高速公路改擴(kuò)建高路堤拼接方案分析

任 劍

（太佳高速公路（呂梁段）建設(shè)管理處，山西 呂梁 033100）

在高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)中，高路堤拼接的方案對(duì)路線選線、土石方數(shù)量、保通設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)、工程工期、工程規(guī)模等方面均有重要影響[1]。合理的設(shè)計(jì)方案不僅對(duì)工程建設(shè)安全、質(zhì)量有保證，也可以控制工程規(guī)模，降低工程造價(jià)。因此，高路堤的拼接方案設(shè)計(jì)都是改擴(kuò)建項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)設(shè)計(jì)之一。

為此，本文以某高速公路擴(kuò)建項(xiàng)目為依托，對(duì)某一代表性工點(diǎn)設(shè)計(jì)了不同的路基拼寬方式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取巖土參數(shù)、建立有限元模型，對(duì)不同拼寬方式下的穩(wěn)定性和沉降進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)比穩(wěn)定性和沉降結(jié)果，確定了合理的拼寬方式，為高速公路改擴(kuò)建單側(cè)拼寬的設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。

1 工程概況

該改擴(kuò)建項(xiàng)目原有路基寬度為28 m，路基采用整體拼寬方式改造，改建后整體路基寬42 m，擴(kuò)建為八車道。原路基在K141+550—K141+670處屬于路堤，填土高度均大于20 m，該段落地面橫坡坡率陡于1∶2.5，本文主要針對(duì)該段高路堤方案進(jìn)行研究。

2 整體拼寬方式下的高路堤拼接方案

參考國(guó)內(nèi)外高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目[2]，并研究相關(guān)資料，提出以下4種高路堤拼接方案，路堤拼接方案比選表見(jiàn)表1。

a）方案一 平行拼接1。與一般路基一樣正常清表、削坡，然后放坡填土拼寬，即先拆除老路各級(jí)坡面圬工防護(hù)及排水設(shè)施，然后由下往上各級(jí)坡面清表、削坡、挖臺(tái)階及拼寬填筑，填筑后在拼寬坡面設(shè)置圬工防護(hù)及排水設(shè)施。

表1 路堤拼接方案比選表

b）方案二 平行拼接2。上部第一級(jí)與一般路基一樣正常清表、削坡，然后放坡填土拼寬，下部各級(jí)只清表不削坡，挖臺(tái)階直接拼寬填筑，其他施工工序與方案一相同。

c）方案三 設(shè)置擋土墻垂直拼接。在老路第二級(jí)坡面上設(shè)置擋土墻，擋墻施工完后對(duì)內(nèi)側(cè)的老路邊坡拆除坡面原排水及防護(hù)圬工，清除表層30 cm厚耕植土，削坡并開(kāi)挖臺(tái)階。

d）方案四 采用新型材料填筑垂直拼接。在老路第二級(jí)坡面上設(shè)置模板，模板內(nèi)采用新型材料——?dú)馀莼旌陷p質(zhì)土（簡(jiǎn)稱輕質(zhì)土或FCB，下同）垂直填筑。填筑前對(duì)模板內(nèi)的老路邊坡拆除坡面原排水及防護(hù)圬工，清除表層30 cm厚耕植土，削坡并開(kāi)挖臺(tái)階。

3 拼接方案比選設(shè)計(jì)

本路段高路堤位于路線右側(cè)單側(cè)拼寬路段，右側(cè)不存在不能平行擴(kuò)建的地形、地物。根據(jù)表1各方案特點(diǎn)分析可知，方案一、方案四較有優(yōu)勢(shì)，均可適用，下面結(jié)合工點(diǎn)具體情況對(duì)上述兩個(gè)方案進(jìn)行比選設(shè)計(jì)，確定本項(xiàng)目高路堤較優(yōu)的拼接方案。

3.1 工點(diǎn)概況

該老路路堤長(zhǎng)約120 m，呈近南北走向，路基中線處最大填方高度約20 m，邊坡最大高度26.8 m。通過(guò)鉆孔，原老路該處地基經(jīng)過(guò)換填處理，深度為至碎石土層頂約2.63 m。

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

平行拓寬方案路堤需進(jìn)行堤身穩(wěn)定性分析與沿老路坡面滑動(dòng)穩(wěn)定性分析，垂直拓寬方案因材料為混凝土現(xiàn)澆剛性材料，只需進(jìn)行沿路基拼接面滑動(dòng)穩(wěn)定性分析，其計(jì)算模型圖及巖土參數(shù)分別如表2、表3；圖1～圖3所示。

圖1 平行拓寬堤身穩(wěn)定性分析模型圖

圖2 平行拓寬沿路基拼接面滑動(dòng)穩(wěn)定性分析模型圖

表2 平行拓寬計(jì)算巖土體參數(shù)

圖3 垂直拓寬沿路基拼接面滑動(dòng)穩(wěn)定性分析模型圖

表3 垂直拓寬計(jì)算巖土體參數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算模型圖及巖土體參數(shù)，采用理正巖土計(jì)算軟件6.0版本計(jì)算得到穩(wěn)定性結(jié)果如表4所示。

表4 兩種方案穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

從穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)可以看出：

a）平行拼接和垂直拼接兩種方案穩(wěn)定性都符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，而且平行拼接方案穩(wěn)定性更優(yōu)于垂直拼接方案。

b）垂直拼接方案如果按照滑動(dòng)分析時(shí)，由于沒(méi)有考慮基礎(chǔ)埋深的抗滑影響，導(dǎo)致表中滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果偏小。

3.3 沉降計(jì)算

該高速公路通車已10年，根據(jù)相關(guān)資料，原有路基已基本穩(wěn)定，兩側(cè)拼接加寬以后，路基拼接加寬導(dǎo)致新老路基之間產(chǎn)生差異沉降，在路面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，其中主要是附加拉應(yīng)力，一旦拉應(yīng)力超過(guò)路面材料本身的容許強(qiáng)度，路面便會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。為了保證改建路面良好的使用功能，必須保證新老路基之間差異沉降不大于使路面結(jié)構(gòu)破壞的臨界值，即新老路基之間差異沉降的控制指標(biāo)。根據(jù)國(guó)內(nèi)其他改擴(kuò)建項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)及路基規(guī)范要求，提出本項(xiàng)目新老路基差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)如下：一是原有路基與拼寬路基的路拱橫坡坡度的工后增大值不應(yīng)大于0.5%；二是新、老路基之間的差異沉降不大于5 cm。上述標(biāo)準(zhǔn)為雙控指標(biāo)，即需同時(shí)滿足[3-6]。

根據(jù)工點(diǎn)的設(shè)計(jì)措施情況，對(duì)上述兩種拓寬方案下的路基進(jìn)行了沉降計(jì)算，由于換填碎石土層與天然地基的碎石土層密實(shí)度不一樣，計(jì)算模型中作為兩種土層進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 平行拼寬路面工后基準(zhǔn)期結(jié)束時(shí)地表盆形沉降簡(jiǎn)圖

圖5 垂直拼寬路面工后基準(zhǔn)期結(jié)束時(shí)地表盆形沉降簡(jiǎn)圖

根據(jù)上述兩種拼寬方式下的地表沉降計(jì)算簡(jiǎn)圖可知，路基拼寬后地表沉降最大值均發(fā)生在拼寬路基斷面近似形心處，垂直拼寬引起的老路中心附加沉降很小，平行拼寬方式引起的相對(duì)要大得多。兩種拼寬方式下基準(zhǔn)期結(jié)束時(shí)的新路基工后沉降、老路附加沉降及路面坡度變化值如表5所示。

表5 兩種方案沉降計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表5結(jié)果可知，兩種拼寬方式均可滿足要求，原因在于工點(diǎn)地質(zhì)條件相對(duì)較好（地表土為碎石土與基巖）。通過(guò)比較可知垂直拼寬方式具有明顯優(yōu)勢(shì)，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于平行方案，對(duì)于地質(zhì)條件相對(duì)較差的路段，采用泡沫輕質(zhì)土填筑垂直拼寬方式更能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)K141+550—K141+670段高路堤進(jìn)行4種方案必選后，得到以下結(jié)論：

a）該段高路堤采取平行拼接和垂直拼接方案穩(wěn)定性都符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，而且平行拼接方案穩(wěn)定性更優(yōu)于垂直拼接方案。

b）一般路基拼寬后地表沉降最大值均發(fā)生在拼寬路基斷面近似形心處，垂直拼寬引起的老路中心附加沉降很小，平行拼寬方式引起的相對(duì)要大得多。

c）經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，該段高路堤推薦采用泡沫輕質(zhì)土垂直填筑方案，該方案路基工后沉降、差異沉降、附加沉降及路面橫坡變化值等各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于平行方案，對(duì)于地質(zhì)條件相對(duì)較差的路段，采用泡沫輕質(zhì)土填筑垂直拼寬方式更能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。