高速公路路肩挡墙水毁应急处理方案研究

张 磊 史宇宙 陈 杰 谢之逸

(浙江数智交院科技股份有限公司 杭州 310030)

受地形条件限制,我国大多数山区公路都是沿河或者傍山而建,在长久运营的过程中,山区沿河公路水毁灾害已成为威胁道路交通安全的主要灾害之一[1]。水毁灾害不仅严重影响公路运营安全,还会造成严重的经济损失,受到了学者和工程技术人员的广泛关注。

然而目前对水毁路基的研究主要集中在水毁机理、特征及防治技术方面[2-7],很少有研究者针对高速公路路肩挡墙水毁工程进行应急处理的研究。

因此,本文以某山区高速公路路肩墙水毁应急处理项目为背景,分两阶段实施,提出“先快速施工挡墙形成早期支挡效果以开放交通,后及时施工桩基并适当反压以改善结构性能”的应急处理方案。

1 工程概况

某山区高速公路半路半桥路段,左幅为桥梁,右幅为半填半挖路基,设计车速80 km/h,填方侧填筑宕渣,路面层厚度为70 cm,设计荷载等级为汽超-20级。右幅左侧设置浆砌衡重路肩墙进行收坡,挡墙高度约15 m,挡墙底部设置承台,基础为钻孔灌注桩。

场地右侧为山坡,山体坡度一般为15°～25°,局部达50°左右,山体自然状态较稳定。场地左侧为季节性溪流,洪暴雨时水量较大,对岸坡冲刷严重。

由于傍山沿溪,且沿路线方向为一凹岸,地基内中风化岩层呈现向溪流倾斜状态,在不利状况组合条件下(深度冲刷及持续暴雨墙后土体饱和),15 m高的挡土墙荷载巨大,对于岸坡的稳定不利。

在连续降雨条件下,该路肩墙发生坍塌,路基塌方处内凹深度约2～3 m,顶部中央混凝土护栏部分掉落,同时由于牵引作用,坍塌两侧挡墙发生鼓包,路面结构层尚完整但处于悬空状态,路面未出现下凹。现场水毁情况见图1。

图1 现场情况

2 坍塌成因分析

项目所在高速公路建成通车已有12年,根据坍塌体形态,结合该浆砌片块石挡墙在长久的运营过程中勾缝砂浆脱落,缝中局部生长有杂草和苔藓,面墙水渍明显的现状,认为砂浆老化、风化明显,长期受水流冲刷、植物生长剥蚀等作用而发生风化脱空,挡墙强度产生较大折减;加之连日降雨使挡墙台背土体达到饱和状态,在行车荷载反复的作用下,挡土墙截面强度不足,从而由上挡墙根部向衡重台下斜向墙面发生剪切破坏引起墙身及路基局部坍塌,同时由于牵引作用,坍塌两侧挡墙发生鼓包。

对表征墙体强度的黏聚力c值和摩擦角φ值分别进行等比例折减,结果见图2,在本项目的高陡挡墙工况下,降低相同的百分比,黏聚力c值的减小对结构的安全系数影响更大。因此,浆砌片石挡墙在长久运营中,一旦发生勾缝砂浆脱落和风化脱空,其强度将大幅度下降,结构的整体稳定性将显著降低。

图2 强度参数敏感性分析

3 挡墙应急修复措施

3.1 总体思路

从坍塌的破坏形态分析,病害主要为挡墙自身的破坏,挡墙破坏前路基整体是稳定的,但破坏发生后,从工程自身而言,创面范围内挡墙的断面尺寸减小,另外衡重台上土体坡率变陡,对于路堤及残存挡墙而言,安全余度更为降低,抵抗不利条件下的抗力减弱,随时间推移劣化会有所加速;从社会条件而言,路面部分悬空影响高速公路正常通行,出于车辆通行安全考虑,现场隔离封闭了超车道,只能单车道通行,同时实行黄牌货车、中大型客车禁行措施,对社会正常出行产生较大不利影响,又恰逢春运,不能长时间采取限制通行措施。

基于以上分析,本次应急处置主要基于“快速修复”的思路,首先避免坍塌面长时间暴露进一步恶化,其次能够快速施工形成早期的支挡效果,再次初步应急措施完成后具备开放交通的条件,最后考虑地形地层条件,同时左幅为桥梁的实际情况,处置方案不能影响到桥梁结构安全。总体方案为分步实施,先采用台阶式挡墙进行反压,尽早形成对路基的应急支挡,在保证路基稳定的前提下,再对路基挡墙墙脚采用桩基加强防护,保证挡墙结构的长久稳定。具体实施时,计划分两步进行。

3.2 初步应急措施

考虑到修复挡土墙高达15 m左右,对地基承载力要求高,而目前地形地层条件其实是不利于高大挡墙直接布设的,若直接坐落于现有地层上,一旦发生过量变形甚至失稳,不仅对右幅通行产生重大影响,还会对左幅桥梁结构产生破坏推挤,后果严重;同时考虑到快速施工,尽量压缩工期,也需要适当控制浇筑总方量。本次充分利用现有挡墙基础为桩基承台,承台外侧露出挡墙面有2 m宽度可以利用的有利条件,将回填挡墙基础主要设置于外露承台上,解决地基承载力不足问题。

在剥离坍塌路段松散层,并喷射水泥混凝土护面封闭后,先行施工承台,随后逐级浇筑上层挡墙,每层挡墙之间插入钢筋进行衔接处理,挡墙采用C40水泥混凝土现浇以尽早达成初期支挡能力;在浇筑至6 m高度后,埋设插入18号工字钢,长度9 m,鼓包范围埋设间距50 cm,坍塌修复范围埋设间距100 cm;鼓包范围的工字钢顶部浇筑帽梁,并伸入坍塌修复范围的墙身内与之连接形成整体。

3.3 后续补强措施

回填挡土墙完成后,对于原有桩基承台的受力状况改变较大,一方面增大了挡墙自重荷载,另一方面荷载重心也发生较大偏移,对承台下桩基受力初步复核后,安全余度有较大降低,因此应急支挡完成后,虽然施工工期的紧迫性会有所缓解,仍应及时进行补强措施的施工。补强措施主要为在回填挡墙墙脚前设置钻孔灌注桩,桩顶设置承台并与回填挡墙第一层墙体形成整体,同时承台上适当反压以提高整个挡墙的稳定性,同时改善原有桩基的受力性能。

挡墙坍塌范围修复措施见图3,周围挡墙鼓包范围修复措施见图4。

图3 坍塌范围修复措施(单位:m)

图4 鼓包范围修复措施(单位:m)

3.4 主要布置范围

考虑坍塌现状和牵引作用,本次处治范围为K179+970-K180+004。新打设的桩基考虑到需与现有桥梁桩基及挡墙桩基保证2倍净距的要求,且由于现有桥梁桥柱距离原挡墙仅4.3 m,故对于桥柱附近未设置承台,新建承台1设置距离34 m,新建承台2设置距离28 m,桩基布置数量9根。主要修复范围见图5。

图5 主要修复范围(单位:m)

4 数值模拟分析

4.1 模型建立与参数取值

挡墙修复完成后,新老挡墙实际形成了类似仰斜式挡墙截面,根据当前破坏形态,对墙体参数进行折减反演,得出现有挡墙的实际强度参数后,建立有限元模型进行计算分析,计算模型见图6。

图6 计算模型和网格划分

模型参数取值见表1。

表1 模型参数

4.2 计算结果

有限元模型计算结果表明,初步应急措施完成后,路堤整体稳定性可提高至1.197,由于修复挡墙底部宽度仅2.5 m,虽然采用了高强度水泥混凝土现浇,但对整体稳定的贡献偏小,安全余度仍然较低,尤其是挡墙脚部需要进一步加强,目前仅能够满足施工期短期要求。

补强措施完成后,总体稳定性能够达到1.681,满足工程要求。

5 主要工序及要求

1) 对坍塌部分挡墙及剥落路段松散层进行清理后,表面喷射水泥混凝土护面封闭,厚度5～7 cm;并设置临时监测点进行位移监测。

2) 绑扎钢筋,浇筑第一层挡墙,该层位也为补强措施中承台的一部分,同时应外伸预留不少于40 cm长钢筋。

3) 逐级浇筑上层挡墙,每层挡墙间采用插入钢筋进行衔接处理,钢筋同承台架立钢筋,挡墙需设置排水孔,间距2.0 m,直径10 cm;鼓包加固范围和帽梁伸入范围在浇筑至6 m高度后,埋设插入18号工字钢,间距50 cm,长度9 m。工字钢顶部浇筑帽梁,帽梁沿路线方向伸入现浇挡墙,与挡墙坍塌范围修复浇筑的墙身连接成整体;挡墙坍塌修复范围浇筑至6 m高后同样埋设18号工字钢,间距100 cm,长度9 m。

4) 挡墙顶部浇筑前,应事先完成混凝土护栏预埋件的埋设,浇筑护栏时,应保证护栏与挡墙顶部的整体性;护栏每隔5 m设置一道矩形泄水孔;新建钢筋混凝土护栏在端部与现有钢筋混凝土护栏进行渐变。

5) 对鼓包段路基进行注浆处理,经检测满足通车条件时,可开放交通。

6) 施工直径100 cm的钻孔灌注桩;绑扎新承台钢筋,与第一段外伸预留钢筋完成焊接后,浇筑新承台;浇筑动态设计部分挡墙。

6 结论

1) 高陡浆砌片块石挡墙在长久运营中,会发生勾缝砂浆脱落、挡墙强度降低的问题。泄水孔堵塞后,台背土体在降雨作用下达到饱和,在行车荷载反复作用下,挡墙容易发生剪切破坏。

2) 高陡浆砌片块石挡墙整体稳定性受黏聚力c值的影响更大,黏聚力的减小将导致挡墙整体稳定性大幅度下降。因此,在养护运营过程中,需采取措施保护勾缝中的砂浆,并及时对脱落的砂浆进行修补。

3) 本文提出了“先快速施工挡墙形成早期支挡效果以开放交通,后及时施工桩基并适当反压以改善结构性能”的处治方式,兼顾了快速抢通和永久恢复的目标。