摘要 為了探討道路低路堤路基設計的優(yōu)化方法及其應用，文章闡述了低路堤特點及控制因素，并分析了低路堤路基高度的計算方法。采用填高加權平均法確定低路堤的路基高度，結合工程實例，具體分析了低路堤的設計方案，并與高路堤路基方案進行了對比分析。結果表明：低路堤設計在減少工程規(guī)模、提高行車安全以及促進道路可持續(xù)發(fā)展方面具有顯著優(yōu)勢，其在具體工程應用中需根據地形地貌和工程需求靈活調整。

關鍵詞 道路工程；低路堤設計；路基高度；優(yōu)化方法

中圖分類號 U416.12文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0097-04

0 引言

道路低路堤路基設計在現代道路建設，特別是平原地區(qū)道路建設中，扮演著至關重要的角色。隨著人們交通需求的增長和對環(huán)境影響的日益關注，傳統(tǒng)的高路堤設計方法面臨著諸多挑戰(zhàn)，如占地面積大、成本高昂以及對生態(tài)環(huán)境的潛在破壞等。低路堤設計作為一種創(chuàng)新方案，重要性日益凸顯，不僅因為其能夠顯著降低工程規(guī)模和成本，還因為對環(huán)境的影響較小，有利于維護生態(tài)平衡。此外，低路堤在提升行車安全和舒適性方面也表現出色，能有效減少車輛在行駛中的潛在風險。因此，探討低路堤路基設計的優(yōu)化方法及其應用，不僅對于滿足現代道路交通的需求至關重要，也對促進道路建設的可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義。

1 低路堤路基特點

低路堤路基在道路建設中與高路堤路基相比具有以下優(yōu)點^[1]：

（1）減小工程規(guī)模，降低成本：在早期建設的平原區(qū)道路中，建筑安裝費用通常約占總造價的80%。隨著新的征地拆遷政策的實施，這一比例降至約67%。采用低路堤設計可以有效減少土方工作量和占用的土地面積。例如，某4車道市政道路，路基寬28 m，若路堤填土高度每降低1 m，則土方量可減少約18 000 m³/km，減少占地約3 335 m²，從而顯著降低整個項目的成本。此外，低路堤由于其恒載減小，能夠降低軟基處理費用、減少路基防護工程量以及縮短橋梁長度，進一步降低工程規(guī)模和投資。

（2）增強行車安全：低路堤的設計有利于降低工后沉降，使行車更加舒適。在發(fā)生交通事故時，由于路基較低，可能造成的損失也相對較小。此外，低路堤的緩坡邊設計可以形成安全緩沖區(qū)，進一步提升行車的安全性。

（3）促進道路可持續(xù)發(fā)展：在經濟較為發(fā)達的平原地區(qū)，由于交通需求迅速增長，道路密度不斷加大。高路堤后續(xù)的道路規(guī)劃中往往會有一定的困難，特別是在上跨設計方面。此外，隨著交通量的增長速度超過預測，許多道路在投入使用后不久便需要考慮擴建，而低路堤設計在擴建項目中提供了更大的靈活性和便利性。

然而，低路堤的設計和實施在一些方面也存在問題，主要有：在某些情況下，實施上跨的難度很大，有時甚至無法實施，最終不得不改為主線上跨，重新回到高路堤的設計；低路堤可能導致通道排水困難，進而影響道路表面的完整性和可通行性；涵洞可能因積水和淤塞而無法正常發(fā)揮功能；低路堤可能導致路基和路面的整體強度不足，從而減少道路的使用壽命。

2 低路堤路基設計的控制因素

在低路堤路基設計過程中，為了確保設計的有效性和可靠性，主要采用以下控制因素^[2-3]：

（1）充分利用地質條件：設計時要充分考慮工程地區(qū)的地質條件。在地基堅實、地下水位較深且地表排水良好的區(qū)域，應盡量降低路基的填筑高度并減小邊坡角度。這不僅有助于減少不必要的填方作業(yè)，而且可以顯著降低整體的工程成本，同時避免由于地質信息不明確而造成的資源浪費。

（2）優(yōu)化橫向穿越結構的布置：橫向穿越結構，包括跨線橋和下穿通道，是低路堤設計中的一個重要組成部分。應根據交叉道路的性質和交通流量，在必要地段采用合適的橫向穿越方式。例如，在以汽車通行為主的道路或挖方路段，優(yōu)先考慮支線上跨方式，以解決路基填土高度問題。這些橫向結構的數量和類型直接影響道路的整體填土高度。

（3）應用置換法調整路基高度：在地下水位高或存在凍融循環(huán)等復雜水文地質條件的地區(qū)，可通過置換法來調整路基高度。這種方法通常涉及將土壤替換為碎石等透水材料，從而降低路基的高度。雖然此法的初期投資較高，但最終能帶來更高的道路整體效益，尤其是在經濟條件較好的地區(qū)。

（4）整治和合并河道：與水利部門合作，對河流進行整治和合并，尤其是那些不再用于航運的小河流。在跨越這些河流時，可以用涵洞替代橋梁，即使在排洪要求較高的河流中，去除航運需求后也能顯著降低橋梁的高度。

（5）采用低建筑高度的結構：在橋梁和涵洞設計中，應根據水文數據精確計算設計流量，保留足夠的凈空高度。優(yōu)先選擇預應力混凝土板梁或標準化裝配式結構作為橋梁上部結構，這些結構有助于降低橋涵的整體高度。同時，在材料選擇上，盡可能使用高強度材料，以進一步降低結構的高度。

3 工程概況

某道路工程位于我國北方典型黃河沖積平原地區(qū)，路線全長60.24 km，地形起伏不大，高差保持在8 m以內。道路設計采用雙向4車道，設計速度為120 km/h，路基寬度為28 m。當地為平原微丘區(qū)，地形較為平坦，人口稠密，農業(yè)活動頻繁，因此土地資源極為寶貴。道路設計時需要考慮多種因素，包括構造物的凈空高度、路基設計的洪水頻率、路基的干濕狀態(tài)以及橫向交通流。通常，該地區(qū)的道路建設傾向于使用具有一定高度的路堤，而較少采用主線下挖、低填路堤、高架橋或地下高速等方案。這種做法雖然在某種程度上方便了交通流動，但也導致了道路填土高度較高，從而引發(fā)了大規(guī)模的土地挖掘和填充，增加了工程量和建設成本。更重要的是，這種做法在一定程度上破壞了自然環(huán)境和生態(tài)平衡。

4 低路堤路基方案設計

在平原區(qū)的道路設計中，通常采用較高的路堤方案，其中路堤填土高度一般超過3 m。該項目地處平原區(qū)，對高路堤和低路堤方案進行比較分析。

4.1 高路堤方案

通過設置通道，該方案有效解決了沿線交叉道路的橫穿問題，對現有路網的影響較小并符合當地居民的出行習慣，使得工程實施的難度相對較低。由于設置的天橋數量較少，主線上的行車視野相對開闊。然而，高路堤方案也存在一些缺點：一是由于路基填高較大，容易導致路基不均勻沉降、橋頭跳車現象，增加了施工質量控制的難度。二是在運營期間，道路可能出現更多的維護問題，導致維修和養(yǎng)護成本增加。三是較高的路基在發(fā)生交通事故時可能導致更嚴重的后果，特別是車輛沖出路堤時。

4.2 低路堤方案

在考慮低路堤方案時，需要結合項目的具體情況。首先，低路堤設計能夠根據地形特點在適當的路段降低路堤高度，通過天橋上跨交叉道路，同時在難以實施的路段維持主線上跨。這種方法不僅與沿線的自然地理特征更加協(xié)調，還實現了人與自然環(huán)境的和諧共生，同時，路堤高低相結合的設計也使得道路景觀更加多樣化，提高了駕駛的舒適性。其次，較低的路基填高減少了路堤不均勻沉降、橋頭跳車等問題，從而降低了工程實施的難度。最后，低路堤方案對行車安全性的提升也非常有利，能有效避免嚴重的交通事故。然而，低路堤方案也存在一些不足之處：首先，由于需要以天橋形式上跨被交道路，可能會增加項目的總體投資。其次，增加的上跨天橋可能會影響主線的行車視線。此外，合并設置的某些橫跨道路天橋可能導致被交道路需要繞行，這對于習慣于平地行走、機械化程度較低的當地居民可能造成不便，甚至可能導致工程進展受阻。

4.3 低路堤路基高度的確定

在確定低路堤路基高度時，通常采用填高加權平均法^[4-5]。考慮道路沿線各個點的地形和地物變化，使得每個測點處的路堤填高具有不同的權重。具體計算時，路線中的樁點放樣會根據地形變化進行調整，從而影響每個樁點處路堤填高的權重。計算公式如下：

填高加權平均法考慮了路段間距離的權重變化，能更準確地反映駕駛者在道路上的視覺感受，在科學性和合理性方面表現更佳，通常被推薦用于實際計算，同時應注意不扣除路段中的橋梁、主線上跨的分離式立交橋和互通式立交橋等特殊結構的長度。該項目全線共劃分為14個路段，各路段路基高度及全線路基平均填高如表1所示。

4.4 低路堤路基方案設計要點

為了降低路基的填高，實現對土地資源的節(jié)約和可持續(xù)利用，通常對構造物優(yōu)化設置，取消或重構橫向通道涵洞并適當調整主線的高度以減少通道的凈空。此外，設計還可以考慮將主線上跨改為支線上跨，以進一步減少土地的使用。低路堤不僅有助于減少土地占用，還能提升道路使用的安全性和舒適性，也會使道路景觀與周圍的自然環(huán)境更加和諧統(tǒng)一。與傳統(tǒng)的路基設計相比，低路堤設計更注重在特定措施的應用后，表現出與傳統(tǒng)設計的差異化。

（1）選擇合適的路段。選擇時應考慮技術的可行性和兩側交流的便利性，以確保綜合效益的最大化。因此，在選擇低路堤路段時，應避免地質條件不佳、溝塘密集、地下水位高以及易發(fā)生內澇的地區(qū)，同時也應規(guī)避城鎮(zhèn)、村莊或開發(fā)區(qū)等橫向通道密集的路段。理想的低路堤路段應該是那些沒有大型立交橋或橋梁的主線路段，或者是那些通道涵洞較少的地區(qū)。在該項目中，B線被選為低路堤設計的理想區(qū)域。這一段位于遠離村莊的地區(qū)，路網相對較少且缺乏橋梁和立交橋結構，涵洞的數量也相對較少。B線段與K線平行，其樁號范圍為BK17+700～BK23+000，全長約為5.3 km。通過減少土地占用和優(yōu)化道路設計，促進土地資源的可持續(xù)發(fā)展，同時提高道路的安全性和環(huán)境友好性。

（2）對沿線的設計控制參數進行細致調查。對農用機械的高度、溝渠的排灌需求以及設計水位進行全面評估?？紤]平原區(qū)的農業(yè)已經實現了規(guī)模化和機械化，沿途的主要農用機械和車輛的尺寸測量成為關鍵因素。此外，涵洞的設計尺寸也應根據排水和灌溉的需求、農田水利管理計劃來確定。由于平原區(qū)地形的平坦特性，當地的排水通常較為困難，因此在設計時，路基的高度需要滿足特定的洪水頻率標準。在行洪區(qū)、圩區(qū)或易發(fā)生內澇的區(qū)域，設計水位的確定應基于綜合調查和洪水評估數據。該項目沿線區(qū)域的農業(yè)收割機高度范圍在2.5～3.6 m之間。該地區(qū)不存在內澇水位問題，這在一定程度上簡化了設計過程中的水位管理和排水設計。綜合考量后，低路堤路基設計能夠更好地適應當地的實際條件和需求，確保了道路設計的合理性和實用性。

（3）減小構造物規(guī)模并優(yōu)化其數量，同時對支線上跨進行合理規(guī)劃。為實現這一目標，需要進行全面的區(qū)域路網分析，包括現有交通規(guī)劃和當地居民出行習慣?；谶@些信息，可以采取如下措施：縮減分離立交的規(guī)模，將橋梁改為涵洞并減少通道涵洞的數量。此外，通過下挖工程，可以降低通道涵洞的頂部高度，減小其凈空高度。

考慮支線上跨可能與當地居民的出行方式不太匹配，特別是在以步行和非機動車為主的農業(yè)區(qū)域，上下坡可能造成不便并影響交通安全。因此，在設計支線上跨時需特別謹慎。通常情況下，平原區(qū)的居民更傾向于在原有路線上設置過路通道，若無法實現，則可能選擇短距離繞行。在必須設置支線上跨的情況下，應仔細考慮其位置和接線設計，以盡量減少對土地的占用和對環(huán)境的影響。例如，可以使用擋墻技術來縮減坡腳所需空間，同時確?？v坡達到規(guī)范要求并充分考慮安全措施，以最大限度地減小工程規(guī)模。針對該項目的B線，相較于K線，已經核減了4座通道，并且在B線和K線上均沒有設置支線上跨。這種設計選擇符合低路堤路基設計初衷，即降低土地使用和保護環(huán)境，同時考慮當地居民的實際出行需求和習慣。低路堤路基設計能夠在滿足基礎交通需求的同時，最大限度地減少對環(huán)境的影響。

（4）在實施低路堤路基設計時，對于是否在取消的通道位置設置涵洞進行細致核查和評估至關重要。特別是在農業(yè)發(fā)達的平原區(qū)，排水和灌溉系統(tǒng)的有效性對當地居民生活和農業(yè)生產至關重要。由于該地區(qū)存在沿路挖渠的長期習慣，確保水系暢通尤為重要。因此，在減少部分通道的同時，應通過外業(yè)調查來確定是否需要在這些地方增設涵洞，以確保不影響周邊區(qū)域的水利需求。在該項目B線中，與K線相比，減少4座通道。為了滿足該地區(qū)排水灌溉需求，增設3座直徑為1.5 m的圓管涵洞，這樣不僅符合地區(qū)的水利需求，還能保持道路設計的連續(xù)性和效率，既考慮了地區(qū)的農業(yè)特性，又確保了交通基礎設施的有效性和持續(xù)性。

（5）在低路堤路基設計的過程中，主線縱斷面的調整要根據已經修改的構造物的凈空和水位要求進行，對每個構造物的凈空進行仔細復核，并基于這些數據來計算出最低可接受的設計高度，將其作為主要的設計控制標準，進而影響整個縱斷面的設計。

在坡長的設計上，應遵循“短坡長”原則，盡可能地減少坡度的長度，從而避免過高的填土。建議根據不同構造物的數量和類型，坡長控制在400～700 m。在平原區(qū)，由于地形的平緩特性，道路的縱坡設計通常也較為平緩。然而，低路堤設計的核心目標是減少路基的填高，因此在確保所有必要的安全準則和舒適性前提下，適當增加縱坡的坡度是可取的。這樣做不僅符合“快起快落”的設計理念，還能充分發(fā)揮低路堤設計的優(yōu)勢。針對該項目B線，最大縱坡被設為1.8%，坡長平均為530 m，設計既考慮了地形的自然特點，又能滿足低路堤路基設計目標，有效減少了對土地資源的占用，實現了整個項目的環(huán)境友好性。

（6）加強道路通道的排水設計，可以采取以下具體的排水措施：首先，針對該地區(qū)特有的地下水位較深和砂性土壤的高滲透性特點，在通道附近的溝渠底部設置下滲井，以利用這些地質優(yōu)勢來提高排水效率。其次，在通道的出入口處，尤其是在一定的范圍內，建議安裝防水雨棚，以減少雨水對道路的直接沖刷和積水。此外，對于采用下挖方式建設的通道，建議在其進出口處設置適當的反向縱坡，以阻止周邊道路的積水流入通道，從而保持通道的干燥和暢通，如圖1～3所示。

經過上述的排水和設計調整措施，道路路基設計得到了顯著改善。在全線路段中，約有25.65 km的路堤填土平均高度為3.46 m，其余34.59 km路段的路堤填土平均高度則降低到1.74 m。特別是在K16+400～K26+400路段中，路堤平均填高接近1 m，而在經過沙崗的一些特定區(qū)域，路堤甚至實現了零填挖，全線路堤的平均填土高度（扣除了路面結構的0.72 m）從原先的3.37 m降低到了2.43 m，不僅使路線的平面和縱向線性更加協(xié)調，還使道路與周邊環(huán)境的融合更加和諧，使整體設計更趨合理。

5 結語

綜上，該文依托工程實例，主要研究了低路堤路基設計在道路建設中的應用，分析了低路堤設計的特點以及關鍵控制因素。通過對某道路工程低路堤路基設計進行具體分析，對比分析了高路堤和低路堤方案，可以看出低路堤設計在降低工程規(guī)模、控制成本、提升行車安全以及促進環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展方面具有顯著優(yōu)勢，尤其在人口密集的平原區(qū)，低路堤方案能更好地適應地形地貌，減少對環(huán)境的干擾，同時提高道路的安全性和舒適性。

參考文獻

[1]李元新. 平原區(qū)高速公路低路堤設計研究[J]. 河南科技， 2021（3）： 88-91.

[2]孫任之. 平原區(qū)高速公路低路堤設計方案比選案例分析[J]. 工程與建設， 2020（3）： 499-501.

[3]胡兵華. 山區(qū)高速公路高填方路堤設計分析探討[J]. 交通建設與管理， 2021（4）： 94-95.

[4]陳愿. 交通荷載對城市道路低路堤的影響研究[J]. 工程技術研究， 2022（24）： 18-20.

[5]徐敬業(yè)， 徐林榮， 張亮亮. 高速公路低路堤路基服役狀態(tài)風險評估[J]. 土木與環(huán)境工程學報（中英文）， 2020（4）： 36-43.

收稿日期：2023-09-15

作者簡介：楊為忠（1990—），男，本科，工程師，研究方向：道路低路堤設計研究。