湖库高速 绿色建造

文/ 供图 | 杭州交通投资建设管理集团有限公司

溧阳至宁德国家高速公路浙江省淳安段

“湖库区高速公路绿色建造关键技术研究”项目是基于溧阳至宁德国家高速公路浙江省淳安段（以下简称“千黄高速”）建设工程开展的浙江省交通运输厅科研计划项目，由杭州交通投资建设管理集团有限公司、浙江工业大学、浙江大学、杭州市交通工程集团有限公司4家单位联合承担研究任务。项目属于交通运输工程技术领域，立项经费约350万元，内容主要包括湖库区绿色建造、水下填筑、绿色护坡、过渡段沉降控制等方面，于2018年8月启动，2022年7月完成，浙江省交通运输厅科技成果鉴定，成果总体达到国际领先水平。

/ 湖库区高速建设面临复杂挑战/

随着国内大规模交通基础设施的建设，湖库区高速公路的建造数量持续增加。湖库区特有的地下水蒸发降雨循环和水位季节性升降造成的路基干湿循环、鱼类及植物的脆弱生态环境等都成为了湖库区高速公路建设的极大挑战。如何降低高速公路建设对湖库区生态环境的不良影响，思考路基、隧道与边坡等设施的绿色建造方法成为当前交通工程的当务之急。

尚未完全掌握湖库区岩土力学特性的变化规律

湖库区路段路基边坡紧邻湖库，湖库水位的往复变化使路基长期处于干湿循环的环境中，岩土体力学性质下降，不宜采用填筑土体的初始力学参数作为边坡稳定的计算参数。同时，库湾区路段一般位于山区，周边爆破开挖工况较多，由爆破引起的振动，一旦以弹性波的形式传播至库湾区路基中，这种振动也会对路基土体的力学特性产生不利影响，而目前对于这种影响还难以实现定量化考虑。库湾区路堤边坡一般采用植物绿化加固手段，这是一种有效的边坡加固手段，然而目前植物根系加固土体的效果还难以评价，因此无法在工程实践中考虑这一效应，会造成一定的工程浪费。

缺乏针对湖库区路基边坡稳定性的计算方法

湖库区水位升降在引起水力荷载循环的同时，也导致了路基边坡的干湿循环劣化。此外，路基边坡绿化的植物根系虽会对边坡土体起到加筋作用，但邻近隧道爆破开挖路基土体受到循环振动加载，可能引起土体强度弱化和边坡失稳。上述干湿循环和累次爆破振动对路基边坡稳定性起到了负作用，而植物根系起到了加筋正作用，加之水位涨落和大粒径（米级）填料等复杂条件，现有行业规范的路基边坡稳定性分析方法显然无法胜任，亟需提出一种能综合考虑上述正负因素及复杂湖库区环境条件的路基边坡稳定性计算方法。

缺乏临湖路基边坡水下填筑施工与生态环保技术

湖库区的水下填筑与强夯施工过程显著区别于常规强夯加固，目前尚缺乏水下填筑、干湿循环条件下的路基边坡填筑材料控制准则，现行水下填筑、强夯施工参数选择只能依据现场工程经验，水下填筑、强夯加固效果检测缺乏行之有效的技术手段和检测设备。同时临湖岩石爆破开挖威胁路基边坡稳定性、常规路基护坡植被易形成风化基岩消落带，均会造成湖库区生态污染、影响生态平衡，目前尚缺乏临湖岩石爆破开挖环境影响的主动控制技术与干湿循环、高水位涨落条件下路基消落带治理技术。

/ 湖库区绿色建造技术取得新进展/

通过理论分析、数值模拟、模型试验、原位测试和工程验证等多重手段，团队对湖库区高速公路绿色建造关键技术进行了系统、深入的研究，提出了“一种计算模型、一种加固机理及监测手段、一种爆破振动评价方法、一种绿色护岸结构及两种过渡段沉降控制措施”。

揭示湖库区路基材料动静力特性

针对湖库区路基岩土体建造期间采用水下强夯填筑、岩石爆破施工、植物根系加固，以及运营期干湿循环往复等工程特点，团队开展了水下填筑、干湿循环等复杂水环境与岩石爆破、根系加固等复杂受力环境下路基边坡岩土体的静、动力特性试验研究，探明了干湿交替作用下路基土体的物理力学性质劣化机理，获得了大周次爆破振动荷载下岩土体的强度弱化规律，揭示了植物根系物理与水力耦合作用对岩土体的加固机理。

提出湖库区路基边坡稳定性分析方法

项目通过计算流体力学（CFD）模拟水位涨落和降雨入渗等引起的水力荷载，通过离散元（DEM）实现块石等库湾路基填料的接触运动模拟和下滑力计算，再将上述边坡土体强度随干湿循环、循环振动和根系加固等环境因素的函数关系纳入边坡潜在滑面的抗滑力计算中，从而建立起基于CFD-DEM耦合计算框架、内嵌土体岩体动态刷新功能的湖库区路基边坡稳定性分析方法。该方法揭示了水位涨落引起水力荷载，以及干湿循环引起强度劣化下的湖库区路基块石运动和失稳机制，明确了在植物根系加筋和渗流水力双重作用下，不同植物根系种类、长度、体积比等关键特征参数对路基边坡含水率、基质吸力与安全系数的影响规律。

研发湖库区高速公路绿色建造系列关键技术

项目提出了水下填筑、干湿循环条件下路基边坡填筑材料的控制标准，研发了适用于水下填筑与强夯的面波激发和接收设备，形成了水下填筑与强夯加固效果的立体检测技术；针对临湖岩石爆破开挖威胁路基边坡稳定性，提出了临湖边坡岩石爆破振动与环境评价准则，形成了岩石掌子面爆破主动振动控制技术；在水位涨落、干湿循环条件下，筛选出适用于高水位变化、长时间耐淹胁迫条件下的绿色护坡植物，并形成综合利用土工织物-护岸结构-植物根系反滤层体系的湖区消落带绿色护岸技术，实现了过渡段车辆-地基振动特性的综合评估，探究了路基动应力放大效应，以及刚度衰减规律，开展了现有不均匀沉降控制措施的参数影响分析，进而创新性研发了隧路过渡段自适应沉降控制措施及过渡段截面最佳曲线试验装置。

杭新景大桥II 期

之江大桥

江东大桥高空索夹维修

/ 研究项目社会效益显著/

随着交通基础设施的持续建设，我国将会建设越来越多的湖库区高速公路，如何尽量降低工程建设对湖库区生态系统的影响，确保路基、边坡及隧道等基础设施顺利建造与安全运行，是量大面广的高速公路面临的共性基础问题，理论和设计方法上的突破将为未来大量的湖库区高速公路建设提供科学的设计手段及施工方法，为未来湖库区高速公路建设补齐环境影响评价与绿色建造方法的短板提供关键支撑。项目在路基填料动静力计算模型、水下强夯及检测技术、边坡稳定与爆破环境评价、绿色护岸结构、过渡段不均匀沉降控制措施五个方面取得了一系列创新型成果，为新建库湾区及现有高速公路的扩建、改造和养护保障提供理论支持，对发展我国公路科学有较大的贡献。研究成果不仅可直接应用于库湾区高速公路设计和施工中，还可为制定相应的设计、施工规范和国家标准提供可靠的依据。截至2022年7月，课题成果已在浙江、重庆、安徽、广西、广东、福建等省份湖库区高速公路绿色建设工程成功应用，取得了良好的经济、社会和环境效益；建立的消落带绿色护岸结构、过渡段不均匀沉降控制措施等关键技术已在浙江千黄高速公路项目中得到成功应用，运行情况良好。湖库区高速公路设计、施工及检测中亟需项目研究成果，应用前景广阔。

杭新景高速公路

项目成果减少了路基处理、强夯加固、爆破施工、植被养护等费用，大大降低了路基失稳、溶洞塌陷及水生态环境破坏等风险和经济损失。

杭州千黄高速公路有限公司在千黄高速工程中成功应用课题研究成果，节约路基处理费用3200万元、强夯费用510万元、爆破费用124万元、边坡治理费用320万元、过渡段养护维修费用5670万元，避免了路基失稳、溶洞塌陷、水生态环境破坏问题，降低路基失稳损失1920万元、溶洞塌陷损失540万元、水生态环境修复费1800万元。

中交路桥建设有限公司在巫溪至开州高速公路项目工程中成功应用课题研究成果，节约植被养护费用160万元、路基处理费用320万元、强夯费用171万元、爆破费用14万元，避免了路基失稳、溶洞塌陷、水生态环境破坏问题，降低路基失稳损失21万元、溶洞塌陷损失42万元、水生态环境修复费300万元。

安徽省交通控股集团有限公司在上海至武汉高速公路无为至岳西段工程中成功应用课题研究成果，节约爆破费用10万元，避免了水生态环境破坏问题，减少水生态环境修复费300万元。

杭州市交通工程集团有限公司在国道235线杭州老余杭至五常段改建工程中成功应用课题研究成果，节约路基处理费用300万元，避免了路基失稳问题，减少路基失稳损失60万元。

中交第三公路工程局有限公司在巴马至凭祥高速公路巴马至田东段工程中成功应用课题研究成果，节约路基处理费用96万元，爆破费用24万元，植被养护费用52万元，避免了路基失稳、水生态环境破坏问题，减少路基失稳损失52万元、水生态环境修复费120万元。

中铁大桥局集团有限公司在福泉高速公路连接线拓宽改造工程中成功应用课题研究成果，节约过渡段处理费用70万元。

通过应用该项目成果，目前全国共计节约施工费用1.104亿元，减少事故损失5155万元，取得了很好的社会经济效益，应用效果良好。