四方岩施工方案论述.doc

省道215线萝卜丝沟（甘凉界）至马尿河段改建工程
LJ2协议段（K17+100.49～K50+000）

四方岩施工方案论述
（用整体悬挑结构拓宽山区道路的技术）

审 核：黄水周

编 制：李仕平

重庆公路工程（集团）股份有限公司
省道215萝卜丝沟至马尿河段改建工程LJ2协议段项目经理部
二〇一四 年 九 月 六 日

四方岩施工方案论述
（用整体悬挑结构拓宽山区道路的技术）

【摘要】：本文重要针对四方岩道路拓宽工程，在分析比较目前常用道路拓宽方式的特点后，提出“一种悬挑结构拓宽山区道路的方法”，其设计理念是：杜绝深挖高填，在确认现已稳路基范围内用整体浇筑的墙柱式挡墙形成路堤，以悬挑结构补足道路欠宽部分。本文对该方法的工作原理进行分析，并在借鉴其他工程中应用实践表白，在高陡边坡条件下的道路拓宽中，本文方法较目前施工方法及其他常用的道路拓宽方法既能简化工艺、减少造价、安全可靠，又能最大限度地保护自然生态环境。
关键词：道路拓宽 悬挑结构
1、 概述
四方岩位于省道215线萝卜丝沟至马尿河段改建工程LJ2协议段，其里程桩号为K27+900-K33+200。该段沟谷深切，属于构造侵蚀深切割高山峡谷地貌，总体为下坡，路线较为平缓，路面标高1432-1500m，相对高差68m。内外均为高陡边坡，路基宽度仅5-6m内侧边坡坡高100-150m，坡度70-80°，外侧距离雅砻江河床高度约50-70m，坡度80-90°。
该段坡体基岩大部分裸露，二叠系上统峨眉山玄武岩组下段（P2β1）变质块状、杏仁状玄武岩、灰岩、二叠系下统（P1）板岩、千枚岩、变质砂岩、灰岩、大理岩、石炭系上中统（C2+3）结晶灰岩、生物碎屑灰岩、泥灰岩，发育一组倾向公路外侧的外倾结构面，由于边坡高陡，雨季地表水渗入裂隙面，在动水压力作用下，该段经常产生岩体崩塌，崩塌方量一般100-1000m3，崩塌最大粒径达10×5×5m，对公路安全形成重大安全隐患，时常导致公路断道。
该路段斜坡陡峭，岩体破碎，裂隙发育，沿线共调查7段危岩崩塌和7段坡面泥石流，对路线影响较大，且该段由于路基左侧为陡崖，设计路线局部按1:0.2开挖后，最大开挖高度大于50m。
总体而言，该段线路工程地质条件极差，在采用挖方、填方、圬工挡墙及锚索挡墙等方案对该段山区道路进行拓宽时，普遍存在施工期间严重破坏原边坡或地基的稳定，对周边环境影响较大的情况，甚至有些会引发不利地质灾害，存在极大的安全隐患，且环保效益、性价比不高。经我部研究，“用整体悬挑拓宽山区道路结构”能有效解决制约山区道路发展的造价高、开挖量大、安全隐患大、危险系数高、对生态破坏严重等诸多问题。
2、重要施工技术方案
2.1 原设计方案
原设计该段道路拓宽方法重要为：开挖弃土及填方、圬工挡墙、半边桥路基的方法。
A、开挖弃土及填方
开挖弃土及填方合用于地基土质较好，开挖较浅的工程，且由于开挖弃土的设计、施工简朴，费用较低，是目前重要拓宽方式之一（见图一），重要使用于坡度较缓，填方深度不高的地形。但是对于地质情况不良，开挖较高的路段，开挖弃土方式拓宽公路会改变地貌条件、破坏植被、导致不良地质灾害，不具有长远的经济与环保效益。
而对于四方岩来说，该段内侧与外侧坡度近乎90°，且高度基本为30m以上。原省道215为本地重要交通要到，在施工过程中还要做好该道路的保通，这使其施工难度进一步增长。该段道路外侧为雅砻江，该河段是上游锦屏电站泄洪河道，施工时不得有大方量的落石掉进河道影响电站泄洪能力，因此进一步增大了该段的施工难度。该段由于极度陡峭，在开挖时机械无法作业，只有靠人工进行作业施工时，且人工施工时安全防护措施难度极大、安全隐患大、风险极高。该段岩石裂隙极为发育，爆破后不仅对原岩层导致不可估量的安全隐患，且对于跌落于围岩上的石块清理难度大，在遇大雨、轻度地震、震动时，存在大量垮塌、崩塌、滑坡等不良地质灾害，对施工、保通及后期行车导致极大的安全隐患。
开挖弃土拓宽陡峭路段示意图（该图为K29+420的断面图）
B、圬工挡墙
挡土墙通过支撑路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳，而承受侧向土压力的建筑物，挡土墙通过自身的重力或借助部分土体的重力共同对不能维持自身稳定的土体进行加固，以保持路基的稳定，是山区公路新建与拓宽重要方式。其重要分为重力式挡墙和衡重式挡墙。挡墙对地基承载力规定高，不适于在软弱地基上修建，并且当墙体过高时，耗材过多，且开挖方量较大，对原有地貌破坏较大。
重力式挡土墙示意图（该图为K29+545的断面图）
C、半边桥路基
半边桥路基是一幅采用桥梁，此外一幅或半挖半填，或填方，或挖方的组合形式，是一种“组合式”的公路拓宽方式。半边桥路基具有占地少，工程投资省，上下行间相对独立而又协调统一，横向联系紧密的优势。但是对四方岩大部分地区来说，地形陡峭，桩基埋置深度较大，桩身较长，施工难度大，工程造价高，且若在河道附近，存在压缩河道的问题，同时河流的冲刷会使基础底部掏空，存在安全隐患。此外，原有的柔性路面与加宽后的刚性路面之间存在沉降，结构易沿着两者交接处产生纵向裂缝，影响结构使用性能和行车舒适性。
2.2增设隧道施工方案
为减少四方岩原设计的施工风险、安全、保通等问题，增设隧道成为其重要讨论的施工方案。其重要方案由以下几点：
方案一：由乌沙洞K28+653.5—K33+200（四方岩8号小桥附近）段修建一条贯穿整个四方岩危险地段的隧道；
方案二：对于局部开挖量大的地段修建隧道；
方案三：对于局部开挖量大的地段采用半边隧道半明洞的方法修建隧道；
由于四方岩该段岩层结构裂隙发育，以原路面横向成40-70°顺层结构为主。对于该段修建隧道，其隧道重要受力情况为偏心受压；而该段岩层裂隙发育自稳性较差，所以对于该段处修建隧道，该隧道需要一定的埋深，不适合于浅埋层段修建。故方案二、三不便于实行，若实行也会对施工及后期行车形成一定安全隐患。其而由于其偏心受压的特点，隧道在修建时需采用工字钢、锚杆、钢筋网等系统初期支护并增设仰拱形成封闭环，以保证其收敛、沉降等。从而增长方案一的工程造价，其预估算为12万/m，按直线距离2km计算，其总造价大约为2.4亿元，故该方案实行不具有其可行性。
2.3整体悬挑结构拓宽山区道路
A、悬挑结构的提出
为了解决制约山区道路发展的造价高、开挖量大、对生态破坏严重等问题，通过参考建筑结构技术领域的挑梁技术，提出的用整体悬挑结构拓宽山区道路的方法，能适合对山坡陡峭地段的道路加宽条件，即施工简便快捷，又避免了高切坡或高填方等也许诱发大型滑坡、崩塌或路基边坡塌方的安全隐患，又保护了山区的自然生态环境，具有十分明显的技术、经济效益和环保意义。
整体悬挑结构是指由立柱、墙体、挑梁、搭板、纵梁及锚杆联结一体共同作用的整体框架结构形式，具有整体受力、协调变形的特点。悬挑结构力求运营时可以达成“牵一发、动全身”的目的，为实现此目的，设计时将各构件通过预留钢筋、现浇混凝土等方式传递外力和变形，使之成为整体。当某个局部如立柱、锚杆发生较大变形时，将通过墙体、纵梁等横向联系构件分担传递，从而避免过大变形发生；同时，悬挑整体结构为空间多次超静定结构，假如万一出现破坏时，也会先出现局部塑形变形而在破坏前有明显变形预兆，也变形为一种较好的塑形破坏特性。
悬挑结构可以安全运营的外部关键条件在于立柱基地承载力及锚杆的工作性能。立柱基地规定在设计荷载作用下强度和变形满足规定，如地质情况不良时，通过植筋及注浆的手段加强以达成此规定；锚杆的抗拔力则需根据设计荷载等级进行设计，并在按设计完毕施工后进行锚杆抗拔施工。锚杆的设计和施工工艺发展至今已较为成熟。
B、悬挑结构的设计理念及工作原理
用整体悬挑结构拓宽山区道路研究的设计理念：杜绝深挖高填，在不破坏原始生态环境的前提下，充足运用现有稳定路基，在确认现已稳定的路基范围内用整体浇注的墙柱式挡墙形成路堤，以悬挑结构补足道路欠宽部分，用结构的方法来解决路面加宽问题，最大限度杜绝深挖高填，并防止由此也许产生的泥石流、滑坡等地质现象。
用整体悬挑结构拓宽山区道路的工作原理为：
（1） 公路拓宽改造部分的活载和恒载通过纵向搭板作用到挑梁上；
（2） 传递到挑梁上的垂直外荷载通过挑梁和立柱之间的后浇节点混凝土作用到立柱上，通过立柱传递到地基；
（3） 梁上的外荷载对立柱所产生的倾覆力矩通过内侧挑梁和锚杆来实现其受力平衡，从而使结构达成稳定、完全使用的目的。
运用以稳定路基，最大限度减小施工后沉降，且人工开挖基础最大限度避免周边土体受到扰动。
整体悬挑结构拓宽陡峭路段示意图
其中：1是混凝土垫梁，2是预制预应力混凝土挑梁，3是预制钢筋混凝土板，4是路面铺装，5是护栏，6是桩基础，7是锚杆或预应力锚索，8是挑梁的平衡重，10是原道路的自然边坡面，11为被动防护网；图中标注A为原有道路宽度，B为需加宽的道路部分，C为挑梁2嵌入岩体部分的长度。
从图中不难看出，对山坡陡峭地段的道路加宽，以预制安装的整体悬挑结构拓宽改造山区公路具有如下优点：
1） 施工简便快捷；
2） 施工期便于保通；
3） 施工对边坡稳定无影响；
4） 挖方量小，避免了高切坡、爆破开挖或高填方也许诱发大型滑坡、崩塌或路基边坡塌方的安全隐患；
5） 保护了山区的自然生态环境；
6） 具有十分明显的技术、经济效益和环保意义。
3、结论
本文提出的“整体悬挑结构拓宽山区道路技术”解决了常用道路拓宽技术存在的造价高、爆破开挖量大、保通困难、对生态破坏严重等问题，它具有以下特点：
（1）整体悬挑结构为立柱、墙体、挑梁、搭板、纵梁、及锚杆联结一体共同作用的结构形式，具有整体受力、协调变形的特点；
（2）立柱的高度不高，施工时开挖不大，且采用人工开挖，故基本不破坏原有的树木、植被等景观，对防止由于开挖山体也许产生的泥石流、塌方等不利地质现象有积极作用；
（3）根据现场地质情况，酌情调整立柱高度，即使在最不利的地质情况下采用一定措施使得基底承载力达成规定，立柱的高度可采用为4m，故应用于高崖深谷地段减少工程投资（与常用方法相比），对工程造价基本不构成影响，节约投资更加明显；
（4）结构各构件的施工仅为简朴的钢筋混凝土工程，故实行简便易行，且整个过程需合理地调整构件的预制及现浇，即可避免对交通产生干扰，从而满足保通规定；
（5）工程土石方少，故工程拆迁征地量小。
（6）对于山区道路陡峭段容易出现崩塌、滑坡、贯彻等不良地质段，可在该段增设被动防护网，或进行其他边坡防护等措施，以保证后期行车及整体悬挑结构的使用安全。

4、整体悬挑结构拓宽山区道路的工程应用
国道318线古乡至通麦段在数年运营后，部分路段由于自然垮塌或地质灾害等因素，路基宽度出现严重局限性，与此同时交通量又在日益加大，故该路段急需拓宽改建。K4082+920，+900，+880相邻间距为20m的三个桩号处地形陡峭，地质恶劣，具有典型的山区道路的特点，因此在这三个桩号，运用整体悬挑加宽道路的方法对该段进行道路拓宽。

整体悬挑结构示意图

整体悬挑结构在拓宽山区道路过程中的应用1

整体悬挑结构在拓宽山区道路过程中的应用2