高速公路扩建工程路基拼宽动态设计

李亚平

(安徽省交通规划设计研究院，安徽合肥 230088)

路基拓宽工程病害的根源是新老路基的不协调变形，新老路基不协调变形主要由新老路基结合部的蠕滑或滑移、新路基的压缩变形以及新老路基的地基沉降差异三部分组成;在不同拓宽条件下，导致工程病害的主导变形也不尽相同，应进行合理的优化设计提高工程质量。

1 拼宽路基设计

1.1 控制标准

为保证新老路基的良好衔接，参照国内外高速扩建经验提出控制标准为：原路基中心与新路肩的横坡度增大值应小于0.6%，与原公路横坡相比不得出现反坡。拼接路基施工后，原路中心附加沉降增量应小于50 mm。加宽路基计算总沉降小于15 cm、工后沉降小于5 cm，新老路基差异沉降小于5 cm。

1.2 拼宽位置的选择

为了提高老路基强度，保证新建路面下基层强度的均匀性，将原老路土路肩和硬路肩全部挖除，硬路肩与第三、第四车道为新建路面，按行驶大、中型车进行路面设计。拼接缝设置在第二、三车道画线处。

1.3 清坡、削坡、挖台阶处理

老路基边坡进行30 cm厚的清坡处理和削坡处理。

根据现场调查，老路边坡填土松散，部分路段存在灌木及少量高大树木。为了提高新老路基拼接质量，提高拼接部路基填土压实度，确定当拼宽段填土高度小于等于3 m时，老路边坡削坡坡率为1∶1，拼宽段填土高度大于3 m时，老路边坡削坡坡率为1∶1.25。

在原路基边坡上同时自下而上开挖台阶，开挖一级及时填筑一级，并按压实度要求进行碾压，第一级台阶开挖尺寸为120 cm×120(150)cm，以上各级台阶开挖尺寸为80 cm×80(100)cm，最上一级台阶由老路基边缘向内3.5 m开挖原路床80 cm，重新掺灰后回填加固。

1.4 土工合成材料的应用

老路扩建成败的关键之一就是避免因新老路基不均匀沉降而产生的纵向开裂，运用土工合成材料能有效地增强老路基与拼接路基土体间的联接性，限制和协调路基土体的变形，使荷载均匀分布，提高拼接路基的抗剪强度，增强拼接路基的整体性。

根据本项目特点，土工材料应用如下：

在新老路基交界处原路床开挖范围内，路床顶面以下20 cm设置一层土工格栅，主应力方向沿路基横向铺设。路基基底设置1～3层土工格栅，当填土高度小于3.0 m时，在基底铺设一层土工格栅，填土高度3～5 m时，分别在基底、底面以上20 cm处各铺设一层土工格栅;填土高度大于5 m的路段底面铺设3层土工格栅。

2 施工过程的优化及改进措施

2.1 正常通车状态下台阶的优化

根据设计拼宽填筑前应先对老路路基边坡进行清坡、削坡处理。对于填方高度的老路基，植被及老路防护已事先清除，且坡脚最下层台阶开挖断面较大，考虑到京台高速交通量巨大，如中断交通将给周边路网带来极大压力。在施工过程中，个别较高填方段在开挖台阶后路面出现微小裂缝，老路路基稳定问题直接影响到改建施工及高速公路的运营。

查阅相关高速公路扩建工程路基拼宽的相关文献，采用有限元模拟的手段进行模拟，结合现场施工情况，在保证清除边坡坡面上的松散土、草根、灌木的基础上对各个台阶高度、宽度进行调整。对不同的台阶进行模拟和试算。

台阶的尺寸的确定要考虑以下几个方面因素：开挖后路基的稳定性、台阶尺寸的施工可行性、新老路基搭接长度。经过比选，确定优化后的开挖台阶方案为：取消削坡;将台阶尺寸由80 cm×80(100)cm改为80 cm×110 cm;将最下层台阶开挖线向老路外平移50～150 cm;确保在不同填土高度下的最下层台阶最大凌空面高度为160 cm。

2.2 台阶开挖方案的有限元分析

2.2.1 有限元分析模型的建立

根据本项目的施工图设计文件及现场施工情况确定计算模型的相关尺寸、地基土力学参数及填筑土方力学参数。其中，老路路堤填筑时间超过十年，当时的压实密度高，其压缩模量及泊松比接近新建路堤土体;老路基底土体固结度亦较高;拼宽部分基底土体的压缩模量小且泊松比大。根据施工现场所作土工试验结合江淮地区类似工程经验确定主要的力学参数。

调研结果与《宜昌市装备制造业人才白皮书》相似：宜昌市有关机械制造专业群的高端技能人才严重缺乏；宜昌市装备制造业最紧缺的高技能人才岗位见图1：

根据原设计及优化设计的开挖台阶方案建立有限元模型，对两种方案分别进行有限元分析。

2.2.2 有限元分析结果

经过有限元分析，可知如按原设计施工，最下层台阶的实际开挖高度达到2.5 m，此处的受力是整个开挖面上最薄弱的位置。模拟计算的最大变形达到近19.2 cm，而且台阶面出现密集的塑性点，土体虽未发生破坏但已发生严重的塑性变形，考虑到路基施工期跨越多雨季节，开挖面稳定更难以保障。

根据优化后的削坡、挖台阶方案建立计算模型，计算所得最大变形达到近5.53 cm，土体尚处在弹性变形范围内。

从计算所得的剪应变看，原设计可能的圆弧形滑动面半径较小且经过临空面最下端，此开挖台阶方案可能沿此滑动面发生滑移;而优化设计的圆弧形滑动面半径较大且无剪出口，此方案不会发生滑移。从计算结果看，原设计中共有19.3%的节点处在受拉力状态;而优化设计中共有13.3%的节点处在受拉力状态。

2.3 施工过程中改进措施

原设计清坡厚度为0.3 m，在实际施工中发现边坡植被根系深入边坡达1.5 m，个别根系长数米。经现场挖探发现，边坡表面0.5 m属于根系密集层，江淮地区老路边坡清坡厚度宜设置为0.5 m。

经比选，采用7%石灰土换填的效果较好且不至于过多增加造价，是较为合理的老路底面处理方案。

3 结束语

表1 老路路床底面换填材料比较表

施工现场根据优化后的开挖台阶方案进行施工，并对危险的填方较高路段、临水路段进行实时监控，完成了拼宽路基的填筑，在采用优化后的台阶方案施工的路段未发现路面开裂、台阶滑塌等情况。现场实践证明了优化方案较原设计方案更为合理。

路基拼宽施工中，开挖台阶是减少新老路基差异形变的有效手段，台阶尺寸的确定由施工可行性、搭接有效性、临空面的稳定性、土工织物的搭接长度等方面确定。经过不断试算得出江淮地区台阶的最佳尺寸，可供相关工程参考。清坡厚度应根据边坡植被种类、茂密程度、季节等加以调整。老路强度较低情况下应作补强处理，本项目所处江淮膨胀土地区宜采用石灰土补强。

［1］安徽省交通规划设计研究院.京台高速公路小西冲至方兴大道段扩建工程施工图设计文件［Z］.合肥.2010.

［2］余常俊.高速公路拓宽工程新老路结合部施工技术［J］.公路，2004(3)：105－108.

［3］张敬沛，陈星光.拓宽路基工后差异沉降控制标准与分级［J］.路基工程，2008(4)：80－81.

［4］吴敏，董勋，李玉标.沪宁高速公路扩建工程路面的拼接施工技术［J］.公路，2009(8)：42－45.

［5］梁新政，何淼.沪宁高速公路扩建工程路基拼接处治措施及其作用机理［J］.公路交通科技：应用技术版，2007(4)：58－61.