公路路基拓寬差異沉降控制關鍵技術及工程應用

唐 紅

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

到2017年底上海公路網(wǎng)總里程達到13 321.991 km，公路網(wǎng)密度為210.1 km/100 km2，每萬人公路擁有量達5.51 km。其中，高速公路829.213 km，普通國省道930.64 km，90%以上道路已經(jīng)建成。2015年起上海市陸續(xù)對既有二級以上省道進行拓寬改建，其中包括大葉—葉新公路。

受建設初期經(jīng)濟實力的限制，大部分干線公路按照雙向兩車道或四車道建設，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，交通量激增，對既有道路擴容勢在必行，而舊路拓寬是目前的主要的方式。

舊路拓寬與新建道路的根本區(qū)別要考慮舊的與新路的相互作用，舊路的存在對新路設計、施工及后期運營管理都提出了很多要求，而最難處理的是新舊道路的差異沉降控制。

對既有路基路面再利用，不僅能節(jié)約投資，更能節(jié)約資源，符合國家提出的綠色公路發(fā)展思路。

1 產(chǎn)生差異沉降成因分析和處理方案

1.1 產(chǎn)生差異沉降成因分析

道路的變形以沉降為主，按照沉降發(fā)生的部位可分為地基沉降、路基沉降和路面沉降；按照沉降發(fā)生的時間不同可分為施工期間的沉降和工后沉降。工后沉降是公路建設質量控制的主要因素之一，而舊路拓寬工程由于新舊道路實施時間不同、路基填筑方案不同導致新舊道路存在工后變形差異，不能以單一的工后沉降作為設計控制指標，需從新老路基差異沉降控制入手，要充分考慮既有路基固結沉降狀況及其發(fā)展規(guī)律。

道路拓寬前舊路路基已基本固結穩(wěn)定，而兩側地基基本為原狀土，在拓寬路基荷載作用下，地基將產(chǎn)生新的變形，并對原有路基路面產(chǎn)生一定影響，新老路基路面結合部產(chǎn)生開裂，也是道路拓寬產(chǎn)生病害最重要的、最根本的原因。

1.2 處理方案

1.2.1 既有路基狀況調查

項目啟動前要對既有路基進行調查，只有客觀評價舊路性能，才能對正確評價新拼接路基對既有路基沉降變形和邊坡穩(wěn)定的影響程度。

（1）路基調查的主要內(nèi)容

調查既有路基病害和隱患情況；調查既有路基排水系統(tǒng)狀況；調查既有路基工后沉降情況，重點調查橋頭“跳車點”。

（2）路基評價的主要內(nèi)容

評價既有路基高程是否滿足路基設計洪水頻率的要求；評價既有路基的路床處于干燥或中濕狀態(tài)的臨界高度；評價既有路基承載能力，病害的類型、分布范圍、規(guī)模及成因。

（3）路基調查的主要實驗

路基頂面當量回彈模量通過現(xiàn)場承載板測試給予實現(xiàn)；既有路基結構整體承載力和抗變形能力可以通過重型動力觸探測試完成；路基濕度測試用小螺鉆和環(huán)刀法完成。

1.2.2 沉降控制標準的確定

規(guī)范要求，用“路拱橫坡度的工后增大值”作為拓寬路基的沉降控制指標。上海作為軟土地區(qū)，經(jīng)過多項工程實踐和科研成果，規(guī)定拓寬路堤的路拱橫坡度工后相對于交工時的增大值不應大于0.5%：

差異沉降簡化計算模型見圖1。

圖1 差異沉降簡化模型

路拱橫坡度增大值：

式中：b1為舊路基寬度；b2為新路基寬度；y0為舊路中心點沉降量；y1為舊路肩處沉降量；y2為新路肩處沉降量。

1.2.3 選擇合理的地基處理方案

采取合理的地基處理方案，可控制新老路基差異沉降，防止道路產(chǎn)生縱、橫向裂縫。

地基處理方案的選擇，應綜合考慮軟土層厚度和埋深、既有路基的固結度和剩余沉降情況、路基高度和拼接形式等因素，控制拓寬路基的沉降并盡量減少對既有路基的影響。

上海地區(qū)軟土地基比較常用的地基處理方法包括排水固結、復合地基法、輕質填料換填等。由于拓寬路基填筑過程中發(fā)生的施工沉降將直接影響既有路基的沉降變形，因此旨在加快固結速率，但未減小總沉降的排水固結法不再適用，建議工程重點考慮復合地基法和輕質填料法，見表1。

1.2.4 拼寬路堤處理

拼寬路堤的填筑與壓實度應滿足現(xiàn)行規(guī)范的技術要求，也可根據(jù)需要適當提高壓實度標準。拓寬路堤的填料宜選用與既有路堤相同，且符合要求的填料或較既有路堤滲水性強的填料。

拓寬既有路堤時，清除舊路堤邊坡一定深度的表層壓實度不足的土，在既有路堤坡面開挖臺階，臺階寬度不應小于1.0 m，臺階可采用豎傾式臺階；當加寬拼接寬度小于0.75 m，可采用超寬填筑或翻挖既有路堤等工程措施。

為提高新老路基之間的結合強度，在沉降差異最明顯的路基基底和拉應力最大的路床拼接部位，可采用路基加筋技術（見圖2）。加筋作用主要增加新老路基的整體剛度，緩解不協(xié)調變形的程度，防范拓寬后新建路面機構在應力集中作用下開裂。

圖2 路基加筋示意（單位：m）

2 項目概況

大葉-葉新公路是上海南部重要的市域主要干線，西起省界，東至浦東新區(qū)，全長約87km，橫穿金山區(qū)、松江區(qū)、奉賢區(qū)及浦東新區(qū)，見圖3。

表1 常用軟土地基處理方法

圖3 大葉-葉新公路走向示意圖

現(xiàn)狀葉新公路屬于二級公路，始建于上世紀八十年代，1998年拓寬改建，雙向2車道，路基上口寬度14~21 m不等。道路服務水平較低，相關配套設施建設較為滯后，而且路段道路通行能力已逐漸不能滿足交通通行的需求，若不對公路加以拓寬改建，將無法發(fā)揮其干線省道公路的作用，未來將制約公路沿線城鎮(zhèn)的進一步發(fā)展。

拓寬改建后道路等級提升為一級干線公路，設計速度80 km/h，規(guī)劃紅線寬度45~50 m，主線雙向六車道，見圖4。

圖4 拓寬改建后道路

3 路基拼接設計

葉新公路建成至今已經(jīng)歷時二十余載，既有道路基已基本趨于穩(wěn)定，為避免對路基造成擾動，節(jié)約工程造價、縮短工期，本工程考慮除橋臺后等沉降較為明顯的路段以外，原則上老路路基再利用。

3.1 既有路基調查

工程設計開展前，調閱了原有道路的設計、竣工和養(yǎng)護資料，并委托專業(yè)單位對既有路基和拓寬場地進行了調查、勘測和測試，查明了既有路基的填料、強度和穩(wěn)定情況。

既有路堤平均高度為1.2 m，原路基處于潮濕或中濕狀態(tài)，路基填料為間隔土，按二級公路標準建設。2014年全面大修，路面平整度優(yōu)良。

工程建設場地地貌單元為湖沼平原I-1區(qū)，地質條件復雜，土層分布不穩(wěn)定，地下水位偏高。

3.2 沉降控制標準的確定

舊路中心線與規(guī)劃紅線不重合，部分路段兩側拓寬，部分道路單側拓寬，選擇合適的沉降控制標準是路基設計的關鍵。

根據(jù)《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》和《公路路基設計規(guī)范》，拓寬部分的工后沉降應同時滿足如下兩點要求：

（1）一級公路軟土地基處理工后沉降控制標準見表2。

表2 一級公路軟土地基處理工后沉降控制標準

部分路段屬于單側拼寬，新老路面間有中央分隔帶分隔，拼寬部分路基可按新建道路容許工后沉降標準進行控制，并考慮其拓寬改建工程的工程性質，較一般路段提高一級，即按新建道路涵洞、箱涵處的容許沉降進行控制，容許工后沉降不大于20 cm，見圖5。

圖5 單側拼寬路段（單位：m）

（2）雙側拼寬路基按照差異沉降標準控制，拓寬路堤的路拱橫坡度工后相對于交工時的增大值不應大于0.5%：根據(jù)工程方案，路基拼寬寬度在14~18 m范圍內(nèi)。按照規(guī)范要求的路拱橫坡增大值反算，可得出新、舊路肩處的差異沉降值應控制在3~10 cm范圍內(nèi)，見圖6。

3.3 地基處理方案的選擇

地基處理方案主要考慮復合地基和輕質路堤：復合地基法主要是利用加固土樁、剛性樁等方式加固土地形成復合承載力，提高土地強度減少沉降，而輕質填料法主要是通過減輕填料重度，減少超載量，降低荷載，減少沉降。

圖6 雙側拼寬路段（單位：m）

（1）泥土攪拌樁

水泥土攪拌樁是將水泥通過專用的機械在地基深部將軟土和固化劑強制拌合形成具有較高強度的豎向加固體，根據(jù)工程經(jīng)驗，水泥土樁在0~10 m范圍內(nèi)工程質量可以保證，在10~12 m深度范圍工程質量尚可，12~15 m范圍內(nèi)樁體質量一般，15 m以下樁體質量較差。因此本工程中水泥土樁長宜小于12 m。

（2）PHC管樁

PHC管樁屬于剛性樁，具有施工速度快，控制工后沉降效果好等特點，一般需保證樁長穿透軟土層，根據(jù)本次工程地質勘查結果，由于本工程⑤號土缺失，PHC管樁需打穿⑥號土，本次工程中每根PHC管樁樁長采用20~25 m。

（3）粉煤灰路堤

粉煤灰路堤具有自重輕，造價低的優(yōu)點，但是施工不當易造成污染，本工程屬黃浦江準水源保護地，不宜大面積使用。

（4）泡沫輕質混凝土

泡沫輕質混凝土具有自重輕、強度高、工期短、環(huán)保等特點，但對后期道路養(yǎng)護、管線敷設與養(yǎng)護等影響較大，本工程不適合大面積使用。

3.4 地基處理方案的確定

運用軟件進行沉降計算，確定最終的地基處理方案。本工程使用的計算軟件為理正巖土計算6.5PB2版和有限元分析軟件MIDAS。

（1）設計參數(shù)（見表 3）

水泥攪拌樁：樁長12 m，樁徑0.6 m，樁間距1.5 m；

PHC：樁距 3.0 m，樁長24 m，樁外徑0.4 m，壁厚95 mm，樁帽1.4 m×1.4 m×0.3 m。

（2）沉降計算值

針對不同填土高度，采用水泥土樁+二灰路堤、PHC樁+二灰路堤、二灰路堤、石灰土路堤等多種組合方式對路基進行處理，并分別對按單側拼接路基和雙側拼接路基兩種工況情況進行沉降計算，對兩種方法計算結果取平均值后得出表4。

表3 設計參數(shù)表

表4 沉降計算比較表

根據(jù)沉降計算結果，最終采取的地基處理方案為：

單側拼寬道路：路基高差不大于1.2 m，采用石灰土回填；1.2 m＜路基高差≤2.5 m，采用二灰回填；2.5 m＜路基高差≤3.5 m，采用二灰+水泥土攪拌樁處理。

雙側拼寬道路，路基高差不大于1.2 m，采用二灰回填；1.2 m＜路基高差≤2.5 m，采用二灰+PHC管樁；路基高差大于2.5 m，采用二灰+PHC管樁。

3.5 路基填筑施工方案

路基施工前首先清表30 cm，將地表垃圾、耕植土等清除，清表后的地基壓實度應不小于90%。新老路基搭接需要開挖臺階，臺階開挖寬度按1.0 m控制，每級臺階高0.67 m，連接處加鋪剛塑雙向土工格柵4.0 m一層，土工格柵用U型鋼釘固定于臺階上，搭接寬不小于10 cm，用鍍鋅鐵絲綁扎。分層填筑石灰土或二灰至第一級開挖臺階高度后再開挖第二級臺階，開挖一級填筑一級，見圖7。

圖7 路基填筑示意圖

4 結 語

路基改擴建設計必須是在既有路基調查和評價的基礎上，合理處置既有路基病害，分析路基改擴建對既有路基變形、穩(wěn)定性、防護和排水設施的影響。做好地基處理、路基填料、邊坡穩(wěn)定、防護排水設施的綜合設計，采取合理的工程措施，保證拓寬路基與既有路基之間銜接良好，控制拓寬路基與既有路基之間的差異沉降，防止新老路基結合部不協(xié)調變形造成路面結構開裂、滑移等病害的發(fā)生。