高速公路路橋過渡段施工技術研究

王興曄 楊明好

（1 中國建筑土木建設有限公司；2 中國建筑第八工程局有限公司）

高速公路路橋過渡段的“橋頭跳車”是影響高速公路行車安全的潛在風險。國際學界的諸多研究學者，針對高速公路過渡段的潛在風險進行了研究探討[1]。如美國、加拿大等發達國家自1960 年起針對公路橋段過渡以及橋頭引道山的定居點展開研究；日本提出應對高速公路路橋過渡段的措施，該過渡段建在軟土地基上；德國在橋頭路基的調查方面，利用臺背調料預壓要求進行了聯合研究。1990 年起，我國在改革開放背景下經濟得到高速發展，各地的交通壓力逐步增加，開始大規模建設高速公路[2]。由于施工條件、施工技術以及設計方案等諸多因素影響，21 世紀前的高速公路設計往往存在橋頭路基沉降問題、“橋頭跳車”現象屢見不鮮。此后，為了解決“橋頭跳車”問題我國進行了大量研究與問題分析[3]。1996 年，我國交通部首次頒布了《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范盜》，將道路和橋梁過渡段的沉降允許值在制度層面上進行嚴格規定[4]。之后，我國針對氣泡混合輕質土、復合地基、剛柔過渡等方面制定諸多方案，極大程度上減少了道路過渡段的不均勻沉降問題。2000 年起，我國在高速鐵路建設技術上取得極為顯著的成就，研究突破性進展明顯。在高速公路穿越段施工過程中，軟土受軟土流動性和不穩定性的影響，在公路施工過程中會出現不均勻沉降、路面斷裂、工期延誤等情況，需要對軟土進行地基加固[5]。在高速公路過路段施工時遭遇軟土會受軟土土質流動性和不穩定性的影響，引發道路施工不均勻沉降、路面斷裂、工期延遲等情況，需要對軟土進行地基加固，目前軟弱地基加固方法分為兩種，一種是采用大規模填土、換土的方法，雖然加固效果較好，但具有施工周期長、成本投入高、后期養護成本高等缺陷；另一種是在軟弱地基中增設橫向樁體進行加固，通過樁體對軟土的擠壓和換置效果，增強軟弱地基的荷載能力，具有加固效果顯著、成本投入低的應用優勢[6]。水泥攪拌樁、素混凝土樁以及CFG樁等常規方式在軟土埋深大于20m的深厚土層區穿透作業阻礙較多，施工難度較大[7]。沉降深厚軟土地區路橋過渡段為了滿足規范要求，確保施工的穩定進行，必須要采取針對性措施，對路橋過渡段存在的差異性沉降進行協調處置[8]。本文通過對實際案例研究，結合深巴路橋過渡段差異沉降控制過渡方案分層次制定出剛性、柔性以及剛柔結合三部分，基于MIDASGTSNX 軟件的有限元模型進行對比研究，以期為類似工況提供借鑒。

1 工程實例

1.1 工程概況

⑴工程名稱：遼寧省大連市甘井子區某沿海高速公路建設工程。

⑵工程規模：該高速公路建設工程為雙向四車道公路，總長度約為3.8km，平均寬度約為18m，路基頂寬30m，底寬39m，其中路橋過渡段的軟弱地基路段長度約為20m，軟基處理深度23.5m。

⑶工程地基要求：要求地基承載力大于200kpa、平面傾斜角度小于0.001°。

⑷填方路基情況：該填方路基寬度約為18m。填方率約1:1.5，填方高度為7.5m（第一次填筑4m，第二次填筑3.5m），路基填土厚度3.0m。

1.2 地基土性

該高速公路建設工程的路橋過渡段軟弱地基位于遼寧省大連市甘井子區臨海區域，土質較為特殊，根據鉆探結果顯示，該場地經過填海造陸吹填工作形成，基礎地基分為七層，屬于典型的深厚軟基地基類型，第一層基礎表面層；第二層主要由粉質黏土混砂構成，厚度約為8m；第三層主要由淤泥質粉質黏土構成，厚度約為3m；第四層主要由含砂質黏土構成，厚度約為3.5m；第五層主要由淤泥混砂構成，厚度約為5m；第六層主要由粉質黏土構成。厚度約為2.5m；第七層主要由粗砂構成，厚度約為1.5m，各土層物理力學性質見表1。

表1 各土層物理力學性質

2 基于MIDASGTSNX的施工方案研究

文章使用MIDASGTSNX 軟件建立有限元模型，MIDASGTSNX 軟件是針對二維、三維巖土工程的建模分析軟件，具有靜力施工階段分析，邊坡分析，滲流固結分析，動力分析等功能，廣泛應用于隧道工程計算、橋梁工程計算、市政地鐵站計算、礦山隧道計算、荷載結構計算等領域，能夠通過其豐富的材料模型資源庫，有效結合實際工況，以統一時間軸為基準，模擬軟弱地基使用不同的樁后的排水固結沉降狀態[9]。

2.1 剛性過渡方案

剛性過渡方案參考軟基處理方案，路橋過渡段采取剛性方案，主要利用剛性樁作為豎向配筋，確保材料的硬度與剛性。剛性樁山的組成部分包括尼、鉆孔灌注樁、管樁等，因為鉆孔灌注樁的造價成本較高、體量大、施工難度高，多數情況下只會應用于橋梁樁基方面。復合地基的處理采用預應力管樁，樁徑小、強度高[10]。

2.1.1 適用范圍

剛性樁的優勢較為顯著，劣勢也較為明顯，包括材料成本高、造價高、處理深度大等，一般情況下適用于軟土地基等高路堤段，與局部變形大、變形要求嚴格的路堤連接段或橋頭渠道也較為適配。

2.1.2 施工方案

本項目軟土縱深，橋梁采用鉆孔灌注樁基礎，路橋過渡段的地基類型選擇主要為預應力管樁復核地基房型布置，管樁之間間距保持在平均2.5m 距離。管樁選用A型樁，直徑md=400mm、壁厚t=95mm、混凝土強度等級C80、彈性模量38000MPa。為避免樁頂貫入產生破壞，預應力管樁樁頂在發揮單樁承載力的同時需在樁頂設置混凝土托板，托板類型為C30，規格為1.2m×1.2m×0.35m，在托板上部鋪設50cm～65cm的厚碎石墊層。

2.1.3 沉降計算

樁帽刺入量s1、樁底刺入量s2和下臥層沉降s3是剛性樁復合地基的總沉降數據涵蓋層，計算方法應按照《遼寧省公路軟土地基設計與施工技術規定》進行計算。沉降計算詳情見表2。

表2 預應力管樁復合地基沉降計算表

根據表2 的相關數據可知，剛性樁的復合地基總沉降數值與剛性樁樁長、下臥層沉降存在直接聯系。尤其是樁長處于強風化巖石階段后，樁底刺入量以及下臥層隨著路橋過渡段樁長小于樁帽刺入量。當路橋過渡段樁長施工后從橋頭處漸變，沉降深度由23.03mm 漸變增加為85.43mm。

2.2 柔性過渡方案

柔性過渡方案采取的樁位為柔性樁，指的是低級的軟處理方案，主要利用水泥攪拌樁等柔性樁作為預壓處理基礎。

2.2.1 適用范圍

柔性過渡解決方案因為輕質填充材料的結合使用，減少了附加荷載，如果地表形成硬殼層，且此硬殼層形成了一定厚度后可避免深軟基處理。適用于橋頭、加寬、墻后等路基填土不厚、附加荷載小或路堤質量要求大幅度降低的地段。當橋頭軟土山硬殼層較薄、承載力較低時，一般先對表層軟土進行加固或對一定深度的軟基進行處理，再進行氣泡混合輕質土式填土。

2.2.2 施工方案

由于軟土水深，路堤填土厚度較小，一般軟土段利用真空聯合堆載預壓法。如果采用剛性樁復合地基很容易造成地面隆起。在橋頭路段真空預壓后填筑氣泡混合輕質土，利用真空預壓的各項顯著性優勢，減少處理成本、夯實加固效果。與此同時，利用氣泡混合輕質的優勢特點，底層設置透水砂墊層減少土層重量與附應力重力，透水砂墊層外還需要著重設置防滲土工布并立膜澆筑。

2.3 剛-柔結合過渡方案

剛柔過渡方案一般采用長短樁組合，介于剛性方案與柔性方案之間，具有一定的包容性與中心性。剛柔過渡方案長樁為剛性樁，增強路段過渡段施工的承載應力，并在軟土層穿透后持續進入持力層，減少施工沉降。短樁為柔性樁，因為短樁性能發揮不需要傳統軟土層，只需要提高樁間土承載力進行軟土層加固即可。剛柔過渡方案結合了剛性方案與柔性方案的優勢特點，一方面保證了剛性承載力與處理深度，另一方面也減少了施工造價，增加了施工便捷性。

2.3.1 適用范圍

剛－柔過渡方案一般適用于軟土地基山深處有大型荷載、變形要求嚴格的高路堤段、橋頭或渠道與路堤連接段。

2.3.2 施工方案

本工程選取樁長在15～20m 的雙向水泥攪拌樁，不需要進行軟土層穿越作業。橋梁基礎為中風化花崗巖，利用鉆孔灌注樁土的方式確保樁尖進入橋梁基礎。為了實現路橋沉降的協調處理，一般情況下施工方案可采取長短樁符合地基方案作針對性選取管樁。長樁的方樁布置應采取C80 等級混凝土、管徑0.4m 的預應力管樁，樁間距保持在3m 左右，頂部設置正方形等比例混凝土托板。路橋過渡段橋臺附近的管樁樁長進入軟土層深度較深，需要采用漸變樁長。路橋過渡段采用漸變樁型實現沉降段的平穩過渡。

2.3.3 沉降計算

剛–柔結合過渡方案的沉降主要由剛性樁控制，沉降計算詳見表3。

從表3 相關數據可知，下臥層沉降與剛性樁樁長呈正比例直接關系，即剛性樁樁長增加帶動著下臥層的沉降深度。路橋過渡段在變樁長布置時樁長與工后沉降漸變形勢顯著。

3 運行經濟效益分析

基于剛性過渡方案、柔性過渡方案和剛–柔結合過渡方案三種過渡方案的有限元模型，文章在MIDASGTSNX 軟件中進行造價估算，進而對比不同過渡方案的運行經濟效益。為提升三種過渡方案對比的科學性，首先將三個有限元模型統一項目參數設置，項目參數來源于遼寧省大連市甘井子區某沿海高速公路建設工程，具體為道路路基頂寬30m，底寬39m，路基填土厚度3.0m，過渡段長度20m，軟基處理深度23.5m。

3.1 軟基處理技術指標

根據本項目實際參數計算得出的軟基處理技術指標表如表4所示。

表4 軟基處理技術指標表

根據表4 得出，施工周期方面，剛性過渡工期最短，為1～2個月，柔性過渡工期最長，為8～10月；施工期沉降方面，剛性過渡沉降最少，為50mm～100mm，柔性過渡沉降最多，為1500mm～2500mm；施工后沉降方面，剛性過渡沉降最少，為10mm～50mm，柔性過渡沉降最多，為20mm～100mm；地基承載力方面，剛性過渡承載力最強，為150mm～200mm，柔性過渡承載力最弱，為100kPa～120kPa。由此可以得出，剛性過渡方案和剛–柔結合過渡方案具有工期短、沉降小，地基承載力強的特點。

3.2 造價分析

根據遼寧省大連市甘井子區的原料價格，三種過渡方案的軟基處理造價分析表如表5所示。

表5 軟基處理造價分析表 （萬元）

根據表5 可以得知，按照工程造價從高到低排序為剛性過渡方案＞剛－柔結合過渡方案＞柔性過渡方案。由此可以得出，柔性過渡在造價上優勢更為顯著。

4 總結

綜上所述，文章根據遼寧省大連市甘井子區某沿海高速公路建設工程實例，對高速公路路橋過渡段的施工技術展開研究，基于MIDASGTSNX 軟件建立有限元模型，分別闡述剛性過渡、柔性過渡和剛柔結合過渡3 種差異沉降控制方案，計算分析結果如下：

⑴軟基處理技術指標方面，剛性過渡方案和剛–柔結合過渡方案具有工期短、沉降小，地基承載力強的特點，柔性過渡方案的特點呈現兩極分化態勢，一方面具有工期長、地基承載力弱的顯著劣勢；另一方面處理效果較強，特點較為鮮明。

⑵造價分析方面，按照工程造價從高到低排序為剛性過渡方案＞剛－柔結合過渡方案＞柔性過渡方案，所以柔性過渡的施工成本最低。