路基下穿既有高速公路施工技術研究

程 桂 萍

(中國鐵建港航局集團有限公司，廣東 珠海 519070)

1 概述

我國早期修建的一些公路出現了較為嚴重的交通擁堵現象，公路的改擴建是解決交通擁堵的有效方式，但路段在下穿某高速立交橋涉及到某高速立交橋下部橋柱和橋墩保護及施工方法研究較少。擴改路基下穿高速對立交橋的影響尚需明確、量化以確保安全施工[1，2]。擴改段下穿高速公路的立交橋時，開挖誘發的地基承載力下降將是影響立交橋橋墩的承載力進而決定上部高速公路安全運行的關鍵[3，4]。因此，研究路基下穿施工工序，探究地層預加固方案，確保下穿順利進行，減小對周圍構筑物如橋墩的影響，實現施工環境控制的目標。由于下穿工程的復雜性，上部高速公路對沉降變形的敏感性，一直是困擾安全施工的大問題[5，6]。因此，本研究通過數值模擬重現施工過程，并通過改變施工工序、加固方法等參數影響分析，提出安全施工控制方案，為本工程的順利完成提供有效的指導。

2 工程實例

2.1 工程概況

本工程為S356一級公路某段項目土建工程施工第01標段，起訖樁號 K0+000～K5+600，全長5.6 km。其中K3+200～K5+600利用既有的S356老路進行改擴建，長度為2.4 km，采用雙向四車道一級公路標準建設，設計時速60 km/h，整體式路基寬度20 m，分離式路基寬度9.75 m，橋涵設計荷載為公路 Ⅰ 級，主要工程量有路基挖土方7.36萬m3；路基填筑利用土方4.61萬m3，涵洞10道；K0+000～K3+200水泥混凝土路面狀況較好為完全利用段，將水泥混凝土路面局部破損板塊修補后直接加鋪瀝青面層。

分離式路基下穿某高速施工范圍為ZK3+725～ZK3+780，YK3+705～YK3+760，與某高速立交橋40°斜交。高速橋下主要包括ZK3+715，ZK3+724兩處既有管涵拆除、ZK3+743處蓋板涵施工、道路土石方工程、路基工程和路面工程等。

2.2 工程地質條件

本工程區位于震旦系至中三疊系地層組成的大冶復式向斜之高橋向斜和孫鑑鋪倒轉背斜(南分支)，高橋向斜南與大磨山復式背斜相接，北與孫鑑鋪倒轉背斜相接，西端在石坑渡翹起，東部唄八湘湖紅色構造盆地掩蓋。老路沿線切方可見地表覆蓋第四系殘坡積粉質黏土或含碎石粉質黏土，一般厚約 0.5 m～3 m，之下為全風化砂巖和礫巖，局部見頁巖出露，低洼沖溝內主要為沖積粉質黏土，一般厚度大于5 m，01段沿線未發現重大影響工程建設的滑坡、崩塌、泥石流等不良地質現象，但在K4+510～K4+550段老路右側由于邊坡較陡，邊坡表層發生溜塌至公路邊溝處，邊坡上為殘坡積含礫粉質黏土和全風化砂巖、礫巖，在K4+640～K4+650段老路左側由于邊坡較陡，邊坡發生滑動，滑體主要為殘坡積含礫粉質黏土和全風化砂巖、礫巖，該兩段小型的滑塌體規模較小，施工時建議清除，并同時放緩邊坡坡率。

2.3 水文地質條件

本工程區氣候濕潤，雨量充沛，地表徑流發育，低洼沖溝處和崗地多溪溝和水塘及人工渠道。豐富的地表水為區內工農業生產和居民用水提供了便利，也為本項目的建設提供了有利條件。水文地質條件相對簡單，地下水與溝塘、溪溝等地表水體具有較強的互補性，豐水期地下水上升，補給周圍的地表水體，枯水期則反之。根據現場試驗結果表明，判定環境水對混凝土結構及鋼筋混凝土結構中鋼筋均具微腐蝕性。

3 路基下穿高速公路施工方案

3.1 施工總平面布置圖

現場必須要求科學合理的平面布置，同時滿足施工生產和道路交通要求，根據某高速橋下實際情況并結合工程特點，施工總平面如圖1所示。

施工現場所在區域交通方便，充分利用既有道路，降低臨時設施費用，沿原常橫線兩側各加寬6.0 m作為臨時施工便道，以減少對橋下交通的影響，同時做好道路交通導行。

3.2 開挖方案

本工程中路基為淺挖路基，根據開挖的深度、長度、開挖方的運輸距離和橋下凈空高度選擇施工機械及開挖方法，原右側支路水泥混凝土路面需挖除，高速橋下凈空高度4.9 m。

K3+743蓋板涵位于高速橋下(如圖2所示)，軸線距橋墩承臺最小距離7.7 m，蓋板暗涵尺寸為2.0 m×1.7 m，出口涵底高程為57.57 m，原地面高程為61.03 m，基槽底開挖標高為56.37 m，最大開挖深度4.66 m。蓋板涵采用分幅進行施工，先進行右幅蓋板涵施工，待右幅路基完成后再進行左幅蓋板涵的接長。

基坑開挖前先做好基坑周圍截排水措施，防止基坑開挖和蓋板涵施工過程中地表水流入基坑，采用DN500 mm的鋼筋混凝土排水管約50 m長，將右側出口一側水塘匯水引流至K3+715處既有蓋板涵，以減少對基槽開挖的影響。

采用反鏟挖機按1∶0.5放坡分層開挖，基坑開口距橋梁承臺不小于2 m的安全距離，挖至基底時應預留30 cm采用人工清底，防止超挖，人工清底至設計標高后，用打夯機壓實基底；若基底承載力不滿足設計要求，應根據設計要求進行級配碎礫石換填。若基坑為有水開挖，則根據實際情況適當放大基坑開挖斷面，在基坑四周設置排水溝，出口處設集水坑，用水泵排出；坡面采用0.2 m厚C20混凝土進行護坡。

下穿高速路基開挖剖面圖如圖3所示。

待蓋板涵制作安裝完成之后，臺背回填采用碎石土分層回填的方法，每層填厚不大于20 cm。回填遵照的是兩邊對稱原則，在基本相同的標高上進行，其目的是防止不均勻回填造成對構造物的損壞，對涵洞洞身兩側填土分層夯實處理，每側長度大于洞身填土高度的一倍，壓實度大于96%。

有限元方法能夠有效地分析土體的應力應變，并可以考慮不良地基上高速公路的擴建工程以及對周圍建筑影響等復雜問題，應用有限元分析方法可以更深入地了解新老路基的相互作用及其變形規律。本文采用二維平面處理問題，路基土以及橋墩結構都采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，在經過大量的數值模擬后，確定了能符合本次下穿高速公路的沉降變形的土體參數確定方法。

本文結合S356一級公路路基的實際情況，分析開挖工程中對高速橋墩的影響，對下穿高速開挖過程進行模擬。模型包括橋墩、土體、支護結構。橋墩采用樁單元模擬，支護結構采用板單元模擬，各個結構單元模擬均采用彈性模型，材料屬性如表1所示。

表1 下穿高速開挖結構單元材料屬性表

3.3 結果分析

改擴建S356省道左、右幅分別位于某高速橋第2號、第3號橋跨結構下，為確保在進行下穿道路施工期間高架橋的安全，對2號、3號跨橋墩進行實時監測沉降值。在橋梁每個橋墩布設2個監測點，對橋墩水平位移和垂直沉降進行觀測，模擬與實測沉降對比表如表2所示，水平位移對比表如表3所示。

表2 橋墩模擬與實測沉降對比表

表3 橋墩模擬與實測水平位移對比表

本文數值模擬與實測值沉降與水平位移值相差不大，沉降值相對于水平位移來說，誤差偏大，這可能是實際工程中橋墩上有車輛等附加荷載作用，造成實測值偏大。總體而言，該施工技術對高速公路橋墩的位移影響較小。

4 結語

通過對路基開挖下穿既有高速進行有限元數值模擬研究開挖對周圍橋墩的位移作用，并與現場實測數據分析，采用該路基下穿高速公路施工技術對高速公路橋墩的水平位移及沉降影響較少，可為下穿高速公路工程提供一定的參考價值。