丘陵區(qū)高速公路改擴建設計創(chuàng)新技術研究

王飛

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

寧夏段京藏高速從北往南依次經(jīng)過石嘴山市、銀川市、吳忠市及中寧市，是一條貫穿南北的重要交通干線，對項目的改擴建迫在眉睫，其對提高寧夏段京藏高速服務水平、推動經(jīng)濟及社會向前發(fā)展以及提高寧夏回族自治區(qū)對外開放具有重要的意義。本文以寧夏段京藏高速改擴建工程勘察設計為例，著重分析和研究了丘陵區(qū)高速公路改擴建工程設計所采用的新技術，創(chuàng)新內(nèi)容及取得的成效，從而為改擴建高速公路建設積累寶貴的經(jīng)驗。

1 SSW車載激光建模測量系統(tǒng)在京藏高速改擴建工程中的應用

項目主要是將老路由4車道改擴建為8車道，由于京藏高速公路車流量大、重車多，封閉內(nèi)側(cè)超車道后在中央分隔帶處進行舊路測量安全隱患大。因此為給設計提供可靠的基礎數(shù)據(jù)，根據(jù)工作進度對主線兩側(cè)中央分隔帶和硬路肩外側(cè)邊緣線采用SSW車載激光建模測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)掃描采集，人工測量的硬路肩外側(cè)邊緣線作為校核。該技術的應用，除較大幅地提高項目的測量的準確性與設計質(zhì)量之外，還極大地縮短了設計周期。

項目采用的SSW車載激光建模測量系統(tǒng)在作業(yè)過程中不僅采集激光點云數(shù)據(jù)，還獲取了全景影像數(shù)據(jù)，全程約70km，采用的是往返掃描的方法。采集完數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進行預計算，隨后對組合導航進行計算，并對計算結(jié)果的質(zhì)量進行預評估。若計算結(jié)果滿足要求，則開展點云計算。點云計算完成之后，系統(tǒng)開始進行平面和高程改正。待平面和高程改正完成之后，對點云通過檢查點展開精度檢查，針對部分超過限制的路段，采用增設控制點的方式滿足精度要求并生成最終結(jié)果，見圖1。

圖1 系統(tǒng)全景影像

2 利用有限元分析，確定新舊路面合理搭接寬度

改擴建項目路面各層位采用不同的搭接寬度與新舊路面結(jié)構(gòu)接縫的位置相互影響，項目設計利用有限元軟件對新建部分的路面結(jié)構(gòu)與舊路加鋪結(jié)構(gòu)進行分析，并根據(jù)路面在行車荷載作用下的破壞模式來分析特定位置。本次有限元分析，在規(guī)范要求的基礎上，同時結(jié)合前人對路面搭接寬度所進行的研究及項目特點，模擬了6種搭接形式，對不同搭接形式下接縫處對應的層底拉/壓應力、層底剪應力及輪跡帶處應力進行模擬計算分析，依據(jù)計算分析結(jié)果，臺階開挖寬度不宜過寬，盡量根據(jù)實際情況保持在第3車道。項目以第2及第3車道為分界線，新建路面結(jié)構(gòu)位于外側(cè)，內(nèi)側(cè)舊路通過開挖臺階與新建路面進行合理搭接。經(jīng)后續(xù)項目通車運營2年檢驗，項目拼接方案合理，有效控制了新舊路面拼接接縫等問題，路面平整度較好，未出現(xiàn)路面開裂等病害，見圖2～4。

圖2 有限元模型

圖3 接縫頂面加鋪層層底拉/壓應力

圖4 接縫頂面加鋪層層底剪應力

3 采用midascivil軟件，對原有13～20m跨徑橋梁拼寬后全橋結(jié)構(gòu)進行整體驗算

采用midascivil軟件建立橋梁空間模型進行分析，空間模型見圖5～6：

圖5 全橋分析模型

圖6 橫向拼接

計算結(jié)果表明，各項驗算滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTGD62—2004）要求，拼寬方案合理可行。

4 國內(nèi)罕見，寧夏首座錯孔布置、柔性連接拼寬橋梁

本橋為寧東鐵路分離式立交上跨鐵路橋，與鐵路交角75.9°。既有橋梁為20×16+9×20+10×16m空心板橋。

由于所跨鐵路與橋梁交角小，為避免對既有橋梁的拆除，最大限度地保證鐵路的正常運營，同時為方便施工，縮短工期，拼寬橋采用了非常規(guī)的錯孔布置，對應原橋上跨鐵路5×20m聯(lián)范圍，左、右幅拼寬聯(lián)分別采用16+20+4×16m及4×16+20+16m跨徑布置，見圖7。

圖7 錯孔拼寬方案

本橋采用錯孔布置的方案，為保證新老橋梁結(jié)構(gòu)受力的協(xié)調(diào)一致，提高拼寬橋梁的耐久性，本橋?qū)π吕辖Y(jié)構(gòu)上部的連接采用了柔性連接的方式，即在拼寬濕接縫設置2cm“假縫”，縫隙間用泡沫板填塞，同時連接新老板梁懸臂鋼筋以實現(xiàn)柔性鉸接。

本橋拼寬方案的順利實施，為將來的錯孔橋梁拼接積累了寶貴的經(jīng)驗。

5 乳化瀝青廠拌冷再生，實現(xiàn)資源循環(huán)利用

乳化瀝青冷再生施工控制簡單、施工工藝成熟，再生層屬于柔性基層，具有良好的高溫穩(wěn)定性、耐疲勞性、水穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性，可大幅減少反射裂縫的發(fā)生，使得路面可以保持長期的穩(wěn)定狀態(tài)，很大程度延長了道路的使用期限。與此同時，對銑刨回收的舊料進行乳化瀝青冷再生，減輕環(huán)境污染，實現(xiàn)資源的節(jié)約化與集約化。

本著節(jié)能環(huán)保，盡量利用銑刨料及更好地體現(xiàn)路面全壽命周期設計理念的原則，采用乳化瀝青廠拌冷再生的方式，將路面舊路硬路肩、舊路部分行車道及舊路病害集中路段銑刨料應用于路面中，經(jīng)統(tǒng)計JZ16、17、18、19、20標段共銑刨舊瀝青混凝土75816m3，JZ21、22、23標段共銑刨舊瀝青混凝土46432.7m3，為實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，設計中對銑刨瀝青混合料進行再生利用，將JZ16—JZ20標段銑刨瀝青層RAP均運至JZ18標段，將JZ21—JZ23標段銑刨瀝青層RAP均運至JZ21標段右幅，進行乳化瀝青冷再生處理后應用于上基層，總體利用率可達到90%以上，見圖8～9。

圖8 乳化瀝青廠拌冷再生路面結(jié)構(gòu)

6 采用液態(tài)粉煤灰進行橋涵構(gòu)造物臺背回填，實現(xiàn)廢舊材料再生循環(huán)利用

項目沿線存在大量工業(yè)廢棄粉煤灰，為大力推行廢舊材料再生循環(huán)利用，應當?shù)卣嚓P函件要求，設計中積極采用液態(tài)粉煤灰進行橋涵構(gòu)造物臺背回填，利用其自重輕、密實性好、壓縮性小、流動性好、整體性好、利于環(huán)保、工藝簡單、便于施工等優(yōu)點，減少了路基與橋涵構(gòu)造物之間的不均勻沉降，提高行車舒適性，節(jié)約造價，保護環(huán)境。經(jīng)項目通車運營檢驗，采用液態(tài)粉煤灰進行橋涵構(gòu)造物臺背回填路段，橋頭跳車現(xiàn)象明顯減緩，結(jié)構(gòu)物與路基間無橫向沉降裂縫，行車舒適性顯著提高。粉煤灰填料要求應滿足以下要求：

圖9 銑刨瀝青層RAP

（1）粉煤灰燒失量宜小于20%，當燒失量超過標準的粉煤灰應作對比試驗，分析論證后采用。

（2）粉煤灰粒徑宜在0.001～1.18mm之間，小于0.075mm的顆粒含量宜大于45%，且粉煤灰中不得含團塊、腐殖質(zhì)及其他雜質(zhì)。

（3）宜采用塑性指數(shù)不小于12的黏性土作為包邊土和頂面封層的填料。液態(tài)粉煤灰側(cè)面采用1.5m寬水平厚度的包邊土。

（4）施工前應進行混合料配合比設計，配合比設計各項材料參考用量為水泥∶粉煤灰=4∶96～10∶90（體積比）。外加劑用量為水泥用量的1%，見圖10。

圖10 液態(tài)粉煤灰標準化施工流程

7 重視安全，合理有序安排施工及交通組織

京藏高速為寧夏境內(nèi)南北走向的重要通道，公路的施工對交通流有較大影響，為兼顧交通安全順暢與施工質(zhì)量進度，需要制定合理的設計、施工方案、保通方案，發(fā)揮老路的社會經(jīng)濟效益，減少社會影響。設計方案制定時盡可能減少對原路的影響：如路基基底補強用對舊路影響較小的高速液壓夯方案，盡可能利用橋梁上部，根據(jù)交通組織方案合理確定路基、路面、橋梁拼接方案。

7.1 望遠至金積段交通組織

因地制宜地根據(jù)沿線路網(wǎng)特點分段制定保通方案：起點至金積樞紐段主要過市區(qū)，路網(wǎng)密集，現(xiàn)有道路可滿足短期內(nèi)出行需求，故采用封閉交通施工的模式，強化分流引導方案，減輕地方道路通行壓力。

根據(jù)總體施工計劃安排，工程施工階段共劃分為兩個階段，并于2017年11月5日～2018年9月20日全線（除金積樞紐互通外）封閉施工，施工期間禁止所有車輛通行。

7.2 金積至滾泉段交通組織

金積樞紐至終點路網(wǎng)較單一，故采用“邊施工、邊保通”的方式，并制定了全面、詳細的交通組織措施、策略及方法，建立了科學、合理的交通應急預案，為項目的順利完成提供保障。

根據(jù)本段落總體工期安排，共劃分為兩個施工階段，于2018年3月20日～2018年10月31日左半幅（固原往銀川方向）封閉施工，封閉期間右半幅（銀川往固原方向）正常通行；2018年11月1日～2019年3月19日左半幅（固原往銀川方向）已施工完畢，全線雙向正常通行；2019年3月20日～2019年10月31日右半幅（銀川往固原方向）封閉施工，封閉期間左半幅（固原往銀川方向）單向四車道通行。

8 結(jié)語

本文對丘陵區(qū)高速公路改擴建工程設計創(chuàng)新技術展開了研究，提出以下建議：

（1）應用SSW車載激光建模測量系統(tǒng)，有限元分析及midascivil軟件，理論聯(lián)系實際，為設計提供充分的依據(jù)，進而提高工程質(zhì)量；

（2）應著重加強路基、路面的拼接處置，降低新老路基間的不均勻沉降；

（3）采用液態(tài)粉煤灰進行橋涵臺背回填，對銑刨回收料的再生利用，充分貫徹綠色、環(huán)保設計理念。