浅谈昌九高速公路改扩建工程通远段关键技术方案

2015-04-26付凯敏黄智华

湖南交通科技 2015年4期

付凯敏，黄智华，黄华，奚进

(1.昌九高速公路改扩建项目建设办公室，江西南昌 330103;2.江西省交通运输技术创新中心，江西南昌 330200)

0 前言

近几年，随着周边地区经济的快速发展，区域交通量大幅增加，昌九高速公路现有四车道难于满足通道交通量迅速增长的需求，基本接近二级服务水平通行的饱和状态，局部路段降为三级水平，加上货车所占比例较高，道路的通行条件差，特别是碰上冰雪天气或节假日时，经常造成严重的交通堵塞，给管养部门带来极大的道路维护和社会舆论压力。

为了提高道路通行能力和服务水平，适应和进一步促进经济的发展，江西赣粤高速公路股份有限公司自2011 年就着手启动了昌九高速公路的改扩建筹备工作，为打造昌九精品路，2012 年先行启动了通远试验段，以为昌九全线四改八积累经验和技术储备。

1 因地制宜，灵活设计

高速公路改扩建项目不同于新建项目，不是一个从无到有的过程，而是一个从有到优的过程，对设计的要求更高，需要设计单位开阔思路、创新方案，坚持因地制宜、灵活设计的原则，切不可生搬硬套新建高速的一些常规方案。

1.1 通远“天门坎”18 m 路基拓宽方案

昌九高速公路老路幅“天门坎”路段原路基宽度仅为18 m，为满足4 车道通行宽度，由于受右侧G105 国道限制，原设计对左侧山体路堑边坡进行开挖，拓宽为20.5 m。拓宽需对左侧山体路堑挡墙进行拆除后开挖，涵洞构造物向左侧拼接加长，同时需要采用框格锚杆对左侧山体进行加固处理。该拓宽方案严格按照8 车道高速公路分离式路基宽度进行设计，横断面满足现行规范要求。但向左侧加宽2.5 m 路基所带来的影响较大:一是需要拆除原有的路堑挡墙，破坏原有山体的支挡防护，既影响山体的稳定，也造成原有资源的极度浪费;二是该路段地质条件复杂，开挖山体极易出现严重塌方。因此，原设计的20.5 m 拓宽方案虽能满足规范要求，但造成的影响和付出的代价较大，有进一步优化的必要。

图1 利用原两侧边沟改造为20 m 路基

图2 通远天门坎改建20 m 路基效果

项目在详细调查路基实际情况前提下，提出了将原边沟加铺承压式盖板作为土路肩来提升路幅宽度(拓宽为20 m 路基)的方案，如图1、图2 所示。这样一改，刚好契合了2015 年新出台的《公路工程技术规范》灵活设计的要求，同时有效避免了路基两侧因路堑边坡开挖而出现坍塌的风险。新的拓宽为20 m 路基方案充分利用了现有道路资源，合理布置横断面，避免了左、右侧开挖而扰动原有山体，充分体现了既尊重规范又不硬套规范的灵活设计原则。

1.2 老路幅双向路拱横坡方案

昌九高速公路改扩建通远段主要采取“左幅分离新建、右幅利用老路改造”方式进行改扩建。其中，为解决通远“天门坎”段大纵坡、冬节冰雪天气易堵车问题，“天门坎”路段采用左幅新建隧道分离方案(约占34%)，分离段前后采用左幅单侧拼宽方案(约占50%)，终点采用双侧拓宽方案对接杭瑞高速九瑞枢纽互通(约占16%)。对于单侧拓宽和分离方案路段，原老路幅均面临着路拱横坡调整的问题。

原设计按照常规做法，采用“拆除原中分带，调整为单向路拱横坡”方案，但该调坡方案主要存在以下问题:一是第1、第2 车道(轻型车道)加铺结构较厚，而真正承受重载作用的第3、第4 车道(重型车道)加铺结构很薄，没有分车道发挥路面结构的优势。二是原有的桥梁、明盖板涵均需要拆除上部结构、改造下部结构，造成原有桥涵资源的浪费，且影响工期。三是不利于路面排水，单幅同向四车道横向排水是目前八车道高速公路的一大问题，排水不及时或不顺畅特别容易造成交通事故。四是改造费用较高。路面调坡一般采用沥青结构层，调坡所需的费用相比保留双向坡将近高出1 倍。

为此，项目打破常规、大胆创新，在建设过程中结合国外双坡设计经验，在《公路工程技术规范》对路面横坡没有严格规定的前提下，经专家科学论证，第1 次在高速公路四改八项目中，尝试采取保留双向路拱横坡方案，如图3、图4 所示。该方案在保证行车安全、舒适的前提下，有效地减少了路面调坡的工程量，每1 km 节省造价200 余万元，同时解决了多车道路面单坡排水不畅的问题。

图3 昌九高速通远“天门坎”路段原状

图4 昌九高速通远“天门坎”段双向路拱效果

1.3 中分带改造方案

原设计中分带方案套用新建公路常规做法，即中分带为倒梯形(上口大、下口小)状、两侧设路缘石和波形护栏、中间培土种植绿化。原中分带方案没有结合高速公路改扩建的特点进行设计，若按照原方案施工，需要对老路进行开膛破肚式的开挖，一则造成资源浪费，二则后期质量隐患较大(中分带容易渗水)。

项目充分遵循改扩建特点，在原中分带新泽西墙“再生利用”方面挖掘潜力，由原设计的“就地拆除、远运废弃”方案变更为“就地拆除、移位利用”方案，用于改扩建后的新中分带，最后经简单装饰处理后焕然一新，此举可谓“一举多得”，不仅安全可靠，而且节约了拆除、运输的成本，避免了大量混凝土废弃物的堆放，解决了废弃物污染环境、占用土地资源的难题，如图5、图6 所示。

1.4 石拱涵高填方路基拓宽方案

通远天门坎18 m 路基右侧LK92+200 ～LK92+500、左侧LK92+360 ～LK92+410 段为高填方路段，在LK92+390 处有1 道1－4.0 m×3.0 m 的石拱涵，右侧路基下边坡设置有浆砌片石挡土墙。该路段由于路基宽度不足，同时又基本处于长下坡路段坡底车速最快的位置，重点要解决好加宽路基和保证行车安全的问题。

图5 原设计中分带方案

图6 中分带新泽西墙利用方案

原设计方案为“接长涵洞、加宽路基”，但由于该拱型通道是连通当地毛桥、兰桥、中岭、分水等6个自然村与G105 国道的唯一通道，穿行交通繁忙，不具备中断交通接长涵洞的可能。同时，该拱型通道原建筑材料为浆砌片石，并存在一定的病害，拼接施工必然对老涵造成扰动，对老拱涵的安全稳定造成影响。

项目广开思路，跳出传统思维，采用挡墙方案加宽路基，为确保老拱涵安全，借鉴“桥梁跨越”原理，左侧采用“桩接墙”的加宽方案，即在拱涵两侧路基上采用人工挖孔成型桩基，避免对老拱涵的扰动，然后在桩基上做砼挡墙，砼挡墙跨越老拱涵，这样挡墙所受的荷载均通过桩基传递至下部，避免传递至老拱涵增加其所受荷载，如图7、图8 所示。为防止重型车辆下坡时冲出高填方路基，借鉴“桥梁防撞”原理，在右侧浆砌片石挡土墙和左侧新建砼挡墙上增加砼防撞墙，代替波形护栏防撞设施，防撞效果更为安全可靠。

图7 拱涵高填方路基加宽“桩接墙”方案

图8 拱涵高填方路段砼防撞墙

1.5 原有路基利用方案

昌九通远“天门坎”分离路段起点过渡段原有路基宽度为24.5 m，原设计严格按照规范分离式路基宽度20.5 m 设置，导致老路基将有4 m 宽无法利用，造成原有路基资源的浪费。因此，项目在改建过程中，跳开规范条条框框，充分利用原有路基资源，增设了左侧硬路肩(宽度为3.75 m，实际充当了爬坡车道的功能)，从而增加了1 个车道，如图9 所示。该方案以最小的代价获取了最大的效益，大大提高了通远天门坎爬坡路段的通行能力。

图9 通远天门坎爬坡路段增设左侧硬路肩

1.6 涵改桥方案

改扩建工程最大的特点就是“施工干扰大、交叉施工多”。由于昌九改扩建期间采取“保四通行”、“边施工、边通车”、“车辆不分流”的交通组织方案，既要保证上部高速通行，又要保证下穿公路正常通行，实施和管理难度极大，由此造成桥涵构造物施工相互干扰、无法同时展开。例如通远老互通下穿箱型通道，是进出著名的国家级庐山风景区的主通道，若按照原设计的箱涵接长方案，则必然要中断互通交通，将给项目和庐山造成极不利的社会影响。为此，项目另辟蹊径，将原来的箱涵方案改为“桩接柱”的桥梁方案，确保施工时不影响下部匝道交通正常通行，该“涵改桥”方案不仅解决了施工中断交通的难题，而且为项目争取到了工期。如图10。

图10 庐山互通下穿箱型通道改桥方案

2 创新应用，先试先行

2.1 浆砌片石桥涵拼接方案

昌九高速经多次分期分幅改建而成，由于受条件所限存在设计技术标准偏低等问题，全线桥涵多为浆砌片石(松散体系)砌筑，经过20 多年运行后结构自稳性差，桥涵拼接施工稍有扰动将引起坍塌。原设计浆砌片石桥涵拼接未考虑到该类桥涵独特的特点，导致施工过程中部分桥梁台背出现开裂现象，严重影响老桥结构安全。如图11。

项目经多方科学比选论证，及时调整为“抗滑桩安全支挡，新建幅桥梁分两期建设”的拼接方案。如图12 所示。抗滑桩的设置不仅独具匠心，而又意义重大，在新建幅桥梁施工时，主要对老桥起到支挡作用，确保了老桥的安全稳固;同时，在拆除老桥重建施工时，又充当了新建幅桥梁的临时侧墙，保证新桥的安全稳固。

图11 桥涵台背出现“开裂”

图12 桥涵拼接施工抗滑桩

2.2 临边路堑边坡开挖方案

昌九高速临边路堑多为石质边坡，若采取爆破施工，则飞石易危及行车安全。如何确保边坡正常开挖的同时，又能保证高速的安全通行，项目千方百计破瓶颈，想方设法解难题，全线路堑边坡全部采用机械开挖，同时在原高速硬路肩上设置防滚石的砼挡墙和钢板相结合的临时支挡体系，如图13、14 所示。

图13 高速临边边坡开挖防滚石措施(单位:cm)

图14 砼挡墙和钢板相结合的临时支挡体系

2.3 路面综合排水方案

原设计中分带、超高排水各为一体，而且没有考虑路面内部排水及临时排水，导致排水设施重复埋设、老路内外部水又无法排出。

项目从实际出发，坚持“少破坏”“因地制宜，综合利用”的原则，考虑如下因素:一是受高位水塘或水库压力水影响，老路幅路基渗水;二是新建幅路床高于老路路床，隔断老路内部水排出;三是新老路拼接区域未压实相对薄弱环节，路面水沿该部位下渗造成路基软化，强度达不到设计要求;四是老路床本身会积聚一定的结构水，开挖得到证明;五是单侧拼宽路段，设置纵横向盲沟后，作为临时排水通道。因此，在新建幅路基填筑至路床顶面标高后，沿拼接部位增设纵横向盲沟，将四套排水系统结合起来使用，形成“四位一体”“永临结合”的排水系统。具体如图15 ～图20。

2.4 路基补强方案

原设计采用冲击碾压进行路基补强，但是由于现场明涵分布密集，冲碾无法达到补强时所需速度，所取得路基补强效果有限。因此，项目调整为新老路基拼接部位采用液压式强夯，其它区域采用落锤式强夯的补强方案，二者有机结合，互为补充，相得益彰，确保不留死角。液压式强夯主要针对新老路基拼接区域和桥涵台背等难于碾压密实区域，该部分区域是落锤式强夯的覆盖盲点，原因如下:一是影响公路通行安全，严重威胁着驾乘人员的生命财产;二是落锤所产生的瞬间冲击力较大，对原有路面结构和桥涵会造成损伤。而液压式强夯则刚好可以克服上述缺点，有效弥补落锤式强夯存在的不足。

图15 老路路床低于新路路床

图16 拼接部位渗水软化路基

图17 老路床渗出积聚水

图18 拼接部位设置纵向盲沟

图19 充当老路幅临时排水设施

图20 雨天盲沟出水效果

昌九改扩建项目在我省高速公路建设中首次引进液压式强夯新工艺，并在高速公路改扩建中拓展了应用范围，形成了“高速公路改扩建新老路基拼接液压式强夯补强标准工法”。液压式强夯作业灵活、快速、安全，非常适合落锤式强夯存在盲区的作业面狭小、大型机械运行不便、小型夯实设备功率不够的区域以及新老路拼接落锤式强夯存在安全隐患的部位。如图21、图22。

图21 液压式强夯

图22 路基拼接区域液压式强夯效果

2.5 超高排水方案

高速公路方案设计要综合考虑后期的养护，项目在部分方案制定上吸收了管养单位的意见，在“合法合规，持久有效”的前提下，从利于后期养护管理出发，对部分方案进行了调整。例如原设计超高路段为缝隙式排水沟，该类型排水沟后期养护困难，年久缺养容易失效。项目调整为敞开式排水沟，同时将超高排水沟和集水井移入中央分隔带内，不仅利于后期养护，而且行车更为安全，如图23、24 所示。

图23 超高缝隙式排水沟(单位:mm)

图24 超高敞口式排水沟(单位:mm)

2.6 桥面碳纤维融冰技术

为解决冰雪天气下桥面极易结冰引发重特大交通事故的“老大难”问题，项目办广开思路，另辟蹊径，借鉴室内碳纤维地暖原理，在国内首次尝试将碳纤维埋置于高速公路桥面铺装内部，通电发热后可以达到融冰除雪之目的，如图25 所示。该技术克服了传统融雪添加剂长期性能衰减的问题，对推进道路融冰化雪技术的发展具有十分重要的意义。

图25 桥面钢筋网上绑扎的碳纤维

2.7 涵洞改造方案

高速公路改扩建的一大难点就是“施工通车两不误”，为保证交通正常通行，需要想方设法采用“不中断交通”“快速施工”的新技术、新工艺。由于历史原因，昌九路设计标准低、服务年限长，多数涵洞病害严重，需要拆除重建。为此，项目在省内首次尝试利用钢波纹管加固，解决了传统的由于施工导致中断通行的难题。例如，对需要拆除重建的过水盖板涵，在不影响过水断面的前提下，内部套装圆形钢波纹管加固，改造成为圆管涵，从而避免对老路“开肠破肚”式的开挖;对于部分石拱涵通道，由于是地方出入的唯一通道，在不侵占通行净空的情况下，借鉴隧道衬砌原理，采取内部套装加固法，侧墙埋设型钢并浇筑钢筋砼，顶部利用钢波纹管支撑于侧墙型钢上，钢波纹管与拱顶空隙采取注浆封闭，有效解决了中断地方道路、影响百姓出行的难题。