城市快速路拓寬工程差異沉降控制標準探討

胡潤忠

摘 要：拓寬工程中的差異沉降對現有路面影響較大，而差異沉降控制標準的高低對道路投資影響較大。標準過高，道路前期建設成本高，標準過低，道路后期養護費用增加，因此制定合理的差異沉降標準至關重要。該文歸納、總結了現有高速公路拓寬改造工程差異沉降標準的研究現狀，結合現有城市道路規范對城市快速路拓寬改造工程差異沉降控制標準進行了初步探討。

關鍵詞：城市快速路 拓寬工程 差異沉降 控制標準

隨著城鎮化建設及社會經濟的快速發展，城鎮人口及車輛劇增，現有城鎮市政道路已無法滿足快速增長的交通量和社會發展的需求，因此急需要配套的道路基礎設施來緩解交通擁堵情況。目前解決原有道路擁堵問題主要通過以下兩種途徑：（1）通過新建城市主干路、快速路分散交通量，減少原有道路交通量；（2）拓寬原有道路，增加原有道路的通行能力。由于受城鎮總體規劃條件限制，在城市成熟區已無新建城市主干路、快速路條件，因此，對原有城市主干路、快速路拓寬則成為必然選擇。但拓寬工程由于新、舊路基地基填筑時間及作用荷載不同等原因，其強度和剛度存在較大差異，新舊路基將產生差異沉降，而這種差異沉降將在路面結構拼接處產生較大拉應力，導致路面破壞。同時，拓寬工程的建設及運營將增大舊路差異沉降，增大舊路橫坡，而過大的差異沉降將影響道路的使用功能，因此，提出合理的差異沉降控制標準至關重要。

目前，國內外研究均是基于高速公路進行。國外對差異沉降標準的研究主要集中在橋頭路段及軟土路基的工后沉降方面。如，對于德國的高速公路，橋梁路段允許坡差不大于1/300，通常取1/200；軟土路基相對工后沉降（工后沉降與總沉降量之比）控制為5%～15%，工后沉降為3～5 cm，特殊情況下為10 cm。法國工后沉降要求：一般路段為10 cm，橋頭引道部分為3～5 cm，其對應的地基固結度為85%～95%。日本工后沉降要求：一般路段為10～30 cm；路橋過渡段路基部位為5～10 cm。而研究者們提出的差異沉降指標主要為容許坡差，Daniel等人認為允許坡差為0.28%～0.42%較為合理。James等人認為橋頭路基沉降允許坡差0.8%～1.0%。Briaud等提出了最大容許坡差為0.5%可保證行車安全舒適。

國內一般采用坡差或變坡率作為差異沉降控制指標。周虎鑫認為高速公路軟土地基路面容許坡差為0.4%。張嘉凡認為坡差超過0.35%，半剛性路面基層底部將產生拉裂破壞。董海、邢啟軍認為高等級公路路面功能性要求差異沉降坡差控制在0.4%以內。沈大高速公路拓寬工程要求差異沉降坡差控制在0.4%以內。滬寧高速公路拓寬工程要求差異沉降控制坡差，即縱橫向坡度差不得大于0.5%。

1 拓寬工程差異沉降控制標準探討

拓寬工程差異沉降主要分為舊路差異沉降、新路差異沉降和新舊路基差異沉降。舊路差異沉降指舊路路肩（新舊路基拼接處）與舊路中心之間沉降差；新路差異沉降指最大沉降點與新路路肩之間沉降差；新舊路基差異沉降指新路最大沉降與舊路中心沉降差。舊路差異沉降對現有道路影響較大，且控制舊路差異沉降的同時對其他差異沉降也較為明顯，目前絕大多數研究成果是以舊路差異沉降最為控制指標，因此，該文主要對舊路差異沉降控制標準進行探討。

拓寬工程差異沉降控制標準的確定是一個較為復雜的技術、經濟問題，涉及到施工期費用與道路后期養護費用的分配問題，而兩者之間又是此消彼長關系。因此，差異沉降控制標準的確定需通過技術經濟分析和工程實踐驗證來實現。國內外研究人員得到的加寬工程差異沉降控制標準變化較大，變坡率在0.15%～0.50%之間。

拓寬工程需滿足道路路面的使用性能，包括結構性能和功能性能兩方面。前者主要表現為路面的損壞狀況和結構的承載能力，后者則表現為行駛舒適、行車安全、運行經濟以及對環境的不良影響等。因此，拓寬工程差異沉降控制標準應同時考慮路面的結構性能和功能性能兩個方面。

1.1 按路面功能性能要求確定差異沉降控制標準

從城市道路路面功能性要求出發，一般考慮縱坡、橫坡、平整度3個方面滿足道路適用功能要求。

（1）拓寬工程的縱坡要求。由差異沉降而引起的縱坡變化，不應超出城市道路標準《城市道路工程設計規范》（CJJ37-2012）規定的不同設計速度下最大縱坡限制如表1，從表1可知，除40、50、60 km/h設計時速之間坡度相差0.5%外，其余各設計速度之間相差1%。因此，因差異沉降而降低縱坡標準不得超過1%，40、50、60 km/h設計時速不得超過0.5%，否則將降低道路功能性要求。同時考慮到工程地質條件差異等其他一些不利影響因素，建議差異沉降控制指標容許值縱坡坡差為0.5%。

（2）拓寬工程的橫坡要求。設計橫坡的目的是及時將雨水排出路面，以保證行車安全。差異沉降發生后，路面橫坡不應超過城市道路規定的標準。通常，新建道路在路基橫斷面方向地基土層性質變化不大，其差異沉降主要是由其自重所引起的。但在拓寬工程中，新舊路基下地基土層性質變化大，舊路地基在原有路基及車輛荷載下固結沉降基本完成，而拓寬部分地基在路基荷載作用下將發生較大的瞬時沉降和固結沉降。拓寬工程路基沉降特性有別于舊路路基，其沉降特性為拓寬路基中心部分沉降大，舊路部分沉降小，而未拓寬的舊路路基沉降為路基中心沉降大兩端小，如圖1所示。由圖1可知，在拓寬工程中，由于拓寬路基的填筑，路基沉降呈“兩端大，中間小”分別形式，拓寬路基填筑過程將使舊路橫坡差不斷增大。同時道路運營后由于拓寬路基部分一般為大車道，道路橫坡差將不斷增大，因此，從橫坡上控制差異沉降變坡率即為重要。在拓寬工程設計路拱坡度時，若采用較大值（2%），隨著拓寬部分路基地基的固結，路拱坡度將不斷增大，這雖然有利于路面排水，但不利于行車安全，降低道路使用性能。如果路拱坡度采用較小值（1%），又不利于路面排水。同時，《城市道路工程設計規范》（CJJ 37-2012）規定快速路及降雨量大的地區橫坡宜采用1.5%～2.0%。因此，城市快速路加寬工程路拱坡度的設置一般采用1.5%，為保證沉降穩定后，路面橫坡既有利于路面排水，又能夠滿足技術指標要求（不高于上限2%），橫向坡差最好控制在0.5%以內。

（3）拓寬工程的平整度要求。快速路即是為使汽車快速行駛，加快交通通行，提高社會經濟效益的通道。為了確保車輛能夠快速行駛，必須滿足許多條件，如道路平面線性、縱橫坡要求等。除此以外，還有一個非常重要的技術指標——路面平整度。對于快速路，由于車速快，道路稍有不平整就會造成嚴重顛簸，降低行車舒適性，同時也會給駕駛員帶來不安全感，迫使其減速，以至于達不到快速的目的。對于平整度各國都有自己的技術要求，標準并不統一，而且測量平整度的儀器多種多樣。《城鎮道路工程施工與質量驗收規范》（CJJ 1-2008）規定城市快速路、主干路δ≤1.5，次干路、支路δ≤2.4。這個指標只是為了檢驗工程的施工質量，并不是在道路使用期間的平整度指標。鑒于目前我國的情況，考慮到“平戰結合”原則，可根據《民用航空運輸機場飛行區技術標準》確定在路面使用期間平整度變坡率為：

（10 mm-3 mm）/（3000/2）≈0.46%

式中：3000為檢測平整度的3 m直尺；10 mm為舊路路面直尺與表面間隙；3 mm為新路路面直尺與表面間隙。

綜上所述，道路功能性指標主要從縱坡、橫坡、平整度3個方面考慮，其變坡率指標要求列于表2。

從表2可知平整度變坡率指標為最嚴格的差異沉降指標，因此，把最嚴格的坡差要求作為路面功能性能指標要求，同時考慮到工程地質條件差異及其他影響差異沉降的不利因素，從路面功能性要求出發，快速路拓寬工程差異沉降控制標準容許變坡率為0.4%。

1.2 按路面結構性能要求確定差異沉降控制標準

路面結構性能對道路的安全性舒適性及后期養護、維護至關重要，路面結構分析的主要指標為路面基層層底拉應力大小，而差異沉降將在路面結構層產生附加拉應力，其大小對路面結構性能影響大。同時路面結構材料、厚度等不同，路面容許拉應力也不同。目前城市快速路多采用半剛性基層路面，路面結構主要含三層面層（通常為SMA表面層、AC-20中面層、AC-25下面層），兩層基層（水泥穩定級配碎石基層和底基層），一層墊層。

快速路拓寬工程新舊路基差異沉降的發展是一個長期的過程，路面結構所承受的應力也隨差異沉降的發展而變化。同時，在交通荷載的反復作用下，路面結構將產生疲勞破壞。目前在進行路面結構設計時多為現有規范土或半剛性材料的極限抗拉根據路面結構設計參數及交通荷載，利用規范所列公式計算得到基層層底拉應力。現有《城鎮道路路面設計規范》（CJJ 169-2012）規定了瀝青路面的應力控制標準，對于快速路、主干路和次干路半剛性材料基層層底拉應力驗算時，層底計算的最大拉應力應小于或等于材料的容許抗拉強度，但其主要針對的是新建道路，考慮主要因素為交通荷載，尚未考慮拓寬工程引起的附加拉應力。對于拓寬工程還應考慮由于拓寬路基差異沉降而引起的附加拉應力，即由交通荷載產生的拉應力與差異沉降產生的附加拉應力之和應小于路面結構材料所容許的拉應力。因此，對于拓寬工程為保證訪娼峁剮閱？可通過兩種途徑來解決：（1）改善路面結構材料，提高其容許拉應力；（2）通過對路基地基及拓寬工程結合部處理減小拓寬工程差異沉降，從而減小其引起的附加拉應力。由于改善路面結構材料較為困難，對現狀交通和社會影響較大，因此，只有將拓寬工程差異沉降控制在合理的范圍內，方可滿足道路路面結構性能要求。目前國內外學者多是通過數值模擬計算、模型試驗、現場試驗研究拓寬工程差異沉降對路面結構層附加拉應力的影響，從路面結構性能要求方面提出拓寬工程差異沉降標準。現有研究成果顯示從路面結構性能要求確定的差異沉降控制標準為坡差0.15%～0.4%。

2 結語

（1）對于城市快速路拓寬工程差異沉降標準，從道路功能性能要求出發坡差應控制在0.4%以內，從道路結構性能要求出發坡差應控制在0.2%以內。

（2）對于城市快速路拓寬改造工程差異沉降標準應根據技術經濟綜合考慮，若按道路功能性要求坡差控制，則道路建設期對地基及路基的處理費用減少，而道路后期養護費用將增加；若按道路結構性能坡差控制，則道路建設期投資增加，道路后期養護投資將減少。拓寬工程差異沉降控制標準應結合工程實例從技術經濟方面進一步驗證。

參考文獻

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