼接路基之间造成不均匀沉降，这是纵向裂缝产生的主要原因。淤背区已经建成十几年，地基的初始沉降已经结束；省道312郑州境改建工程黄河大堤淤背区路段试通车期间，在车辆荷载的反复作用下，路基中土颗粒之间的水分不断排出。淤背区拼接段路基经历了初始沉降、固结沉降及次固结沉降三个阶段。以淤背区路基中线为基准，距离中线越远路基沉降越大，在道路荷载的作用下，附近地面会向上隆起。根据有限元计图1路基失稳灾害 15人 民 黄 河2023年S1算，偏离淤背区的路基有竖向沉降发生。路基在淤背区的最终沉降值在16.924.5 cm之间，偏离淤背区段采用基底换填碎石（或片石）处理后，地基的沉降值为24.8 cm。在淤背区拼接段，不同路堤之间的不均匀沉降是无法避免的，是淤背区拼接路段发生不同沉降的根本原因。4.2灾害预防措施4.2.1黄河淤背区软基填方处理（1）地质条件分析。省道312黄河大堤淤背区路段（K38+800K52+700）现状淤背区范围种植高大乔木及绿化苗圃，经地勘钻孔取样分析，淤背区表面1.24.1 m为素填土，呈黄褐色，局部杂色，以粉土为主，局部含砂，表层较多植物根系。往下3.59.5 m粉土层呈黄褐色，局部呈灰褐色，稍湿-湿，稍密，摇振反应中，无光泽反应，干强度低，韧性低，局部砂感较强。再往下为粉质黏土或者粉细砂土层。根据土工试验成果报告，大堤淤背区地表素填土平均含水率为25.5%，浅层土基承载力80105 kPa，土层压缩模量3.06.0 MPa。针对淤背区现状土质特性，表层素填土需要经过浅层换填或者掺灰改良处理并达到规定的压实度，方可达到路基基底填筑要求。黄河淤背区是将含沙量大的黄河水引至黄河堤防工程的背侧，经沉沙落淤形成的区域。在其上修建路基，路基填方高度平均为3.42 m，最高处6.78 m，地基处理难度非常大。通过改善黄河淤背区原土的剪切性、压缩性，避免道路出现剪切破坏，同时后期不发生较大的沉降和不均匀沉降，从而保证路面结构完整。（2）填筑方案。省道312黄河大堤淤背区路段填方路基高度均在3 m以上，采用一坡到底，坡比为11.5；黄河大堤淤背区段现状淤背区外侧边坡坡比为13，高度一般为58 m。清表土30 cm后采用4%水泥土填筑，对其以下30 cm土基采用掺拌水泥就地搅拌碾压的方式进行处理，掺灰剂量为4%，并用重型压路机碾压密实（达到一级公路压实度要求），并在60 cm厚水泥土中间铺设一层双拉土工格栅。然后按照路基填筑高度填筑路基，并在路基上面填筑80 cm水泥土。（3）施工要点。路基范围内的墓穴、灌溉机井等空洞、凹槽须进行开挖回填处理，实际施工时，根据现场实际情况，采用素土分层回填压实处理，回填压实度不小于90%，以保证路基安全。路堤基底要进行填前碾压，须达到压实标准。路堤基底为耕植土或腐殖土时，须清除表土并作填前压实处理，压实度不小于90%；路基范围内的树根、灌木根等必须挖除。路基清表土方应合理堆置，清表的腐殖土可用于边坡防护的培填土方，或用于中分带微地形的回填及取土坑回填，不得随意弃置，造成水土流失。路基填筑必须根据设计断面分层填筑、分层压实，分层的最大松铺厚度不应超过30 cm，严格控制路基压实度指标。中央绿化带（中间8 m部分）基底压实度要求可以适当降低。为了便于边坡的压实，路基两侧施工需加宽30 cm，填方高度大的路段根据填方高度适当增加宽度，边坡表层与填方主体要同时施工（不允许贴坡）、均匀压实，路基填筑完成后将加宽的30 cm土方刷坡处理，刷坡土方用于中分带微地形回填或运回取土坑，不允许随便堆放。4.2.2淤区高填方路堤边坡处理省道312黄河大堤淤背区路段（K38+800K52+700）采取工程防护与植物防护相结合的综合措施防治路基病害，采取以植草绿化防护为主、圬工防护为辅的总体防护思路。（1）植草和植物纤维毯防护。对高度不大于2 m的一般填方路段，边坡采用植草防护；高度大于2 m的一般填方路段，边坡采用植物纤维毯，利用纤维毯三维网起到加筋、复合护坡作用，同时纤维毯中含有草籽及营养料，能够提高抗冲刷能力。（2）桥头路基边坡防护。桥头路堤边坡易被冲刷甚至淘空导致台后填料流失、危及桥台，分离式桥梁锥坡及桥头路基均采用预制混凝土六棱块防护。（3）鱼塘段浆砌片石+植草防护。为防止鱼塘积水影响路基稳定，对路基边坡采用30 cm厚浆砌片石衬砌至常水位50 cm以上，其余采用植草防护。（4）圬工挡土墙防护。因占地不足，需开挖淤背区的路段设置圬工挡土墙，路肩挡土墙采用钢筋混凝土悬臂式挡土墙，路堤挡土墙采用现浇混凝土重力式挡土墙。（5）生态挡土墙防护。因占地不足，不需开挖淤背区的路段设置生态挡土墙。4.3沉降控制无论路堤堤身或地基，沉降都是不可避免的，且路堤越高沉降越大，在面层铺筑前要有充分的沉降时间。为掌握淤背区段路基在施工期间的变形动态，必须进行动态观测。沉降控制时，根据动态观测结果预测未来的沉降量，同时控制填土量；稳定控制时，根据动态观测结果判断填土有无破坏的可能性，与此同时可以控制填土施工速度和调整施工工序等，此两者密切相关，一般控制一次填土摊铺厚度不超过30 cm，用调整放置时间的办法来控制施工速度。4.3.1观测断面及测点布置每200 m设置一个监测断面，桥头段每50 m设置一个监测断面，且第一个监测断面设置在桥头搭板末端。按照路基横断面图测量并标注出路肩沉降板、路中沉降板、位移边桩的具体位置。4.3.2仪器埋设沉降观测板由钢底板、金属测杆及保护设施组成。沉降观测板埋设于地表水泥土处治表面，埋设时确保底板的水平与垂直度，确保测杆与地面垂直。沉降板位于路基中心和两侧路肩附近。位移边桩采用1.5 m0.1 m0.1 m的混凝土预制桩，在桩顶预埋直径20 mm钢筋，顶部磨圆并划十字线。4.3.3监测方法及要求沉降观测从路基填土开始进行，检测工作时间监督根据施工进度安排，与施工紧密结合，确保整个工作协调进行，计划每填完一次及时对所有观测仪器量测一次；在路基施工过程中，每天路堤中心线的沉降值不得大于10 mm、位移边桩的位移不得大于5 mm，否则不可进行下一层的填筑。沉降预压期第一个月每周一次，第23个月每半个月一次，此后每月一次4。5结语黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的实施，为黄河治理带来前所未有的历史新机遇。据不完全统计，郑州市、开封市政府均计划利用已建成的黄河淤背区作为路床建设沿黄公路。本文以省道312郑州境改建工程（G107东移至江山路段）黄河淤背区路段高填方路基为实例，分析高填方路基病害产生的原因，根据黄河大堤淤背区软基工程的地质特点提出了高填方路基施工工艺及质量控制措施，为今后黄河大堤淤背区建设高等级公路提供了依据。参考文献：1 郑州市交通规划勘察设计研究院.S312郑州境改建工程（G107东移至江山路）可行性研究报告 R.郑州：郑州市交通规划勘察设计研究院，2020：4-6，15-17.2 郑州市交通规划勘察设计研究院.S312郑州境改建工程（G107东移至江山路）两阶段施工图设计 R.郑州：郑州市交通规划勘察设计研究院，2020：8-12.3 郭长喜，陈郁.浅谈沥青路面翻浆产生的原因及防治 J.黑龙江交通科技，2004（1）：119.4 杨志鹏.高速公路路基不均匀沉降监测和修复施工技术研究 J.交通世界（建养 机械），2013（增刊1）：130-131.【责任编辑许立新】16