路基下穿既有高速公路施工技術(shù)研究

程 桂 萍

(中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519070)

1 概述

我國早期修建的一些公路出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的交通擁堵現(xiàn)象，公路的改擴(kuò)建是解決交通擁堵的有效方式，但路段在下穿某高速立交橋涉及到某高速立交橋下部橋柱和橋墩保護(hù)及施工方法研究較少。擴(kuò)改路基下穿高速對立交橋的影響尚需明確、量化以確保安全施工[1，2]。擴(kuò)改段下穿高速公路的立交橋時，開挖誘發(fā)的地基承載力下降將是影響立交橋橋墩的承載力進(jìn)而決定上部高速公路安全運行的關(guān)鍵[3，4]。因此，研究路基下穿施工工序，探究地層預(yù)加固方案，確保下穿順利進(jìn)行，減小對周圍構(gòu)筑物如橋墩的影響，實現(xiàn)施工環(huán)境控制的目標(biāo)。由于下穿工程的復(fù)雜性，上部高速公路對沉降變形的敏感性，一直是困擾安全施工的大問題[5，6]。因此，本研究通過數(shù)值模擬重現(xiàn)施工過程，并通過改變施工工序、加固方法等參數(shù)影響分析，提出安全施工控制方案，為本工程的順利完成提供有效的指導(dǎo)。

2 工程實例

2.1 工程概況

本工程為S356一級公路某段項目土建工程施工第01標(biāo)段，起訖樁號 K0+000～K5+600，全長5.6 km。其中K3+200～K5+600利用既有的S356老路進(jìn)行改擴(kuò)建，長度為2.4 km，采用雙向四車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計時速60 km/h，整體式路基寬度20 m，分離式路基寬度9.75 m，橋涵設(shè)計荷載為公路 Ⅰ 級，主要工程量有路基挖土方7.36萬m3；路基填筑利用土方4.61萬m3，涵洞10道；K0+000～K3+200水泥混凝土路面狀況較好為完全利用段，將水泥混凝土路面局部破損板塊修補(bǔ)后直接加鋪瀝青面層。

分離式路基下穿某高速施工范圍為ZK3+725～ZK3+780，YK3+705～YK3+760，與某高速立交橋40°斜交。高速橋下主要包括ZK3+715，ZK3+724兩處既有管涵拆除、ZK3+743處蓋板涵施工、道路土石方工程、路基工程和路面工程等。

2.2 工程地質(zhì)條件

本工程區(qū)位于震旦系至中三疊系地層組成的大冶復(fù)式向斜之高橋向斜和孫鑑鋪倒轉(zhuǎn)背斜(南分支)，高橋向斜南與大磨山復(fù)式背斜相接，北與孫鑑鋪倒轉(zhuǎn)背斜相接，西端在石坑渡翹起，東部唄八湘湖紅色構(gòu)造盆地掩蓋。老路沿線切方可見地表覆蓋第四系殘坡積粉質(zhì)黏土或含碎石粉質(zhì)黏土，一般厚約 0.5 m～3 m，之下為全風(fēng)化砂巖和礫巖，局部見頁巖出露，低洼沖溝內(nèi)主要為沖積粉質(zhì)黏土，一般厚度大于5 m，01段沿線未發(fā)現(xiàn)重大影響工程建設(shè)的滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，但在K4+510～K4+550段老路右側(cè)由于邊坡較陡，邊坡表層發(fā)生溜塌至公路邊溝處，邊坡上為殘坡積含礫粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化砂巖、礫巖，在K4+640～K4+650段老路左側(cè)由于邊坡較陡，邊坡發(fā)生滑動，滑體主要為殘坡積含礫粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化砂巖、礫巖，該兩段小型的滑塌體規(guī)模較小，施工時建議清除，并同時放緩邊坡坡率。

2.3 水文地質(zhì)條件

本工程區(qū)氣候濕潤，雨量充沛，地表徑流發(fā)育，低洼沖溝處和崗地多溪溝和水塘及人工渠道。豐富的地表水為區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民用水提供了便利，也為本項目的建設(shè)提供了有利條件。水文地質(zhì)條件相對簡單，地下水與溝塘、溪溝等地表水體具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，豐水期地下水上升，補(bǔ)給周圍的地表水體，枯水期則反之。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，判定環(huán)境水對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋均具微腐蝕性。

3 路基下穿高速公路施工方案

3.1 施工總平面布置圖

現(xiàn)場必須要求科學(xué)合理的平面布置，同時滿足施工生產(chǎn)和道路交通要求，根據(jù)某高速橋下實際情況并結(jié)合工程特點，施工總平面如圖1所示。

施工現(xiàn)場所在區(qū)域交通方便，充分利用既有道路，降低臨時設(shè)施費用，沿原常橫線兩側(cè)各加寬6.0 m作為臨時施工便道，以減少對橋下交通的影響，同時做好道路交通導(dǎo)行。

3.2 開挖方案

本工程中路基為淺挖路基，根據(jù)開挖的深度、長度、開挖方的運輸距離和橋下凈空高度選擇施工機(jī)械及開挖方法，原右側(cè)支路水泥混凝土路面需挖除，高速橋下凈空高度4.9 m。

K3+743蓋板涵位于高速橋下(如圖2所示)，軸線距橋墩承臺最小距離7.7 m，蓋板暗涵尺寸為2.0 m×1.7 m，出口涵底高程為57.57 m，原地面高程為61.03 m，基槽底開挖標(biāo)高為56.37 m，最大開挖深度4.66 m。蓋板涵采用分幅進(jìn)行施工，先進(jìn)行右幅蓋板涵施工，待右幅路基完成后再進(jìn)行左幅蓋板涵的接長。

基坑開挖前先做好基坑周圍截排水措施，防止基坑開挖和蓋板涵施工過程中地表水流入基坑，采用DN500 mm的鋼筋混凝土排水管約50 m長，將右側(cè)出口一側(cè)水塘匯水引流至K3+715處既有蓋板涵，以減少對基槽開挖的影響。

采用反鏟挖機(jī)按1∶0.5放坡分層開挖，基坑開口距橋梁承臺不小于2 m的安全距離，挖至基底時應(yīng)預(yù)留30 cm采用人工清底，防止超挖，人工清底至設(shè)計標(biāo)高后，用打夯機(jī)壓實基底；若基底承載力不滿足設(shè)計要求，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行級配碎礫石換填。若基坑為有水開挖，則根據(jù)實際情況適當(dāng)放大基坑開挖斷面，在基坑四周設(shè)置排水溝，出口處設(shè)集水坑，用水泵排出；坡面采用0.2 m厚C20混凝土進(jìn)行護(hù)坡。

下穿高速路基開挖剖面圖如圖3所示。

待蓋板涵制作安裝完成之后，臺背回填采用碎石土分層回填的方法，每層填厚不大于20 cm?；靥钭裾盏氖莾蛇厡ΨQ原則，在基本相同的標(biāo)高上進(jìn)行，其目的是防止不均勻回填造成對構(gòu)造物的損壞，對涵洞洞身兩側(cè)填土分層夯實處理，每側(cè)長度大于洞身填土高度的一倍，壓實度大于96%。

有限元方法能夠有效地分析土體的應(yīng)力應(yīng)變，并可以考慮不良地基上高速公路的擴(kuò)建工程以及對周圍建筑影響等復(fù)雜問題，應(yīng)用有限元分析方法可以更深入地了解新老路基的相互作用及其變形規(guī)律。本文采用二維平面處理問題，路基土以及橋墩結(jié)構(gòu)都采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，在經(jīng)過大量的數(shù)值模擬后，確定了能符合本次下穿高速公路的沉降變形的土體參數(shù)確定方法。

本文結(jié)合S356一級公路路基的實際情況，分析開挖工程中對高速橋墩的影響，對下穿高速開挖過程進(jìn)行模擬。模型包括橋墩、土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)。橋墩采用樁單元模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，各個結(jié)構(gòu)單元模擬均采用彈性模型，材料屬性如表1所示。

表1 下穿高速開挖結(jié)構(gòu)單元材料屬性表

3.3 結(jié)果分析

改擴(kuò)建S356省道左、右幅分別位于某高速橋第2號、第3號橋跨結(jié)構(gòu)下，為確保在進(jìn)行下穿道路施工期間高架橋的安全，對2號、3號跨橋墩進(jìn)行實時監(jiān)測沉降值。在橋梁每個橋墩布設(shè)2個監(jiān)測點，對橋墩水平位移和垂直沉降進(jìn)行觀測，模擬與實測沉降對比表如表2所示，水平位移對比表如表3所示。

表2 橋墩模擬與實測沉降對比表

表3 橋墩模擬與實測水平位移對比表

本文數(shù)值模擬與實測值沉降與水平位移值相差不大，沉降值相對于水平位移來說，誤差偏大，這可能是實際工程中橋墩上有車輛等附加荷載作用，造成實測值偏大?？傮w而言，該施工技術(shù)對高速公路橋墩的位移影響較小。

4 結(jié)語

通過對路基開挖下穿既有高速進(jìn)行有限元數(shù)值模擬研究開挖對周圍橋墩的位移作用，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析，采用該路基下穿高速公路施工技術(shù)對高速公路橋墩的水平位移及沉降影響較少，可為下穿高速公路工程提供一定的參考價值。