高速公路改擴(kuò)建中路基加寬段差異沉降控制技術(shù)的應(yīng)用

趙巖

（遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

20世紀(jì)初，我國開始了高速公路的建設(shè)，并在國民經(jīng)濟(jì)中得到了快速的發(fā)展。建設(shè)初期，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件較差，四車道公路是高速公路的主要形式。近幾年，隨著車流量不斷增加，四車道的高速公路已經(jīng)無法適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和運(yùn)輸?shù)男枰?，因此，?duì)原有的公路進(jìn)行擴(kuò)容刻不容緩。拓寬高速公路不僅可以有效緩解當(dāng)前的交通壓力，而且可以降低投資成本。但公路加寬后經(jīng)常出現(xiàn)路面開裂、橫坡變形、路基失穩(wěn)等問題。其主要原因是在新老路基的拼裝施工中，工藝參數(shù)和施工條件復(fù)雜造成了新老路基的不同沉降[1]。目前，國內(nèi)已經(jīng)有一些公路拓寬的經(jīng)驗(yàn)，但是在理論上還不夠完善，在控制和緩解差異沉降、工程病害預(yù)報(bào)與控制方面，還沒有形成一套行之有效的理論，一些加寬工程處理技術(shù)并沒有取得良好的效果，在運(yùn)行后不久就會(huì)發(fā)生路基失穩(wěn)、路面開裂等病害。因此，必須結(jié)合工程的具體情況，重點(diǎn)關(guān)注新老路基的應(yīng)力與變形特性、新老路基拼接處搭接、軟土地基處理等典型問題，探索更加科學(xué)合理的處治措施，為路基拓寬工程的施工工藝、工程病害的出現(xiàn)提供預(yù)測(cè)和治理的理論指導(dǎo)，保障高速公路改擴(kuò)建工程的施工質(zhì)量。

1 高速公路改擴(kuò)建中路基加寬段差異沉降產(chǎn)生的原因

1.1 新路基的壓實(shí)度未滿足要求

造成壓實(shí)度不足的原因主要有以下幾種：其一，受施工條件和技術(shù)水平的制約；其二，受工期和安全條件等因素的制約，新路基在較短的壓實(shí)期內(nèi)不能完全壓實(shí)，不能滿足相關(guān)的規(guī)范要求；其三，受土壤含水量等因素的影響和制約，壓實(shí)度達(dá)不到預(yù)期的目的；其四，在填筑過程中，為了確保工程的安全，路肩部位不可避免地會(huì)出現(xiàn)壓實(shí)不足的情況。

1.2 新老路基產(chǎn)生的沉降變形不協(xié)調(diào)

一方面，由于基礎(chǔ)強(qiáng)度不夠，彈性模量相對(duì)較低，導(dǎo)致新老路基的沉降值持續(xù)增大，老路基在改建前就已完成固結(jié)沉降，而新路基才剛剛出現(xiàn)沉降，沉降值相對(duì)比較大。另一方面，新老路基的施工條件、填料類型和壓實(shí)度等因素對(duì)路基的加固效果有很大影響。老公路經(jīng)通車運(yùn)行后已完成壓縮變形，沉降完成，但新建公路在工程完工后仍會(huì)發(fā)生沉降和變形。新路基的填筑過程往往需要較長的時(shí)間，在長期荷載作用下，由于不同填料的特性，新老路基的變形會(huì)不一致。

1.3 地基填充物控制標(biāo)準(zhǔn)

優(yōu)質(zhì)公路對(duì)地下環(huán)境質(zhì)量的要求很高，對(duì)填充物和分級(jí)也有嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，但是，由于人、自然等原因，不能滿足這些要求。地基填筑材料的性能和級(jí)配差異的影響很大，在地基的分層壓實(shí)中，顆粒尺寸較小的填充物和易于發(fā)生膨脹的軟雜質(zhì)很難被壓實(shí)，在長期荷載作用下，路基在較小的范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)不同程度的沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成路面塌陷；路基填充物的性能差異，會(huì)造成公路不平整，特別是在填充物具有膨脹性的情況下，路基滲水后會(huì)出現(xiàn)凸出和下陷[2]。

1.4 剛度不連續(xù)

路面結(jié)構(gòu)有一定的寬度，尤其是在優(yōu)質(zhì)路面，它的頂面不能滿足水平排水，而且結(jié)構(gòu)與地基的剛度也有很大差異，即使面對(duì)同樣的壓力，其變形也會(huì)有很大不同。一方面，由于混凝土的剛性遠(yuǎn)大于土體，因此很可能發(fā)生不同程度的沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成整體的變形；另一方面，某些差異沉降并不顯著的路段，在連續(xù)的外力作用下，路面和路基的上部會(huì)產(chǎn)生額外的張力和剪切，引起路面和地基上部的疲勞損傷，從而造成路基或路面裂縫，例如橋頭跳車等。

2 高速公路改擴(kuò)建中路基加寬段差異沉降控制的理論依據(jù)

2.1 差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

通常情況下，公路的性能包括兩個(gè)方面：結(jié)構(gòu)和功能。功能性表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的承載力和破壞狀態(tài)，反映了環(huán)境和駕駛舒適性。因此，在新老路基沉降差異的控制中，應(yīng)充分考慮公路的性能。一般情況下，改建公路的縱向變形不會(huì)太大，因此必須嚴(yán)格按有關(guān)公路施工技術(shù)規(guī)范進(jìn)行縱向傾斜，在120km/h 的設(shè)計(jì)車速下，設(shè)計(jì)的垂直斜率必須達(dá)到3%。同時(shí)，在保證行車安全的前提下，對(duì)路面進(jìn)行排水，必須在施工過程中設(shè)置橫向斜坡。由于新建成的高速公路路基中部的沉降值大于路基邊沿的沉降值，且其沉陷呈盆狀，故在軟土地基上進(jìn)行基拱坡度時(shí)，應(yīng)選用最大值，即公路路拱橫坡的高限2%。

2.2 差異沉降控制的難點(diǎn)與處理方法

擴(kuò)建高速公路后，新老路基的銜接部位容易產(chǎn)生縱裂，造成這一問題的主要原因是老路基在長期沉降作用下，其穩(wěn)定性比較好，由于施工進(jìn)度、通行壓力等原因，新路基的穩(wěn)定性不好。這種差異很可能造成公路結(jié)構(gòu)層的額外載荷超過其本身的拉伸或界面強(qiáng)度，引起連續(xù)的縱向開裂，破壞結(jié)構(gòu)層，從而造成其他路面問題。雨水從裂縫中滲透到地面，會(huì)侵蝕地面，為路面帶來各種各樣的損傷，從而降低公路的使用壽命，加大交通安全風(fēng)險(xiǎn)，增加公路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

如何有效地處理高速公路新老路基在連接部位產(chǎn)生的差異沉降是公路改造和擴(kuò)建中急需解決的問題。在進(jìn)行改建或擴(kuò)建工程之前，需要對(duì)工程的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)行仔細(xì)的研究，一般可以采用基底處理、拋石擠淤、基底換填、堆載預(yù)壓、臺(tái)階開挖、鋪設(shè)相關(guān)土工格柵、老路削坡等技術(shù)方法。

第一，基底的處理方法：采用塑料板排水法，其利用塑料板將基坑中的水分抽干，加快地基的固結(jié)，從而使地基迅速下沉；采用復(fù)合地基處理方式，人工打樁施工復(fù)合地基，增加基礎(chǔ)承載力，防止發(fā)生較大面積的沉陷；在軟土厚度較淺的地段，采用拋石擠淤的辦法，對(duì)地基沉降現(xiàn)象進(jìn)行治理。

第二，采用提高路基側(cè)壓實(shí)效果的有效措施，人為減少自然沉陷。采用重型夯擊機(jī)對(duì)土壤進(jìn)行多次粉碎，使其本身的孔隙度減小。此外，還可以采用不同的粗粒型物料來填充路基，以改善其壓實(shí)度，從而降低天然沉陷所需要的時(shí)間。

第三，采用挖掘臺(tái)階形式，分層填筑，在施工過程中鋪設(shè)相應(yīng)的土工格柵，以增強(qiáng)新老路基的聯(lián)系[3]。經(jīng)實(shí)踐，該技術(shù)不僅施工簡單、造價(jià)低廉，而且可以有效防止路基不均勻沉降。

第四，采用超限預(yù)壓法和交通控制措施對(duì)路基進(jìn)行加固處理。根據(jù)路面實(shí)際情況，采用不同長度的超限預(yù)壓法提高路基側(cè)固結(jié)沉降速率；也可以在填土完成后進(jìn)行交通控制，然后繼續(xù)施工。

第五，在公路工程中，應(yīng)采用封層形式、防滲層形式或在路面上再鋪一層防滲材料，防止地面積水的浸漬和腐蝕，從而減少公路病害的發(fā)生。

3 高速公路改擴(kuò)建中路基加寬段差異沉降控制技術(shù)的應(yīng)用

3.1 路基拼寬

3.1.1 一般路基

選用與老路基填料性能相近，且強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好的填料，用作新地基的填充物；在新老路基交界處，必須采用階梯法開挖舊路基，其臺(tái)階寬度必須大于1m；對(duì)超過2m 的黏合表面進(jìn)行加固加壓工藝，保證黏結(jié)部分的填料達(dá)到致密，并對(duì)接縫部分進(jìn)行檢查；采用適當(dāng)?shù)耐凉ず铣刹牧希梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)路基的有效加固。

3.1.2 高、陡路堤

以輕質(zhì)填料為主，采用土工合成材料加固，以確保壓實(shí)度，防止差異沉降；為確保基礎(chǔ)的穩(wěn)定，在工程中必須充分考慮邊坡的質(zhì)量，并在基坑底部放入土工合成材料，從而使基礎(chǔ)的穩(wěn)定性得到改善；進(jìn)行壩體和壩體之間的組合時(shí)，必須綜合考慮壩體的穩(wěn)定性，壩體和地基的穩(wěn)定性。采用不均衡的末端接頭，其安全系數(shù)應(yīng)該在1.3 以上；在拼裝作業(yè)中，原有斜坡支撐是無法拆卸的，在拼裝和填筑期間，必須采用小型機(jī)械進(jìn)行加固，并加固排水系統(tǒng)；在拼寬過程中，要進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，按實(shí)際需要，確定監(jiān)控的具體路段和節(jié)點(diǎn)，并采取適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)手段。

3.1.3 軟土地基

在具體的施工中，要根據(jù)施工工期、地質(zhì)條件和路基的高度，選取合適的處理方法。一般采用換填法、排水固結(jié)法、無排水砂墊層真空預(yù)壓法等方法。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況，使用的建材、機(jī)械、設(shè)備等，選擇合適的地基處理方式，使地基的彈性模量小于40MPa，并超出原路土基的回彈模量。

3.2 地基處理

3.2.1 一般地基

加寬路基時(shí)，必須拆除老路的原有邊溝，并進(jìn)行清表、挖臺(tái)階、填土、壓實(shí)，加寬處地基的壓實(shí)率必須大于91%。為了保證地基的密實(shí)性，可以使用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，具體的碾壓范圍是從底層第一級(jí)臺(tái)階內(nèi)側(cè)至后坡腳外側(cè)3m[4]。若建筑物、管線、房屋等結(jié)構(gòu)受地震影響較大，或部分實(shí)際長度小于100m，無法用沖壓法進(jìn)行碾壓，則應(yīng)用打夯機(jī)進(jìn)行加固，并在加固區(qū)域以外挖出隔震溝。為了有效解決新老路基不均勻沉降問題，在壓實(shí)或夯壓后，必須使用高強(qiáng)度的土工格柵，并在梯級(jí)內(nèi)側(cè)邊緣處設(shè)置。

3.2.2 特殊基礎(chǔ)

由于地下空間中存在著大量的黃土、軟土等劣質(zhì)基礎(chǔ)，因此應(yīng)采取措施降低新地下段對(duì)原有地下結(jié)構(gòu)的影響，有效抑制老地下空間的不均勻沉降，避免產(chǎn)生地面上的縱裂。在處理軟土地基的過程中，要考慮公路安全、交通能力、服務(wù)水準(zhǔn)，并要重視分辨率控制、清理后控制以及地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在對(duì)軟土地基進(jìn)行加固時(shí)，必須考慮地質(zhì)條件、地形條件、地下填充高度、膨脹方式以及填充物的種類等因素。處理軟土地基，常用復(fù)合地基和快速補(bǔ)強(qiáng)的方法。在不同的基礎(chǔ)上，可以采用合理的樁長、樁距等方法來控制不同的沉降。由于施工期間需要正常開放交通，而且工期相對(duì)較短，因此可以采取復(fù)合地基處理，這種處理方式簡單、效果明顯，可以有效地控制地基變形。

3.3 挖臺(tái)階設(shè)計(jì)

在新老路基的銜接設(shè)計(jì)中，一般采用臺(tái)階進(jìn)行新老路基的連接，這樣既能使新老路基更加牢固，又能使變形差異減小。比如，在施工過程中采取直接開挖法，由下至上，開挖與新路基地加寬填土交替進(jìn)行；在保證地基穩(wěn)定的情況下，決定階梯開挖的尺寸。在進(jìn)行路基加寬時(shí)，首先在老路面上開挖寬40cm 的舊路面，然后將舊路面改為斜坡，在施工期間，必須對(duì)臺(tái)階的寬度控制在1m 以上。在臺(tái)階開挖完畢后，分層進(jìn)行加寬段路基的分段填土。新老路基接合部的界面超過2m 時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)補(bǔ)壓，以確保接縫緊密。

3.4 土工格柵加固設(shè)計(jì)

在各階梯頂和地基基礎(chǔ)上鋪設(shè)多層土工格柵，既可以減小由于地基固結(jié)堵塞的不同而引起的不均勻沉降，也可以減小新路基的橫向位移，并在一定程度上減小上部荷載向內(nèi)部的傳遞，使得新老路基的承載力均勻[5]。當(dāng)土工格柵的設(shè)計(jì)應(yīng)力超過某一值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。施工時(shí)，事先對(duì)土工格柵進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加，使其在變形后才進(jìn)行填筑，可有效地避免了土工格柵的開裂。由于土工格柵的加固作用會(huì)隨其安裝位置的提高而提高，故在土工格柵施工時(shí)，應(yīng)在路基的上部鋪設(shè)土工格柵（見圖1）。

圖1 常用的整體成型格柵

4 結(jié)語

總之，在進(jìn)行高速公路加寬工程時(shí)，新老路基會(huì)出現(xiàn)不同的沉降。在設(shè)計(jì)和施工階段，通過減小差異沉降，將沉降值控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，可以有效地解決這一問題。因此，首先應(yīng)明確加寬路段的變形特征，其次結(jié)合拓寬路段的特點(diǎn)，確定合適的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，最后采取相應(yīng)措施來控制不同的沉降，如通過土工格柵加固等措施防止路基的不穩(wěn)定、路面開裂等問題，從而提高施工質(zhì)量、提高施工的舒適度。