高速公路擴建工程新舊路基差異沉降處理技術(shù)研究

李長城，王二強，劉云浩

(1.天津城建集團工程總承包公司;2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院)

在高速公路擴建工程中，由于新老路基間存在剛度差異，使結(jié)合部位出現(xiàn)不均勻沉降，該問題已成為此類工程中的關(guān)鍵問題。由于多年的運營使用，老路基在長期的荷載作用下，其沉降已趨于穩(wěn)定，新路基在沉降過程中，極易與老路堤在交界處產(chǎn)生不均勻沉降，由此引起的道路縱向裂縫，對于軟土地基路段尤為明顯，嚴(yán)重時會使道路結(jié)構(gòu)破壞，影響其使用性能。一般情況下，新路基開始修建時，老路基的密實度或壓實度已經(jīng)接近或者達到最佳狀態(tài)，主要原因是老路基在多年的運營使用中，反復(fù)受到車輛荷載的壓實、振動與沖擊，地下水升降變化以及氣候變化等的影響。在老路基旁修建新路基，無論怎樣嚴(yán)格的擊實和碾壓，其密實程度仍與老路基存在很大差異，不利于新路基的整體強度設(shè)計。在改擴建工程完成以后，因新老路基的剛度差異，在長期的車輛荷載等的作用下，將產(chǎn)生不均勻沉降積累變形，使路基產(chǎn)生縱向裂縫，嚴(yán)重時反映到路面，即造成路面結(jié)構(gòu)破壞。

1 工程概況

該工程為唐津高速公路(津塘公路～榮烏高速)擴建工程第二合同段。工程起點樁號為K1069 +278，終點樁號為K1084 +478。主線全長15.2 km，包括葛沽互通立交、李港鐵路橋、津南服務(wù)區(qū)、津岐分離式立交。工程包含大橋2 座、中小橋26 座、互通1 座、涵洞26 道、箱涵2 道。軟基處理包括水泥攪拌樁和PTC 預(yù)制管樁。原有道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面形式為雙向四車道，總寬度28 m;設(shè)計道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面形式為雙向六車道整體式斷面，路基在現(xiàn)狀路基基礎(chǔ)上對兩側(cè)進行拼寬。有現(xiàn)狀雙向四車道加寬為雙向六車道，每側(cè)加寬3.25 m，總寬度34.5 m。

2 擴建工程新舊路基結(jié)合部處理難點分析

目前，處理改擴建工程中新老路基結(jié)合部的方法，主要指選取合適的地基處理方法，對于軟土地基，更要保證處理質(zhì)量。

2.1 拼接部分軟基處理措施的合理選擇

處理軟土地基的目的在于減小新老路基的不均勻沉降，即減小擴建部分路基在使用階段的總沉降量。為達到這一目的，可從兩方面考慮。減少路堤荷載;充分壓實地基，減小其壓縮性。此外，由于改擴建施工過程中應(yīng)盡量維持原有交通，造成施工作業(yè)用地狹窄且工期緊張，因此對軟土地基的處理措施還要滿足快速完成的要求。該擴建工程中不同路段的結(jié)構(gòu)物類型、路基填筑高度、地質(zhì)情況等都會影響處理方法的選擇。項目采用的主要處理措施如下。

(1)水泥攪拌樁

水泥攪拌樁復(fù)合地基的工作原理是利用軟粘土中的水分，使水泥發(fā)生水化反應(yīng)而凝結(jié)硬化。該方法不但能大量吸收軟土中的自由水，使其形成結(jié)晶水并固定，同時生成強度相對較高的水泥柱體，極大程度提高軟土地基的強度和穩(wěn)定性，是目前比較常用的軟土地基加固方法。

混凝土的硬化作用是砂、石骨料在水泥的水化作用下固化，由于其水泥用量多，所以混凝土的凝結(jié)速度快且強度高。與混凝土相比，水泥攪拌樁固化過程中的水泥摻入量很少，且是與粘土拌合，所以其固化速度慢、強度比混凝土低，且受軟土中的含水量影響較大。水泥攪拌樁的加固機理限制了其在高液限軟土地基中的使用。水泥攪拌樁的缺點是受施工因素的影響較大且不易控制，對軟土地基的處理深度有限，能產(chǎn)生膨脹破壞;優(yōu)點是對老路堤的干擾小。

水泥攪拌樁施工過程中注意事項有:

①施工過程中要確保設(shè)備平整，不發(fā)生移動或傾斜。施工過程中即時觀察鉆桿垂直度，控制其垂直角度偏差在1.0%以內(nèi)，若發(fā)現(xiàn)超過限值，必須即時調(diào)正。

②鉆桿對中偏差≤20 mm。

③水泥漿制備到噴漿不得超過2 h，若水泥漿停置時間過長或出現(xiàn)離析現(xiàn)象，不得使用。

④施工前應(yīng)進行試樁，以確定控制噴漿量和攪拌機的下沉、提升速度，不得超過1.0 m/min。

⑤若施工過程中出現(xiàn)短時間停漿，應(yīng)立即下沉攪拌頭0.5 m 以上，待恢復(fù)供漿后繼續(xù)施工;若停工時間較長(40 min 以上)，須全面清洗輸漿管路，防止其堵塞影響后期施工。

⑥攪拌機在設(shè)計標(biāo)高1 m 以下應(yīng)放慢速度，以保證樁頭的施工質(zhì)量。當(dāng)攪拌頭達出口時，應(yīng)原位攪拌并噴射水泥漿30 s。

(2)PTC 預(yù)制管樁

預(yù)應(yīng)力管樁與水泥攪拌樁相比，對軟土地基的處理深度更大，且具有施工快、樁體質(zhì)量好、對地質(zhì)條件適應(yīng)能力強等特點。預(yù)應(yīng)力管樁交成熟的理論主要分為兩部分，即:承載力研究理論和沉降控制研究理論。一般情況下高速公路路堤荷載較小，其承載力能滿足要求，因此設(shè)計剛性樁復(fù)合地基時多以沉降控制理論為主。

應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁處理軟土地基，具有施工填土快、處理深度大、工期短等特點，適合于本線的軟土地基處理?？紤]本線埋深(即軟土厚度)為15 m 以上，且夾有砂層的情況，為避免深度較大時樁體受彎斷裂的情況，所選用的管樁樁徑不宜過小。

管樁施工工藝主要有振動壓力法和靜壓力法，該擴改建工程中適合采用靜壓力法。如圖1 所示。

圖1 PTC 預(yù)制管樁布置圖

(3)泡沫輕質(zhì)土

泡沫輕質(zhì)土是用物理方法將發(fā)泡劑溶液制備成泡沫，與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料，外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料。

泡沫是由發(fā)泡劑稀釋后加壓縮空氣經(jīng)發(fā)泡槍生成。拌合水不應(yīng)含有影響泡沫穩(wěn)定性、泡沫輕質(zhì)土的強度和耐久性的有機物、油污等雜質(zhì)。發(fā)泡劑的稀釋、起泡應(yīng)采用設(shè)備自動化控制，泡沫應(yīng)細(xì)密、穩(wěn)定。在施工過程中，對每一車水泥漿進行重度檢測，確保水泥漿質(zhì)量穩(wěn)定。

①澆筑前場地驗收標(biāo)準(zhǔn)。泡沫輕質(zhì)土路基澆注施工前，基底不應(yīng)有明顯積水。如設(shè)計有墊層，墊層施工應(yīng)滿足設(shè)計和規(guī)范要求。澆注區(qū)尺寸不小于設(shè)計、基底高程與設(shè)計值的偏差不應(yīng)超過±0.1 m。澆注施工前，以澆注區(qū)為單位進行澆注場地驗收。

②分區(qū)模板安裝要牢固，澆注區(qū)間應(yīng)采用塑料布進行密封，防止輕質(zhì)土沿縫隙滲流。

③泡沫輕質(zhì)土單層澆筑厚度按0.5 m 控制，同一區(qū)段上下相鄰澆筑層，當(dāng)施工期氣溫不低于15 ℃，最短澆筑間隔時間按8 ～12 h 控制，否則澆筑間隔不低于2 d。單個澆筑區(qū)澆筑層的澆筑施工時間控制在水泥漿終凝時間內(nèi)。澆筑時，沿澆筑區(qū)長軸方向自一端向另一端澆筑，多條澆注管澆筑時，可采用對角澆筑。澆筑過程中，需移動澆注管時，沿繞注管放置的方向前后移動，不宜左右移動。如需左右移動澆注管，則將澆注管盡可能的提出到當(dāng)前已澆筑的輕質(zhì)土表面后再移動。

2.2 新老路基結(jié)合部施工技術(shù)

在唐津高速公路擴建工程中，新舊路基的銜接以削坡和臺階式開挖為主。老路邊坡的壓實度、填筑材料等決定臺階開挖的寬度和高度。該項目中具體開挖填筑工藝如下。

(1)第一次削坡:清表。施工前將原地表的樹根、雜物、草皮等全部清理干凈，并初步找平壓實。第一次削坡線寬度按0.5 m 計，初步壓實度保證90%以上。

(2)第二次削坡:預(yù)削坡。削坡時按自上而下，分級開挖;自土路肩外緣起算臺階尺寸:標(biāo)準(zhǔn)高度0.67 m、標(biāo)準(zhǔn)寬度1 m;根據(jù)工程需要設(shè)置用于找平的非標(biāo)準(zhǔn)臺階。如圖2所示。

對于現(xiàn)狀路基較高的路段，進行最下一級臺階開挖時，防止影響路基穩(wěn)定，不能直接開挖到位，限定臺階高度為1 m，并以路肩處距離削坡寬度內(nèi)側(cè)0.5 m 處的位置與第一級臺階1 m 高處位置之間連線，作為第二次削坡線。

第一級臺階開挖后進行地基處理，地基處理完成后，開始向上繼續(xù)挖臺階削坡。之后每節(jié)臺階直接開挖到位，這是第三次削坡。

對削坡后路基分層回填，若削坡后路基含水量偏高，回填碾壓時有彈軟現(xiàn)象，則對現(xiàn)狀路基進行原槽摻拌8%石灰土，路基產(chǎn)生強度后再繼續(xù)碾壓回填。

削坡時，對削坡寬度內(nèi)路面結(jié)構(gòu)進行洗刨，并進行合理存放，待路面施工時，與其他路面洗刨材料一并利用。

削坡及填土施工期間，將填土面做成向外傾斜的橫坡，橫坡值于4%左右，避免雨水侵入路基邊坡，同時，在每級臺階開挖到位后立即進行路基土的回填碾壓，該臺階回填到位后再進行下一級臺階的開挖，避免臺階內(nèi)存水。

圖2 路基削坡及填土(單位:m)

(3)為保證整體穩(wěn)定性，每側(cè)路堤實際填筑寬度應(yīng)比設(shè)計寬度寬30 cm，且應(yīng)保證壓實寬度大于設(shè)計寬度。削坡工序在綠化時進行，不得在路基施工完畢后立即削坡。坡腳線與道路用地變邊線之間應(yīng)進行整平并碾壓，壓實度≥90%，壓實高度為排水溝溝頂設(shè)計標(biāo)高。

(4)附加填土高度小于2.0 m 的路段。路基削坡后，加寬段路基原地表下挖至擴建路床邊緣標(biāo)高以下1 m，整平后壓實鋪設(shè)40 cm 級配碎石，中間鋪設(shè)一層凸結(jié)點鋼塑格柵，填土至路床下40 cm，然后分層施工40 cm 厚8%石灰土，其上施工路面結(jié)構(gòu)。

(5)附加填土荷載高度2.0 ～2.5 m 的路段。采用水泥土單向攪拌樁進行路基深層處理，采用正方形布置，樁頂鋪設(shè)40 cm 厚級配碎石墊層，并在碎石層中間鋪設(shè)一層鋼塑格柵。路床頂部40 cm 采用8%石灰土填筑。

(6)附加填土荷載高度2.5 m 以上的路段。采用戴樁帽的預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁(PTC 樁)進行路基深層處理，采用矩形布置，沿路線方向間距3.0 m，垂直路線方向間距2.0 m，并在樁頂鋪設(shè)40 cm 厚級配碎石墊層，并在碎石鋪設(shè)一層凸結(jié)點鋼塑格柵(樁頂20 cm 鋪設(shè)一層格柵，其上鋪筑20 cm 碎石)。路床頂部40 cm 8%預(yù)拌石灰土填筑。

PTC 裝施工完畢后，要求人工開挖樁帽范圍的石灰土，采用土模澆筑鋼筋混凝土樁帽。

3 結(jié) 論

以唐津高速公路擴建工程為研究對象，結(jié)合在軟土地基路段易發(fā)生新舊路基差異沉降過大并影響公路的使用性能的問題，提出了適宜的施工工藝，以減少不均勻沉降。采用輕質(zhì)路堤、復(fù)合地基可有效減小新老路基常見的沉降差異;邊坡削坡、臺階開挖以及控制壓實度是增加新老路堤接合部整體性的有力措施。

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