高速公路改扩建中路基加宽段差异沉降控制技术的应用

赵岩

（辽宁大通公路工程有限公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

20世纪初，我国开始了高速公路的建设，并在国民经济中得到了快速的发展。建设初期，社会经济条件较差，四车道公路是高速公路的主要形式。近几年，随着车流量不断增加，四车道的高速公路已经无法适应社会发展和运输的需要，因此，对原有的公路进行扩容刻不容缓。拓宽高速公路不仅可以有效缓解当前的交通压力，而且可以降低投资成本。但公路加宽后经常出现路面开裂、横坡变形、路基失稳等问题。其主要原因是在新老路基的拼装施工中，工艺参数和施工条件复杂造成了新老路基的不同沉降[1]。目前，国内已经有一些公路拓宽的经验，但是在理论上还不够完善，在控制和缓解差异沉降、工程病害预报与控制方面，还没有形成一套行之有效的理论，一些加宽工程处理技术并没有取得良好的效果，在运行后不久就会发生路基失稳、路面开裂等病害。因此，必须结合工程的具体情况，重点关注新老路基的应力与变形特性、新老路基拼接处搭接、软土地基处理等典型问题，探索更加科学合理的处治措施，为路基拓宽工程的施工工艺、工程病害的出现提供预测和治理的理论指导，保障高速公路改扩建工程的施工质量。

1 高速公路改扩建中路基加宽段差异沉降产生的原因

1.1 新路基的压实度未满足要求

造成压实度不足的原因主要有以下几种：其一，受施工条件和技术水平的制约；其二，受工期和安全条件等因素的制约，新路基在较短的压实期内不能完全压实，不能满足相关的规范要求；其三，受土壤含水量等因素的影响和制约，压实度达不到预期的目的；其四，在填筑过程中，为了确保工程的安全，路肩部位不可避免地会出现压实不足的情况。

1.2 新老路基产生的沉降变形不协调

一方面，由于基础强度不够，弹性模量相对较低，导致新老路基的沉降值持续增大，老路基在改建前就已完成固结沉降，而新路基才刚刚出现沉降，沉降值相对比较大。另一方面，新老路基的施工条件、填料类型和压实度等因素对路基的加固效果有很大影响。老公路经通车运行后已完成压缩变形，沉降完成，但新建公路在工程完工后仍会发生沉降和变形。新路基的填筑过程往往需要较长的时间，在长期荷载作用下，由于不同填料的特性，新老路基的变形会不一致。

1.3 地基填充物控制标准

优质公路对地下环境质量的要求很高，对填充物和分级也有严格的控制标准，但是，由于人、自然等原因，不能满足这些要求。地基填筑材料的性能和级配差异的影响很大，在地基的分层压实中，颗粒尺寸较小的填充物和易于发生膨胀的软杂质很难被压实，在长期荷载作用下，路基在较小的范围内会出现不同程度的沉降，严重时会造成路面塌陷；路基填充物的性能差异，会造成公路不平整，特别是在填充物具有膨胀性的情况下，路基渗水后会出现凸出和下陷[2]。

1.4 刚度不连续

路面结构有一定的宽度，尤其是在优质路面，它的顶面不能满足水平排水，而且结构与地基的刚度也有很大差异，即使面对同样的压力，其变形也会有很大不同。一方面，由于混凝土的刚性远大于土体，因此很可能发生不同程度的沉降，严重时会造成整体的变形；另一方面，某些差异沉降并不显著的路段，在连续的外力作用下，路面和路基的上部会产生额外的张力和剪切，引起路面和地基上部的疲劳损伤，从而造成路基或路面裂缝，例如桥头跳车等。

2 高速公路改扩建中路基加宽段差异沉降控制的理论依据

2.1 差异沉降控制标准

通常情况下，公路的性能包括两个方面：结构和功能。功能性表现了结构的承载力和破坏状态，反映了环境和驾驶舒适性。因此，在新老路基沉降差异的控制中，应充分考虑公路的性能。一般情况下，改建公路的纵向变形不会太大，因此必须严格按有关公路施工技术规范进行纵向倾斜，在120km/h 的设计车速下，设计的垂直斜率必须达到3%。同时，在保证行车安全的前提下，对路面进行排水，必须在施工过程中设置横向斜坡。由于新建成的高速公路路基中部的沉降值大于路基边沿的沉降值，且其沉陷呈盆状，故在软土地基上进行基拱坡度时，应选用最大值，即公路路拱横坡的高限2%。

2.2 差异沉降控制的难点与处理方法

扩建高速公路后，新老路基的衔接部位容易产生纵裂，造成这一问题的主要原因是老路基在长期沉降作用下，其稳定性比较好，由于施工进度、通行压力等原因，新路基的稳定性不好。这种差异很可能造成公路结构层的额外载荷超过其本身的拉伸或界面强度，引起连续的纵向开裂，破坏结构层，从而造成其他路面问题。雨水从裂缝中渗透到地面，会侵蚀地面，为路面带来各种各样的损伤，从而降低公路的使用寿命，加大交通安全风险，增加公路养护费用。

如何有效地处理高速公路新老路基在连接部位产生的差异沉降是公路改造和扩建中急需解决的问题。在进行改建或扩建工程之前，需要对工程的初步设计进行试验，并进行仔细的研究，一般可以采用基底处理、抛石挤淤、基底换填、堆载预压、台阶开挖、铺设相关土工格栅、老路削坡等技术方法。

第一，基底的处理方法：采用塑料板排水法，其利用塑料板将基坑中的水分抽干，加快地基的固结，从而使地基迅速下沉；采用复合地基处理方式，人工打桩施工复合地基，增加基础承载力，防止发生较大面积的沉陷；在软土厚度较浅的地段，采用抛石挤淤的办法，对地基沉降现象进行治理。

第二，采用提高路基侧压实效果的有效措施，人为减少自然沉陷。采用重型夯击机对土壤进行多次粉碎，使其本身的孔隙度减小。此外，还可以采用不同的粗粒型物料来填充路基，以改善其压实度，从而降低天然沉陷所需要的时间。

第三，采用挖掘台阶形式，分层填筑，在施工过程中铺设相应的土工格栅，以增强新老路基的联系[3]。经实践，该技术不仅施工简单、造价低廉，而且可以有效防止路基不均匀沉降。

第四，采用超限预压法和交通控制措施对路基进行加固处理。根据路面实际情况，采用不同长度的超限预压法提高路基侧固结沉降速率；也可以在填土完成后进行交通控制，然后继续施工。

第五，在公路工程中，应采用封层形式、防渗层形式或在路面上再铺一层防渗材料，防止地面积水的浸渍和腐蚀，从而减少公路病害的发生。

3 高速公路改扩建中路基加宽段差异沉降控制技术的应用

3.1 路基拼宽

3.1.1 一般路基

选用与老路基填料性能相近，且强度和稳定性较好的填料，用作新地基的填充物；在新老路基交界处，必须采用阶梯法开挖旧路基，其台阶宽度必须大于1m；对超过2m 的黏合表面进行加固加压工艺，保证黏结部分的填料达到致密，并对接缝部分进行检查；采用适当的土工合成材料，可以实现对路基的有效加固。

3.1.2 高、陡路堤

以轻质填料为主，采用土工合成材料加固，以确保压实度，防止差异沉降；为确保基础的稳定，在工程中必须充分考虑边坡的质量，并在基坑底部放入土工合成材料，从而使基础的稳定性得到改善；进行坝体和坝体之间的组合时，必须综合考虑坝体的稳定性，坝体和地基的稳定性。采用不均衡的末端接头，其安全系数应该在1.3 以上；在拼装作业中，原有斜坡支撑是无法拆卸的，在拼装和填筑期间，必须采用小型机械进行加固，并加固排水系统；在拼宽过程中，要进行动态监控，按实际需要，确定监控的具体路段和节点，并采取适当的监测手段。

3.1.3 软土地基

在具体的施工中，要根据施工工期、地质条件和路基的高度，选取合适的处理方法。一般采用换填法、排水固结法、无排水砂垫层真空预压法等方法。根据当地的地质情况，使用的建材、机械、设备等，选择合适的地基处理方式，使地基的弹性模量小于40MPa，并超出原路土基的回弹模量。

3.2 地基处理

3.2.1 一般地基

加宽路基时，必须拆除老路的原有边沟，并进行清表、挖台阶、填土、压实，加宽处地基的压实率必须大于91%。为了保证地基的密实性，可以使用压路机进行碾压，具体的碾压范围是从底层第一级台阶内侧至后坡脚外侧3m[4]。若建筑物、管线、房屋等结构受地震影响较大，或部分实际长度小于100m，无法用冲压法进行碾压，则应用打夯机进行加固，并在加固区域以外挖出隔震沟。为了有效解决新老路基不均匀沉降问题，在压实或夯压后，必须使用高强度的土工格栅，并在梯级内侧边缘处设置。

3.2.2 特殊基础

由于地下空间中存在着大量的黄土、软土等劣质基础，因此应采取措施降低新地下段对原有地下结构的影响，有效抑制老地下空间的不均匀沉降，避免产生地面上的纵裂。在处理软土地基的过程中，要考虑公路安全、交通能力、服务水准，并要重视分辨率控制、清理后控制以及地下结构的稳定。在对软土地基进行加固时，必须考虑地质条件、地形条件、地下填充高度、膨胀方式以及填充物的种类等因素。处理软土地基，常用复合地基和快速补强的方法。在不同的基础上，可以采用合理的桩长、桩距等方法来控制不同的沉降。由于施工期间需要正常开放交通，而且工期相对较短，因此可以采取复合地基处理，这种处理方式简单、效果明显，可以有效地控制地基变形。

3.3 挖台阶设计

在新老路基的衔接设计中，一般采用台阶进行新老路基的连接，这样既能使新老路基更加牢固，又能使变形差异减小。比如，在施工过程中采取直接开挖法，由下至上，开挖与新路基地加宽填土交替进行；在保证地基稳定的情况下，决定阶梯开挖的尺寸。在进行路基加宽时，首先在老路面上开挖宽40cm 的旧路面，然后将旧路面改为斜坡，在施工期间，必须对台阶的宽度控制在1m 以上。在台阶开挖完毕后，分层进行加宽段路基的分段填土。新老路基接合部的界面超过2m 时，应适当加强补压，以确保接缝紧密。

3.4 土工格栅加固设计

在各阶梯顶和地基基础上铺设多层土工格栅，既可以减小由于地基固结堵塞的不同而引起的不均匀沉降，也可以减小新路基的横向位移，并在一定程度上减小上部荷载向内部的传递，使得新老路基的承载力均匀[5]。当土工格栅的设计应力超过某一值时，就会产生裂缝。施工时，事先对土工格栅进行预应力施加，使其在变形后才进行填筑，可有效地避免了土工格栅的开裂。由于土工格栅的加固作用会随其安装位置的提高而提高，故在土工格栅施工时，应在路基的上部铺设土工格栅（见图1）。

图1 常用的整体成型格栅

4 结语

总之，在进行高速公路加宽工程时，新老路基会出现不同的沉降。在设计和施工阶段，通过减小差异沉降，将沉降值控制在一个合理的范围之内，可以有效地解决这一问题。因此，首先应明确加宽路段的变形特征，其次结合拓宽路段的特点，确定合适的沉降控制标准，最后采取相应措施来控制不同的沉降，如通过土工格栅加固等措施防止路基的不稳定、路面开裂等问题，从而提高施工质量、提高施工的舒适度。