いくらかハマってしまったのでメモ。
結論から言うと、VagrantではGATEWAYやNETWORKを設定する機能はない(こことここのIssueを参考)
というわけで、プロヴィジョニングでなんとかする。
Vagrantfile
...
config.vm.network "public_network", ip: '192.168.10.30' # アドレスは環境に合わせて変更してください
config.vm.provision "shell", inline: <<-SHELL
route del default
route add default gw 192.168.3.1 eth1 # アドレスは(略
SHELL
...
vagrant up --provision
で起動、vagrant reload --provision
で再起動、vagrant provision
でプロヴィジョニングだけ行う。