运营高速公路高边坡路段改扩建方案与优化设计分析

李征文

摘要：对运营状态下的高速公路高边坡路段进行改造难度较大，且缺少相关参考案例，要想提升运营高速公路高边坡路段改扩建施工的安全性与经济性，就需结合具体地形地势，科学设计改扩建方案，并依据相关技术原理，不断优化设计方案，确保方案的科学性与可行性。本文主要就运营高速公路高边坡路段改扩建方案与优化设计问题进行分析。

Abstract： It is difficult to reconstruct the high-slope section of the expressway under operational conditions， and there is no relevant reference case. In order to improve the safety and economy of the reconstruction and expansion of the high-slope section of the operating highway， it is necessary to combine the specific topography and terrain， scientifically design and expand the expansion plan， and continuously optimize the design plan according to the relevant technical principles to ensure the scientific and feasibility of the plan. This paper mainly analyzes the reconstruction and expansion plan and optimization design of the high-slope section of the expressway in operation.

关键词：高速公路;高边坡;改扩建;方案设计;优化措施

Key words： expressway;high slope;reconstruction and expansion;scheme design;optimization measures

中图分类号：U416.1+2                                  文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）09-0093-03

0  引言

目前，许多高速公路交通流量已经趋于饱和，因此，改扩建将是解决交通拥堵、缓解公路运营压力的重要举措。但由于高速公路交通流量大，在运营状态下进行改扩建施工，施工难度大，技术要求高。并且，国内对高边坡施工研究较少，尚未就运营状态下高速公路的边坡扩挖技术与施工控制管理措施形成一个系统性的研究体系。基于此，相关部门、单位更要立足实际，全面勘查公路环境，科学设计施工方案，确保工程安全。下文以某运营状态下的高速公路高边坡路段改扩建施工为例进行说明。

1  工程概况

1.1 边坡分析

该项目工程中，边坡主要为石质边坡，高45m，长550m。改扩建前，根据实际坡率，将边坡分为四级，从一级到四级每一级的坡率分别为1：0.75、1：0.75、1：1、1：1，其中，从下至上，第一级边坡高15m，采用浆砌块石挡墙;第二级边坡高10m，采用锚喷防护;第三级边坡高10m，采用锚喷防护;第四级边坡亦是如此[1]。

1.2 边坡地形地质条件分析

边坡地段山丘植被以乔木为主，山形连续未断裂，地形为丘陵地区，改扩建区域内地形切割程度属于一般[2]。该高速公路延伸方向为自东北向西南，边坡坡面倾斜度相对较大，同时改扩建区域内地形起伏较大。经勘查发现，改扩建区域内地质构造整体上呈现出以下特征：整个地段有三处断裂，边坡岩体受断裂影响明显，节理裂隙发育，石质较破碎[3]。据地表出露情况分析，施工区域内山体节理裂隙发育不明显，结构面多为刚性，贯穿性软弱内结构面较少，同时岩体节理局部密集。另外，扩改建区域内地下水的来源主要为地表降水，主要为第四系松散堆积层中的基岩裂隙水与孔隙水，其中，附存于夹碎石残坡积土中的孔隙水居多，但受地势以及地质结构影响，该改扩建施工区域内富水性整体较弱。

2  影响运营高速公路高边坡路段改扩建方案因素分析

由于进行改扩建施工时，高速公路正处在运营状态，因此在设计施工方案时需重点考虑安全问题;同时，较之其他路段，高边坡路段地形地势相对特殊，施工单位需组织专业技术人员深入施工场地，详细勘察改扩建施工区域内水文地质、地形地貌等条件，从各方面确保方案的科学性、可行性与经济性[4]。

2.1 高速公路高边坡稳定性分析

在组织施工前，首先要对高速公路高边坡稳定性進行分析，这是确保施工安全的前提，结合现场勘查资料以及原有地质资料，明确高速公路高边坡路段的地质构造、原有施工情况以及在原路施工过程中出现的变形破坏现象，在掌握上述资料的基础上，依据相关技术理论，建立起反映边坡变形破坏机制的地质力学模型[5]。高速公路高边坡路段在施工以及改扩建过程中，可能出现路面隆起、开裂，防护结构变形，坡顶地表出现拉张裂隙等情况。针对上述可能出现的破坏变形情况，构建地质力学模型，依据有限强度折减法与极限平衡法，对原有边坡以及各种扩挖工况下的稳定性进行定量计算与定性评价，初步掌握高边坡路段改扩建施工风险系数。之后，依据相关计算结果，结合现实情况下高边坡稳定性表现，进行综合评价，最后获得现状高边坡路段的稳定性系数。

2.1.1 极限平衡法

在利用极限平衡法计算高边坡路段稳定性系数与进行改扩建施工稳定性评定时，需要注意以下要点：①高边坡路段稳定性分析计算要考虑三种情况：现状边坡结构稳定程度、开挖后边坡稳定情况以及加固后边坡稳定情况[6]。②在计算时，要立足高速公路实际运营要求，合理取定坡脚开挖尺寸，同时本着经济性、安全性原则，合理控制开挖量。③计算中，高速公路高边坡路段拓宽宽度是重点计算内容，需重点考虑坡脚到轴线的距离，在此基础上计算出土石方开挖量。④采用极限平衡法分析，重点考虑圆弧滑面与非圆弧滑面这两种滑面类型。采用极限平衡法对高速公路高边坡路段稳定系数进行计算，可得到以下计算结果：该项目工程中，现状边坡的稳定性系数在1.65～1.73之间，边坡开挖施工会导致其稳定性系数下降，下降值在0.03左右。同时，因为运营状态下高速公路高边坡路段改扩建施工是在原有坡面上进行，不但施工难度大，且国内并无规范方案可供参考，鉴于此，在设计施工方案时就需要对开挖引起的稳定性损失做重点考虑，采用预应力锚索加固进行补偿，锚固力需要结合具体的开挖后稳定性系数进行确定。

2.1.2 有限强度折减法

依据有限元算法，构建起高速公路高边坡路段计算模型，该计算模型中，有6861个节点，3350个单元，有限元网格也是采用6节点三角形单元划分。在计算过程中，结合该项目工程实际路况以及具体施工环境、施工特点，立足高速公路实际运营要求，合理取定坡脚开挖尺寸，通过相应计算程序，最终获得计算结果。

在采用极限平衡法与有限强度折减法计算后，需要将两者计算结果以及计算过程进行比较，通过分析比较两种计算方法以及对应计算结果（不同参数条件下），可以发现极限平衡法计算结果与有限强度折减法计算结果趋于一致。针对这一问题，施工单位采用预应力锚索加固，确保高边坡稳定性系数不会出现大幅度下降，从而提升高速公路高边坡路段改扩建施工的安全性。

2.2 高速公路高边坡路段改扩建安全系数分析

相较于其他路段，高速公路高边坡是一个相对复杂的地质体，具有风化、不同发育程度的节理、裂隙等结构面，因而开挖施工过程较为复杂，影响因素较多，改扩建施工风险系数较高。施工单位需就运营状态下高速公路高边坡路段改扩建施工的安全问题做重点考虑并做专项方案，建立起相关监测模型，落实高速公路高边坡路段的安全监测与动态预测工作，以此提升施工方案的安全性与有效性，确保各项施工计划顺利实施。

就该项目工程而言，扩挖边坡安全监测包括以下内容：施工区域降雨量监测、锚索轴力变化监测、坡面变形监测。其中，降雨量监测工作主要借助雨量计完成;锚索轴力监测通过锚索轴力监测计进行;坡面变形监测通过激光测距仪与岩土位移直读仪来进行监测。在实际监测过程中，要根据工程规模以及周边环境合理确定监测据点与监测仪器地点、数目，方能取得相对理想的监测效果。例如在该工程中，共布设9个预应力锚索监测点，7个激光监测点;同时，于坡面上设置岩土位移直读侧线两条，每条侧线上分别设置9个测点，这样就能获得相对全面、详细的监测结果。监测系统设施设置完毕后，工作人员要能实时关注监测结果，及时记录，分析监测所得数据，最终对高速公路高边坡改扩建路段的安全性做出正确评价，技术人员根据相关安全评价报告，采取相应解决措施，有效预防与制止各类安全事故的发生，从根本上确保人员设备安全。在该工程项目中，工作人员根据相应监测数据可得以下监测结果：在对边坡实施预应力锚索加固措施后，扩挖不会引起过度的结构变化，并且施工过程也未出现结构断裂、边坡失稳等情况，高边坡的结构稳定系数未发生明显变化。这表明，在高速公路高边坡路段改扩建施工中，采用先锚后挖的施工方案是完全可行的。预应力锚索加固施工方案如图1所示。

2.3 高速公路高边坡路段改扩建方式

在进行高速公路高边坡路段改扩建施工时，合理选择施工方式，能有效降低高边坡开挖风险、合理控制工程进度与工程质量。从这一角度分析，施工方式也是影响施工方案设计质量的一大重要因素。现阶段，在公路高边坡改扩建施工中，常用两种拓宽方式为两侧加宽以及单侧加宽方式[7]。其中，单侧加宽方式的优点是能充分利用地形，有效减少高边坡开挖量，但缺点是平面线形较难调整。两侧加宽方式的优点是能充分利用高速公路内的通信管道、排水管道、中央防护栏等设施，适当降低投资，同时也可利用原有公路的几何线性，避免调整线路中心线，在一定程度上减少工程量，但该拓宽方式的缺点是对公路运营影响大，对施工技术要求高，影响因素较多。由此可见，单侧拓宽方式与双侧拓宽方式各有利弊，在实际施工中，还需结合高速公路所处环境，公路运营情况以及施工特点，综合选择最佳拓宽方式，确保工程施工质量。

结合该工程的周边环境、地势地貌以及水文条件分析，可以发现若采用单侧拓宽方式，便不需要对右侧已有边坡再次扩挖，但是需要对公路中心线、几何线形做重新调整，且需要新增安全防护设施、排水通信管道等，不仅工程量大而且经济成本高，并非最佳拓宽方式。若采用双侧拓宽方式（垂直开挖），就能保持原有公路的几何线形不变，也不再需要重新调整公路中心线，开挖量小，同时需新增的安全设施也较少，不会占用大面积土地，能有效缓解土地资源压力，缩短工期，但缺点是会給公路运营造成一定影响。从整体上分析，双侧拓宽方式相对经济可行。

3  运营高速公路高边坡路段改扩建方案设计与优化

考虑到运营状态下高速公路高边坡路段改扩建难度较大，且受多种因素影响，工程质量与安全性不易控制。因此，在进行正式施工前，需要对施工方案做多次调整、优化，最终获得最佳方案。在该项目工程中，可以结合高速公路改扩建路段的地形条件，采用新建分离式路基的扩容方案，该方案可有效避免对老路边坡的破坏，也能降低对交通运营的影响，达到“边通车，边施工”的目标。下面就结合具体施工特点与施工要求，提出两种高速公路高边坡路段改扩建方案，在进行深入分析比较后，选择出最佳施工方案。

3.1 新建分离式路基方案

方案一：双向通行施工模式。该施工方案主要是根据高速公路走向，将高速公路主线做分叉设计，然后采用原有车道以及新建车道双向通行的模式进行施工。

方案二：单向通行施工模式：单向通行施工模式是将整体式车道路基左半幅通过新建路基与老路分离，然后在终点处，将新建路基接入整体式某一车道路基的左半幅，这样就能实现不同方向的单向通行。

比较两种施工方案，可以发现各有利弊。其中，方案一建设规模较大，工程量大，需要投入较多的人力、物力以及资金，并且施工难度较大，在施工过程中无法做好有效的组织管理，会给高速公路的正常运营造成一定影响，从经济性、安全性以及可行性等角度分析，方案一不是最为理想的施工方案。而较之方案一，方案二的工程规模较小、并且施工过程不会对公路正常运行造成过大影响，且有利于降低高速公路建成后的运营管理难度，防止出现车辆误行情况，能确保行车安全，同时也能给交通组织、交通管理提供方便。由此可见，在该工程中，选择方案二能获得较为理想的施工效果（分离式路基方案示意圖如2所示）。

3.2 拼宽方案

在进行高速公路高边坡路段改扩建时，需综合考虑公路周边建筑，交通组织情况以及地形地貌等多种影响因素，就该工程而言，改扩建是在原有工程上进行施工，高速公路安全设施、周边建筑已经存在，改扩建施工可能需要拆迁原有建筑，因此，施工内容、流程较为繁多复杂，相关单位应在确保改扩建指标符合相关标准的基础上简化施工，最大程度降低公路施工对公路运营的影响，同时有效控制工程投入，降低公路改扩建与运营成本。基于此，多数施工单位在负责高速公路高边坡路段改扩建施工时，都会最大程度利用老路，这里也基于此种思路提出两种利用老路的拼宽方案。

方案一：改扩建施工时，不改变原有高速公路的平纵面指标，而是在原有高度公路的两侧拼宽。这一方案的优点是不必重新改移高速公路中分带，且结构物拼宽难度不大，能有效控制施工质量;但缺点是工期长，由于需要将所有高边坡全部重新开挖，因此工程量相对较大，工期长，公路封锁时间较长，可能会给公路正常运营及沿线地方交通造成较大影响。

方案二：根据公路设计情况，划定改扩建范围，同时在原有公路路幅范围内重新设计、布置线路，对于需要进行改扩建的高边坡路段，只将原有中央分隔带逐渐向右或向左移动，同时在单侧拼宽一定宽度的新车道，这样能避免大量高边坡的开挖，最大程度减少工程量，缩短工期，缩短公路封闭时间，保障高速公路正常运营。但该施工方案的缺点是施工难度较大，由于需要将高速公路的内部管线以及中央分隔带改移，所以技术要求高且拆迁量较大，用地较多。

比较两种施工方案，同时各有优势也各有缺点，但从宏观角度分析，分析出较之方案一，方案二的综合效益较好、整体施工效果较为理想。因而在该工程中，可酌情考虑方案二。

4  结语

由上可知，运营高速公路高边坡路段改扩建施工具有如下特点：施工难度相对较大，会影响既有公路正常运营以及影响高速公路整体建设成本。因此，在进行运营高速公路高边坡路段改扩建施工时，应当深入勘查施工环境，借助工程地质分析与稳定性评价方法，掌握各项影响因素，科学设计施工方案，并依据相关技术原理，不断优化方案设计，从各个方面提升方案的可行性、有效性，确保工程施工的安全性、经济性。上文主要以某一实际工程为例，详细探讨了两种施工方案，分析论述了各自优势与缺点，希望能为类似工程提供参考。

参考文献：

[1]缪禄杰.基于ANP和投影寻踪的高速公路高边坡施工风险分析[D].兰州交通大学，2017.

[2]张海忠，赵云安，姜正晖.高速公路连续高边坡路段改扩建方案研究[J].公路交通技术，2017，33（04）：11-15.

[3]李关琪，胡建平，楼俊丰，姜正晖，朱益军，泮晓华，吕庆.运营高速公路高边坡路段改扩建方案与优化设计[J].科技通报，2016，32（04）：182-186.

[4]宋新智.高速公路改扩建工程高边坡爆破施工区交通组织优化研究[D].长沙理工大学，2015.

[5]谢旺祥.高速公路改扩建工程高边坡施工过程中运营安全风险评价[D].长沙理工大学，2014.

[6]吴海艳.山区高速公路挖方高边坡稳定可靠性及其控制技术研究[D].河北工业大学，2011.

[7]王和林，谢旺祥，胡庆国.改扩建高速公路高边坡施工对运营安全影响风险等级判定[J].中外公路，2014，34（06）：9-12.