洞庭湖滨湖平原区高速公路设计理念探索
2017-10-12,
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(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410205; 2.长沙市公路桥梁建设有限责任公司 ，湖南 长沙 410013)
洞庭湖滨湖平原区高速公路设计理念探索
龙光1,肖泽林2
(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410205; 2.长沙市公路桥梁建设有限责任公司 ，湖南 长沙 410013)
湖区高速公路是相对少见而特殊的一种高速公路，湖区平原地势平坦，普遍存在软土不良地质，随着我国国民经济的不断发展，越来越多的湖区高速公路正在建设和规划中，根据从事洞庭湖区高速公路设计的经验，对湖区高速中合理的互通形式、桥型方案、软基处置方案，以及路基和桥梁方案的比选进行了研究。研究结果贴近工程实际，为湖区高速公路的设计及建设提供借鉴。
高速公路； 洞庭湖平原区； 软土处治； 桥梁； 互通
0 引言
洞庭湖地处湖南省北部、湖北省南部、长江荆江河段以南,跨岳阳、汩罗、湘阴、望城、益阳、沅江、汉寿、常德、津市、安乡和南县等县市,由东、西、南洞庭湖和大通湖四个较大的湖泊组成,面积2820 km2,是我国第二大淡水湖。
随着我国经济不断发展，在洞庭湖滨湖平原区内开始规划和修建多条高速公路，本文根据从事设计的数条洞庭湖平原区高速公路设计经验，对湖区高速公路设计理念进行总结和探索，对湖区高速公路互通方案选择、软基处置经验、路基与桥梁方案比选提出建议。
1 湖区高速公路互通方案选择
1.1 互通形式选择
洞庭湖平原区地势开阔，建筑物较少，影响互通方案的因素主要是控制用地规模，减少侵占农田。互通形式比较简单，一般采用单喇叭互通或菱形互通。如图1、图2。
图1 单喇叭互通
图2 菱形互通
菱形互通在节约占地方面有较大优势[1]，但考虑到菱形互通在匝道上设置平面交叉，平交范围内冲突点难以消除，在行车安全和运行效率方面存在不足，目前湖南省内主要的湖区高速公路如：岳阳至常德高速公路、南县至益阳高速公路、伍市至益阳高速公路普遍采用单喇叭互通，仅在用地极端受控的情况下考虑采用菱形互通。
1．2 主线上跨、下穿选择
在湖区平原控制主线标高的因素主要是跨越地方道路设置桥梁或通道的标高，因此主线标高普遍在原地面5～7 m以上。
当单喇叭互通采用主线上跨匝道时，匝道标高控制在湖区内涝水位以上，其标高约在原地面以上1～2 m以内，此时主线跨匝道标高在原地面标高以上6～8 m左右，主线跨匝道桥梁长度较短。如图3。
图3 主线上跨单喇叭互通
当采用主线下穿匝道时，主线标高受地方道路控制，其标高仍需高出原地面5～7 m，而匝道跨越主线处的标高需高出原地面11～13 m，由此导致匝道跨越主线的跨线桥桥长较长。如图4。
图4 主线下穿单喇叭互通
因此在一般情况下，湖区高速公路互通宜采用主线上跨匝道的布置方式。
2 湖区高速公路常规桥梁方案选择
湖区高速公路穿越大片平原区，出于跨越地方道路以及防洪排涝的考虑常需设置较大比例的桥梁。
根据相关项目设计经验，对不同跨径的桥型进行比较，寻找最经济合理的桥型方案。
经过对目前高速公路上应用较多的空心板、T梁、小箱梁结构进行经济技术比较后可以看出，在20 m跨径桥梁中，桥面连续预应力混凝土空心板桥在造价上占有一定优势。但其跨径不能很大(目前通常最大跨径25 m)，板梁间采用铰接，结构为桥面连续，结构整体性和行车舒适性较差，另外在运营期间支座更换、养护工作量比较大。
在25～40 m跨径桥梁中，预制小箱梁较经济、美观性优于板梁及T梁。
综合考虑经济性以及跨越地方道路的需要，同时考虑视觉效果等因素，在湖区平原区采用25 m小箱梁是比较合适的桥型方案。
3 湖区高速公路软土路基处置方案
洞庭湖平原区由洞庭湖多年沉积而成，主要的不利地质情况是软土，软土路基处置一直是湖区公路设计的重点和难点。
根据省内已建成的岳阳至常德高速公路以及在建的南县至益阳高速公路建设经验，适合工程实际且行之有效的软基处置方案有如下3种。
3．1 常用软土路基处置方案
3.1.1 堆载预压排水固结法(塑料排水板)
排水固结法是人为地在软土层内造成渗水通道，排水通道用塑料排水板(袋装砂井)[2]。在路堤填土荷载预压下加快排出孔隙水，提高软土的固结速度，从而提高软基强度和承载力。在路堤填土完成后，要经过一定时间的预压期，使得沉降大部分在预压期内发生，满足工后沉降的要求。使用超载预压，能进一步加快固结，在较短时间满足工后沉降的要求。如图5。
图5 塑料排水板
其突出的特点是： 造价较低、效果可靠，施工简便，易于管理，但工期较长，预压期必须做好沉降观测。
3.1.2 碎石桩
碎石桩是以碎石(卵石)为主要材料制成的复合地基加固桩, 碎石桩是散体桩的一种，按其制桩工艺可分为振冲(湿法)碎石桩和干法碎石桩两大类。采用振动加水冲的制桩工艺制成的碎石桩称为振冲碎石桩或湿法碎石桩。采用各种无水冲工艺(如干振、振挤、锤击等)制成的碎石桩统称为干法碎石桩。当以砾砂、粗砂、中砂、圆砾、角砾、卵石、碎石等为填充料制成的桩称为砂石桩。如图6。
图6 碎石桩
其特点是： 处理深度适中、工后沉降小、工期短、造价高。但对施工的要求高，加固效果直接受到施工质量的影响。受施工工艺的限制，目前碎石桩只能较可靠地处理到20 m以内的深度。
3.1.3 预应力管桩
预制预应力管桩是利用静压桩机或动力打桩机将预制的砼预应力空心薄壁管打入地基，地面荷载主要通过管桩向深层硬土层或基岩传递，并通过桩内外壁与地基土摩阻力和挤密作用，使地基与桩形成复合地基。如图7。
图7 预应力管桩
适用范围： 淤泥质粘土、粉土、一般粘性土、松散砂质粉土等具有可达持力层的深层软土。
方案特点： 处理深度大、施工简单、桩距较大，造价较高，使用效果良好，对环境有一定的影响，要求有稳定的可达持力层。
3．2 软土路基处置方案选择
根据岳阳至常德高速公路以及南县至益阳高速公路相关建设经验[3]，不同情况下软土路基处置方案如下：
1) 软土深度较浅(≤10 m)路段，宜采用塑料排水板处理。
2) 对软土深度适中(≤15 m)的路段，可采用碎石桩处治，当软土深度≥20 m时，碎石桩处治效果不理想。
3) 对于软土深度较深(≥25 m)的路段，可采用预应力管桩处治。
4 路基与桥梁方案比选
湖区高速公路由于地处洞庭湖平原，路线周边往往缺少可供路基填筑的土源，路线填土需要借土远运，同时由于软土地基的存在，在方案设计阶段往往需要综合路基填筑高度、软基处治深度进行路基方案和桥梁方案的比选[4]。
4．1 典型路段比较方案
1) 桥梁与路基填筑的方案计算比较长度均取为1 km，路基宽度24.5 m。
2) 参与比选的填土高度为5、6、7、8、9、10 m。
3) 路基借土填筑运距取35 km。
4) 桥梁方案采用25 m小箱梁。
4．2 方案比较
4.2.1 按塑料排水板处置(间距1.3 m)
对于一般路段来说，当填筑高度≤5.7 m时，如果软土不是特别深(≤10 m)且力学性质不是特别差时，均可采用塑料排水板处理，虽然排水固结法是最为经济的，但也是路堤沉降量最大的。
当采用塑料排水板处治时，路基方案与桥梁方案建安费对比情况如图8。
图8 路、桥方案建安费对比(塑料排水板处治深度10 m)
当路基填筑高度较低，且软土深度较浅的情况下采用塑料排水板处治的路基方案相比桥梁方案在造价上有较大优势。
4.2.2 按碎石桩处治(间距2.6～2.1 m)
对于软土深度适中(≤15 m)的路段，可考虑采用碎石桩复合地基的处治方法。
采用碎石桩处治时，路基方案与桥梁方案建安费对比情况如图9。
图9 路、桥方案建安费对比(按碎石桩处治)
对于软土深度适中(≤15 m)的路段，在一般路基填筑高度范围内(≤9 m)，采用碎石桩处治的路基方案相比桥梁方案在造价上有一定优势。
4.2.3 预应力管桩处治(间距2.6～2.1 m)
对于软土深度较深(≥15 m)的路段，宜采用预应力管桩处治。
采用预应力管桩处治时，路基方案与桥梁方案建安费对比情况如图10。
图10 路、桥方案建安费对比(预应力管桩处治)
当软土深度≥15 m且≤25 m，在一般路基填筑高度(≤7 m)，可考虑采用预应力管桩处治。
当软土深度较深(≥25 m)，从工程经济的角度考虑，宜采用桥梁方案。
4．3 小结
从工程经济的角度考虑，在软土深度≤15 m的路段宜采用路基方案，在软土深度≥15 m且≤25 m的路段可考虑采用路基方案，在软土深度≥25 m的路段宜采用桥梁方案[5]。
5 结论
1) 湖区高速公路地势平坦，互通选型宜采用主线上跨的单喇叭互通。
2) 湖区高速公路桥梁方案宜采用25 m小箱梁。
3) 软土深度较浅(≤10 m)的路段，宜采用塑料排水板处理。
4) 软土深度适中(≤15 m)的路段，可采用碎石桩处治。
5) 软土路基深度≥15 m且≤25 m的路段，可采用预应力管桩处治。
6) 软土深度较深(≥25 m)的路段，宜采用桥梁方案。
[1] 刘子剑.互通式立体交叉设计原理与应用[M].北京：人民交通出版社有限责任公司，2015.
[2] JCJ79-2012，建筑地基处理技术规范[S].
[3] 陈江涛，李宏泉.湖南省岳阳至常德高速公路施工图设计[Z].长沙：湖南省交通规划勘察设计院.
[4] 贾军，龙光.湖南省南县至益阳高速公路施工图设计[Z].长沙：湖南省交通规划勘察设计院.
[5] 龙光，刘文.伍市至益阳高速公路施工图设计[Z].长沙：湖南省交通规划勘察设计院.
1008-844X(2017)03-0038-04
U 412.36
A
2017-07-28
龙 光(1983-)，男，工程师，从事路线总体设计工作。
