绿色公路理念在膨胀土路堑边坡坍塌处治中的应用

2022-06-28徐德敏董世赋李新

西部交通科技 2022年4期

徐德敏董世赋李新

【摘要：】文章依托老河口至宜昌高速公路老河口至谷城段建设过程中膨胀土路堑边坡坍塌处治工程实例，贯彻绿色公路建设理念，将坍塌的膨胀土路堑边坡放缓至适合耕种的自然稳定坡率1∶5，处治完成后坡面复垦为耕地交还给当地农民耕种，取得了降低消耗、节约资源、保护环境、安全舒适、绿色生态的效果，可为其他类似工程膨胀土路堑边坡坍塌处治提供技术指引和经验借鉴。

【关键词：】绿色公路;绿色交通;膨胀土;路堑边坡;边坡坍塌

U418.5+5A270845

0 引言

改革开放以来，我国公路基础建设实现了跨越性的发展。至2019年年底，我国公路总里程已达501.25万km，其中高速公路里程为14.96万km，双双位居世界第一。然而，经过多年来的公路基础建设，资源能源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化、人文景观破坏等问题十分严峻。特别是在一些膨胀土地区的公路建设中，路堑边坡稳定性差，一般遵循“放缓边坡、加宽平台、加固坡脚”的原则进行设计，但是仍存在“逢堑必滑、屡治屡滑”现象，耕地超占、资源浪费、环境污染、通行安全等问题更为突出。

为了贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展要求，促进公路基础建设由追求速度规模向更加注重质量和效益转型，实现高质量发展，交通运输部在2016年7月提出了《关于实施绿色公路建设的指导意见》，不断推进和深化绿色公路建设，建成了一批示范引领工程，形成了一套可复制、可推广的实践经验，提出了一系列绿色公路建设技术思路和方法[1]。

本文依托老河口至宜昌高速公路老河口至谷城段（以下简称老谷高速公路）施工过程中坍塌的膨胀土路堑边坡处治工程实例，按照绿色公路建设理念指引，尝试理念创新，探讨将坍塌的膨胀土路堑边坡进行绿色处治的可行性、实用性和经济性。

1 绿色公路理念概述

1.1 绿色公路的内涵

绿色公路的内涵就是贯彻高质量发展要求，落实2019年9月中共中央、国务院印发的《交通强国建设纲要》，支撑交通强国建设，实现新的高质量发展，主要可归纳为“全寿命、低消耗、高效能”。“全寿命”要求在规划、设计、建设、运营和养护各个阶段贯彻绿色发展理念，注重全寿命周期成本最低;“低消耗”就是要节约资源、降低能耗、减少污染，在公路建设过程中积极稳妥地进行理念创新，采用新材料和新工艺，减少资源、能源占用，保护环境和生态;“高效能”就是通过创新驱动实现整体运行效率和服务能力最大化，以最小的环境和资源代价获得可持续发展的最大利益，实现公路经济效益、社会效益和环境效益的和谐统一[1]。

1.2 绿色公路建设的基本原则及要求

绿色公路建设坚持四大基本原则：（1）坚持可持续发展原则，统筹资源利用，实现集约节约，加强生态保护，注重自然和谐;（2）坚持统筹协调原则，突出全寿命周期成本理念，着眼周期成本，强化建管养并重;（3）坚持创新驱动原则，强化理念、技术、管理和制度创新的驱动与支撑作用;（4）坚持因地制宜原则，根据区域环境和工程特点，建设有特色、有亮点、有品位的绿色公路[2-5]。

绿色公路建设的基本要求是保护自然环境，坚持以人为本，集约节约利用资源，精心创作设计，灵活选用技术指标，全周期成本最小，传承历史文化，景观绿化适度[1]。

2 工程实例

2.1 工程概况

老谷高速公路是湖北省主骨架公路网规划“六纵五横一环”中“纵五”（老河口至宜昌）的起始段。本项目路段起始于豫鄂省界，中间经过老河口市、谷城县，终点与谷城至保康段高速公路于谷城西枢纽互通相接，路线全长39.312 km。全线设置老河口互通、冷集互通、谷城西枢纽互通等3处互通式立体交叉，设置1处监控分中心、1处服务区、1处养护工区和2处匝道收费站。

2.2 建设条件

老谷高速公路处于秦岭支脉伏牛山、南阳盆地和武当山交汇地带，地形逶迤起伏，地势西高东低;属于北亚热带季风气候区，雨量充沛、光照充足、气候温和、四季分明、冬冷夏热、冬干夏湿、雨热同季;年降雨量为800～1 000 mm，年均气温为15.4 ℃。项目主要穿行于侵蚀堆积垄岗微丘和剥蚀丘陵两个地貌单元之中：侵蚀堆积垄岗微丘地表覆盖第四系上更新统冲积、残积含铁锰结核黏土，具有膨胀性，下伏白垩系粉砂岩和黏土质砂岩;剥蚀丘陵地表覆盖第四系上更新统残积、坡积粉质黏土和砂砾土，下伏第三系黏土质粉砂岩、细砂岩，以及白垩系含砾砂岩、钙质长石砂岩。

老谷高速公路地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反映谱特征周期为0.35 s，抗震设防烈度为6度。水文地质条件相对简单，地下水主要为松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙潜水两类，地层赋水性差，地下水量总体较贫乏，天然水对混凝土不具腐蚀性。项目沿线未见明显的断裂构造活动行迹以及不良地质现象，特殊性岩土以膨胀土和软土为主。其中，膨胀土大面积分布于垄岗微丘地表，为冲积黏土，含铁锰质结核，呈可塑-硬塑状态，具有弱-中等膨胀性，分布长度合计14 550 m。为免赘述，本文仅以一标段施工过程发生较大坍塌的7处膨胀土路堑边坡作为研究对象，具体情况如表1所示。

2.3 原设计方案

弱膨胀土挖方边坡原设计按坡高6 m分级，平台和碎落台宽2 m，坡率为1∶1.5，坡面采用骨架植草、灌防护。當挖方边坡高度>6 m时，边坡坡脚设路堑挡墙支挡，墙高4.25 m，埋深3.25 m;碎落台顶部以上高1 m，顶宽2～3 m。其中，坡高6～12 m采用顶宽2.0 m;坡高12～18 m采用顶宽2.5 m;坡高18 m以上采用顶宽3 m。具体设计如图1所示。

中膨胀土挖方边坡原设计按坡高6 m分级，平台和碎落台宽2 m，坡率为1∶1.5，边坡采用加筋柔性支护。在设计边坡的基础上超挖3.5 m宽的平台，并在坡脚设置碎石盲沟。超挖部分采用4%～6%石灰改良土分层回填压实并加筋，其施工工艺同路基填筑要求，压实度≥90%。具体设计如下页图2所示。E993D0D0-9E61-492A-BE5A-216212B78122

2.4 边坡坍塌过程

老谷高速公路一标段膨胀土路堑边坡于2015年9月开始施工，按照1∶1.5的坡率开挖，其中有7处边坡（具体见表1）由于坡高较大，边坡自稳能力较差，在开挖过程中产生坡面开裂和局部坍塌现象并逐渐发展扩大。

为了提高边坡自稳能力，保证开挖施工顺利推进，按照“边开挖边支护”的原则，自上而下分别在坡顶、边坡平台和碎落处各增设3排注浆钢管桩进行支护，待上级3排注浆钢管桩的水泥浆达到设计强度后再进行其下级边坡开挖。其中碎落台处钢管桩长3 m，第1级边坡平台处钢管桩长6 m，第2级、第3级边坡平台及坡顶处钢管桩长9 m。钢管桩采用50 mm钢管制作，底部1/3桩长范围内间隔20 cm在管壁上对称打设6～8个3 mm注浆孔，注浆压力为1 MPa。3排钢管桩按照梅花形布置，桩距为0.6 m。至2016年4月，膨胀土路堑边坡基本开挖成形，增设注浆钢管桩23 210 m，边坡整体稳定，未见破坏现象。但随着雨季来临，经处理后的7处膨胀土路堑边坡又开始出现失稳行迹并逐渐发展，至2016年9月雨季结束，均再次发生了较大的坍塌现象。

3 坍塌原因分析及处治方案

3.1 坍塌原因分析

膨胀土是富含亲水性矿物的高塑性黏土，具有明显的吸水膨胀和失水收缩特性。路堑边坡开挖后，坡面不及时封闭进行防水保湿，表层土体在大气干湿循环影响下产生膨胀与收缩，土体开裂，雨水入渗，土体抗剪强度大幅度降低，土体膨胀又产生较大的膨胀力，从而导致边坡浅层土体变形破坏，随着干湿循环作用的持续，变形破坏范围逐渐扩大，进而形成坡面坍塌。这是老谷高速公路乃至国内大部分公路无不利软弱结构面膨胀土路堑边坡破坏的主要形式。这种破坏基本发生在大气影响范围内，主要受气候变化、岩土风化和裂隙发育等因素影响，活动区深度一般为1.5～5.0 m[6-8]。

膨胀土经过多次干湿循环作用之后，抗剪强度大幅度降低，若无不利软弱结构面，路堑边坡整体稳定坡率一般可采用1∶2～1∶3左右，但局部破坏失稳现象也时有发生，且可能发生于坡面各个部位。所以老谷高速公路膨胀土路堑边坡按照1∶1.5的坡率开挖，虽然在坡顶、边坡平台和碎落台增设了注浆钢管桩支护，但在干湿循环作用下仍然可能在桩前的坡面产生坍塌现象。

3.2 常用处治方案

膨胀土路堑边坡坍塌处治以防水、控湿、防风化为主，遵循“放缓边坡、加宽平台、加固坡脚”的原则，旱季施工，及时封闭和防护。开挖坡率一般设置为1∶2～1∶ 每级边坡高6 m，平台宽2.0～3.0 m。坡面常采用植草、草灌混植、挂网喷播、骨架植生、护面墙等进行防护，或采用支撑渗沟、锚杆框架等进行支护。坡脚、平台采用挡土墙、抗滑桩等支挡结构进行加固[7-11]。

根据膨胀土路堑坍塌边坡的地层岩性、坡体结构及其坍塌成因特点，综合采用放缓边坡、稳定坡面、加固坡脚的方案对坍塌边坡进行处治的方案已经得到了广泛的应用，有较多的成功案例可以借鉴，积累了丰富的经验。但是，在施工和运营期间坡面土体仍然处于气候干湿循环作用影响之中，要求防护、支护和支挡结构对坡面土体的胀缩变形有较强的缓解能力，以免发生变形破坏，对处治设计和施工要求较高，稍有不慎将可能导致坍塌再次发生。经过处治趋稳的边坡在通车数年后再次发生坍塌的例子也屡见不鲜，严重威胁通行安全。此外，过多的圬工防护在坡面留下明显的人工痕迹，厚实的挡土墙和抗滑桩显得粗笨、呆板，边坡难以显景透绿，与周围环境配合不协调。

近年来，针对膨胀土路堑边坡破坏机理及防治技术研究取得了较为丰硕的成果。其中，防治膨胀土边坡变形破坏的柔性支护技术在广西南友路和南百高速公路等一系列公路建设中得到了较为成功的应用并逐渐推广。老谷高速公路原设计对于中膨胀土路堑边坡也是采用柔性支护方案，具体如图2所示，但边坡开挖坡率设置偏陡，坡体无法自稳，导致坍塌发生而亟待处治。因此，柔性支护应因地制宜、灵活应用。比如雷军伟[6]针对湖北省安猇公路的特点，采用改进的柔性支护方案对膨胀土路堑边坡浅层滑坡进行处治，开挖坡率为1∶2.5，取得了较好的效果。

柔性支护极大限度地降低了气候干湿循环作用对坡面膨胀土体的影响，对膨胀土路堑边坡坍塌进行根治是可行的，既解决了边坡的长期稳定问题，又使公路和周边环境融合为一体。柔性支护施工必须以较缓的坡率开挖，一般為1∶2～1∶ 以保证施工过程中边坡维持稳定。另外，需超挖2.5～5 m宽度范围内的土方，并采用非膨胀土回填压实。处治后的坡面通常采用草灌混植防护，无法进行复垦耕种。柔性支护往往必须面对耕地资源占用过多和非膨胀土借方困难这两大问题，一般不宜大范围采用。

3.3 绿色处治方案

膨胀土路堑边坡坍塌常用处治方案在稳定边坡方面虽然取得了一定的效果，但是没有很好地贯彻落实绿色公路建设理念，普遍存在耕地超占、资源浪费、环境污染、通行安全等问题。因此，膨胀土路堑边坡坍塌处治亟待理念创新和技术创新，按照区域环境和工程特点因地制宜地制定绿色处治方案，统筹协调降低全寿命周期成本，减少资源占用，降低能源消耗，保护环境生态。

3.3.1 主要任务

针对常用处治方案的不足，绿色处治方案的主要任务是解决以下问题：

（1）维持边坡自然稳定，避免过度使用工程防护和支挡结构，减轻人工痕迹，避免视觉污染。

（2）处治后的边坡安全可靠，坡面不产生冲刷、开裂破坏，杜绝坍塌再次发生，避免水土流失和环境污染。

（3）统筹规划土方的综合利用，合理调配，尽量做到“零弃方、少借方”，减少取、弃土对周边环境的影响。

（4）保护耕地资源，减少永久占用耕地，临时占用耕地适时复垦，避免耕地退化。

（5）充分考虑建设、管理和运营成本，力争做到全寿命周期成本最低。

（6）处治后的边坡宽容流畅，生态恢复良好，与自然坡面和周边自然环境融为一体，营造出一个安全顺畅、舒适怡人的通行环境。E993D0D0-9E61-492A-BE5A-216212B78122

3.3.2 处治方案

老谷高速公路一标段地处垄岗微丘区，地形起伏小，坡面平缓，基本为已利用耕地，填方769 575 m 挖方602 199 m 借方290 519 m3。现场调查结果显示：坡率≤1∶1.5、坡高≤3 m的路堑边坡基本处于稳定状态;坡率≤1∶5、坡高≥6 m的自然边坡也未发现有坍塌现象，农作物长势良好。

根据老谷高速公路膨胀土路堑边坡坍塌路段的特点，突破传统按照1∶2～1∶3的坡率放缓边坡、加固坡脚的常用处治理念，统筹兼顾绿色处治需解决的主要问题，决定将坍塌边坡距碎落台高度>3 m以上部分削成1∶5的缓坡，距碎落台高度≤3 m部分维持原设计为1∶1.5的坡率;取消坡脚挡墙，坡面采用植草防护;在坡面折点以外2 m距离的内侧设置截水沟，截水沟以外1 m为用地边界，其余部分作为临时用地，处治完成后进行整治复垦为耕地，交还给当地农民耕种。具体处治方案如图3所示。

对老谷高速公路一标段发生较大坍塌的7处膨胀土路堑边坡进行绿色处治，与传统按照坡率1∶2.5放缓边坡的处治方案相比较，挖方和临时用地略有增加，但永久征地、防护工程以及路段借方减少，造价降低，具体如下页表2所示。

3.3.3 处治效果

老谷高速公路一标段从2016年10月开始对发生较大坍塌的7处膨胀土路堑边坡进行绿色处治，2017年1月处治施工完成。同时，对临时用地进行复垦并交还给当地农民耕种，施工过程中边坡始终保持稳定，复垦后的边坡与自然坡面浑然一体，达到了较好的效果。

老谷高速公路于2020-05-06开始通车试运营，至今经历了3次季节性干湿循环作用，经绿色处治后的边坡再没有发生边坡坍塌现象，经济、社会、环境和生态效益显著。

老谷高速公路膨胀土路堑边坡坍塌绿色处治方案较好地解决了传统处治方案普遍存在的问题，实现了绿色处治的目标，主要表现在：

（1）边坡自然稳定，取消了厚重粗笨的坡脚挡墙，坡面采用植物防护，坡面绿色生态，景观效果好。

（2）处治后的边坡在季节干湿循环作用下长期稳定，安全可靠，有效地避免了坍塌的再次发生，防止水土流失和环境污染效果显著。

（3）放缓边坡增加的挖方综合利用于路堤填筑，使本标段借方数量减少了52.9%，大大降低了取土对周边环境的影响。

（4）绿色处治方案采用临时用地复垦还地措施，永久征地仅为原设计方案的41.9%，为传统处治方案的28.7%，耕地资源占用显著减少。

（5）绿色处治方案的征地、借方和防护减少，工程造价仅为原设计方案的45.6%，为传统处治方案的37.3%，后期养护费用少，全寿命周期成本最低。

（6）坡率平缓，视野开阔，宽容性好;坡面生态恢复良好，坡面景观与周边自然环境和谐融合;行车安全舒适、顺畅愉悦。

4 结语