高速公路改扩建高路堤拼接方案分析

任 剑

（太佳高速公路（吕梁段）建设管理处，山西 吕梁 033100）

在高速公路改扩建工程建设中，高路堤拼接的方案对路线选线、土石方数量、保通设计、施工组织设计、工程工期、工程规模等方面均有重要影响[1]。合理的设计方案不仅对工程建设安全、质量有保证，也可以控制工程规模，降低工程造价。因此，高路堤的拼接方案设计都是改扩建项目的重点和难点设计之一。

为此，本文以某高速公路扩建项目为依托，对某一代表性工点设计了不同的路基拼宽方式，通过现场试验获取岩土参数、建立有限元模型，对不同拼宽方式下的稳定性和沉降进行了分析，通过对比稳定性和沉降结果，确定了合理的拼宽方式，为高速公路改扩建单侧拼宽的设计、施工提供依据。

1 工程概况

该改扩建项目原有路基宽度为28 m，路基采用整体拼宽方式改造，改建后整体路基宽42 m，扩建为八车道。原路基在K141+550—K141+670处属于路堤，填土高度均大于20 m，该段落地面横坡坡率陡于1∶2.5，本文主要针对该段高路堤方案进行研究。

2 整体拼宽方式下的高路堤拼接方案

参考国内外高速公路改扩建项目[2]，并研究相关资料，提出以下4种高路堤拼接方案，路堤拼接方案比选表见表1。

a）方案一 平行拼接1。与一般路基一样正常清表、削坡，然后放坡填土拼宽，即先拆除老路各级坡面圬工防护及排水设施，然后由下往上各级坡面清表、削坡、挖台阶及拼宽填筑，填筑后在拼宽坡面设置圬工防护及排水设施。

表1 路堤拼接方案比选表

b）方案二 平行拼接2。上部第一级与一般路基一样正常清表、削坡，然后放坡填土拼宽，下部各级只清表不削坡，挖台阶直接拼宽填筑，其他施工工序与方案一相同。

c）方案三 设置挡土墙垂直拼接。在老路第二级坡面上设置挡土墙，挡墙施工完后对内侧的老路边坡拆除坡面原排水及防护圬工，清除表层30 cm厚耕植土，削坡并开挖台阶。

d）方案四 采用新型材料填筑垂直拼接。在老路第二级坡面上设置模板，模板内采用新型材料——气泡混合轻质土（简称轻质土或FCB，下同）垂直填筑。填筑前对模板内的老路边坡拆除坡面原排水及防护圬工，清除表层30 cm厚耕植土，削坡并开挖台阶。

3 拼接方案比选设计

本路段高路堤位于路线右侧单侧拼宽路段，右侧不存在不能平行扩建的地形、地物。根据表1各方案特点分析可知，方案一、方案四较有优势，均可适用，下面结合工点具体情况对上述两个方案进行比选设计，确定本项目高路堤较优的拼接方案。

3.1 工点概况

该老路路堤长约120 m，呈近南北走向，路基中线处最大填方高度约20 m，边坡最大高度26.8 m。通过钻孔，原老路该处地基经过换填处理，深度为至碎石土层顶约2.63 m。

3.2 稳定性计算

平行拓宽方案路堤需进行堤身稳定性分析与沿老路坡面滑动稳定性分析，垂直拓宽方案因材料为混凝土现浇刚性材料，只需进行沿路基拼接面滑动稳定性分析，其计算模型图及岩土参数分别如表2、表3；图1～图3所示。

图1 平行拓宽堤身稳定性分析模型图

图2 平行拓宽沿路基拼接面滑动稳定性分析模型图

表2 平行拓宽计算岩土体参数

图3 垂直拓宽沿路基拼接面滑动稳定性分析模型图

表3 垂直拓宽计算岩土体参数

根据上述计算模型图及岩土体参数，采用理正岩土计算软件6.0版本计算得到稳定性结果如表4所示。

表4 两种方案稳定性计算结果

从稳定性结构可以看出：

a）平行拼接和垂直拼接两种方案稳定性都符合设计规范要求，而且平行拼接方案稳定性更优于垂直拼接方案。

b）垂直拼接方案如果按照滑动分析时，由于没有考虑基础埋深的抗滑影响，导致表中滑动稳定性计算结果偏小。

3.3 沉降计算

该高速公路通车已10年，根据相关资料，原有路基已基本稳定，两侧拼接加宽以后，路基拼接加宽导致新老路基之间产生差异沉降，在路面结构中产生附加应力，其中主要是附加拉应力，一旦拉应力超过路面材料本身的容许强度，路面便会产生结构性破坏。为了保证改建路面良好的使用功能，必须保证新老路基之间差异沉降不大于使路面结构破坏的临界值，即新老路基之间差异沉降的控制指标。根据国内其他改扩建项目的成功经验及路基规范要求，提出本项目新老路基差异沉降控制标准如下：一是原有路基与拼宽路基的路拱横坡坡度的工后增大值不应大于0.5%；二是新、老路基之间的差异沉降不大于5 cm。上述标准为双控指标，即需同时满足[3-6]。

根据工点的设计措施情况，对上述两种拓宽方案下的路基进行了沉降计算，由于换填碎石土层与天然地基的碎石土层密实度不一样，计算模型中作为两种土层进行计算，结果如图4、图5所示。

图4 平行拼宽路面工后基准期结束时地表盆形沉降简图

图5 垂直拼宽路面工后基准期结束时地表盆形沉降简图

根据上述两种拼宽方式下的地表沉降计算简图可知，路基拼宽后地表沉降最大值均发生在拼宽路基断面近似形心处，垂直拼宽引起的老路中心附加沉降很小，平行拼宽方式引起的相对要大得多。两种拼宽方式下基准期结束时的新路基工后沉降、老路附加沉降及路面坡度变化值如表5所示。

表5 两种方案沉降计算结果

根据表5结果可知，两种拼宽方式均可满足要求，原因在于工点地质条件相对较好（地表土为碎石土与基岩）。通过比较可知垂直拼宽方式具有明显优势，各项指标均优于平行方案，对于地质条件相对较差的路段，采用泡沫轻质土填筑垂直拼宽方式更能体现其优势。

4 结论

本文通过对K141+550—K141+670段高路堤进行4种方案必选后，得到以下结论：

a）该段高路堤采取平行拼接和垂直拼接方案稳定性都符合设计规范要求，而且平行拼接方案稳定性更优于垂直拼接方案。

b）一般路基拼宽后地表沉降最大值均发生在拼宽路基断面近似形心处，垂直拼宽引起的老路中心附加沉降很小，平行拼宽方式引起的相对要大得多。

c）经过技术经济比较后，该段高路堤推荐采用泡沫轻质土垂直填筑方案，该方案路基工后沉降、差异沉降、附加沉降及路面横坡变化值等各项指标均优于平行方案，对于地质条件相对较差的路段，采用泡沫轻质土填筑垂直拼宽方式更能体现其优势。