高速公路扩建工程新旧路基差异沉降处理技术研究

2015-08-02李长城王二强刘云浩

黑龙江交通科技 2015年2期

李长城，王二强，刘云浩

(1.天津城建集团工程总承包公司;2.东北林业大学土木工程学院)

在高速公路扩建工程中，由于新老路基间存在刚度差异，使结合部位出现不均匀沉降，该问题已成为此类工程中的关键问题。由于多年的运营使用，老路基在长期的荷载作用下，其沉降已趋于稳定，新路基在沉降过程中，极易与老路堤在交界处产生不均匀沉降，由此引起的道路纵向裂缝，对于软土地基路段尤为明显，严重时会使道路结构破坏，影响其使用性能。一般情况下，新路基开始修建时，老路基的密实度或压实度已经接近或者达到最佳状态，主要原因是老路基在多年的运营使用中，反复受到车辆荷载的压实、振动与冲击，地下水升降变化以及气候变化等的影响。在老路基旁修建新路基，无论怎样严格的击实和碾压，其密实程度仍与老路基存在很大差异，不利于新路基的整体强度设计。在改扩建工程完成以后，因新老路基的刚度差异，在长期的车辆荷载等的作用下，将产生不均匀沉降积累变形，使路基产生纵向裂缝，严重时反映到路面，即造成路面结构破坏。

1 工程概况

该工程为唐津高速公路(津塘公路～荣乌高速)扩建工程第二合同段。工程起点桩号为K1069 +278，终点桩号为K1084 +478。主线全长15.2 km，包括葛沽互通立交、李港铁路桥、津南服务区、津岐分离式立交。工程包含大桥2 座、中小桥26 座、互通1 座、涵洞26 道、箱涵2 道。软基处理包括水泥搅拌桩和PTC 预制管桩。原有道路标准横断面形式为双向四车道，总宽度28 m;设计道路标准横断面形式为双向六车道整体式断面，路基在现状路基基础上对两侧进行拼宽。有现状双向四车道加宽为双向六车道，每侧加宽3.25 m，总宽度34.5 m。

2 扩建工程新旧路基结合部处理难点分析

目前，处理改扩建工程中新老路基结合部的方法，主要指选取合适的地基处理方法，对于软土地基，更要保证处理质量。

2.1 拼接部分软基处理措施的合理选择

处理软土地基的目的在于减小新老路基的不均匀沉降，即减小扩建部分路基在使用阶段的总沉降量。为达到这一目的，可从两方面考虑。减少路堤荷载;充分压实地基，减小其压缩性。此外，由于改扩建施工过程中应尽量维持原有交通，造成施工作业用地狭窄且工期紧张，因此对软土地基的处理措施还要满足快速完成的要求。该扩建工程中不同路段的结构物类型、路基填筑高度、地质情况等都会影响处理方法的选择。项目采用的主要处理措施如下。

(1)水泥搅拌桩

水泥搅拌桩复合地基的工作原理是利用软粘土中的水分，使水泥发生水化反应而凝结硬化。该方法不但能大量吸收软土中的自由水，使其形成结晶水并固定，同时生成强度相对较高的水泥柱体，极大程度提高软土地基的强度和稳定性，是目前比较常用的软土地基加固方法。

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，所以混凝土的凝结速度快且强度高。与混凝土相比，水泥搅拌桩固化过程中的水泥掺入量很少，且是与粘土拌合，所以其固化速度慢、强度比混凝土低，且受软土中的含水量影响较大。水泥搅拌桩的加固机理限制了其在高液限软土地基中的使用。水泥搅拌桩的缺点是受施工因素的影响较大且不易控制，对软土地基的处理深度有限，能产生膨胀破坏;优点是对老路堤的干扰小。

水泥搅拌桩施工过程中注意事项有:

①施工过程中要确保设备平整，不发生移动或倾斜。施工过程中即时观察钻杆垂直度，控制其垂直角度偏差在1.0%以内，若发现超过限值，必须即时调正。

②钻杆对中偏差≤20 mm。

③水泥浆制备到喷浆不得超过2 h，若水泥浆停置时间过长或出现离析现象，不得使用。

④施工前应进行试桩，以确定控制喷浆量和搅拌机的下沉、提升速度，不得超过1.0 m/min。

⑤若施工过程中出现短时间停浆，应立即下沉搅拌头0.5 m 以上，待恢复供浆后继续施工;若停工时间较长(40 min 以上)，须全面清洗输浆管路，防止其堵塞影响后期施工。

⑥搅拌机在设计标高1 m 以下应放慢速度，以保证桩头的施工质量。当搅拌头达出口时，应原位搅拌并喷射水泥浆30 s。

(2)PTC 预制管桩

预应力管桩与水泥搅拌桩相比，对软土地基的处理深度更大，且具有施工快、桩体质量好、对地质条件适应能力强等特点。预应力管桩交成熟的理论主要分为两部分，即:承载力研究理论和沉降控制研究理论。一般情况下高速公路路堤荷载较小，其承载力能满足要求，因此设计刚性桩复合地基时多以沉降控制理论为主。

应用预应力混凝土管桩处理软土地基，具有施工填土快、处理深度大、工期短等特点，适合于本线的软土地基处理。考虑本线埋深(即软土厚度)为15 m 以上，且夹有砂层的情况，为避免深度较大时桩体受弯断裂的情况，所选用的管桩桩径不宜过小。

管桩施工工艺主要有振动压力法和静压力法，该扩改建工程中适合采用静压力法。如图1 所示。

图1 PTC 预制管桩布置图

(3)泡沫轻质土

泡沫轻质土是用物理方法将发泡剂溶液制备成泡沫，与必须组分水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料，外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。

泡沫是由发泡剂稀释后加压缩空气经发泡枪生成。拌合水不应含有影响泡沫稳定性、泡沫轻质土的强度和耐久性的有机物、油污等杂质。发泡剂的稀释、起泡应采用设备自动化控制，泡沫应细密、稳定。在施工过程中，对每一车水泥浆进行重度检测，确保水泥浆质量稳定。

①浇筑前场地验收标准。泡沫轻质土路基浇注施工前，基底不应有明显积水。如设计有垫层，垫层施工应满足设计和规范要求。浇注区尺寸不小于设计、基底高程与设计值的偏差不应超过±0.1 m。浇注施工前，以浇注区为单位进行浇注场地验收。

②分区模板安装要牢固，浇注区间应采用塑料布进行密封，防止轻质土沿缝隙渗流。

③泡沫轻质土单层浇筑厚度按0.5 m 控制，同一区段上下相邻浇筑层，当施工期气温不低于15 ℃，最短浇筑间隔时间按8 ～12 h 控制，否则浇筑间隔不低于2 d。单个浇筑区浇筑层的浇筑施工时间控制在水泥浆终凝时间内。浇筑时，沿浇筑区长轴方向自一端向另一端浇筑，多条浇注管浇筑时，可采用对角浇筑。浇筑过程中，需移动浇注管时，沿绕注管放置的方向前后移动，不宜左右移动。如需左右移动浇注管，则将浇注管尽可能的提出到当前已浇筑的轻质土表面后再移动。

2.2 新老路基结合部施工技术

在唐津高速公路扩建工程中，新旧路基的衔接以削坡和台阶式开挖为主。老路边坡的压实度、填筑材料等决定台阶开挖的宽度和高度。该项目中具体开挖填筑工艺如下。

(1)第一次削坡:清表。施工前将原地表的树根、杂物、草皮等全部清理干净，并初步找平压实。第一次削坡线宽度按0.5 m 计，初步压实度保证90%以上。

(2)第二次削坡:预削坡。削坡时按自上而下，分级开挖;自土路肩外缘起算台阶尺寸:标准高度0.67 m、标准宽度1 m;根据工程需要设置用于找平的非标准台阶。如图2所示。

对于现状路基较高的路段，进行最下一级台阶开挖时，防止影响路基稳定，不能直接开挖到位，限定台阶高度为1 m，并以路肩处距离削坡宽度内侧0.5 m 处的位置与第一级台阶1 m 高处位置之间连线，作为第二次削坡线。

第一级台阶开挖后进行地基处理，地基处理完成后，开始向上继续挖台阶削坡。之后每节台阶直接开挖到位，这是第三次削坡。

对削坡后路基分层回填，若削坡后路基含水量偏高，回填碾压时有弹软现象，则对现状路基进行原槽掺拌8%石灰土，路基产生强度后再继续碾压回填。

削坡时，对削坡宽度内路面结构进行洗刨，并进行合理存放，待路面施工时，与其他路面洗刨材料一并利用。

削坡及填土施工期间，将填土面做成向外倾斜的横坡，横坡值于4%左右，避免雨水侵入路基边坡，同时，在每级台阶开挖到位后立即进行路基土的回填碾压，该台阶回填到位后再进行下一级台阶的开挖，避免台阶内存水。

图2 路基削坡及填土(单位:m)

(3)为保证整体稳定性，每侧路堤实际填筑宽度应比设计宽度宽30 cm，且应保证压实宽度大于设计宽度。削坡工序在绿化时进行，不得在路基施工完毕后立即削坡。坡脚线与道路用地变边线之间应进行整平并碾压，压实度≥90%，压实高度为排水沟沟顶设计标高。

(4)附加填土高度小于2.0 m 的路段。路基削坡后，加宽段路基原地表下挖至扩建路床边缘标高以下1 m，整平后压实铺设40 cm 级配碎石，中间铺设一层凸结点钢塑格栅，填土至路床下40 cm，然后分层施工40 cm 厚8%石灰土，其上施工路面结构。

(5)附加填土荷载高度2.0 ～2.5 m 的路段。采用水泥土单向搅拌桩进行路基深层处理，采用正方形布置，桩顶铺设40 cm 厚级配碎石垫层，并在碎石层中间铺设一层钢塑格栅。路床顶部40 cm 采用8%石灰土填筑。

(6)附加填土荷载高度2.5 m 以上的路段。采用戴桩帽的预应力混凝土薄壁管桩(PTC 桩)进行路基深层处理，采用矩形布置，沿路线方向间距3.0 m，垂直路线方向间距2.0 m，并在桩顶铺设40 cm 厚级配碎石垫层，并在碎石铺设一层凸结点钢塑格栅(桩顶20 cm 铺设一层格栅，其上铺筑20 cm 碎石)。路床顶部40 cm 8%预拌石灰土填筑。

PTC 装施工完毕后，要求人工开挖桩帽范围的石灰土，采用土模浇筑钢筋混凝土桩帽。