高速公路路橋過渡段施工技術(shù)研究

王興曄 楊明好

（1 中國建筑土木建設(shè)有限公司；2 中國建筑第八工程局有限公司）

高速公路路橋過渡段的“橋頭跳車”是影響高速公路行車安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)。國際學(xué)界的諸多研究學(xué)者，針對高速公路過渡段的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究探討[1]。如美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家自1960 年起針對公路橋段過渡以及橋頭引道山的定居點(diǎn)展開研究；日本提出應(yīng)對高速公路路橋過渡段的措施，該過渡段建在軟土地基上；德國在橋頭路基的調(diào)查方面，利用臺背調(diào)料預(yù)壓要求進(jìn)行了聯(lián)合研究。1990 年起，我國在改革開放背景下經(jīng)濟(jì)得到高速發(fā)展，各地的交通壓力逐步增加，開始大規(guī)模建設(shè)高速公路[2]。由于施工條件、施工技術(shù)以及設(shè)計(jì)方案等諸多因素影響，21 世紀(jì)前的高速公路設(shè)計(jì)往往存在橋頭路基沉降問題、“橋頭跳車”現(xiàn)象屢見不鮮。此后，為了解決“橋頭跳車”問題我國進(jìn)行了大量研究與問題分析[3]。1996 年，我國交通部首次頒布了《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范盜》，將道路和橋梁過渡段的沉降允許值在制度層面上進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定[4]。之后，我國針對氣泡混合輕質(zhì)土、復(fù)合地基、剛?cè)徇^渡等方面制定諸多方案，極大程度上減少了道路過渡段的不均勻沉降問題。2000 年起，我國在高速鐵路建設(shè)技術(shù)上取得極為顯著的成就，研究突破性進(jìn)展明顯。在高速公路穿越段施工過程中，軟土受軟土流動性和不穩(wěn)定性的影響，在公路施工過程中會出現(xiàn)不均勻沉降、路面斷裂、工期延誤等情況，需要對軟土進(jìn)行地基加固[5]。在高速公路過路段施工時遭遇軟土?xí)苘浲镣临|(zhì)流動性和不穩(wěn)定性的影響，引發(fā)道路施工不均勻沉降、路面斷裂、工期延遲等情況，需要對軟土進(jìn)行地基加固，目前軟弱地基加固方法分為兩種，一種是采用大規(guī)模填土、換土的方法，雖然加固效果較好，但具有施工周期長、成本投入高、后期養(yǎng)護(hù)成本高等缺陷；另一種是在軟弱地基中增設(shè)橫向樁體進(jìn)行加固，通過樁體對軟土的擠壓和換置效果，增強(qiáng)軟弱地基的荷載能力，具有加固效果顯著、成本投入低的應(yīng)用優(yōu)勢[6]。水泥攪拌樁、素混凝土樁以及CFG樁等常規(guī)方式在軟土埋深大于20m的深厚土層區(qū)穿透作業(yè)阻礙較多，施工難度較大[7]。沉降深厚軟土地區(qū)路橋過渡段為了滿足規(guī)范要求，確保施工的穩(wěn)定進(jìn)行，必須要采取針對性措施，對路橋過渡段存在的差異性沉降進(jìn)行協(xié)調(diào)處置[8]。本文通過對實(shí)際案例研究，結(jié)合深巴路橋過渡段差異沉降控制過渡方案分層次制定出剛性、柔性以及剛?cè)峤Y(jié)合三部分，基于MIDASGTSNX 軟件的有限元模型進(jìn)行對比研究，以期為類似工況提供借鑒。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

⑴工程名稱：遼寧省大連市甘井子區(qū)某沿海高速公路建設(shè)工程。

⑵工程規(guī)模：該高速公路建設(shè)工程為雙向四車道公路，總長度約為3.8km，平均寬度約為18m，路基頂寬30m，底寬39m，其中路橋過渡段的軟弱地基路段長度約為20m，軟基處理深度23.5m。

⑶工程地基要求：要求地基承載力大于200kpa、平面傾斜角度小于0.001°。

⑷填方路基情況：該填方路基寬度約為18m。填方率約1:1.5，填方高度為7.5m（第一次填筑4m，第二次填筑3.5m），路基填土厚度3.0m。

1.2 地基土性

該高速公路建設(shè)工程的路橋過渡段軟弱地基位于遼寧省大連市甘井子區(qū)臨海區(qū)域，土質(zhì)較為特殊，根據(jù)鉆探結(jié)果顯示，該場地經(jīng)過填海造陸吹填工作形成，基礎(chǔ)地基分為七層，屬于典型的深厚軟基地基類型，第一層基礎(chǔ)表面層；第二層主要由粉質(zhì)黏土混砂構(gòu)成，厚度約為8m；第三層主要由淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土構(gòu)成，厚度約為3m；第四層主要由含砂質(zhì)黏土構(gòu)成，厚度約為3.5m；第五層主要由淤泥混砂構(gòu)成，厚度約為5m；第六層主要由粉質(zhì)黏土構(gòu)成。厚度約為2.5m；第七層主要由粗砂構(gòu)成，厚度約為1.5m，各土層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)

2 基于MIDASGTSNX的施工方案研究

文章使用MIDASGTSNX 軟件建立有限元模型，MIDASGTSNX 軟件是針對二維、三維巖土工程的建模分析軟件，具有靜力施工階段分析，邊坡分析，滲流固結(jié)分析，動力分析等功能，廣泛應(yīng)用于隧道工程計(jì)算、橋梁工程計(jì)算、市政地鐵站計(jì)算、礦山隧道計(jì)算、荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算等領(lǐng)域，能夠通過其豐富的材料模型資源庫，有效結(jié)合實(shí)際工況，以統(tǒng)一時間軸為基準(zhǔn)，模擬軟弱地基使用不同的樁后的排水固結(jié)沉降狀態(tài)[9]。

2.1 剛性過渡方案

剛性過渡方案參考軟基處理方案，路橋過渡段采取剛性方案，主要利用剛性樁作為豎向配筋，確保材料的硬度與剛性。剛性樁山的組成部分包括尼、鉆孔灌注樁、管樁等，因?yàn)殂@孔灌注樁的造價(jià)成本較高、體量大、施工難度高，多數(shù)情況下只會應(yīng)用于橋梁樁基方面。復(fù)合地基的處理采用預(yù)應(yīng)力管樁，樁徑小、強(qiáng)度高[10]。

2.1.1 適用范圍

剛性樁的優(yōu)勢較為顯著，劣勢也較為明顯，包括材料成本高、造價(jià)高、處理深度大等，一般情況下適用于軟土地基等高路堤段，與局部變形大、變形要求嚴(yán)格的路堤連接段或橋頭渠道也較為適配。

2.1.2 施工方案

本項(xiàng)目軟土縱深，橋梁采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，路橋過渡段的地基類型選擇主要為預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)核地基房型布置，管樁之間間距保持在平均2.5m 距離。管樁選用A型樁，直徑md=400mm、壁厚t=95mm、混凝土強(qiáng)度等級C80、彈性模量38000MPa。為避免樁頂貫入產(chǎn)生破壞，預(yù)應(yīng)力管樁樁頂在發(fā)揮單樁承載力的同時需在樁頂設(shè)置混凝土托板，托板類型為C30，規(guī)格為1.2m×1.2m×0.35m，在托板上部鋪設(shè)50cm～65cm的厚碎石墊層。

2.1.3 沉降計(jì)算

樁帽刺入量s1、樁底刺入量s2和下臥層沉降s3是剛性樁復(fù)合地基的總沉降數(shù)據(jù)涵蓋層，計(jì)算方法應(yīng)按照《遼寧省公路軟土地基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)定》進(jìn)行計(jì)算。沉降計(jì)算詳情見表2。

表2 預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基沉降計(jì)算表

根據(jù)表2 的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，剛性樁的復(fù)合地基總沉降數(shù)值與剛性樁樁長、下臥層沉降存在直接聯(lián)系。尤其是樁長處于強(qiáng)風(fēng)化巖石階段后，樁底刺入量以及下臥層隨著路橋過渡段樁長小于樁帽刺入量。當(dāng)路橋過渡段樁長施工后從橋頭處漸變，沉降深度由23.03mm 漸變增加為85.43mm。

2.2 柔性過渡方案

柔性過渡方案采取的樁位為柔性樁，指的是低級的軟處理方案，主要利用水泥攪拌樁等柔性樁作為預(yù)壓處理基礎(chǔ)。

2.2.1 適用范圍

柔性過渡解決方案因?yàn)檩p質(zhì)填充材料的結(jié)合使用，減少了附加荷載，如果地表形成硬殼層，且此硬殼層形成了一定厚度后可避免深軟基處理。適用于橋頭、加寬、墻后等路基填土不厚、附加荷載小或路堤質(zhì)量要求大幅度降低的地段。當(dāng)橋頭軟土山硬殼層較薄、承載力較低時，一般先對表層軟土進(jìn)行加固或?qū)σ欢ㄉ疃鹊能浕M(jìn)行處理，再進(jìn)行氣泡混合輕質(zhì)土式填土。

2.2.2 施工方案

由于軟土水深，路堤填土厚度較小，一般軟土段利用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法。如果采用剛性樁復(fù)合地基很容易造成地面隆起。在橋頭路段真空預(yù)壓后填筑氣泡混合輕質(zhì)土，利用真空預(yù)壓的各項(xiàng)顯著性優(yōu)勢，減少處理成本、夯實(shí)加固效果。與此同時，利用氣泡混合輕質(zhì)的優(yōu)勢特點(diǎn)，底層設(shè)置透水砂墊層減少土層重量與附應(yīng)力重力，透水砂墊層外還需要著重設(shè)置防滲土工布并立膜澆筑。

2.3 剛-柔結(jié)合過渡方案

剛?cè)徇^渡方案一般采用長短樁組合，介于剛性方案與柔性方案之間，具有一定的包容性與中心性。剛?cè)徇^渡方案長樁為剛性樁，增強(qiáng)路段過渡段施工的承載應(yīng)力，并在軟土層穿透后持續(xù)進(jìn)入持力層，減少施工沉降。短樁為柔性樁，因?yàn)槎虡缎阅馨l(fā)揮不需要傳統(tǒng)軟土層，只需要提高樁間土承載力進(jìn)行軟土層加固即可。剛?cè)徇^渡方案結(jié)合了剛性方案與柔性方案的優(yōu)勢特點(diǎn)，一方面保證了剛性承載力與處理深度，另一方面也減少了施工造價(jià)，增加了施工便捷性。

2.3.1 適用范圍

剛－柔過渡方案一般適用于軟土地基山深處有大型荷載、變形要求嚴(yán)格的高路堤段、橋頭或渠道與路堤連接段。

2.3.2 施工方案

本工程選取樁長在15～20m 的雙向水泥攪拌樁，不需要進(jìn)行軟土層穿越作業(yè)。橋梁基礎(chǔ)為中風(fēng)化花崗巖，利用鉆孔灌注樁土的方式確保樁尖進(jìn)入橋梁基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)路橋沉降的協(xié)調(diào)處理，一般情況下施工方案可采取長短樁符合地基方案作針對性選取管樁。長樁的方樁布置應(yīng)采取C80 等級混凝土、管徑0.4m 的預(yù)應(yīng)力管樁，樁間距保持在3m 左右，頂部設(shè)置正方形等比例混凝土托板。路橋過渡段橋臺附近的管樁樁長進(jìn)入軟土層深度較深，需要采用漸變樁長。路橋過渡段采用漸變樁型實(shí)現(xiàn)沉降段的平穩(wěn)過渡。

2.3.3 沉降計(jì)算

剛–柔結(jié)合過渡方案的沉降主要由剛性樁控制，沉降計(jì)算詳見表3。

從表3 相關(guān)數(shù)據(jù)可知，下臥層沉降與剛性樁樁長呈正比例直接關(guān)系，即剛性樁樁長增加帶動著下臥層的沉降深度。路橋過渡段在變樁長布置時樁長與工后沉降漸變形勢顯著。

3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益分析

基于剛性過渡方案、柔性過渡方案和剛–柔結(jié)合過渡方案三種過渡方案的有限元模型，文章在MIDASGTSNX 軟件中進(jìn)行造價(jià)估算，進(jìn)而對比不同過渡方案的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。為提升三種過渡方案對比的科學(xué)性，首先將三個有限元模型統(tǒng)一項(xiàng)目參數(shù)設(shè)置，項(xiàng)目參數(shù)來源于遼寧省大連市甘井子區(qū)某沿海高速公路建設(shè)工程，具體為道路路基頂寬30m，底寬39m，路基填土厚度3.0m，過渡段長度20m，軟基處理深度23.5m。

3.1 軟基處理技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際參數(shù)計(jì)算得出的軟基處理技術(shù)指標(biāo)表如表4所示。

表4 軟基處理技術(shù)指標(biāo)表

根據(jù)表4 得出，施工周期方面，剛性過渡工期最短，為1～2個月，柔性過渡工期最長，為8～10月；施工期沉降方面，剛性過渡沉降最少，為50mm～100mm，柔性過渡沉降最多，為1500mm～2500mm；施工后沉降方面，剛性過渡沉降最少，為10mm～50mm，柔性過渡沉降最多，為20mm～100mm；地基承載力方面，剛性過渡承載力最強(qiáng)，為150mm～200mm，柔性過渡承載力最弱，為100kPa～120kPa。由此可以得出，剛性過渡方案和剛–柔結(jié)合過渡方案具有工期短、沉降小，地基承載力強(qiáng)的特點(diǎn)。

3.2 造價(jià)分析

根據(jù)遼寧省大連市甘井子區(qū)的原料價(jià)格，三種過渡方案的軟基處理造價(jià)分析表如表5所示。

表5 軟基處理造價(jià)分析表 （萬元）

根據(jù)表5 可以得知，按照工程造價(jià)從高到低排序?yàn)閯傂赃^渡方案＞剛－柔結(jié)合過渡方案＞柔性過渡方案。由此可以得出，柔性過渡在造價(jià)上優(yōu)勢更為顯著。

4 總結(jié)

綜上所述，文章根據(jù)遼寧省大連市甘井子區(qū)某沿海高速公路建設(shè)工程實(shí)例，對高速公路路橋過渡段的施工技術(shù)展開研究，基于MIDASGTSNX 軟件建立有限元模型，分別闡述剛性過渡、柔性過渡和剛?cè)峤Y(jié)合過渡3 種差異沉降控制方案，計(jì)算分析結(jié)果如下：

⑴軟基處理技術(shù)指標(biāo)方面，剛性過渡方案和剛–柔結(jié)合過渡方案具有工期短、沉降小，地基承載力強(qiáng)的特點(diǎn)，柔性過渡方案的特點(diǎn)呈現(xiàn)兩極分化態(tài)勢，一方面具有工期長、地基承載力弱的顯著劣勢；另一方面處理效果較強(qiáng)，特點(diǎn)較為鮮明。

⑵造價(jià)分析方面，按照工程造價(jià)從高到低排序?yàn)閯傂赃^渡方案＞剛－柔結(jié)合過渡方案＞柔性過渡方案，所以柔性過渡的施工成本最低。