潘凤吾

摘要：随着交通基础建设快速发展，我国的公路从人口密集的平原向人口稀少的山区延伸。这使得公路中的构造物随着地形条件的变化，在结构形式以及设计思路上发生了根本的转变，一般平原区构造物的设计原则再套搬至山岭区的构造物上，就显得不很合理。本文首先介绍了高填土涵洞的特点、设计原则和设计方法，继而论述了涵洞布置及型式选择，然后阐述了地基处理方法，接着论述了相关的技术建议。

关键词：山区高填土；涵洞设计；施工方法

Abstract: with the rapid development of transportation infrastructure, our country road from dense plain to the sparsely populated mountain extensions. This makes the highway slope with the change of the topography condition, in the form of the structure and design thought happened on fundamental change, general plain the design principle of the slope of the mountain again moved on the slope, it is very reasonable. This paper first introduces the characteristics of the GaoTianTu culverts, design principles and design method, and then discusses the culvert layout and type selection, then expounds the foundation treatment method, and then discusses the related technical advice.

Keywords: mountain GaoTianTu; Culvert design; Construction method

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

山区地形复杂，深沟、异型沟众多，公路跨越冲沟多以涵洞为主要方式，所以高填方涵洞在公路构造物中所占比例较大。湖南是一个多山的地区，而在山区高等级公路的设计中，路线标准要求高，高填深挖路段多，高填涵所占比例较大，设计问题尤为突出。高填涵是山区公路特殊排水构造物，其具有受力复杂、地基承载力要求高、工程量大的特点，对高填涵的设计问题进行探讨研究，可以节约工程投资、减少安全隐患，对高等级山区公路具有重要意义。高填方涵洞一般指填土高度大于12 m的涵洞，结构型式一般采用拱涵。以下从设计和施工角度出发，结合实践对高填方涵洞的设计和施工提出一些自己的观点。

1.高填土涵洞的特点、设计原则及设计方法

l.1高填方涵洞的特点

与低填方涵洞和其它填堙式涵管相比，公路高填方涵洞具有以下特点：高填方涵洞对地基沉降要求高。高填方涵洞一般为钢筋混凝土拱涵或盖板涵，基础的不均匀沉降会导致涵台的开裂或拱阕的开裂与塌陷。同时涵洞的坍塌会引起路面的沉降破坏。因此，高填方涵洞对地基土容许承载力及均匀性要求较高。一般要求地基为基岩。工程量大，造价高。由于填土高度大，高填方涵洞洞身较长，造价较高，如果结构设计不合理结构尺寸偏大，则使高填方涵洞的造价剧增，造成浪费．例如阜朝高速一拱涵前墙顶宽达到48m,底宽达到6．67m，全涵工程造价达到270多万；反之，结构尺寸偏小，可能会使结构承载力不能满足荷载要求而导致涵洞的开裂坍塌，酿成质量事故，并增加加固维修工程费用。承受的土压力大。由于填土高度大，使其承受的土压力随填土高度的增加而增加，结构尺寸也随填土高度而增大。加固维修难度大。高填方涵洞填土高度大，长度大，通风采光条件差，工作面狭窄。一旦产生破坏。加固维修较为困难，费用也较高[1]。

1.2设计原则

a)全面貫彻“安全、实用、经济、美观”的方针和设计新理念的要求，选用技术可靠，经济合理的工程方案。

b)涵洞结构的安全性设计应引起足够重视，根据已建项目的经验和教训，选用设计、施工技术成熟，质量易于控制的结构方案，确保涵洞品质。

c)在满足涵洞使用功能及合理造价的前提下，力求涵洞造型新颖美观，与周围环境协调，重视环境保护。

d)涵洞孔跨除满足设计流量、水文要求外，应充分考虑施工因素、后期运营和结构安全性等因素。

e)根据地形、地质、水文、填土高度，结合农田水利设施兼顾人机通过行走等具体情况进行布设，一般宜采用逢沟设涵的原则。遵循因地制宜、就地取材、便于施工和养护以及节省投资的原则。

f)兼跨人工沟渠的涵洞布设应以原有沟渠为基础，以不打乱现有排灌系统为原则，必要时合理合并；兼跨越非人工沟渠的涵洞按照地形、排水、汇水面积等因素设置。

1.3计算方法

山区高填方涵洞的结构设计应符合《公路桥涵设计通用规范》、《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范》、《公路圬工桥涵设计规范》中承载能力极限状态和正常使用极限状态设计的规定；涵洞设计应采用车辆荷载，涵洞结构的冲击系数采用0.3。公路涵洞的计算主要包括土压力的计算、上部结构的计算、涵台的计算、洞口构造的计算、地基承载力验算等[2]。

高填方涵洞的计算主要是垂直土压力的计算，垂直土压力的计算可以采用有限元方法计算也可按规范给出的公式计算，有限元方法的计算结果较为精确，但是计算过程较为复杂，实用性不强；公式计算方法较为简单方便，但其计算结果精度不高。我们设计中一般采用公式计算方法，规范给出的计算公式：σ=γH。规范给出的公式虽简便但不能反应出涵洞真实承受的垂直土压力，因为规范规定垂直土压力按涵顶面内土柱重量计算，而没有考虑涵洞两侧土体与涵顶土体间的不均匀沉降产生的附加应力，不均匀沉降产生的附加应力对土压力的影响很大，为了消除这一因素的影响，我们参考铁路规范采用土应力集中系数kz来修正规范公式，即σ=kzγH，kz取值一般为1.00～1.45，具体取值方法可参考铁路桥涵设计基本规范，采用修正后的计算公式所得结果已完全可以满足工程需要。

2.涵洞布置及型式选择

2.1平面布置

涵洞轴线有曲线和直线两种平面线形，直线涵一般适用于线形较顺直、沟心较为开阔的冲沟，沟心顺直的冲沟采用直线涵排水较为顺畅，施工方便；在平原地区，曲线涵洞比较少见，而在山区，一些冲沟异常弯曲，采用直线布涵虽可以减少涵长，但是需要进行大量的开挖，而且在冲沟较窄的情况下，大型施工机械难以进入，施工难度很大，在这种情况下可沿沟采用曲线布涵，既可大幅度减少开挖工程量，又可方便施工，综合经济效益良好。

有时地形呈驼峰式，即中间高两边低，且横向突出的地形，这时我们可以采取裁弯取值的方法布设涵洞，也就是将中间的驼峰开挖，虽有开挖工程量的增加，但与曲线涵相比，排水路径合理、施工方便，综合经济效益要好。涵洞平面布置我们可以灵活选用不同的方式，只要是排水顺畅、造价合理、施工方便的形式就是合适的方式，我们也可将几种方式比较，选择综合经济效益最好的形式。

2.2立面布置

山区冲沟一般纵坡都比较大，涵洞立面布置的主要任务就是要确定合理的涵底标高和涵底纵坡，涵洞立面一般有陡坡式和缓坡式，缓坡式涵底纵坡小于等于5%，涵底纵坡大于5%为陡坡式。选用缓坡式，一般是抬高涵底标高，上游开挖或接急流坡，下游干码片石、出洞口接急流坡，这种方式的优点在于可以减少涵长，降低工程造价，施工方便，但由于上下游的地基不一致，后期会引起不均匀沉降，严重危及结构的安全性，这种情况仅在下游填方面积较少或仅在出洞口处有填方时可适当采用，一般情况下不建议采用。陡坡式我们一般采用阶梯涵，阶梯涵可以适应较大的纵坡，大幅减少开挖工程量，对于山区高填涵是一种不错的选择，使用时要注意不要分节太多、太小（规范规定分节长度宜大于等于2m），且两节之间的高差应小于等于0.75d（d为上部构造厚度）[3]。

山区高填涵填土高度较高，如将涵底设在沟心，顺沟心做涵，纵坡太大，涵长较长，工程造价巨大，这种情况下根据地形我们可以选择将涵底放置在沟两侧的平台或缓坡上，由此可以大幅降低填土高度，减少涵长，降低工程造价，也可以利用路基弃方填沟造地，一举多得，综合经济效益良好，但是这种情况对地形要求较高，在两侧山坡较陡、涵洞下游落空的情况下不适宜采用这种方式，采用此种方式，必须有准确的实测横断和纵断。在山西临县至离石高速公路项目中，大部分冲沟填土高度大于20m、纵坡都在20%以上，正常顺沟心设涵，工程造价巨大，为此采用了阶梯涵并结合半坡设涵的手段处理这种地形，既减少了涵长和开挖工程量，也消化了路基废方。

2.3洞口布置

高填方涵洞的洞口型式包括八字墙、跌井、挡墙等型式，上下游纵坡不大时，可采用八字洞口，洞口纵坡与涵洞纵坡一致，张角一般采用30°，以保持排水顺畅；当洞口需开挖时，或洞口布设受地形限制时，在不影响排水的条件下，可减少八字墙张角或采用直八字洞口，以节省开挖工程量，降低工程造价；高填方涵洞一般涵长较长，下游接主河沟时，有可能占压河道，致使主河沟排水不畅，这时下游洞口宜为挡墙，以减少涵长，避免占压河道；上游或下游纵坡较大或地形有要求时，可以选用进口急流槽或出口急流槽，并在洞口端部设埋置深度不小于洞身基础深度的截水墙，以避免水流冲刷侵蚀基础。洞口的功能在于提高排水效率、保护涵洞的正常使用，即使不在涵洞范围内，如果会影响到排水，或影响到涵洞的安全性，我们都应进行处理，例如涵洞下游之外有一陡坎，虽不在涵洞范围之内，但由于水流的冲刷，陡坎会不断被侵蚀，这样会导致涵洞基础落空，引起涵洞不均匀沉降。在这种情况下，我们可以从洞口开始铺砌至陡坎附近，然后接一急流坡将水排至陡坎下，这样保证了涵洞长期的安全性。在山阴至平鲁高速公路项目中，有一涵洞下游出洞口15m处有一陡坎，陡坎处可见侵蚀痕迹，如不加处理，侵蚀会继续蔓延，直至洞身之下，采用上述处理方法，限制了陡坎的发展，间接保护了涵洞的长期安全[4]。

山区高填涵结构型式包括管涵、波纹管涵、拱涵等。管涵承载力要求低，工程造价低、施工方便，但排水泄洪能力差（一般孔径为1～2 m），而山区冲沟一般洪水水量较大，而且要求迅速排除，所以管涵的应用受到了限制；目前有一种波纹管涵，虽可弥补管涵的不足，但在我省高速公路使用很少，尚需实践的检验，我们应慎重采用。高填涵我们一般采用拱涵，其承载能力大，排水泄洪能力强，但对地基的承载力要求较高。

3.地基处理

高填方涵洞由于上部土压力较大，对地基的承载力要求很高，地基承载力不足，会引起结构沉降，轻则影响使用性，重则危及结构安全性，所以地基处理在涵洞的设计中尤为重要。在有条件的情况下，应在地质条件较好的位置设涵，但在实践中很难避免不良地质路段，这时我们应根据地质条件，采取不同的处理方式。对于涵洞而言，地区不良地质主要有软土或软弱土和湿陷性黄土。

在软土和软弱土地基上修建涵洞时，可采用砂砾垫层、砂桩、砂井预压法加固地基，如需要更高的承载力时，可以采用水泥搅拌桩、石灰桩等方法进行处理。在黄土地区，对湿陷性黄土的处置，是我们面临的主要问题。湿陷性黄土分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土，而根据地基以下湿陷量又分为4个等级，湿陷性黄土地基的处理方式主要包括换填、重夯、强夯、水泥搅拌桩等。在设计中，如地基不具有湿陷性，我们采用强夯或重夯；地基承载力要求小于350kPa时,先按湿陷性等级换填不同厚度的灰土或砂砾，然后强夯或重夯；地基承载力要求大于等于350kPa时, 换填强夯已不能满足承载力的要求，这时可以采用水泥搅拌桩处理。水泥搅拌桩处置方式因按计算结果确定相关参数，设计中一般采用直径为50cm、长度为5m的搅拌桩，按梅花型布置，桩距1.5m，以2m襟边布设在涵洞基础范围。这种处理方式因其造价昂贵应尽量少用，但有时是不可避免的。例如在山西临县至离石高速公路项目中，一些涵洞填土高度达40多m，具有湿陷性且黄土含水量高，无法用换填或强夯的方法进行浅层处理，只能选用水泥搅拌桩结合砂砾垫层来处理。

地基处理方法有很多种，我们应在计算的基础上，结合地形和施工条件，选用满足承载力要求的、经济合理的处理方式，以降低工程造价。

4.技术建议

a)结合地形、地质条件，灵活设置涵洞，山区宜逢沟设涵，但在某些地质条件不好或设置涵洞困难时，在有条件的情况下我们可以合并设置，或通过改沟结合导流工程，将水引入临近的構造物中[5]。

b)山区高填方涵洞设计应以尽量减少填土高度为主要设计思路，以提高结构安全性，降低工程造价。

c)涵洞结构型式宜优先选用钢筋混凝土拱涵，拱圈全涵长配筋，主筋间距不宜大于10cm，随填土高度的增加，涵洞结构尺寸也应随之加厚，具体尺寸应结合计算结果确定。

d)基础宜采用整体式基础，基底应放置在冰冻线25cm以下，基础厚度宜为跨径的一半，如有需要，基础应配筋。

e)涵洞下游基础落空处需做干码片石处理时，基底先清除表层浮土，充分夯实，满足设计要求承载力后，再干码片石，片石应紧密干砌不宜抛填。

f)在地质条件为弱风化以上岩石时，设计中可以不设基础，将涵台直接落在地基上。施工时，应核实地质条件，并清除表面风化层。

g)地基处理方式不宜不分情况全部采用强夯，对于施工机械无法进入或强夯对原有构造物有影响时，宜选用重夯。

h)对于沟心较窄，两岸侧山坡直立的冲沟，设计中应考虑充足的土方开挖工程量。

5.结束语

总而言之，山区地形、地质条件复杂，在这样的地形地质条件下设置涵洞是一件非常复杂困难的工作。对山区高填方涵洞进行探讨研究，并将成果运用于设计中，在设计中精密计算，精心分析，多种方案对比，综合比选，确定最安全、最合理、最经济的构造物型式，这将影响整条高速路的综合效益，对于山区高速公路设计具有重大意义。

参考文献:

［1］刘鸣.浅论山区高填土涵洞设计与施工[Ｊ].城市建设，2010(5)。

［2］周小鹏.山区高填土涵洞设计与施工研究[Ｊ].中国城市经济，2011(3)。

［3］包军.山区高填土涵洞设计与施工的相关问题研究[Ｊ].经营管理者，2008(8)。

［4］吴知会.论山区高填土涵洞设计与施工的问题和对策[Ｊ].科技资讯，2009(3)。

［5］秦方.山区高填土涵洞设计与施工研究[Ｊ].城市建设，2010(7)。