高速公路改扩建工程软基处理监测方案研究

卢乔

（广东省高速公路有限公司粤赣河惠扩建工程管理处，广东 惠州 516151）

1 项目概况

茂湛高速公路扩建项目全长108.6km，全线采用双向8 车道高速公路标准扩建，车速设计为120km/h，路基宽度设置为42m，新建及加宽桥涵设计汽车荷载等级采用公路-I 级指标。茂湛高速公路位于广东省西南部低山丘陵与沿海平原之间的台地和低丘陵区，全线以台地地形为主，间夹冲积平原或谷地，地形起伏不大，沿线特殊性岩土主要有高液限土或膨胀土、软土、花岗岩残积土或球状风化体（孤石）、人工填土。

2 软基处理监测目的

由于高速公路加宽工程中的新老路软土地基处理方法存在一定的差异，使不同的软土地基处理方法对加宽工程变形特性的影响不同；加之新路填筑过程中的扰动和软土地基附加应力作用，会对老路产生一定程度的变形影响，造成新老路基差异变形。因此，为保证工程质量及施工顺利进行，将软基处理监测目的设置如下：

2.1 控制扩宽部分路基填筑期稳定性

根据路基沉降、地表水平位移、地基侧向位移等观测指标的变化情况，确定路基填土速率，在确保路基稳定安全的前提下进行填筑施工。

2.2 既有路基和拓宽路基的横向差异沉降

根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）第6.4.3 条，既有路基与拓宽路基的路拱横坡度的工后增大值不应大于0.5%；此外，通过对既有公路变形的监测，判断拓宽路基的变形对既有路基的影响程度，从而提出合理性优化建议。

2.3 确定堆载预压路段卸载时机

根据路基沉降、孔隙压力情况判断地基软土固结状况，预测总沉降量和工后沉降量，为结构物台后预压荷载卸载、路面结构施工的最佳时机提供依据。

3 监测工作内容

根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）第7.7.13 条，沉降与稳定监测设计必须满足施工标准要求：软土地基施工中，针对桥头和填方高的路堤，需要先做好沉降和稳定检测，保证设计的科学性，在设计工作开展中需要检测的路段、断面、侧向位移以及沉降等位置，同时合理选择检测方法、频率以及仪器等。根据工程施工的需要，还可以检测软土地基深部位置。根据《软土地基路基监控标准》（GB/T 51275—2017）第4.2.3 条第四款，既有路基改造工程应按新建路基选择监测项目，并应监测既有路基的沉降及新旧路基之间的差异沉降。根据《高速公路改扩建设计细则》（JTG/T L11—2014）第7.6.5 条，拼宽部分路基和既有路基应同时进行沉降观测，并符合以下规定：观测点应布置在同一断面上，并设置在既有公路路中、路肩及拼宽部分中部、外侧。

4 监测原理及方法

4.1 监测原理方法（人工）

4.1.1 水准监测基准

为保证监测工作的统一，提高监测数据的精度，使监测工作有效地指导整个工程施工，监测工作采用整体布设，分级布网的原则。即首先布设统一的监测控制网，再在此基础上布设监测点（孔）。

4.1.2 监测点竖向位移测量（沉降板）

一是观测点的布设，观测点布设在新旧路交接位置和扩建的新路路中。二是路钉的埋设，在旧路路肩位置使用冲击钻钻孔，打入路钉并用环氧树脂粘贴稳固。三是剖面沉降管埋设，该项目为拓宽扩建项目，拓宽宽度7m 左右，选用U 型剖面沉降管进行埋设。如图1、图2所示。

图1 使用水平测斜仪的剖面沉降观测系统示意图

图2 A-A 剖面安装连接示意图

4.1.3 沉降板的埋设

该工程的沉降观测使用埋设沉降板的方式进行。沉降板由沉降钢板和直杆钢管构成。使用时需在沉降板上焊接三根钢筋，并将之埋设在路基底面和砂垫层下部，如图3所示。

图3 沉降板埋设示意图

4.1.4 观测仪器及观测方法

第一，采用沉降板或沉降标进行沉降观测，使用精密水准仪和钢尺进行测量。依据《工程测量规范》（GB 50026—2007）中的技术标准，按照二等变形测量等级精度要求施测。精度要求：测量点坐标中误差≤10mm，测量点测站高差中误差≤1.5mm。第二，使用横剖面沉降测试仪和水准仪进行横剖面沉降观测，每次观测时，先用水准仪按二等水准要求测出横剖管一侧的观测桩高程，再把横剖仪放置于观测桩桩顶测量初值，最后将横剖仪放入横剖管内测量各测点。

4.1.5 深层水平位移监测

埋设时，应保证让一组导槽垂直于路基走向。测试时，测斜仪探头沿导槽缓缓沉至孔底，在恒温一段时间后，自下而上（间隔0.5m）逐段测出水平方向上的位移。同时,使用全站仪测量管顶位移作为控制值。在填筑施工前，分两次对每一测斜孔测量深度点的倾斜值，取其平均值作为原始偏移值。“＋”值表示向路基外位移，“－”值表示向路基内位移。

测试原理见图4。

图4 测斜仪工作原理示意图

计算公式：

式（1）～式（2）中：Δ

X

为

i

深度的累计位移（计算结果精确至0.1mm）；

X

为

i

深度的此次坐标（mm）；

X

为

i

深度的初始坐标（mm）；

A

为仪器在0方向的读数；

B

为仪器在180方向上的读数；

C

为探头标定系数；

L

为探头长度（mm）；

α

为倾角。

4.1.6 土体分层竖向位移（回弹）

堆载预压中可以使用分层沉降仪测量沉降变形程度，并以隆沉速度和数量测定安全性，这样有利于发现问题、消除隐患。在测试环节，测头下沉降时可以沿着沉降测管缓慢下放，测头到达一个磁环埋设位置后，能够感受到信号，并促进声响器感应，结合声响读取钢尺与管顶的距离，达到测量的目的。在管顶高程测量中，采用二等水准联测的方式，通过管顶高与沉降仪钢尺上的读数求得磁环埋设点的高程数据。

4.2 自动化监测方法

4.2.1 无线监测系统设计原则

监测系统是提供获取结构信息的工具，使决策者可以针对特定目标做出正确的决策，其设计原则如下：一是保证系统的可靠性：由于安全监测系统长期在野外实时运行，保证系统的可靠性非常重要，否则先进的仪器在系统损坏时发挥不出应有的作用及效果。二是保证系统的先进性：设备的选择、监测系统功能应与技术发展水平、结构安全监测的相关理论发展相适应，具有先进和超前预警性。三是可操作和易于维护性：系统正常运行后应易于管理、易于操作，对操作维护人员的技术水平及能力不应要求过高，方便更新换代。

4.2.2 水平阵列位移计安装方法（用于测沉降）

一是水平安装的推荐方法，水平安装的推荐安装方法和竖直钻孔中阵列位移计+PVC 安装法相似。这种情况下，将阵列位移计+PVC 装置放置在一个被砂垫层包围的沟槽内。用砂垫层包围的目的是保护阵列位移计，使其免受充填材料中的大颗粒石块的损害。二是水平安装组装阵列位移计导管，水平安装时，有时用稍大的导管比用竖直安装时推荐的典型导管更容易。当监测程序完成时，大导管使得拔出阵列位移计更容易。也可能由于土壤压力导致导管畸变，需选择合适的管道来穿过特定地点。最常用的PVC胶在低温下可能失效，需选择适合当前环境和温度的产品。三是阵列位移计装进导管，水平安装时无需检查扭曲。然而，如果计划再用于竖直安装的话，要避免任何扭曲。把阵列位移计卷轴放到卷轴架上，以便阵列位移计能够从底部拉出来。然后，把绳子穿过孔眼并用绝缘胶带缠紧。也可用电缆钩拉阵列位移计，在阵列位移计和电缆钩之间用一个转轴连接，使阵列位移计在拉的过程中可以自由转动。四是阵列位移计安装包封闭PVC 导管，水平安装中阵列位移计的任何一段都可以用于参考端。阵列位移计应在导管的一端固定牢固，但绝不是两端。在不固定端应至少有25mm 的空间。这些措施能够防止扭曲，使阵列位移计和PVC 管有一些扩张和收缩的空间。五是回填沟槽，阵列位移计应当上盖砂垫层，砂垫层的厚度的最小推荐值是150mm。砂垫层放置好后，使用土工织物将砂垫层顶部包起，土工织物的每条边应至少重叠150mm。

4.2.3 固定式测斜仪安装方法（用于测管桩等深层水平位移）

固定式测斜仪具有精度高、稳定性高、可靠性高、防潮及绝缘等性能，适用于长期监测和自动化测量。该方案拟使用导轮式固定测斜仪。该方案拟使用传感器性能参数见表1。

表1 深层水平位移监测传感器技术指标

监测项设备名称设备型号设备图片内部位移导轮式固定测斜仪JMZX-7600技术指标测量范围：±30°分辨率：0.008度精度：0.1%电气性能：+12V直流电，功耗120毫瓦使用环境：温度-20～60℃images/BZ_49_906_1950_1183_2137.png

其一，将测斜管放入预先钻好的孔内，导槽需垂直于边坡线，防止测斜管出现旋转等问题，连接管节时，应对准管道滑槽的上下管节位置，以免影响导槽的安装效果。其二，埋设就位时，保证测斜管凹槽与测量的位移方向统一，一般需要保持与基坑边缘垂直，测斜管固定后，对周边的土地和砂浆等进行浇筑固定，并对测斜管内部进行冲洗。其三，根据现场地质地层情况，确定每孔各传感器的安装深度。其四，用测试探头确认选定的安装深度是否有效，是否存在卡孔、堵塞等现象。其五，将传感器电缆接长到合适长度，注意接口防水。其六，将连接好的测斜仪按照从下到上的顺序逐一放进测斜管内。其七，传感器按顺序放进孔内后，将最上面的钢丝绳固定在不锈钢顶盖下面的吊环中，保证传感器深度固定不变。其八，埋设好测斜管后，需测量测斜管的方位、管口坐标及高程，要及时砌筑窨井，并加盖保护。其九，根据仪器的数量，备齐包括附件的成套仪器和电缆，同时考虑适当备用量。根据设计施工要求，电缆接线作好编号和存档工作。

5 监测工作程序

科学合理的监测工作流程是确保监测数据能够准确、准时反馈到施工中的重要保证措施，针对项目特点并结合以往工程经验，该项目监测流程图如图5所示。

图5 监测工作流程图

6 结语

监测工作对精细度的要求比较高，需要监测技术人员始终保持严谨的工作态度，结合质量体系要求做好监测工作中的事前控制工作，使监测参与人员明确监测方案、规范等。在事中控制中，需要做好对仪器设备性能等方面的监测，对监测点的布设进行复查，根据施工进度和地基变形情况控制监测频率，变形较大或变化速率较大时，应加密观测，如果发现隐患，则要连续加强监测。事后控制中，要结合监测成果做好监测报告，这样有利于监测成果的研究和评价，可为设计工作提供指导和技术支持。