高海拔地区改建道路防护设计探讨
川黄公路(川主寺至黄龙段)道路改建工程,地处四川省阿坝藏族羌族自治州松潘县境内,主要对现有道路进行拓宽和改建。改建路线全长45k m,按二级公路技术标准,沥青混凝土路面,设计时速40k m至60k m。该项目属于典型的高海拔地区道路,在建设过程中,先后数处路基边坡出现失稳,给工程建设带来很大困难。现结合高海拔地区气候、地形及地质特点,对高海拔地区道路的防护设计进行探讨,为以后高海拔地区道路防护设计提供参考。
高海拔地区气候及地形地质情况
川黄公路处于高海拔地区,年平均气温5.7°C,极端最低气温为-21.1°C。每年11月份至次年的3月份为停工期,一年施工期只有7个月左右,且受5至7月份雨季影响,实际工期不足4个月。
项目所在地区属西部典型的山地生态脆弱区,区内地形切割强烈,高差大,常有季节性冻土、泥石流、滑坡、碎石流、崩塌、危岩(石)、冰雪、大雾等不良地质现象及自然灾害,同时地处地震断裂带,是地震高发区,工程建设难度大。
由于高原缺氧,空气稀薄,交通不便,施工机械工效、匹配性能降低,施工环境十分艰苦,工人多有不同程度的高原反应。
高海拔地区改建道路常见病害
川黄公路边坡坡面较为破碎,很少有较为完整、稳定的岩质路堑边坡。在道路改建过程中及建成后,填方路基加宽段和挖方路堑边坡失稳时有发生,主要有以下几种情况:
穿越不稳定边坡引起的病害
川黄公路原有路线有数处经过古滑坡带,因上边坡坡脚开挖或下边坡路基填筑加载等不同程度的扰动,虽然对原有边坡开挖或填筑不多,但是也会引起失稳变形。改建过程中,先后有10处路堤边坡和3处路堑边坡出现失稳变形,坡体较为平缓,坡面破碎,坡体裂隙发育。
川黄公路K 1 5+7 0 0-K 16+6 8 0为新改线段,新改线段改善了纵坡和线形,大大提高了行车安全性。但新改线K16+473-K16+730段左侧路堑边坡在开挖过程中,山体出现滑塌,变形明显,如对整个滑塌边坡进行病害工程治理,不仅费用高,工期也长。综合考虑,决定避开此不良地段,在老路的基础上,通过改善平面线形及纵坡,增设避险车道等措施,确保行车安全。
水引起的病害
高海拔地区自然应力对边坡破坏较大,其中水对边坡稳定的影响尤为明显。一方面,边坡坡体因水的反复冻融变得更为破碎,从而引起坡面小范围坍塌,另一方面,来不及排走的坡面水下渗至坡体软弱交接面处,使坡体进一步液化产生蠕动变形,从而引发较大范围的坡体滑塌。
在建成通车后,川黄公路K4+155-K4+275段右侧路堤边坡发生滑塌,且变形迅速,近4m宽的路基向下错位约5m。经调查,发现该段路基由第四系冲洪积的粉土及素填土组成,物质结构较松散,雨水极易下渗,使路基软化,降低了土体的抗剪强度,当雨水下渗至路基下部粘性土等相对不透水层时,沿斜坡向下渗流,增大了下滑力,使路基土体蠕变加速,终至失稳。
挡墙埋深不足引起边坡失稳
高海拔地区地质破碎,地形变化较大,为收缩坡脚,减少填挖工程数量,挡墙设计不可避免,且不失为行之有效的支护措施。当地基承载力不能达到设计承载力要求,或承载力虽然满足要求,但挡墙落在不稳定地层上,或未做好防排水措施,地表水下渗造成地基软化时,挡墙开裂滑移,便引起边坡失稳。
川黄公路K 2+610-K 2+6 40段为半填半挖路基,右侧填方路基设2m高路肩挡墙收缩坡脚,因挡墙基础落在不稳定填方松散体上,通车后挡墙滑移,路面将出现较为明显的失稳变形。
高海拔地区改建道路防护设计
进行高海拔地区改建工程设计时,应从全寿命周期的角度综合考虑,做好预防措施,尽量减少施工期间的变更,降低运营期间的养护费用。
加强地质勘查,防患于未然
改建时,需要对原有道路线形进行一定的优化与提高,不可避免地对原有路基进行一定的上挖或下填,尤其一些位于古滑坡带内的路段,处于临界平衡状态时,改建过程中轻微的施工扰动,往往能引发路基失稳,后期处治难度大、造价高。所以,在设计阶段应加强地质勘查,尽量查明原有路段的地质情况,提前做好预防措施。对古滑坡带或可能引起滑坡病害的路段,应尽量绕避;当难以避让时,应进行工点设计,在施工阶段一次根治,不留隐患。尤其值得注意的是,当对老路线形进行较大范围的改动时,需加强新线的地质勘查,因为老线很可能是出于地质原因才放弃更好的线型。
因地制宜,保护生态
高海拔地区生态脆弱,一般海拔30 0 0m以上树木难以生长,350 0m以上灌木难以生长,4000m以上杂草难以生长。高海拔地区地质复杂,地形变化大,稍不注意,就可能造成大开挖或路基掉空,给路基防护带来很大的困难,甚至留下工程隐患。所以,设计阶段应树立牢固的保护生态意识,减少人工扰动。根据现场地形,因地制宜,避免高填深挖,在满足规范要求的前提下,降低线形指标要求;适当增设路基挡墙收缩坡脚,减小开挖或回填高度;清表土方应预留供后期绿化恢复;弃土不可随意堆放,应精心选择弃土场,并做好弃土场防护,避免不当弃土形成新的病害。
重视水患,完善排水措施
高海拔地区易引发涎流冰、冻土和泥石流,危害路基安全。所以,加强边坡的排水尤为重要。高海拔地区地质破碎,施工困难,且对开挖边沟进行护砌后易发生渗漏,故一般情况下可不设截水沟,但两山夹一洼处需设排水沟,将坡面水引排至路基边沟;宜采取拱型护坡、菱形骨架护坡等坡面防护,以利坡面水及时排走,减少冲刷;对坡面上有明显出水点的,需增设仰斜排水孔;对渗水比较严重的边坡,需在边坡坡脚增设渗沟排水;在路堑边坡坡高小于4m,且地形允许的情况下,可采用带渗沟的浅碟形明沟排水;当坡脚设有挡墙时,可在挡背下部设渗沟并将水引至路基边沟排走。
安全第一,预防为主
高海拔地区地质破碎,路堑边坡坡脚应力松弛易发生坍塌,路堤边坡遇水软化易发生溜塌,所以设置挡墙,采取上支下挡的支护措施是高海拔地区边坡防护较为有效的手段。
挡墙设计时,挡墙基础底应埋置于冻胀线以下,低于沟底标高,且必须置于稳定的地基上,如基底承载力不能满足要求,应加深加高挡墙,必要时加大挡墙基础、增设钢管桩或改为桩基础,避免出现因挡墙抗滑力不足导致路基滑移;为减少放坡的不利影响,挡墙的背坡不宜缓于1:0.25,应尽量垂直;建议挡墙下部沿纵向设置渗沟将坡体水经横向引排走,以利边坡稳定;挡墙墙背需采用透水性材料及时回填密实,应确保墙背回填质量;考虑高海拔地区的实际情况,挡墙基础可采用片石混凝土,墙身采用素混凝土。
对受地形限制,不具备放坡条件的边坡,如回头弯处,不论是土质还是石质,都可采取锚杆(索)框架支护,其支护的边坡坡度一般不陡于1:0.5;如不能满足要求,可设置路堑挡墙收缩坡脚,采取路堑挡墙+锚杆(索)框架预支护的形式。
对边坡整体处于稳定状态,但坡面较为破碎的情况下,可采取“挡墙+主(被)动网”的形式。对处于泥石流路段,或坡面较为高陡且破碎,难以绕避时,可设置棚洞通过。
合理施工,避免二次病害
部分边坡的失稳,是因为施工工序不合理造成的,尤其对自身不太稳定的边坡,往往因为施工不当,使原本处于极限平衡状态的边坡变形失稳,既影响工程进度,又增加工程造价。所以,设计时应充分认识到施工工序对边坡稳定的影响,并在施工图中提出明确要求。
对路堑边坡,开挖前应做好临时排水措施,开挖时应尽量避开雨季;边坡开挖应自上而下、分段分级开挖,开挖后及时防护,原则上开挖一级防护一级,并及时做好排水沟及其护砌;应避免为赶工程进度,进行大面积路堑边坡开挖而防护工程滞后,导致地表水冲刷和下渗,引起坡体失稳,但对地质情况较好且较为稳定的低矮边坡,开挖时可适当调整。
开挖后的土石方应及时运走,不能为方便施工,从山上抛至山下,导致山下边坡加载且排水不畅时,引发滑塌或泥石流。
挡墙施工时要加强验槽,确保挡墙基础落在稳定的地基上,做好墙背排水及回填工作。对稳定性较差的路堑或路堤边坡,应分段施工挡墙,施工时要严格控制墙背原状土的超挖,减少对边坡的扰动。
做好施工时临时排水措施,可与已设计的排水系统综合考虑,减少施工过程中不必要的冲刷损毁。
结语
进行高海拔地区改建道路防护设计时,应充分考虑高海拔地区的气候、地形及地质特点,加强地质勘查力度,尽量避开地质不良地段,强化生态保护意识,通过适当降低技术标准及指标,因地制宜,尽可能少扰动原有地貌,并加强排水与防护支挡,明确施工工序要求,注重取弃土场的选择与防护,避免泥石流等次生灾害,为工程建设及运营养护提供便利。
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