高速公路改扩建软土地基与路基拼宽设计关键技术

刘佳辉

【摘 要】随着经济社会不断发展，沿海发达地区早期修建高速公路逐渐不满足交通量增长需要，面临改扩建。从工程实践来看，沿海地区高速公路改扩建主要面临两个方面的技术难题，一是填方路段的软土路基处治以及新旧路基不均匀沉降控制；二是路面拼宽处治及裂缝防治。本文以广明（广州番禺至佛山高明）高速公路改扩建工程项目为例，介绍了沿海地区高速公路改扩建工程软土地基处理与路面拼宽常用技术方案，为同类项目提供技术参考。

【关键词】高速公路；改扩建设计；软基处理；路基拼宽；关键技术

Key Techniques for Soft Soil Foundation and Subgrade Width Design of Expressway Reconstruction

Liu Jia-hui

（Shanghai Municipal Engineering Design and Research Institute Group Co.， Ltd. Guangdong Foshan Guangdong 528000）

【Abstract】With the continuous development of economy and society， the early construction of expressways in the developed coastal areas gradually does not meet the need of traffic growth and is facing reconstruction and expansion. From the engineering practice point of view， the coastal expressway reconstruction facing two major technical problems， one is filling the soft soil roadbed subgrade treatment and uneven subsidence control of the old and the new road； the second is the road fight spell widening and crack prevention and control. Taking the Guangming （Guangzhou Panyu to Foshan Gaoming） expressway reconstruction project as an example， this paper introduces the commonly used technical solutions of soft soil foundation treatment and pavement width expansion for the expressway expansion project in the coastal areas， and provides technical reference for similar projects.

【Key words】Highway；Reconstruction and extension design；Soft foundation treatment；Embankment fight width；Key technology

1. 項目概况

广明高速公路是广州（番禺）至佛山高明高速公路的简称，广明高速公路起点位于广州市番禺区化龙镇复甦村，终点位于佛山市高明区更楼镇白石。根据规划，广明高速公路向东连接国道主干线广州绕城公路东段（以下简称广州东二环），向西将延伸至江门至罗定高速公路。是省高速公路网的重要组成部分，广明高速公路横贯佛山市东西，是佛山市东西向重要的交通走廊，是佛山市公路网的重要组成部分。广明高速建成通车，将极大程度地促进“广佛都市圈”的形成，增强佛山作为广东省“第三大城市”的综合实力。项目全线软土广泛分布，软土主要由第四系海陆交互相淤泥、淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土组成，以淤泥质粉质粘土为主。按其在空间上的分布特征可划分为二层，其中第一层软土由淤泥和淤泥质粉质粘土组成，局部夹淤泥质粉砂，分布较广泛，大部分地段连续分布；第二层软土主要为淤泥质粉质粘土，局部夹淤泥或泥炭土，分布连续性较强。本项目是利用佛山一环现有路基进行改造为主，全线80%以上为填方路基，尤其是在路基拼宽路段，均为填方路基。综上所述，本项目路基软基处理和路面拼宽是设计的重点和难点。

2. 软土路基处治方案设计

根据项目特点，考虑路基土特性，在软基处理方案的选择上，主要考虑了换填、袋装砂井、CFG桩、深层搅拌桩和预应力管桩处理；其中，桥头路基段主要采用了预应力管桩+袋装沙井、深层搅拌桩处理。详细设计如下：

2.1 设计标准。

沉降标准：基准年取15年，工后沉降（路面设计使用年限内残余沉降）容许值要求如下：

（1）对于主路拼接路段新旧路基的工后差异沉降按不大于5cm控制。

（2）对于新建辅路路段取50cm，箱涵及箱型通道处取30cm，桥头路段取20cm。

（3）可液化砂土地基处理至使液化指数不大于5。

（4）稳定验算安全系数：稳定验算的安全系数在施工期采用总应力法进行验算，其容许值为1.10，运营期采用有效固结应力法进行计算，其溶许值为1.20。考虑地震时的安全系数不少于1.1。

（5）设计荷载：采用公路-I级，换算成等待荷载的土柱高度为0.9m。路基填料容重采用19KN/m3 。地震力的计算遵照线形《公路工程抗震设计规范》的规定，只考虑水平向地震力。endprint

（6）预压期：预压期指从施工静载结束后等载沉降所需的时间。本设计在满足工后沉降与稳定的前提下，尽量采用较短的预压期。本阶段设计考虑采用不少于12个月的预压期。

（7）预压施工高度：等载预压施工高度=路基设计高度+预压期沉降量+路面与路堤填料的等效厚度差；超载预压施工高度=路基设计高度+预压期沉降量+路面与路堤填料的等效厚度差+超载高度。

2.2 浅层软基处理方案。

厚度在0～2.5m以内的软土，采用换填法处理。首先清除淤泥或软弱土层，换填砂，按要求进行压实后再填筑路基，利用置换的方式加强地基。该方法使用范围广泛，施工工艺简单，质量容易控制，处理效果好，对环境影响不大。

2.3 深层软基处理方案。

对于厚度大于2.5m的软土地基，应综合技术经济比较，选取合适的地基处理方案。减少新老路堤的差异沉降是扩建工程的关键技术之一。当前成熟的软土地基处理方案可分为两大类，一是预压排水固结法（如塑料排水板、袋装砂井等），二是复合地基法（如CFG桩、碎石桩、搅拌桩、挤密砂桩等）。本项目为改扩建工程，对于改扩建工程而言，由于工期紧、施工场地狭窄，同时还要维持既有道路交通正常运营等原因，预压排水固结法需要的工期长，并且堆载预压会影响原路堤的稳定性，因此初步设计不考虑排水固结法。

①CFG桩。

CFG桩由水泥、粉煤灰、碎石、石屑加水拌和形成的混合料灌注而成，它具有一定的粘结强度，是近年比较流行的一种复合地基处理方式。

CFG桩的特点：①显著的桩体作用，桩土应力比n=30～35，在复合地基中CFG桩的应力集中比较明显，桩体作用显著；②CFG桩采用振动沉管法施工，由于振动和挤压作用使桩间土得到挤密，经加固后地基土的含水量、空隙比、压缩系数均有所减少；③CFG桩复合地基承载力提高幅度大，加固效果显著；④CFG桩复合地基变形小，沉降稳定快。CFG桩具有承载力强，施工速度快，施工易控制，但是造价比较高。

适用范围：淤泥、淤泥质土、杂填土、饱和及非饱和的粘性土、粉土。

②素砼桩。

素砼桩由水泥、碎石和石屑加水形成的混合料灌注而成。素砼桩与CFG桩均为低强度桩，加固原理相同。

③水泥搅拌桩。

加固原理：水泥搅拌法施工时分为湿法（也称深层搅拌法）和干法（也称粉体喷射搅拌法）两种。湿法是利用深层搅拌机，将水泥浆与地基土在原位拌和；干法是利用粉喷机，将水泥粉或石灰粉与地基土在原位拌和。搅拌后形成柱状水泥土体，可提高地基承载力，减少沉降，增加地基稳定性和防止渗漏。

适用范围：淤泥、淤泥质土、含水量较高、地基承载力不大于120KPa的粘性土、粉土等軟土地基。

④预应力管桩。

预制预应力管桩是利用静压桩机或动力打桩机将预制的砼预应力空心薄壁管打入地基，地面荷载主要通过管桩向深层硬土层或基岩传递，并通过桩内外壁与地基土摩阻力和挤密作用，使地基与桩形成复合地基。

适用范围：淤泥质粘土、粉土、一般粘性土、松散砂质粉土等具有可达持力层的深层软土。

方案特点：处理深度大、施工简单、桩距较大，造价较高，使用效果良好，对环境有一定的影响，要求有稳定的可达持力层。

2.4 根据以上工程特点和软土分布及特性，本项目拟推荐如下处治方案：

（1）原老路采用了换填法处理的路段，但考虑到软基普遍较厚，本次加宽路基采用素砼桩处理；

（2）原老路采用袋装砂井、CFG桩、堆载预压处理的路段，本次加宽路基采用素砼桩处理；

（3）原老路采用深层搅拌桩处理的路段，本次加宽路基采用素砼桩处理；

（4）原老路采用管桩处理的路段，本次加宽路基及桥台过度段采用管桩处理；

（5）涵洞、桥台均不采用反开挖施工；

（6）考虑本项目改扩建工程为拼接加宽软基处理，大部分路段采用等载预压；

（7）处治路段设置2～3层土工格栅。

3. 软土路基处治施工及注意事项

3.1 施工控制标准。

（1）填筑控制标准。

填筑速率应由施工观测来控制。填筑速度根据以下标准进行双控：路基中心的表面沉降速率宜控制在10mm/d，坡脚处的侧向位移宜控制在5mm/d以内。

（2）卸载标准。

在满足连续3个月沉降小于5mm/月时方可进行卸载。

3.2 路基填筑施工。

路基填筑拟采用薄层轮加法水平分层实施。对于不同处治措施，填土控制亦不同，一般情况下极限填土高度以内可不控制填土速率。

3.3 施工工期。

通常情况下，按照2年控制。

3.4 监测设计。

（1）在软土路基填土施工过程中，主要通过埋设沉降板进行表面沉降观测和设置位移边桩和测斜管进行水平位移测量。

（2）若软基所在地段为设置有挡墙等构造物时，须结合挡墙的监测进行。

4. 路基拼接设计

4.1 在公路改扩建设计项目中，拓宽后路基的质量很大程度上决定着改建后公路的使用寿命。控制、延缓结合部处的开裂是保证拓宽路基质量的关键之一。因此，必须采取有效的处治措施以减少新拓宽路基的沉降量，进一步缩小新老路基的沉降差；同时加强新老路基的衔接，并保证路基的填筑质量来减轻新老路基性质差异所产生的危害。根据相关研究成果与工程实践经验，在公路改扩建项目中，新旧路基的拼接通常采取削坡+开挖台阶的方式，同时为防治开裂，在每层台阶处铺设土工格栅。既有软基路堤边坡削坡和台阶开挖的作用体现在：

（1）清除老路边坡一定深度内的表层植被土和压实度不足的填土；endprint

（2）方便加宽部分路堤下软基处理；

（3）增加新老路结合部接触面积，增强结合部抗剪能力；

（4）横向台阶面为土工隔栅的使用提供一个锚固长度。应该注意的是削坡也应该满足施工期间既有路基的稳定要求。

4.2 最常用的开挖方式包括两种：一种是先削坡（1：0.5）再挖成台阶状，另一种是直接挖成台阶状。后一种开挖方式又包括由上向下开挖和由下向上开挖。前一种方式可以一次性提供较宽的工作面，方便软基施工，施工组织简单，同时也可以挖除压实度不够的老土，换填新土，但会增加工程量。后一种方式对老路扰动少，可充分利用原有路堤，土方工程量小；但对于软基施工、尤其是路堤边坡下的软基处理施工不利，需要采用逆作法等施工方法，施工组织较复杂。因此适用于不能放坡的软基路段和非软基路段拼接施工。

4.3 填土路段：对于填土路段而言，其填土经多年运营已比较密实，抗剪强度较高，具有一定的直立性，在施工期间采用彩条布等措施遮雨，同时加强排水措施及稳定观测，可以保障施工期间的运营安全，可以一次性开挖边坡到位，为软基施工提供较宽的工作面，方便软基施工，施工组织简单。推荐在填土路段采用该工法（工法C）进行施工（工法C示意图见图1）。

4.4 填砂路堤：本项目软土地基大部分路堤为填砂填筑而成，对于该填砂路堤应选择合适的边坡开挖方法进行防护，以保障在施工期间的安全运营。在这类人工填砂路堤采用开挖工作面进行软基加固施工需要特殊的防护措施。本次设计采用两种处理方法：即工法A和工法B。工法A即在原路堤边坡上填筑工作面后进行软基处理，待软基处理完毕，再进行反开挖台阶进行新老路堤拼接施工；工法B，即对老路堤进行开挖，对暴露的砂层采用挂网喷锚的方法进行临时防护，之后进行软基处理并进行路堤填筑。当路堤高度大于3m，采用工法A；路堤高度小于3m，为简化施工，采用工法B（工法A见图2，工法B见图3）。

4.5 台阶的开挖尺寸（宽度和高度）有一定的限制，一方面需要为新旧路堤间提供尽可能多的接触面积，这就需要台阶要多而小；另一方面需要为土工格栅的铺设提供足够的锚固长度。我国几条高速公路加宽工程都把台阶高度控制在80cm 以内，台阶宽度根据边坡坡度确定在100～200cm之间。另外，台阶的开挖尺寸（宽度和高度）和老路边坡的填筑材料、压实度等有关。对于本项目，参照我国成功经验，台阶开挖高度以80cm～100m作为控制值。对于填土路段，控制值可大一點，对于填砂路段则可小一点。

5. 结语

本文结合广明高速公路改扩建设计项目，介绍了改扩建项目中的软土地基处治与路基拼宽技术，包括浅层软基和深层软基，采取不同的处治方案；同时，介绍了软基处治的施工及其注意事项。结合软土地基处治与路基拼宽施工工艺，按照填土路基和填砂路基施工，介绍了三种不同的路基拼宽施工工法，不仅确保了软土地基路基拼宽施工质量，还能保证工期。本文可为今后类似工程项目的设计与施工提供参考。endprint