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公路建设中的岩土工程技术发展

王 园

(交通部公路科学研究院)

        1、公路岩土工程的回顾与现状
        20世纪50年代以来,随着国家建设和国民经济的快速发展,迅速增长的物流、客流,使交通运输问题变得十分突出,随着传统道路运输建设的逐渐开展,相应地在道路工程建设中出现的岩土工程问题的理论研究和工程技术也得到迅速发展。其发展历程大体分为三个阶段。
        1)普通道路建设中的岩土工程问题认识阶段(20世纪50年代)
        建国初期,由于地质技术力量薄弱,对各种地质条件和各类岩、土材料认识不足,工程建设中的岩土工程勘察、设计及其研究工作处在普通砂土路面建设技术需求阶段,在道路建设和运行期间常常发生滑坡、塌陷等道路病害,严重地影响了道路的正常施工和安全运营,运输效率处在较低水平。
        随着国家物流的需要,公路建设陆续展开,经验不足、技术薄弱,造成在公路建设中的岩土工程病害不断发生,对公路运营安全造成的影响也逐渐突显出来,这种影响长达十余年,有些甚至长达近二十年。如:川藏公路、青藏公路和新藏公路。在这一阶段我国的公路年保通率较低,进藏公路的年保通率不足20%。这一时期病害多的原因是:(1)对地质条件和岩土工程技术的认识不足,未能避开地质不良地段;(2)对易滑边坡危害缺乏认识,缺少相应的加固和防护措施;(3)对路基填筑的当地材料的复杂性未能给予足够的重视,压实设备和控制技术粗糙;(4)公路岩土工程技术研究主要针对普通道路,整体对公路岩土工程问题处于认识阶段。
        2)低等级公路建设中岩土工程问题研究阶段(20世纪60-80年代)
        进入60年代公路建设者们认真总结了公路建设中的经验和教训,并在70年代的大量援外工程(如援建中—巴公路、援建索马里公路等)中加强了与国外的技术交流,认识到加强地质和岩土工程工作的重要性,在各勘察设计单位加强了地质技术人员的培训。并于五十年代末设立了工程地质专业,八十年代中期设立了岩土工程专业。同期相邻行业中的水利、铁道、地质、建筑等部门加大了对岩土工程技术的研究力度,提出了建立岩土工程体系的建设构想,促进了公路岩土工程技术研究的发展。
        随着公路岩土工程技术研究的逐渐展开,配合国家建设规划,修建了多条西部重点公路。如中尼公路、滇藏公路、天山公路等。对危害公路的工程问题的形成条件、原因、发生和运动机理以及工程防治措施等进行了较深入的研究。如不同土类的工程性质研究、岩土各种性能指标的试验方法研究、原位测试方法研究、残余抗剪强度变化规律研究、抗滑桩的设计理论和方法研究、工程处理与工程加固技术研究、滑坡研究等。并逐步建立了低等级公路建设标准、规范体系,对公路工程建设和防治公路工程病害发挥了较大的作用。
        3)高等级公路建设中岩土工程技术研究阶段(20世纪90年代后)
        进入20世纪90年代,实现了改革开放,中国经济迅速发展,大规模基础设施建设的序幕逐步拉开。随着京津唐高速公路的建设,公路建设规模空前扩大,高速公路建设迅猛发展。高速公路建设标准高、路面宽以及坡度、弯度等技术指标的限制,许多在低等级公路建设中可以避让的地质和岩土工程问题都无法回避,大量的岩土工程问题顷刻间变成了公路建设的技术瓶颈。边坡崩、滑、流,路基塌、陷、滑,桥头跳车、填挖交界路基裂缝和错台、软弱地基、岩溶塌陷、采空塌陷、风害、雪害、冻害以及湿陷性黄土、风积沙、冻土、膨胀土、盐渍土、红土、分散性粘土等特殊土地区公路建设以及尾矿渣、碱渣等特殊材料筑路应用的岩土工程问题,摆在了公路建设者们的面前,同时也为公路建设和研究者创造了机遇和展示才能的舞台。为此全国各勘察、设计、科研院所、大专院校等单位建立了联合攻关、协作攻关、重点项目攻关和专项研究攻关等多种形式的研究、攻关技术平台,对公路建设中急待解决的岩土工程问题展开了大规模的公关研究,并为公路岩土工程技术的进一步深入研究和发展奠定了良好的基础。
        进入21世纪,国家在“十五” 期间投入十亿元设立了三百多个科研项目支持西部交通建设中的关键技术研究,完成科研投资15.41亿元,其中直接关于岩土工程的研究项目达30%。全国332家科研、大专院校、设计、施工、管理等单位,共7515人直接参与了西部科技项目的研发工作,取得了众多可喜的研究成果,直接经济效益达到290多亿元。投入近22000亿元进行交通建设,五年建成高速公路2.47万km,是“八五”和“九五”建成高速公路总和的1.5倍,是中国交通建设发展最快的时期。在此期间全国三百余个高等院校设立了与公路交通有关的专业,为交通公路的发展注入了新鲜血液,公路岩土工程技术已为公路建设者们高度重视,并为交通公路的高质量、高效率建设发挥着巨大的作用。

        2、主要研究成果
        1)边坡工程技术
        边坡失稳是公路建设中的常见难题,高边坡的频频失稳,常常提醒人们如何有效预防边坡失稳和造成灾害,并已成为重要研究课题。据统计全国有各种危害性边坡灾害,对现有至少2220公里路段的安全构成严重威胁,对5000—8000公里路段的安全构成威胁或潜在的威胁。对此结合公路建设的实际情况,通过从边坡的设计理论与方法、边坡加固新材料的开发与应用、边坡加固施工工艺、高路堤的沉降变形规律与压实技术等方面广泛深入地开展了边坡稳定加固成套技术研究,建立了较为完善的路基边坡稳定性评价方法,形成了与新材料、新结构应用相配套的边坡加固防护施工工艺。特别是针对西部地区特殊的地质条件,开展了西部交通建设中关键技术的研究,取得了显著成效,主要表现在:普遍采用航测、遥感和地理信息系统,贯彻“地质选线”原则,路线避开了严重地质不良地段;对潜在不稳定的边坡,采用综合勘察技术和工程地质力学调查分析方法,以及模糊评判、突变理论、神经网络等方法评价和预测边坡的稳定性,采取“预加固”措施,避免了开挖后边坡失稳;对已发生变形的边坡和滑坡在防治措施上采用预应力锚索抗滑桩加固,它比普通悬臂桩节省投资约30%;预应力锚索及锚索框架(梁)、地梁、锚墩、锚杆和土钉等表面防护和整体加固技术广泛应用于公路高边坡加固;微型桩、悬喷桩和各种注浆加固技术等也普遍应用;土工合成材料的功能性作用逐渐被人们所接受,并广泛应用在边坡表面防护和高填土加筋稳定加固等工程中;加强边坡地区的地表及地下排水已形成一种理念;与保护环境和美化路容相结合研究采用了多种形式的边坡防护技术。边坡工程技术跨上了一个新台阶。
        在对岩体结构及其结构面网络较深入研究的基础上,通过对滑坡和高边坡变形的研究,发现坡体结构对边坡的破坏类型、部位、规模和破坏模式有控制作用,从而进行了较深入系统的研究。交通部公路科学研究院针对陕西铜黄公路岩质边坡工程设计、治理开展的专项研究,结合 现场实测岩体结构面和对岩体结构面网络分析研究,将岩质边坡的防护与加固设计建立在对岩质边坡岩体的表面破碎程度和边坡岩体的整体完整性这两个技术指标上,从而保证设计和治理的合理性、可靠性。
        易滑坡体根据组成坡体材料的不同可分为土质坡体、岩质坡体和碎砾石坡体这三种典型的形式,不同性质的易滑坡体其适宜的稳定性评价方法不同。大量工程实践和试验研究表明,圆弧滑动面法用于均匀土质坡体的稳定性分析,计算简便、效果较好。块体折线形滑面法用于结构面明确的岩质坡体的稳定性分析较符合实际情况。平面滑动法用于均质碎砾石坡体的稳定性计算分析较适宜。当然,组成坡体的结构形式是千变万化的,下卧岩层面、软弱夹层面等都有可能成为坡体滑动的滑动面,其稳定性评价方法应根据具体情况采用复合滑动面或多滑动面假设来分析评价。
        边坡稳定性评价和变化趋势的预测是确定边坡加固和滑坡防治方案的基础。中交第一公路勘察设计研究院针对国道108、109、208、209、210、318等多条国道、省道发生的各种施工诱发复活老滑坡、诱发复合型工程滑坡、高边坡失稳、堆积层滑坡以及滑坡群滑坡等多种滑坡形式,开展了系统的研究,提出了在公路建设初期应“强化公路系统工程地质工作、重视工程地质选线、加强沿线滑坡和潜在滑坡的调绘和勘察工作、坚持以防为主防治结合、一次根治不留后患”等预防公路建后滑坡制灾的工作原则,对公路工程边坡的防灾减灾工作,起到了重要的指导作用。
        通过技术研究和技术引进,建立了系统的预应力锚索地梁、预应力锚索框架等稳定滑体的工程措施,其具有结构简单、可机械化施工、施工安全、对坡体扰动小、可迅速起到稳定坡体或减缓坡体变形的作用等诸多优点,在公路建设中发展迅速,使用广泛。云南省公路勘察设计研究院在楚大高速公路上采用锚梁对直立危岩坡体进行加固获得成功;陕西省公路勘察设计研究院在铜黄高速公路上应用锚索梁和锚索框架梁对土质边坡进行了整体加固。
         “十五”期间,通过交通部西部交通科技研究项目“川藏公路前龙段滑坡机理及整治技术研究”,对川藏公路前碉桥至龙胆溪滑坡群病害进行了沿公路分阶段进行滑坡整治,在工程结构物上埋设了大量的测试元件和设备,结合深部位移监测、室内模型试验、有限元数值模拟计算、桩坑地质编录等手段,对滑坡的发生发展机理和整治技术进行了深入研究,在整治工程设计、施工和确保工程安全有效方面起到了很好的指导作用,进一步为国内类似公路大型复杂滑坡的治理积累了丰富的经验和数据资料。病害整治主体工程采用了预应力锚索框架、普通抗滑桩、预应力锚索抗滑桩等结构。实际实施的锚索长度达到了73m,抗滑桩长度达到了67m。无论滑坡复杂程度还是工程施工难度在国内公路工程中尚不多见。工程整治效果良好。此外,交通部西部交通科技研究项目的“山区支挡结构的研究”、“三峡库区港口建设中地质灾害防治关键技术研究”、“云南元磨高速公路高边坡病害群治理工程效果评价及应对措施的研究”、“天山公路工程地质病害研究”、“岩土锚固安全评价与处治技术研究”、“西藏边防公路整治应急保通关键技术研究”、“黄土地区公路边坡的防护技术研究”、“深挖高填边坡破坏机理与稳定性评价方法”、“边坡加固施工工艺与施工控制技术”、“边坡支护方案优化设计”、“土工合成材料在边坡处治中的应用研究”、 “公路石质边坡防护与环境保护的研究”、“高速公路结构健康监测系统关键技术的研究”等均陆续完成或即将完成,这些与边坡加固与病害防治有关的研究课题,占交通部“十五”西部交通科技研究项目总数的6.63%。研究成果对公路工程易滑坡体的防护、加固和稳定性分析评价奠定了良好的技术基础。
        2)路基压实工程技术
        针对全国不同地域的筑路材料以及路基工程特点,大规模地开展了大粒径碎石、土石混填、新老路基结合部处治、路桥过度段等路基技术研究,初步解决了一般路基稳定和各类软弱土处治等问题。交通部公路科学研究院对填石路基和碎石土路基压实方法以及压实标准开展了系统研究,提出了配合现场压实机械对不同级配特征填料压实的较佳振动频率、激振力和振动时间指标。交通部公路科学研究院还与山东大学合作对细粒土以及含粗粒的细粒土的压实性能存在的问题,尤其针对在现行规范中没有考虑土类和级配对最佳击实功能的影响问题开展了研究,提出了细粒土不同级配特征的室内击实试验的最佳击实功能指标等。在“十五”期间,西部交通建设科研项目设立了15个课题,开展了不同填筑材料的路基压实技术研究,取得了丰富的研究成果,提出了不同典型土类的公路路基压实工程技术,为公路建设的高效、安全和高质量发展奠定了技术基础。
        3)隧道工程技术
        高等级公路频繁穿越崇山峻岭,地形陡峭,地质条件复杂,使高等级公路建设迫切需要因地制宜的多种隧道型式,如长大隧道、小净距隧道、连拱式和分叉式隧道等。“十五”西部交通建设项目设立了11个项目,针对西部山区公路隧道建设技术的特殊地质和地形条件,开展了新隧道结构形式及其设计、施工关键技术和长大隧道建设关键技术的研究,形成了公路隧道结构型式的系列化,较好地解决了路、桥、隧的合理连接问题,突破了地形对线位选择的制约,保证了公路线形质量,并最大限度地保护了生态环境。双洞小净距隧道解决Ⅳ—Ⅱ围岩条件下相互影响的评估及确保施工安全的基准值范围和控制技术;连拱隧道攻克了中隔墙漏水技术;分岔隧道解决了中隔墙合理厚度,左右洞口空气相互影响的设计与施工方法问题;长大隧道初步形成了我国西部山区复杂地质条件下,公路特长隧道设计、施工阶段超前地质探测预报的实用技术。应用公路隧道关键技术研究成果建成的秦岭终南山公路隧道单洞长度为18.02km,建设规模为世界第一,长度为世界第二。该隧道的建成标志着我国公路隧道建设技术水平有了重大的提升和突破。
        4)特殊环境地质材料研究
         “十五”期间,西部地区国道主干线、省际通道建设已延伸到地形、地质条件复杂的特殊地理气候区和山岭重丘区,如沙漠、黄土、冻土、膨胀土、岩溶等特殊地质地区,给公路建设、养护管理和生态环境保护造成极大困难。为解决这些世界级的技术难题,西部交通科研项目共安排51个项目,从勘察设计、施工、养护与管理、生态环境等方面开展系统研究,形成了6类特殊地质地区公路修筑成套技术,研究成果解决了长期想解决而没有解决的技术难题,降低了工程造价,确保了工程建设的质量与进度。
        全国有沙漠戈壁128.24万km2,占国土陆地总面积的13.3%,分布在新疆、内蒙古、青海、甘肃、陕西等省区,沙漠地区公路修筑技术研究形成了设计、施工、养护、质量检测等一系列成套技术,如提出了沙漠地区公路选线及线形设计参数,风积沙材料用于基层的改良加固技术、风沙环境下路基合理断面型式与填土高度、路基施工压实质量控制方法,并推荐了沙漠公路路基的结构型式;基于公路风蚀、沙埋等沙害成因分析及防护技术研究,初步建立了干旱、半干旱地区沙漠公路的防风固沙体系。
        西部地区黄土分布面积约64万km2,横跨陕、甘、宁、蒙、青等省区,黄土具有湿陷性和易溶蚀、易冲刷、各向异性等特点,给黄土地区公路建设带来许多困难。黄土地区公路修筑成套技术研究提出了黄土浸水对路基与边坡等构筑物影响的评价方法、黄土地基承载力的分类允许标准、公路暗穴防治措施、黄土路基压实标准、路基施工方法及工艺、湿陷性黄土地区湿陷病害防治技术等。交通部公路科学研究院王园等人针对黄土的公路工程病害,通过对黄土工程病害的系统研究,突破了人们通常所说的黄土病害的概念(主要是指亲水非分散的湿陷性黄土),提出了黄土病害的物理、化学致因分类体系。指出了憎水性黄土不具备公路工程的直接适用性。对于亲水性黄土虽然具备公路工程的适用性,但是多数类型的亲水性黄土具有潜在导致公路工程病害的风险。如物理分散性黄土可产生黄土液化,化学分散性黄土易导致严重的冲刷破坏,物理湿陷性黄土只要在地基的持力层范围或最大7日暴雨降水量的入渗深度范围进行正常压实就能满足工程应用的需要,化学湿陷性黄土则需进行特殊处理或特殊填筑工艺施工才能满足应用要求,物理湿胀(膨胀)性黄土必须进行化学改良或封闭隔离处理才能应用于公路工程等。
        我国多年冻土总面积达215万km2,占国土陆地面积23%。青藏高原是世界上唯一海拔高、纬度低的多年冻土地区,占我国冻土面积60%以上。多年冻土地区公路修建一直是世界性难题,“十五”西部交通建设科研项目设立了9个课题,开展了冻土地区路基合理断面结构型式、不同条件下冻土地区路面典型结构,形成了冻土地区路基施工及质量控制成套技术。
        膨胀土在我国分布广泛,尤其是广西、贵州、湖南、湖北等地均有大面积的膨胀土分布。膨胀土遇水膨胀,失水收缩的特性对公路建设危害甚大。“十五”西部交通建设科研项目对膨胀土地区公路修筑成套技术进行了研究,设立了4个项目,通过研究进一步掌握了膨胀土地基的强度和变形特性,改进了膨胀土地基处理方法与施工技术;绘制了我国各类膨胀土的区域分布图,编制了膨胀土地区公路工程地质勘察规程;形成膨胀土路基加固与防护技术,减少了西部公路建设中的膨胀土地质灾害。
        通过对我国红层分布和红层软岩的基本性质等关键技术问题研究,掌握了我国红层的形成背景;分布特征和各区域红层工程环境特征,提出的红层软岩边坡生态防护技术方法,应用于G315线重庆梁平至长寿等高速公路建设中,取得了良好的效果。
        我国岩溶地貌主要分布在广西、贵州、云南等省区,岩溶地区地质破碎、山体不稳,工程地质病害严重,给该地区公路建设带来许多困难。通过“十五”西部交通建设科研项目对岩溶地区公路修筑成套技术研究,明确了岩溶地区公路工程地质勘察中各种方法的适用条件,形成了一套较为完善的岩溶地区公路工程地质综合勘察技术体系,提出了岩溶地区公路工程稳定性综合评价理论和方法,形成了岩溶地区公路工程基础的设计与施工技术。
        盐渍土主要分布在新疆、青海、宁夏、甘肃等地,因盐渍化影响而形成的严重公路病害,使盐渍土地区公路的修建与养护面临着许多特殊问题。盐渍土地区公路修筑成套技术研究初步建立了盐渍土的盐胀影响模式,掌握了盐渍土路基的病害特征,在总结盐渍土地区路基病害防治技术的基础上,提出盐渍土地区路基稳定技术,形成了盐渍土地区公路翻浆处治技术。
        公路雪害防治成套技术研究在公路风吹雪雪害防治、雪害成因与预警、雪崩灾害与防治以及公路除雪及安全技术等4个方面开展研究,通过研究提出了有效的雪害防治技术,对公路建设和养护、保障公路畅通起到了指导性作用。建立了新疆天山果子沟区域雪崩灾害监测预报网络框架和数据库系统,建立了透风式挡雪墙、翼墙式挡雪墙、育草蓄雪网围栏及综合防治示范工程,完成了内蒙古、黑龙江公路风吹雪雪害区划以及公路风吹雪防治技术指南等。
        5)公路防灾减灾中的岩土工程
        易滑坡体致灾不但与坡体的类型、地质地貌、人类工程行为有关,而且还与气候气象、自然营力等因素有关。多数易滑坡体致灾都是多因素共同作用的结果。通常对自然坡体的防灾减灾是建立在人类对易滑坡体的认识基础之上,许多人们认知的自然易滑坡体在致灾前都能作出较好的防灾预报,最大限度地减少灾害损失。工程边坡的防灾减灾往往是人们忽视的对象,多数人都会错误的认为,只要对易滑工程坡体进行了工程加固,致灾的可能性就不大。事实不尽如此,无论是加固处治的何种公路边坡均有大量的滑坡失稳例证。虽然人们对自然界的认识水平在不断地提高,但是人类对大多数自然现象的认识还很肤浅。在这种背景下,减少工程边坡致灾损失的最有效办法,是对具有致灾可能的工程边坡进行监测预警。随着高速公路建设规模的不断扩大,小范围的边坡失稳,将会造成重大的灾害事故,这些都是公路保通运营管理者不可回避的管理风险,灾害赔付将是公路管理者的沉重负担。因此,工程边坡的监测预警是工程边坡防灾减灾的有效手段。
        西部地区特殊的地质条件,恶劣的天气变化导致交通基础设施频繁遭受滑坡、泥石流、水毁、雪害等灾害的侵袭,不仅造成公路阻断,而且危机公路的运营安全。“十五”期间重点开展了“西部地区公路地质灾害监测预报技术研究”和“三峡库区公路地质灾害防治等防灾减灾专项研究”,对公路地质灾害的监测预报进行了探索性研究,对易滑坡体进行了全面系统的研究,初步形成了公路沿线滑坡、泥石流等地质灾害的监测与预报、预防与处治的技术体系。研究工作重点针对公路建设的勘察设计阶段、施工阶段和建成运营阶段面临的不同工况,从公路地质灾害区划、崩滑流监测预报技术等多方面开展了岩石(土)体斜坡在降雨、人为活动的诱发下,崩滑流突发性地质灾害的成灾活动规律及其监测预报技术研究。在实施的依托工程上投资60多万元,对易滑坡体进行了多年时实监测和研究,取得了可喜的研究成果。

        3、公路岩土工程的可持续发展
        在公路建设的发展中,基础建设与生态建设并重的可持续发展战略对交通科技提出了更高的要求。我国地域辽阔,各地区经济发展水平不均,尤其是西部地区经济发展的总体水平低,自然资源优势明显,但大部分地区生态环境脆弱,水土流失严重,环境保护任务艰巨。西部地区公路具有高坡深谷、弯急坡陡的特点,严重交通事故频发。这些特点决定了西部交通建设必须考虑土地利用、生态环境保护、资源开发和交通安全等可持续发展问题。在“十五”期间,从规划、建设、运营的不同阶段,共列50个项目,开展了公路沿线地区生态保护和治理、交通安全应用技术、地质灾害防治、再生资源利用和新材料开发应用等研究。
        为落实可持续发展战略,结合西部地区脆弱生态环境的特点,依托川主寺至九寨沟公路、秦岭山区高速公路、常德至吉首高速公路、思茅至小勐养高速公路开展了环保与景观设计关键技术、路域生态工程技术等研究,实现了设计理念和方法的创新,在公路设计中引入生态学原理,注重公路功能和自然环境的和谐统一,保证了交通基础设施建设与生态建设的协调发展。另外,还开展了三江源区域环境治理、干旱半干旱地区高速公路沿线生态环境建设等关键技术研究。
        以打造生态高速公路为主体穿越秦岭的西(安)汉(中)高速公路,是我国第一条以生态保护、环境绿化为设计理念设计的高速公路。该公路北起户县涝峪口,南止勉县元墩。全长258.65km,全线根据地形条件分级设计行车速度60-100km/h,路基宽度20-26m,全封闭,全立交。公路穿越秦岭主山脉,山大沟深,地形条件复杂,桥梁隧道诸多,工程技术要求高,施工难度极大。工程总投资约134.5亿元,于2002年开工建设,计划2006年建成通车。该路将拉开我国绿色、环保高速公路建设新理念的序幕。此外,针对高速公路生态与环境保护,交通部西部交通科技研究项目立项多个科研课题。如“公路路域生态工程技术研究”、“公路石质边坡防护与环境保护的研究”等,对建设新型绿色、环保、生态公路起到了积极的促进作用。

        4、公路岩土工程问题研究任重道远
        岩土工程是实践性很强的学科领域,也是多学科高度汇集与交融的科学领域,理论与实践相结合是解决复杂岩土工程问题的有效途径。在公路工程实践中还应注重不同岩土结构的工程机制分析、岩土特性与工程的结合、定性分析与定量评价的结合。如:路堑及高边坡的开挖松弛区问题,高边坡病害加固工程结构的合理组合问题,不良工程填土的路用适应性及工程稳定技术问题,公路岩土结构工程的轻型化、机械化、快速施工问题,工业废渣路用及改良技术问题等。以不断提高我国公路岩土工程的理论与实践水平。
        不经历风雨,怎能见彩虹?不付出艰辛,怎能有收获?“雄关漫道真如铁,而今迈步从头越”,让我们肩负起历史赋予的新使命,以更加饱满的热情,更加高昂的斗志,去迎接新的挑战,谱写中国公路岩土工程科技的新篇章。