高速公路新舊路基拼寬連接加固施工技術

郭 杰

（中交四公局第三工程有限公司，北京 100000）

1 項目背景

濟南至菏澤段高速公路改造擴建工程線路長153 km，實際施工長度為152 km。現階段運營中的路段為雙向4車道，由于交通壓力的增加，計劃改造擴建至雙向8車道，路面寬度提升至42 m，單向通行路寬達到21 m，改造建設方案預選為：兩側同時加寬，部分路段采用單側加寬[1]，高速公路設計速度120 km/h。濟南至菏澤段高速公路改造擴建工程主要難點是其地質結構復雜，且新舊路基沉降率不同導致路面存在裂縫。

2 舊路基現狀評價

2.1 舊路面路基現狀

分析舊路基修建原始資料得知，其路面結構層可以細分為原面層、水穩層和修補層，厚度70 cm～80 cm，全部采用水泥混凝土結構；路面結構缺陷多為斷裂、裂縫、破碎、剝落等。其中，路基的上部是一種黏稠的土層，厚度為1.0 m～10.4 m，其結構比較致密，略濕潤，沒有被水軟化；路基的下部主要是各種巖石層，包括紅砂巖、花崗巖等，略濕潤，沒有被水浸蝕；底層是可硬化的粉質黏土。整個線路的壩體相對穩定，只有極少數開挖段出現坍塌和虧坡。

2.2 舊路面路基病害評價

1）舊公路路面上出現了許多斷裂類型的裂縫（交叉形式、角隅形式、縱橫斜形式的裂縫），接縫傳荷能力為中、次區間的比例達70%，整體傳荷能力差，底板的脫空率超過25%，地基的支承均勻度低，無法充分發揮作用。

2）強風化的紅砂巖、全風化花崗巖填筑路基的壓實度未達到設計標準，壓實度為83.2%～95%，遠遠低于設計指標，無法滿足載荷需求。

3）舊公路路基土壤濕度較大，最低相對濕度達到19.78%，最高達到26.8%，開挖時的含水率比填方區高。路基按其干濕狀態不同，分為干燥、中濕、潮濕、過濕4類，本工程局部地區的路基土壤為干燥、中濕，其余地區為過濕。

4）舊公路的路基總體上比較穩定，沒有出現軟化等現象，壓實度較低，可以根據以后的檢查結果對舊路基進行處理。

5）經過多年的運行，舊路基承載能力嚴重下降，主要表現為路基過濕、壓實度降低等病害增多。

6）在不同的時期內，路基含水率由施工時的最佳含水率變為平衡含水率，而平衡含水率接近填料的塑限。隨著含水率的增加，填料的干密度逐漸減少，再加上車輛的作用，使彈性模量降低，從而使路基整體的剛度下降。

3 新舊路基拼接方案

3.1 軟土地基預處理

改建工程沿線填筑的路基基本分布在水塘和種植土范圍內，大部分為軟土發育、水位高，且地表清晰可見明水。軟土以淤泥質土壤為主，具有較高的自然水分，并呈現軟塑的形態，局部為流塑。軟土厚度為1.0 m～7.6 m，由于土壤質地松軟，其物理機械性能和承載力均較低，容易造成不均勻的地基沉降，對地基的穩定性產生不利影響。為了保證路基的穩定，減小路基的不均勻沉降，在軟弱地基上采取清淤換填和水泥攪拌樁的方法。

1）清淤換填施工。用鏟車或者挖掘機對軟弱土壤進行深挖，并對深挖后的底面進行平整，在軟土的基礎上，開挖的淤泥寬度應不低于路基的寬度，然后進行碎石回填。在回填區內不能摻雜軟土或水，以防止軟土摻入其中產生彈性或有缺陷的基底，并通過排水渠強化路基兩邊的排水效果[2-3]。使用推土機攤鋪石塊，并用碎石對細小縫隙進行填塞，當石塊和碎石鋪好后，先用壓路機壓1次，振搗3次，直至路基頂面穩定不下陷，無明顯輪痕。

2）水泥攪拌樁施工。在軟土現存厚度3 m以上的拓寬路段，應采用混凝土攪拌樁進行加固。通常混凝土攪拌樁采用直徑50 cm、間距80 cm的圓樁，將其平面呈等邊三角形進行排列，要求混凝土攪拌樁在軟土中垂直向下埋入50 cm。

3.2 舊路基增壓補強處理

3.2.1 沖擊增強補壓

1）當填土長度＞80 m、高度＞2 m，且在2.5 m深度范圍內無涵洞等結構時，可以采取沖擊加固措施，沖擊加強能夠實現增強補壓。

2）沖擊、碾壓是一種輔助手段，不能代替傳統的碾壓，在進行沖擊增強補壓之前，必須檢查平整度和壓實度，確定是否合格，合格后方能進行沖壓補強。

3）通常按2 m的寬度沖擊增強補壓1次，每次沖孔次數為20次，并根據測試結果確定。在沖擊增強補壓過程中，要注意錯輪，每輪沖5次后調轉方向。在每次沖擊增強補壓過程中，沉降量≤3 mm。

4）壓實完畢后，應對填筑地基進行平整、碾壓，并再次檢查其密實度。

5）在沖擊增強補壓過程中，注意不要損壞涵洞等建筑物。

6）為了確保沖擊增強補壓質量，最好使用自力式沖床，其質量必須≥15.5 t。在正式工作之前，需要對沖擊增強補壓設備進行試驗，以確保其符合工程的需要。

3.2.2 液壓沖擊補強

1）通常每填3層后要用液力打夯機進行加固，在加固過程中，注意夯錘與建筑物的間距＞30 cm，避免發生碰撞。

2）擴建段從一端到另一端的填方部分，沿著線路的方向繼續向前，然后從另一端沿著相反的方向返回。每一處的夯擊數應該為6次～9次。

3）每夯擊3次，即完成一輪夯擊，并以上一輪與本輪的沉降偏差＜10 mm為基礎進行夯擊，當檢測沉降＜10 mm時，可以結束夯擊。

4）在檢查和確定壓實度滿足要求后，清理因夯實而造成的虛土，并按路基的一般壓實要求進行平整和夯實。

3.2.3 羊足碾補強

1）對所有壓實度和平整度達到要求的路段，均可用羊足碾壓進行加固。需要注意的是，羊足碾不能達到壓路機的效果，如果僅使用羊足碾會造成壓實度達不到要求。

2）在采用羊足碾壓加固之前，根據試驗區段的施工情況確定具體的碾壓遍數，并在實際補強過程中嚴格執行，以此保證加固效果。

3）利用羊足碾壓完成后，用平板機對其進行平整，如有需要，可利用大型壓路機進行平整，大型壓路機整體性好、效率高。

4）羊足碾的使用應符合規定，若設計圖未特別規定，應按監理單位的施工要求進行。

3.3 新舊路基結合部土工格柵加筋處理

3.3.1 土工格柵鋪設方案

土工格柵的側向不變形特性將約束格室內填充物的橫向變形，使其具有較強的橫向極限和較大的剛度，可提高新舊路基接合處的承載力，以分散荷載，減少新舊路基接合處的不均勻沉降。在路基中間鋪筑的土工合成材料，其作用沒有鋪筑在路基底部和路床底部時的效果顯著，而且隨著鋪筑層數的增多，加筋效果的改善也不顯著。所以，在試驗區內進行了土工格柵的加固效果試驗，通過試驗比對可以得出土工格柵鋪設方案的合理性。試驗段采用一段右幅路基拓寬，長度100 m，填筑高度8.8 m。土工格室共鋪設3層，從下到上依次為D1，D2，D3，D1層位于路基的底端（路床頂面之下8.8 m）,D2層位于D1和D3層之間（路床頂面之下5.0 m）,D3層位于路底（路床頂面之下1.2 m），將土工格柵鋪在指定的階梯上。

3.3.2 應變測試結果及分析

路基土工格柵的加筋寬度為10 m，沿行車垂直方向在土工格柵內布設5個測點，每處設1個位移傳感器，3層土工格柵間共15處位移測量。最靠近舊路基的1#測試點在距離該層開挖臺階立面1.0 m處，1#～5#測點以間距2.0 m依次排列，最外5#測試點距該點已開挖的階梯立面9.0 m。采用JMDL撓性位移傳感器對土工格柵室內變形進行檢測，測試結果見圖1～圖3。

圖1 D1層格室應變

圖3 D3層格室應變

由圖1可知，1#～5#測試點的應變值隨填土高度的增大而增大，D1層頂部填土高度為7.6 m時，測試點的應變值最高；分段填土后，各測試點應變逐步降低到一定的水平。從1#～5#測試點變形量比較，1#測試點應變最小，5#測試點應變最大，即距離舊路基開挖后的臺階面越遠，變形量越大。

由圖2可知，1#～5#測試點應變值隨填土高度的增加而增大，D2層頂板在3 m～8 m處的應變值均為峰值；分段的填筑過程中，各個測試點應變都會逐步降低到一定的水平。通過與1#～5#測試點應變比較，發現3#測試點處（新路基中間）的變形量較大，在兩側測試點處的變形量則相對較低。

圖2 D2層格室應變

由圖3可知，1#～5#測試點應變值隨填土高度的增加而增大，D3層頂板在1.2 m處的應變值最大，隨后降低到一定的數值。從1#～5#測試點變形量比較，1#測試點變形最大，5#測試點最小，即越靠近舊路基開挖后的臺階面，變形量越大。

結果表明：土工格柵內的各個測試點隨填土高度的增加而增加，其變化速度與填土率呈顯著的相關性。在填筑過程中，由于地基的固結效果不佳，格間的應變存在“過盈”，在填筑完成后，格室不再受振動壓路機的影響，又回到了正常的變形狀態，因此應變數值穩定降低。在豎向對比的基礎上，D1層的最大應變、最小應變和平均應變最大，這一結果與以往的實驗結果一致，即在路基下面的格子結構可以承受最大的應力和最大應變。比較3層結構的最大應變出現部位，D1層的最大應變出現在5#測試點，中間D2層的最大應變出現在3#測試點，D3層的最大應變出現在1#測試點，這3個連線是加寬路基中最大的剪力區，連線的右上方和左下方都有滑移的傾向，土工格柵的加固可以阻止新舊路基的剪切滑移，減少新舊路基的不均勻沉降。

4 新舊路基變形觀測

通過實測新舊路基的沉降，對新舊路基的拼接效應進行分析，觀測結果見圖4~圖5。

圖4 新路基路表沉降最大點沉降歷時曲線

由圖4~圖5可知，在工程完工后，新路基表面的沉降率＜2 mm/月，路基表面的沉降基本趨于平穩。在舊路基填筑過程中，路表沉降率為5 mm/d，路表沉降控制在允許范圍內；隨著地基固結度的不斷增加,地基表面的沉降速率隨著時間的增長而減小,由于新路基的填土高度大于舊路基，新舊路基沉降差異會隨時間越來越小，在工程完工后，路表沉降速度＜2 mm/月，路面表面沉降趨于平穩，與新路基一側的沉降速度比較，差別不大，新舊路基結合效果良好。

圖5 舊路基路表沉降最大點沉降歷時曲線

5 結語

根據以上內容分析得出，在高速公路改建過程中，新舊路基與地基性質的不同，將造成新舊路基結合處出現不同的沉降，進而導致路基缺陷，新舊路基的沉降控制是影響道路改建工程質量的重要因素，采用合理的實驗能夠分析出最佳的施工方案，提高原有高速公路的擴建質量。本文結合某高速公路改建項目，對新舊路基拼寬加固中高速液力夯機加固技術和土工格柵的施工工藝進行了詳細的探討，以提高新舊路基拼寬加固的工程質量，確保工程順利進行。