高速公路改擴建中路基加寬段差異沉降控制技術的應用

趙巖

（遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

20世紀初，我國開始了高速公路的建設，并在國民經濟中得到了快速的發展。建設初期，社會經濟條件較差，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無法適應社會發展和運輸的需要，因此，對原有的公路進行擴容刻不容緩。拓寬高速公路不僅可以有效緩解當前的交通壓力，而且可以降低投資成本。但公路加寬后經常出現路面開裂、橫坡變形、路基失穩等問題。其主要原因是在新老路基的拼裝施工中，工藝參數和施工條件復雜造成了新老路基的不同沉降[1]。目前，國內已經有一些公路拓寬的經驗，但是在理論上還不夠完善，在控制和緩解差異沉降、工程病害預報與控制方面，還沒有形成一套行之有效的理論，一些加寬工程處理技術并沒有取得良好的效果，在運行后不久就會發生路基失穩、路面開裂等病害。因此，必須結合工程的具體情況，重點關注新老路基的應力與變形特性、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、工程病害的出現提供預測和治理的理論指導，保障高速公路改擴建工程的施工質量。

1 高速公路改擴建中路基加寬段差異沉降產生的原因

1.1 新路基的壓實度未滿足要求

造成壓實度不足的原因主要有以下幾種：其一，受施工條件和技術水平的制約；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期內不能完全壓實，不能滿足相關的規范要求；其三，受土壤含水量等因素的影響和制約，壓實度達不到預期的目的；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出現壓實不足的情況。

1.2 新老路基產生的沉降變形不協調

一方面，由于基礎強度不夠，彈性模量相對較低，導致新老路基的沉降值持續增大，老路基在改建前就已完成固結沉降，而新路基才剛剛出現沉降，沉降值相對比較大。另一方面，新老路基的施工條件、填料類型和壓實度等因素對路基的加固效果有很大影響。老公路經通車運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發生沉降和變形。新路基的填筑過程往往需要較長的時間，在長期荷載作用下，由于不同填料的特性，新老路基的變形會不一致。

1.3 地基填充物控制標準

優質公路對地下環境質量的要求很高，對填充物和分級也有嚴格的控制標準，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配差異的影響很大，在地基的分層壓實中，顆粒尺寸較小的填充物和易于發生膨脹的軟雜質很難被壓實，在長期荷載作用下，路基在較小的范圍內會出現不同程度的沉降，嚴重時會造成路面塌陷；路基填充物的性能差異，會造成公路不平整，特別是在填充物具有膨脹性的情況下，路基滲水后會出現凸出和下陷[2]。

1.4 剛度不連續

路面結構有一定的寬度，尤其是在優質路面，它的頂面不能滿足水平排水，而且結構與地基的剛度也有很大差異，即使面對同樣的壓力，其變形也會有很大不同。一方面，由于混凝土的剛性遠大于土體，因此很可能發生不同程度的沉降，嚴重時會造成整體的變形；另一方面，某些差異沉降并不顯著的路段，在連續的外力作用下，路面和路基的上部會產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 高速公路改擴建中路基加寬段差異沉降控制的理論依據

2.1 差異沉降控制標準

通常情況下，公路的性能包括兩個方面：結構和功能。功能性表現了結構的承載力和破壞狀態，反映了環境和駕駛舒適性。因此，在新老路基沉降差異的控制中，應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太大，因此必須嚴格按有關公路施工技術規范進行縱向傾斜，在120km/h 的設計車速下，設計的垂直斜率必須達到3%。同時，在保證行車安全的前提下，對路面進行排水，必須在施工過程中設置橫向斜坡。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，故在軟土地基上進行基拱坡度時，應選用最大值，即公路路拱橫坡的高限2%。

2.2 差異沉降控制的難點與處理方法

擴建高速公路后，新老路基的銜接部位容易產生縱裂，造成這一問題的主要原因是老路基在長期沉降作用下，其穩定性比較好，由于施工進度、通行壓力等原因，新路基的穩定性不好。這種差異很可能造成公路結構層的額外載荷超過其本身的拉伸或界面強度，引起連續的縱向開裂，破壞結構層，從而造成其他路面問題。雨水從裂縫中滲透到地面，會侵蝕地面，為路面帶來各種各樣的損傷，從而降低公路的使用壽命，加大交通安全風險，增加公路養護費用。

如何有效地處理高速公路新老路基在連接部位產生的差異沉降是公路改造和擴建中急需解決的問題。在進行改建或擴建工程之前，需要對工程的初步設計進行試驗，并進行仔細的研究，一般可以采用基底處理、拋石擠淤、基底換填、堆載預壓、臺階開挖、鋪設相關土工格柵、老路削坡等技術方法。

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，從而使地基迅速下沉；采用復合地基處理方式，人工打樁施工復合地基，增加基礎承載力，防止發生較大面積的沉陷；在軟土厚度較淺的地段，采用拋石擠淤的辦法，對地基沉降現象進行治理。

第二，采用提高路基側壓實效果的有效措施，人為減少自然沉陷。采用重型夯擊機對土壤進行多次粉碎，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，以改善其壓實度，從而降低天然沉陷所需要的時間。

第三，采用挖掘臺階形式，分層填筑，在施工過程中鋪設相應的土工格柵，以增強新老路基的聯系[3]。經實踐，該技術不僅施工簡單、造價低廉，而且可以有效防止路基不均勻沉降。

第四，采用超限預壓法和交通控制措施對路基進行加固處理。根據路面實際情況，采用不同長度的超限預壓法提高路基側固結沉降速率；也可以在填土完成后進行交通控制，然后繼續施工。

第五，在公路工程中，應采用封層形式、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生。

3 高速公路改擴建中路基加寬段差異沉降控制技術的應用

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，且強度和穩定性較好的填料，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，其臺階寬度必須大于1m；對超過2m 的黏合表面進行加固加壓工藝，保證黏結部分的填料達到致密，并對接縫部分進行檢查；采用適當的土工合成材料，可以實現對路基的有效加固。

3.1.2 高、陡路堤

以輕質填料為主，采用土工合成材料加固，以確保壓實度，防止差異沉降；為確保基礎的穩定，在工程中必須充分考慮邊坡的質量，并在基坑底部放入土工合成材料，從而使基礎的穩定性得到改善；進行壩體和壩體之間的組合時，必須綜合考慮壩體的穩定性，壩體和地基的穩定性。采用不均衡的末端接頭，其安全系數應該在1.3 以上；在拼裝作業中，原有斜坡支撐是無法拆卸的，在拼裝和填筑期間，必須采用小型機械進行加固，并加固排水系統；在拼寬過程中，要進行動態監控，按實際需要，確定監控的具體路段和節點，并采取適當的監測手段。

3.1.3 軟土地基

在具體的施工中，要根據施工工期、地質條件和路基的高度，選取合適的處理方法。一般采用換填法、排水固結法、無排水砂墊層真空預壓法等方法。根據當地的地質情況，使用的建材、機械、設備等，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，必須拆除老路的原有邊溝，并進行清表、挖臺階、填土、壓實，加寬處地基的壓實率必須大于91%。為了保證地基的密實性，可以使用壓路機進行碾壓，具體的碾壓范圍是從底層第一級臺階內側至后坡腳外側3m[4]。若建筑物、管線、房屋等結構受地震影響較大，或部分實際長度小于100m，無法用沖壓法進行碾壓，則應用打夯機進行加固，并在加固區域以外挖出隔震溝。為了有效解決新老路基不均勻沉降問題，在壓實或夯壓后，必須使用高強度的土工格柵，并在梯級內側邊緣處設置。

3.2.2 特殊基礎

由于地下空間中存在著大量的黃土、軟土等劣質基礎，因此應采取措施降低新地下段對原有地下結構的影響，有效抑制老地下空間的不均勻沉降，避免產生地面上的縱裂。在處理軟土地基的過程中，要考慮公路安全、交通能力、服務水準，并要重視分辨率控制、清理后控制以及地下結構的穩定。在對軟土地基進行加固時，必須考慮地質條件、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，常用復合地基和快速補強的方法。在不同的基礎上，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，而且工期相對較短，因此可以采取復合地基處理，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 挖臺階設計

在新老路基的銜接設計中，一般采用臺階進行新老路基的連接，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行；在保證地基穩定的情況下，決定階梯開挖的尺寸。在進行路基加寬時，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，必須對臺階的寬度控制在1m 以上。在臺階開挖完畢后，分層進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，應適當加強補壓，以確保接縫緊密。

3.4 土工格柵加固設計

在各階梯頂和地基基礎上鋪設多層土工格柵，既可以減小由于地基固結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部的傳遞，使得新老路基的承載力均勻[5]。當土工格柵的設計應力超過某一值時，就會產生裂縫。施工時，事先對土工格柵進行預應力施加，使其在變形后才進行填筑，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隨其安裝位置的提高而提高，故在土工格柵施工時，應在路基的上部鋪設土工格柵（見圖1）。

圖1 常用的整體成型格柵

4 結語

總之，在進行高速公路加寬工程時，新老路基會出現不同的沉降。在設計和施工階段，通過減小差異沉降，將沉降值控制在一個合理的范圍之內，可以有效地解決這一問題。因此，首先應明確加寬路段的變形特征，其次結合拓寬路段的特點，確定合適的沉降控制標準，最后采取相應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定、路面開裂等問題，從而提高施工質量、提高施工的舒適度。