高速公路新舊路基拼寬連接加固施工技術(shù)

郭 杰

（中交四公局第三工程有限公司，北京 100000）

1 項目背景

濟(jì)南至菏澤段高速公路改造擴(kuò)建工程線路長153 km，實際施工長度為152 km?，F(xiàn)階段運營中的路段為雙向4車道，由于交通壓力的增加，計劃改造擴(kuò)建至雙向8車道，路面寬度提升至42 m，單向通行路寬達(dá)到21 m，改造建設(shè)方案預(yù)選為：兩側(cè)同時加寬，部分路段采用單側(cè)加寬[1]，高速公路設(shè)計速度120 km/h。濟(jì)南至菏澤段高速公路改造擴(kuò)建工程主要難點是其地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且新舊路基沉降率不同導(dǎo)致路面存在裂縫。

2 舊路基現(xiàn)狀評價

2.1 舊路面路基現(xiàn)狀

分析舊路基修建原始資料得知，其路面結(jié)構(gòu)層可以細(xì)分為原面層、水穩(wěn)層和修補層，厚度70 cm～80 cm，全部采用水泥混凝土結(jié)構(gòu)；路面結(jié)構(gòu)缺陷多為斷裂、裂縫、破碎、剝落等。其中，路基的上部是一種黏稠的土層，厚度為1.0 m～10.4 m，其結(jié)構(gòu)比較致密，略濕潤，沒有被水軟化；路基的下部主要是各種巖石層，包括紅砂巖、花崗巖等，略濕潤，沒有被水浸蝕；底層是可硬化的粉質(zhì)黏土。整個線路的壩體相對穩(wěn)定，只有極少數(shù)開挖段出現(xiàn)坍塌和虧坡。

2.2 舊路面路基病害評價

1）舊公路路面上出現(xiàn)了許多斷裂類型的裂縫（交叉形式、角隅形式、縱橫斜形式的裂縫），接縫傳荷能力為中、次區(qū)間的比例達(dá)70%，整體傳荷能力差，底板的脫空率超過25%，地基的支承均勻度低，無法充分發(fā)揮作用。

2）強(qiáng)風(fēng)化的紅砂巖、全風(fēng)化花崗巖填筑路基的壓實度未達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，壓實度為83.2%～95%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計指標(biāo)，無法滿足載荷需求。

3）舊公路路基土壤濕度較大，最低相對濕度達(dá)到19.78%，最高達(dá)到26.8%，開挖時的含水率比填方區(qū)高。路基按其干濕狀態(tài)不同，分為干燥、中濕、潮濕、過濕4類，本工程局部地區(qū)的路基土壤為干燥、中濕，其余地區(qū)為過濕。

4）舊公路的路基總體上比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)軟化等現(xiàn)象，壓實度較低，可以根據(jù)以后的檢查結(jié)果對舊路基進(jìn)行處理。

5）經(jīng)過多年的運行，舊路基承載能力嚴(yán)重下降，主要表現(xiàn)為路基過濕、壓實度降低等病害增多。

6）在不同的時期內(nèi)，路基含水率由施工時的最佳含水率變?yōu)槠胶夂剩胶夂式咏盍系乃芟?。隨著含水率的增加，填料的干密度逐漸減少，再加上車輛的作用，使彈性模量降低，從而使路基整體的剛度下降。

3 新舊路基拼接方案

3.1 軟土地基預(yù)處理

改建工程沿線填筑的路基基本分布在水塘和種植土范圍內(nèi)，大部分為軟土發(fā)育、水位高，且地表清晰可見明水。軟土以淤泥質(zhì)土壤為主，具有較高的自然水分，并呈現(xiàn)軟塑的形態(tài)，局部為流塑。軟土厚度為1.0 m～7.6 m，由于土壤質(zhì)地松軟，其物理機(jī)械性能和承載力均較低，容易造成不均勻的地基沉降，對地基的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。為了保證路基的穩(wěn)定，減小路基的不均勻沉降，在軟弱地基上采取清淤換填和水泥攪拌樁的方法。

1）清淤換填施工。用鏟車或者挖掘機(jī)對軟弱土壤進(jìn)行深挖，并對深挖后的底面進(jìn)行平整，在軟土的基礎(chǔ)上，開挖的淤泥寬度應(yīng)不低于路基的寬度，然后進(jìn)行碎石回填。在回填區(qū)內(nèi)不能摻雜軟土或水，以防止軟土摻入其中產(chǎn)生彈性或有缺陷的基底，并通過排水渠強(qiáng)化路基兩邊的排水效果[2-3]。使用推土機(jī)攤鋪石塊，并用碎石對細(xì)小縫隙進(jìn)行填塞，當(dāng)石塊和碎石鋪好后，先用壓路機(jī)壓1次，振搗3次，直至路基頂面穩(wěn)定不下陷，無明顯輪痕。

2）水泥攪拌樁施工。在軟土現(xiàn)存厚度3 m以上的拓寬路段，應(yīng)采用混凝土攪拌樁進(jìn)行加固。通?；炷翑嚢铇恫捎弥睆?0 cm、間距80 cm的圓樁，將其平面呈等邊三角形進(jìn)行排列，要求混凝土攪拌樁在軟土中垂直向下埋入50 cm。

3.2 舊路基增壓補強(qiáng)處理

3.2.1 沖擊增強(qiáng)補壓

1）當(dāng)填土長度＞80 m、高度＞2 m，且在2.5 m深度范圍內(nèi)無涵洞等結(jié)構(gòu)時，可以采取沖擊加固措施，沖擊加強(qiáng)能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)補壓。

2）沖擊、碾壓是一種輔助手段，不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碾壓，在進(jìn)行沖擊增強(qiáng)補壓之前，必須檢查平整度和壓實度，確定是否合格，合格后方能進(jìn)行沖壓補強(qiáng)。

3）通常按2 m的寬度沖擊增強(qiáng)補壓1次，每次沖孔次數(shù)為20次，并根據(jù)測試結(jié)果確定。在沖擊增強(qiáng)補壓過程中，要注意錯輪，每輪沖5次后調(diào)轉(zhuǎn)方向。在每次沖擊增強(qiáng)補壓過程中，沉降量≤3 mm。

4）壓實完畢后，應(yīng)對填筑地基進(jìn)行平整、碾壓，并再次檢查其密實度。

5）在沖擊增強(qiáng)補壓過程中，注意不要損壞涵洞等建筑物。

6）為了確保沖擊增強(qiáng)補壓質(zhì)量，最好使用自力式?jīng)_床，其質(zhì)量必須≥15.5 t。在正式工作之前，需要對沖擊增強(qiáng)補壓設(shè)備進(jìn)行試驗，以確保其符合工程的需要。

3.2.2 液壓沖擊補強(qiáng)

1）通常每填3層后要用液力打夯機(jī)進(jìn)行加固，在加固過程中，注意夯錘與建筑物的間距＞30 cm，避免發(fā)生碰撞。

2）擴(kuò)建段從一端到另一端的填方部分，沿著線路的方向繼續(xù)向前，然后從另一端沿著相反的方向返回。每一處的夯擊數(shù)應(yīng)該為6次～9次。

3）每夯擊3次，即完成一輪夯擊，并以上一輪與本輪的沉降偏差＜10 mm為基礎(chǔ)進(jìn)行夯擊，當(dāng)檢測沉降＜10 mm時，可以結(jié)束夯擊。

4）在檢查和確定壓實度滿足要求后，清理因夯實而造成的虛土，并按路基的一般壓實要求進(jìn)行平整和夯實。

3.2.3 羊足碾補強(qiáng)

1）對所有壓實度和平整度達(dá)到要求的路段，均可用羊足碾壓進(jìn)行加固。需要注意的是，羊足碾不能達(dá)到壓路機(jī)的效果，如果僅使用羊足碾會造成壓實度達(dá)不到要求。

2）在采用羊足碾壓加固之前，根據(jù)試驗區(qū)段的施工情況確定具體的碾壓遍數(shù)，并在實際補強(qiáng)過程中嚴(yán)格執(zhí)行，以此保證加固效果。

3）利用羊足碾壓完成后，用平板機(jī)對其進(jìn)行平整，如有需要，可利用大型壓路機(jī)進(jìn)行平整，大型壓路機(jī)整體性好、效率高。

4）羊足碾的使用應(yīng)符合規(guī)定，若設(shè)計圖未特別規(guī)定，應(yīng)按監(jiān)理單位的施工要求進(jìn)行。

3.3 新舊路基結(jié)合部土工格柵加筋處理

3.3.1 土工格柵鋪設(shè)方案

土工格柵的側(cè)向不變形特性將約束格室內(nèi)填充物的橫向變形，使其具有較強(qiáng)的橫向極限和較大的剛度，可提高新舊路基接合處的承載力，以分散荷載，減少新舊路基接合處的不均勻沉降。在路基中間鋪筑的土工合成材料，其作用沒有鋪筑在路基底部和路床底部時的效果顯著，而且隨著鋪筑層數(shù)的增多，加筋效果的改善也不顯著。所以，在試驗區(qū)內(nèi)進(jìn)行了土工格柵的加固效果試驗，通過試驗比對可以得出土工格柵鋪設(shè)方案的合理性。試驗段采用一段右幅路基拓寬，長度100 m，填筑高度8.8 m。土工格室共鋪設(shè)3層，從下到上依次為D1，D2，D3，D1層位于路基的底端（路床頂面之下8.8 m）,D2層位于D1和D3層之間（路床頂面之下5.0 m）,D3層位于路底（路床頂面之下1.2 m），將土工格柵鋪在指定的階梯上。

3.3.2 應(yīng)變測試結(jié)果及分析

路基土工格柵的加筋寬度為10 m，沿行車垂直方向在土工格柵內(nèi)布設(shè)5個測點，每處設(shè)1個位移傳感器，3層土工格柵間共15處位移測量。最靠近舊路基的1#測試點在距離該層開挖臺階立面1.0 m處，1#～5#測點以間距2.0 m依次排列，最外5#測試點距該點已開挖的階梯立面9.0 m。采用JMDL撓性位移傳感器對土工格柵室內(nèi)變形進(jìn)行檢測，測試結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 D1層格室應(yīng)變

圖3 D3層格室應(yīng)變

由圖1可知，1#～5#測試點的應(yīng)變值隨填土高度的增大而增大，D1層頂部填土高度為7.6 m時，測試點的應(yīng)變值最高；分段填土后，各測試點應(yīng)變逐步降低到一定的水平。從1#～5#測試點變形量比較，1#測試點應(yīng)變最小，5#測試點應(yīng)變最大，即距離舊路基開挖后的臺階面越遠(yuǎn)，變形量越大。

由圖2可知，1#～5#測試點應(yīng)變值隨填土高度的增加而增大，D2層頂板在3 m～8 m處的應(yīng)變值均為峰值；分段的填筑過程中，各個測試點應(yīng)變都會逐步降低到一定的水平。通過與1#～5#測試點應(yīng)變比較，發(fā)現(xiàn)3#測試點處（新路基中間）的變形量較大，在兩側(cè)測試點處的變形量則相對較低。

圖2 D2層格室應(yīng)變

由圖3可知，1#～5#測試點應(yīng)變值隨填土高度的增加而增大，D3層頂板在1.2 m處的應(yīng)變值最大，隨后降低到一定的數(shù)值。從1#～5#測試點變形量比較，1#測試點變形最大，5#測試點最小，即越靠近舊路基開挖后的臺階面，變形量越大。

結(jié)果表明：土工格柵內(nèi)的各個測試點隨填土高度的增加而增加，其變化速度與填土率呈顯著的相關(guān)性。在填筑過程中，由于地基的固結(jié)效果不佳，格間的應(yīng)變存在“過盈”，在填筑完成后，格室不再受振動壓路機(jī)的影響，又回到了正常的變形狀態(tài)，因此應(yīng)變數(shù)值穩(wěn)定降低。在豎向?qū)Ρ鹊幕A(chǔ)上，D1層的最大應(yīng)變、最小應(yīng)變和平均應(yīng)變最大，這一結(jié)果與以往的實驗結(jié)果一致，即在路基下面的格子結(jié)構(gòu)可以承受最大的應(yīng)力和最大應(yīng)變。比較3層結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變出現(xiàn)部位，D1層的最大應(yīng)變出現(xiàn)在5#測試點，中間D2層的最大應(yīng)變出現(xiàn)在3#測試點，D3層的最大應(yīng)變出現(xiàn)在1#測試點，這3個連線是加寬路基中最大的剪力區(qū)，連線的右上方和左下方都有滑移的傾向，土工格柵的加固可以阻止新舊路基的剪切滑移，減少新舊路基的不均勻沉降。

4 新舊路基變形觀測

通過實測新舊路基的沉降，對新舊路基的拼接效應(yīng)進(jìn)行分析，觀測結(jié)果見圖4~圖5。

圖4 新路基路表沉降最大點沉降歷時曲線

由圖4~圖5可知，在工程完工后，新路基表面的沉降率＜2 mm/月，路基表面的沉降基本趨于平穩(wěn)。在舊路基填筑過程中，路表沉降率為5 mm/d，路表沉降控制在允許范圍內(nèi)；隨著地基固結(jié)度的不斷增加,地基表面的沉降速率隨著時間的增長而減小,由于新路基的填土高度大于舊路基，新舊路基沉降差異會隨時間越來越小，在工程完工后，路表沉降速度＜2 mm/月，路面表面沉降趨于平穩(wěn)，與新路基一側(cè)的沉降速度比較，差別不大，新舊路基結(jié)合效果良好。

圖5 舊路基路表沉降最大點沉降歷時曲線

5 結(jié)語

根據(jù)以上內(nèi)容分析得出，在高速公路改建過程中，新舊路基與地基性質(zhì)的不同，將造成新舊路基結(jié)合處出現(xiàn)不同的沉降，進(jìn)而導(dǎo)致路基缺陷，新舊路基的沉降控制是影響道路改建工程質(zhì)量的重要因素，采用合理的實驗?zāi)軌蚍治龀鲎罴训氖┕し桨?，提高原有高速公路的擴(kuò)建質(zhì)量。本文結(jié)合某高速公路改建項目，對新舊路基拼寬加固中高速液力夯機(jī)加固技術(shù)和土工格柵的施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)的探討，以提高新舊路基拼寬加固的工程質(zhì)量，確保工程順利進(jìn)行。