高速公路改擴建軟土地基與路基拼寬設計關鍵技術

劉佳輝

【摘 要】隨著經濟社會不斷發展，沿海發達地區早期修建高速公路逐漸不滿足交通量增長需要，面臨改擴建。從工程實踐來看，沿海地區高速公路改擴建主要面臨兩個方面的技術難題，一是填方路段的軟土路基處治以及新舊路基不均勻沉降控制；二是路面拼寬處治及裂縫防治。本文以廣明（廣州番禺至佛山高明）高速公路改擴建工程項目為例，介紹了沿海地區高速公路改擴建工程軟土地基處理與路面拼寬常用技術方案，為同類項目提供技術參考。

【關鍵詞】高速公路；改擴建設計；軟基處理；路基拼寬；關鍵技術

Key Techniques for Soft Soil Foundation and Subgrade Width Design of Expressway Reconstruction

Liu Jia-hui

（Shanghai Municipal Engineering Design and Research Institute Group Co.， Ltd. Guangdong Foshan Guangdong 528000）

【Abstract】With the continuous development of economy and society， the early construction of expressways in the developed coastal areas gradually does not meet the need of traffic growth and is facing reconstruction and expansion. From the engineering practice point of view， the coastal expressway reconstruction facing two major technical problems， one is filling the soft soil roadbed subgrade treatment and uneven subsidence control of the old and the new road； the second is the road fight spell widening and crack prevention and control. Taking the Guangming （Guangzhou Panyu to Foshan Gaoming） expressway reconstruction project as an example， this paper introduces the commonly used technical solutions of soft soil foundation treatment and pavement width expansion for the expressway expansion project in the coastal areas， and provides technical reference for similar projects.

【Key words】Highway；Reconstruction and extension design；Soft foundation treatment；Embankment fight width；Key technology

1. 項目概況

廣明高速公路是廣州（番禺）至佛山高明高速公路的簡稱，廣明高速公路起點位于廣州市番禺區化龍鎮復甦村，終點位于佛山市高明區更樓鎮白石。根據規劃，廣明高速公路向東連接國道主干線廣州繞城公路東段（以下簡稱廣州東二環），向西將延伸至江門至羅定高速公路。是省高速公路網的重要組成部分，廣明高速公路橫貫佛山市東西，是佛山市東西向重要的交通走廊，是佛山市公路網的重要組成部分。廣明高速建成通車，將極大程度地促進“廣佛都市圈”的形成，增強佛山作為廣東省“第三大城市”的綜合實力。項目全線軟土廣泛分布，軟土主要由第四系海陸交互相淤泥、淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土組成，以淤泥質粉質粘土為主。按其在空間上的分布特征可劃分為二層，其中第一層軟土由淤泥和淤泥質粉質粘土組成，局部夾淤泥質粉砂，分布較廣泛，大部分地段連續分布；第二層軟土主要為淤泥質粉質粘土，局部夾淤泥或泥炭土，分布連續性較強。本項目是利用佛山一環現有路基進行改造為主，全線80%以上為填方路基，尤其是在路基拼寬路段，均為填方路基。綜上所述，本項目路基軟基處理和路面拼寬是設計的重點和難點。

2. 軟土路基處治方案設計

根據項目特點，考慮路基土特性，在軟基處理方案的選擇上，主要考慮了換填、袋裝砂井、CFG樁、深層攪拌樁和預應力管樁處理；其中，橋頭路基段主要采用了預應力管樁+袋裝沙井、深層攪拌樁處理。詳細設計如下：

2.1 設計標準。

沉降標準：基準年取15年，工后沉降（路面設計使用年限內殘余沉降）容許值要求如下：

（1）對于主路拼接路段新舊路基的工后差異沉降按不大于5cm控制。

（2）對于新建輔路路段取50cm，箱涵及箱型通道處取30cm，橋頭路段取20cm。

（3）可液化砂土地基處理至使液化指數不大于5。

（4）穩定驗算安全系數：穩定驗算的安全系數在施工期采用總應力法進行驗算，其容許值為1.10，運營期采用有效固結應力法進行計算，其溶許值為1.20。考慮地震時的安全系數不少于1.1。

（5）設計荷載：采用公路-I級，換算成等待荷載的土柱高度為0.9m。路基填料容重采用19KN/m3 。地震力的計算遵照線形《公路工程抗震設計規范》的規定，只考慮水平向地震力。endprint

（6）預壓期：預壓期指從施工靜載結束后等載沉降所需的時間。本設計在滿足工后沉降與穩定的前提下，盡量采用較短的預壓期。本階段設計考慮采用不少于12個月的預壓期。

（7）預壓施工高度：等載預壓施工高度=路基設計高度+預壓期沉降量+路面與路堤填料的等效厚度差；超載預壓施工高度=路基設計高度+預壓期沉降量+路面與路堤填料的等效厚度差+超載高度。

2.2 淺層軟基處理方案。

厚度在0～2.5m以內的軟土，采用換填法處理。首先清除淤泥或軟弱土層，換填砂，按要求進行壓實后再填筑路基，利用置換的方式加強地基。該方法使用范圍廣泛，施工工藝簡單，質量容易控制，處理效果好，對環境影響不大。

2.3 深層軟基處理方案。

對于厚度大于2.5m的軟土地基，應綜合技術經濟比較，選取合適的地基處理方案。減少新老路堤的差異沉降是擴建工程的關鍵技術之一。當前成熟的軟土地基處理方案可分為兩大類，一是預壓排水固結法（如塑料排水板、袋裝砂井等），二是復合地基法（如CFG樁、碎石樁、攪拌樁、擠密砂樁等）。本項目為改擴建工程，對于改擴建工程而言，由于工期緊、施工場地狹窄，同時還要維持既有道路交通正常運營等原因，預壓排水固結法需要的工期長，并且堆載預壓會影響原路堤的穩定性，因此初步設計不考慮排水固結法。

①CFG樁。

CFG樁由水泥、粉煤灰、碎石、石屑加水拌和形成的混合料灌注而成，它具有一定的粘結強度，是近年比較流行的一種復合地基處理方式。

CFG樁的特點：①顯著的樁體作用，樁土應力比n=30～35，在復合地基中CFG樁的應力集中比較明顯，樁體作用顯著；②CFG樁采用振動沉管法施工，由于振動和擠壓作用使樁間土得到擠密，經加固后地基土的含水量、空隙比、壓縮系數均有所減少；③CFG樁復合地基承載力提高幅度大，加固效果顯著；④CFG樁復合地基變形小，沉降穩定快。CFG樁具有承載力強，施工速度快，施工易控制，但是造價比較高。

適用范圍：淤泥、淤泥質土、雜填土、飽和及非飽和的粘性土、粉土。

②素砼樁。

素砼樁由水泥、碎石和石屑加水形成的混合料灌注而成。素砼樁與CFG樁均為低強度樁，加固原理相同。

③水泥攪拌樁。

加固原理：水泥攪拌法施工時分為濕法（也稱深層攪拌法）和干法（也稱粉體噴射攪拌法）兩種。濕法是利用深層攪拌機，將水泥漿與地基土在原位拌和；干法是利用粉噴機，將水泥粉或石灰粉與地基土在原位拌和。攪拌后形成柱狀水泥土體，可提高地基承載力，減少沉降，增加地基穩定性和防止滲漏。

適用范圍：淤泥、淤泥質土、含水量較高、地基承載力不大于120KPa的粘性土、粉土等軟土地基。

④預應力管樁。

預制預應力管樁是利用靜壓樁機或動力打樁機將預制的砼預應力空心薄壁管打入地基，地面荷載主要通過管樁向深層硬土層或基巖傳遞，并通過樁內外壁與地基土摩阻力和擠密作用，使地基與樁形成復合地基。

適用范圍：淤泥質粘土、粉土、一般粘性土、松散砂質粉土等具有可達持力層的深層軟土。

方案特點：處理深度大、施工簡單、樁距較大，造價較高，使用效果良好，對環境有一定的影響，要求有穩定的可達持力層。

2.4 根據以上工程特點和軟土分布及特性，本項目擬推薦如下處治方案：

（1）原老路采用了換填法處理的路段，但考慮到軟基普遍較厚，本次加寬路基采用素砼樁處理；

（2）原老路采用袋裝砂井、CFG樁、堆載預壓處理的路段，本次加寬路基采用素砼樁處理；

（3）原老路采用深層攪拌樁處理的路段，本次加寬路基采用素砼樁處理；

（4）原老路采用管樁處理的路段，本次加寬路基及橋臺過度段采用管樁處理；

（5）涵洞、橋臺均不采用反開挖施工；

（6）考慮本項目改擴建工程為拼接加寬軟基處理，大部分路段采用等載預壓；

（7）處治路段設置2～3層土工格柵。

3. 軟土路基處治施工及注意事項

3.1 施工控制標準。

（1）填筑控制標準。

填筑速率應由施工觀測來控制。填筑速度根據以下標準進行雙控：路基中心的表面沉降速率宜控制在10mm/d，坡腳處的側向位移宜控制在5mm/d以內。

（2）卸載標準。

在滿足連續3個月沉降小于5mm/月時方可進行卸載。

3.2 路基填筑施工。

路基填筑擬采用薄層輪加法水平分層實施。對于不同處治措施，填土控制亦不同，一般情況下極限填土高度以內可不控制填土速率。

3.3 施工工期。

通常情況下，按照2年控制。

3.4 監測設計。

（1）在軟土路基填土施工過程中，主要通過埋設沉降板進行表面沉降觀測和設置位移邊樁和測斜管進行水平位移測量。

（2）若軟基所在地段為設置有擋墻等構造物時，須結合擋墻的監測進行。

4. 路基拼接設計

4.1 在公路改擴建設計項目中，拓寬后路基的質量很大程度上決定著改建后公路的使用壽命。控制、延緩結合部處的開裂是保證拓寬路基質量的關鍵之一。因此，必須采取有效的處治措施以減少新拓寬路基的沉降量，進一步縮小新老路基的沉降差；同時加強新老路基的銜接，并保證路基的填筑質量來減輕新老路基性質差異所產生的危害。根據相關研究成果與工程實踐經驗，在公路改擴建項目中，新舊路基的拼接通常采取削坡+開挖臺階的方式，同時為防治開裂，在每層臺階處鋪設土工格柵。既有軟基路堤邊坡削坡和臺階開挖的作用體現在：

（1）清除老路邊坡一定深度內的表層植被土和壓實度不足的填土；endprint

（2）方便加寬部分路堤下軟基處理；

（3）增加新老路結合部接觸面積，增強結合部抗剪能力；

（4）橫向臺階面為土工隔柵的使用提供一個錨固長度。應該注意的是削坡也應該滿足施工期間既有路基的穩定要求。

4.2 最常用的開挖方式包括兩種：一種是先削坡（1：0.5）再挖成臺階狀，另一種是直接挖成臺階狀。后一種開挖方式又包括由上向下開挖和由下向上開挖。前一種方式可以一次性提供較寬的工作面，方便軟基施工，施工組織簡單，同時也可以挖除壓實度不夠的老土，換填新土，但會增加工程量。后一種方式對老路擾動少，可充分利用原有路堤，土方工程量小；但對于軟基施工、尤其是路堤邊坡下的軟基處理施工不利，需要采用逆作法等施工方法，施工組織較復雜。因此適用于不能放坡的軟基路段和非軟基路段拼接施工。

4.3 填土路段：對于填土路段而言，其填土經多年運營已比較密實，抗剪強度較高，具有一定的直立性，在施工期間采用彩條布等措施遮雨，同時加強排水措施及穩定觀測，可以保障施工期間的運營安全，可以一次性開挖邊坡到位，為軟基施工提供較寬的工作面，方便軟基施工，施工組織簡單。推薦在填土路段采用該工法（工法C）進行施工（工法C示意圖見圖1）。

4.4 填砂路堤：本項目軟土地基大部分路堤為填砂填筑而成，對于該填砂路堤應選擇合適的邊坡開挖方法進行防護，以保障在施工期間的安全運營。在這類人工填砂路堤采用開挖工作面進行軟基加固施工需要特殊的防護措施。本次設計采用兩種處理方法：即工法A和工法B。工法A即在原路堤邊坡上填筑工作面后進行軟基處理，待軟基處理完畢，再進行反開挖臺階進行新老路堤拼接施工；工法B，即對老路堤進行開挖，對暴露的砂層采用掛網噴錨的方法進行臨時防護，之后進行軟基處理并進行路堤填筑。當路堤高度大于3m，采用工法A；路堤高度小于3m，為簡化施工，采用工法B（工法A見圖2，工法B見圖3）。

4.5 臺階的開挖尺寸（寬度和高度）有一定的限制，一方面需要為新舊路堤間提供盡可能多的接觸面積，這就需要臺階要多而小；另一方面需要為土工格柵的鋪設提供足夠的錨固長度。我國幾條高速公路加寬工程都把臺階高度控制在80cm 以內，臺階寬度根據邊坡坡度確定在100～200cm之間。另外，臺階的開挖尺寸（寬度和高度）和老路邊坡的填筑材料、壓實度等有關。對于本項目，參照我國成功經驗，臺階開挖高度以80cm～100m作為控制值。對于填土路段，控制值可大一點，對于填砂路段則可小一點。

5. 結語

本文結合廣明高速公路改擴建設計項目，介紹了改擴建項目中的軟土地基處治與路基拼寬技術，包括淺層軟基和深層軟基，采取不同的處治方案；同時，介紹了軟基處治的施工及其注意事項。結合軟土地基處治與路基拼寬施工工藝，按照填土路基和填砂路基施工，介紹了三種不同的路基拼寬施工工法，不僅確保了軟土地基路基拼寬施工質量，還能保證工期。本文可為今后類似工程項目的設計與施工提供參考。endprint