公路改擴(kuò)建新舊路基合理銜接與沉降控制技術(shù)

吳 煜

(四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)早期修建的部分高速公路已不滿足急劇增長(zhǎng)的交通需求[1]。為提高道路通行能力，改善服務(wù)水平，高速公路將進(jìn)入改擴(kuò)建高峰期[2]。自21世紀(jì)初，啟動(dòng)廣佛高速公路及沈大高速改擴(kuò)建工程以來(lái)，我國(guó)逐漸進(jìn)入了高速公路新建與擴(kuò)建工程并舉的時(shí)代。我國(guó)已經(jīng)相繼完成了滬寧、滬杭甬、連霍、京港澳、寧合、西潼、西寶、昌九、杭金衢、合蕪高速等近7000km高速公路的改擴(kuò)建工程。以四川省為例，至2021年，四川省相繼啟動(dòng)了成彭、成樂、瀘黃、成南等高速公路的改擴(kuò)建工程。未來(lái)全國(guó)將會(huì)有更多的公路改擴(kuò)建項(xiàng)目。

不同于新建公路，道路改擴(kuò)建工程有特殊的問題和困難。由于舊路路基的固結(jié)沉降已經(jīng)完成或基本完成，而新路的路基尚未開始沉降。在運(yùn)營(yíng)過程中，新舊路基會(huì)產(chǎn)生明顯沉降差。高速公路拓寬工程最大的技術(shù)難題，是解決新舊路基的不均勻沉降問題[3]。研究高速公路改擴(kuò)建問題，既要方案切實(shí)有效，又要爭(zhēng)取施工方便，不過多增加工程造價(jià)。公路改擴(kuò)建新舊路基的合理銜接與沉降控制，需要切實(shí)有效、經(jīng)濟(jì)適用、養(yǎng)護(hù)方便的措施和技術(shù)。

近年來(lái)，國(guó)外大量的研究人員以工程實(shí)踐為背景，采用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)新舊路基合理銜接與差異沉降控制進(jìn)行了廣泛的研究。國(guó)內(nèi)主要是從增強(qiáng)新舊路基結(jié)合、應(yīng)用土工合成材料、提高新地基承載力和控制填料壓實(shí)度等幾個(gè)方面來(lái)考慮降低新舊路基差異沉降技術(shù)。從道路總體的應(yīng)用效果來(lái)看，這些方法在技術(shù)上是可行的，但仍然存在一些長(zhǎng)期效果不理想和成本過高等問題，還有大多數(shù)擴(kuò)建工程都很難避免在使用期內(nèi)發(fā)生縱向開裂。

本文分析公路改擴(kuò)建新舊路基銜接和沉降問題，研究公路改擴(kuò)建工程中新舊路基合理銜接技術(shù)、差異沉降控制技術(shù)，并給出新舊路基合理銜接與沉降控制的具體建議。

1 公路改擴(kuò)建新舊路基銜接和沉降問題分析

在新舊路基銜接工程中，老路基經(jīng)過數(shù)年甚至數(shù)十年荷載作用，沉降已趨于穩(wěn)定，而新路基建成后必然要經(jīng)歷一個(gè)沉降過程；新舊路基的穩(wěn)定性、強(qiáng)度、密實(shí)度、固結(jié)程度等方面存在差異，將會(huì)造成新舊路基的不均勻沉降，從而引起路基縱向開裂，并將裂縫反射到瀝青路面。從目前我國(guó)已實(shí)施完成并投入使用的高速公路改擴(kuò)建工程來(lái)看，開裂、車轍及沉陷是拼接位置的易發(fā)病害。

新舊路基之間的差異沉降是導(dǎo)致相關(guān)病害的主要原因，加之高速公路廣泛應(yīng)用的瀝青路面結(jié)構(gòu)層的厚度和模量有限，會(huì)出現(xiàn)新建的路面，特別是瀝青路面的開裂。造成新舊路基不均勻沉降的具體原因有：拓寬處的地基過陡、拓寬處的地基軟弱、地基變形差異、新舊路基填方高度不同、新舊路基壓實(shí)度不同、排水影響等。

因此，有必要分別研究公路改擴(kuò)建新舊路基合理銜接技術(shù)和公路改擴(kuò)建新舊路基差異沉降控制技術(shù)。

2 公路改擴(kuò)建新舊路基合理銜接技術(shù)

公路改擴(kuò)建新舊路基合理銜接方面的傳統(tǒng)做法是在舊路一端采用開臺(tái)階做法，加強(qiáng)新舊路的結(jié)合，但仍然是半剛性基層直接相接。由于新舊路面結(jié)構(gòu)材料性能不同，在荷載作用下，造成路基出現(xiàn)不均勻變形。無(wú)法消除的路基不均勻變形導(dǎo)致擴(kuò)建的瀝青路面在新舊結(jié)合部位出現(xiàn)破壞。在公路改擴(kuò)建新舊路基合理銜接方面，不僅要重視路基搭接位置和搭接寬度，優(yōu)選路基填筑方法，還要合理制定拼寬施工方案。

2.1 重視路基搭接位置和搭接寬度

改擴(kuò)建高速公路路基拼接位置是薄弱環(huán)節(jié)，也是關(guān)鍵部位。路基搭接施工控制，要重點(diǎn)關(guān)注搭接位置的選擇。

以京港澳高速公路石家莊至磁縣段改擴(kuò)建工程為例，研究人員重點(diǎn)分析了路基搭接位置，研究后認(rèn)為將頂層的接縫設(shè)置在第二車道與第三車道的分隔線上，第一級(jí)臺(tái)階的寬度確定為180cm，第二道接縫設(shè)置在第三車道的中線上，第二級(jí)臺(tái)階寬度確定為70cm，這樣可以有效保證接縫位置避開車道的輪跡帶[4]，通行過程中新舊路基搭接處的病害較少。

以京港澳高速公路京石段擴(kuò)建工程為例，研究人員研究了路基搭接寬度，研究后推薦基層的搭接臺(tái)階寬度為30cm，面層的搭接臺(tái)階寬度為30cm，這樣的搭接效果比較理想，出現(xiàn)病害的情況比較少，而且施工的工程量比較小[5]。

可見，對(duì)于不同道路路段，應(yīng)結(jié)合道路改擴(kuò)建工程的具體要求，根據(jù)路基的工程地質(zhì)條件，選擇不同的搭接位置和搭接寬度，不僅有利于減少道路病害的出現(xiàn)，還節(jié)約了工期、減少了施工成本，這些研究成果值得應(yīng)用推廣。

2.2 優(yōu)選路基填筑方法

改擴(kuò)建高速公路路基施工可以采取路基間隙填筑法。施工方案如圖1所示。

圖1 間隙填筑法

研究表明，較之水平填筑，路基間隙填筑法可以顯著減少既有道路的水平變形，減少了30%的變形量，從而大大減少路基開裂的可能性。

2.3 合理制定拼寬施工方案

高速公路加寬后，如何使拼寬位置的新舊路基協(xié)同受力和變形，是改擴(kuò)建路基面臨的關(guān)鍵問題，確定合理的拼寬方案尤為重要。經(jīng)過大量路基改擴(kuò)建實(shí)踐編制以下拼寬施工方案：清除雜物，對(duì)舊土路肩翻曬或摻石灰重新碾壓等，還可以修建試驗(yàn)路，進(jìn)而優(yōu)化路基開挖臺(tái)階的方案，具體實(shí)施步驟如下：

（1）清除地表植物、有機(jī)種植土及不符合強(qiáng)度要求的原土后，按規(guī)定進(jìn)行路基壓實(shí)，并進(jìn)行密實(shí)度檢驗(yàn)；

（2）施工時(shí)需通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)嚴(yán)格保證路基土的各項(xiàng)指標(biāo)，如原有路肩的質(zhì)量較差，則應(yīng)將土路肩翻曬或摻石灰，再重新碾壓；

（3）對(duì)公路改擴(kuò)建新舊路基豎向沉降最大的影響因素是路基的拓寬寬度，建議單側(cè)拓寬的寬度采取8～12m；

（4）對(duì)大型壓路機(jī)的壓實(shí)施工時(shí)的死角，即新舊路基結(jié)合帶，用打夯機(jī)分薄層填筑壓實(shí)，必要時(shí)可采用沖擊碾加強(qiáng)壓實(shí)。

3 公路改擴(kuò)建新舊路基差異沉降的控制

公路改擴(kuò)建新舊路基差異沉降的控制，必須先對(duì)新舊路基不均勻沉降進(jìn)行分析，然后針對(duì)性地實(shí)施控制技術(shù)。

3.1 路基不均勻沉降分析

造成新舊路基出現(xiàn)差異沉降的原因主要有：拓寬路基的壓實(shí)度不足、高填方路基、新舊路基結(jié)合部的強(qiáng)度不足等[6]。隨著路基的填土高度増大，道路拓寬工程新舊路基的差異沉降值增大；新加寬的道路路基土的彈性模量對(duì)沉降的影響程度較大，隨著彈性模量的増加，路基不均勻沉降量呈下降的趨勢(shì)[7]。新舊路基差異性大，會(huì)因土質(zhì)、土體壓縮性、固結(jié)時(shí)間、自重、長(zhǎng)期荷載等各種不同的因素，產(chǎn)生不均勻沉降，并從路基反映至路面，進(jìn)而造成路面結(jié)構(gòu)的損壞。

新舊路基沉降差異主要形成機(jī)理是：新舊路基壓實(shí)度不同，尤其是邊緣的壓實(shí)度往往差異較大，原有道路路基經(jīng)通車運(yùn)行壓縮變形已基本完成沉降，而擴(kuò)建道路路基施工結(jié)束后，仍在發(fā)生一定的壓縮變形，施工中路基填料的密實(shí)度不足，是產(chǎn)生新舊路基的不均勻沉降的直接原因。

國(guó)內(nèi)外科研人員已經(jīng)對(duì)此問題開展了相應(yīng)的研究。研究表明公路路基拓寬的寬度越大，新舊路基不均勻沉降問題往往越大，并且越難解決。在行車荷載作用下，路面容易出現(xiàn)縱向開裂。在高速公路改擴(kuò)建過程中，必須限制拓寬的寬度，以不超過8 m為宜，即一次最多拓寬2個(gè)車道[8]。這些對(duì)路基不均勻沉降的分析奠定了差異性控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

3.2 道路改擴(kuò)建新舊路基差異沉降控制技術(shù)

通過提高新地基的承載力來(lái)控制差異沉降具有非常重要的意義，但從造價(jià)方面考慮，國(guó)內(nèi)大部分的擴(kuò)建工程僅在橋頭路段釆用部分地基處理措施，而未在所有路基段進(jìn)行推廣。在橋頭路段一般采用粉噴樁、碎石砂樁、預(yù)應(yīng)力樁等復(fù)合地基處理法來(lái)提高地基承載力，施工效果良好。路基段一般只采用沖擊碾壓或填前碾壓進(jìn)行處理。

在壓實(shí)度控制方面，沖擊壓實(shí)和強(qiáng)夯也經(jīng)常用于道路改擴(kuò)建工程，沖擊壓實(shí)用于路基補(bǔ)壓和地基處理，強(qiáng)夯主要用于新舊路基結(jié)合帶的處理。工程實(shí)踐表明，利用強(qiáng)夯技術(shù)可以增強(qiáng)新舊路基的密實(shí)程度和結(jié)合效果。

在新舊路基拼接段鋪設(shè)土工材料，能使松散的土體形成板結(jié)的復(fù)合體。鋪設(shè)土工材料能夠增強(qiáng)新舊路基整體的穩(wěn)定性，增強(qiáng)其力學(xué)特性。路基土體更易形成自拱效應(yīng)。鋪設(shè)土工材料可以加強(qiáng)路基的整體強(qiáng)度和板體作用，防止新舊路基不均勻沉降，進(jìn)而減少路面的反射裂縫。在荷載的作用下，隨著地基差異沉降的增加，路基內(nèi)部土體存在變形的協(xié)調(diào)過程。土工格柵起著協(xié)調(diào)路基土體變形的作用，能在一定程度上消解新舊路基間的差異沉降。因此，鋪設(shè)土工格柵或土工布，可以增大路基的整體強(qiáng)度，增強(qiáng)板體作用，從而防止路基不均勻沉降，減少反射裂縫。

在填料控制方面，目前國(guó)內(nèi)道路擴(kuò)建工程一般考慮兩個(gè)方面：一是使用透水性填料，降低路面滲水，二是使用輕質(zhì)填料，通過減小新路基重量的方法來(lái)降低新路基沉降量。道路擴(kuò)建工程中采用了輕質(zhì)路堤，結(jié)果表明具有很好的使用效果，很大程度上降低了路基的差異性沉降。然而其造價(jià)較高，限制其進(jìn)一步的推廣。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了公路改擴(kuò)建新舊路基合理銜接與沉降控制這個(gè)復(fù)雜又重要的問題，結(jié)論如下：

（1）公路改擴(kuò)建不均勻沉降的原因：新舊路基的穩(wěn)定性、強(qiáng)度、模量、密實(shí)度、固結(jié)程度等方面存在差異。

（2）公路改擴(kuò)建新舊路基的合理銜接技術(shù)，比如接縫處理、間隙填筑法、加強(qiáng)壓實(shí)等技術(shù)手段是有效的。

（3）公路改擴(kuò)建新舊路基差異沉降的控制，必須限制拓寬寬度，不超過8 m為宜；鋪設(shè)土工材料、加強(qiáng)夯實(shí)等等技術(shù)手段也是有效的。

（4）本文研究結(jié)論可以更好地指導(dǎo)后期公路改擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)和施工。