丘陵区高速公路改扩建设计创新技术研究

王飞

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

0 引言

宁夏段京藏高速从北往南依次经过石嘴山市、银川市、吴忠市及中宁市，是一条贯穿南北的重要交通干线，对项目的改扩建迫在眉睫，其对提高宁夏段京藏高速服务水平、推动经济及社会向前发展以及提高宁夏回族自治区对外开放具有重要的意义。本文以宁夏段京藏高速改扩建工程勘察设计为例，着重分析和研究了丘陵区高速公路改扩建工程设计所采用的新技术，创新内容及取得的成效，从而为改扩建高速公路建设积累宝贵的经验。

1 SSW车载激光建模测量系统在京藏高速改扩建工程中的应用

项目主要是将老路由4车道改扩建为8车道，由于京藏高速公路车流量大、重车多，封闭内侧超车道后在中央分隔带处进行旧路测量安全隐患大。因此为给设计提供可靠的基础数据，根据工作进度对主线两侧中央分隔带和硬路肩外侧边缘线采用SSW车载激光建模测量系统进行数据扫描采集，人工测量的硬路肩外侧边缘线作为校核。该技术的应用，除较大幅地提高项目的测量的准确性与设计质量之外，还极大地缩短了设计周期。

项目采用的SSW车载激光建模测量系统在作业过程中不仅采集激光点云数据，还获取了全景影像数据，全程约70km，采用的是往返扫描的方法。采集完数据后，首先对数据进行预计算，随后对组合导航进行计算，并对计算结果的质量进行预评估。若计算结果满足要求，则开展点云计算。点云计算完成之后，系统开始进行平面和高程改正。待平面和高程改正完成之后，对点云通过检查点展开精度检查，针对部分超过限制的路段，采用增设控制点的方式满足精度要求并生成最终结果，见图1。

图1 系统全景影像

2 利用有限元分析，确定新旧路面合理搭接宽度

改扩建项目路面各层位采用不同的搭接宽度与新旧路面结构接缝的位置相互影响，项目设计利用有限元软件对新建部分的路面结构与旧路加铺结构进行分析，并根据路面在行车荷载作用下的破坏模式来分析特定位置。本次有限元分析，在规范要求的基础上，同时结合前人对路面搭接宽度所进行的研究及项目特点，模拟了6种搭接形式，对不同搭接形式下接缝处对应的层底拉/压应力、层底剪应力及轮迹带处应力进行模拟计算分析，依据计算分析结果，台阶开挖宽度不宜过宽，尽量根据实际情况保持在第3车道。项目以第2及第3车道为分界线，新建路面结构位于外侧，内侧旧路通过开挖台阶与新建路面进行合理搭接。经后续项目通车运营2年检验，项目拼接方案合理，有效控制了新旧路面拼接接缝等问题，路面平整度较好，未出现路面开裂等病害，见图2～4。

图2 有限元模型

图3 接缝顶面加铺层层底拉/压应力

图4 接缝顶面加铺层层底剪应力

3 采用midascivil软件，对原有13～20m跨径桥梁拼宽后全桥结构进行整体验算

采用midascivil软件建立桥梁空间模型进行分析，空间模型见图5～6：

图5 全桥分析模型

图6 横向拼接

计算结果表明，各项验算满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）要求，拼宽方案合理可行。

4 国内罕见，宁夏首座错孔布置、柔性连接拼宽桥梁

本桥为宁东铁路分离式立交上跨铁路桥，与铁路交角75.9°。既有桥梁为20×16+9×20+10×16m空心板桥。

由于所跨铁路与桥梁交角小，为避免对既有桥梁的拆除，最大限度地保证铁路的正常运营，同时为方便施工，缩短工期，拼宽桥采用了非常规的错孔布置，对应原桥上跨铁路5×20m联范围，左、右幅拼宽联分别采用16+20+4×16m及4×16+20+16m跨径布置，见图7。

图7 错孔拼宽方案

本桥采用错孔布置的方案，为保证新老桥梁结构受力的协调一致，提高拼宽桥梁的耐久性，本桥对新老结构上部的连接采用了柔性连接的方式，即在拼宽湿接缝设置2cm“假缝”，缝隙间用泡沫板填塞，同时连接新老板梁悬臂钢筋以实现柔性铰接。

本桥拼宽方案的顺利实施，为将来的错孔桥梁拼接积累了宝贵的经验。

5 乳化沥青厂拌冷再生，实现资源循环利用

乳化沥青冷再生施工控制简单、施工工艺成熟，再生层属于柔性基层，具有良好的高温稳定性、耐疲劳性、水稳定性和低温稳定性，可大幅减少反射裂缝的发生，使得路面可以保持长期的稳定状态，很大程度延长了道路的使用期限。与此同时，对铣刨回收的旧料进行乳化沥青冷再生，减轻环境污染，实现资源的节约化与集约化。

本着节能环保，尽量利用铣刨料及更好地体现路面全寿命周期设计理念的原则，采用乳化沥青厂拌冷再生的方式，将路面旧路硬路肩、旧路部分行车道及旧路病害集中路段铣刨料应用于路面中，经统计JZ16、17、18、19、20标段共铣刨旧沥青混凝土75816m3，JZ21、22、23标段共铣刨旧沥青混凝土46432.7m3，为实现资源的循环利用，设计中对铣刨沥青混合料进行再生利用，将JZ16—JZ20标段铣刨沥青层RAP均运至JZ18标段，将JZ21—JZ23标段铣刨沥青层RAP均运至JZ21标段右幅，进行乳化沥青冷再生处理后应用于上基层，总体利用率可达到90%以上，见图8～9。

图8 乳化沥青厂拌冷再生路面结构

6 采用液态粉煤灰进行桥涵构造物台背回填，实现废旧材料再生循环利用

项目沿线存在大量工业废弃粉煤灰，为大力推行废旧材料再生循环利用，应当地政府相关函件要求，设计中积极采用液态粉煤灰进行桥涵构造物台背回填，利用其自重轻、密实性好、压缩性小、流动性好、整体性好、利于环保、工艺简单、便于施工等优点，减少了路基与桥涵构造物之间的不均匀沉降，提高行车舒适性，节约造价，保护环境。经项目通车运营检验，采用液态粉煤灰进行桥涵构造物台背回填路段，桥头跳车现象明显减缓，结构物与路基间无横向沉降裂缝，行车舒适性显著提高。粉煤灰填料要求应满足以下要求：

图9 铣刨沥青层RAP

（1）粉煤灰烧失量宜小于20%，当烧失量超过标准的粉煤灰应作对比试验，分析论证后采用。

（2）粉煤灰粒径宜在0.001～1.18mm之间，小于0.075mm的颗粒含量宜大于45%，且粉煤灰中不得含团块、腐殖质及其他杂质。

（3）宜采用塑性指数不小于12的黏性土作为包边土和顶面封层的填料。液态粉煤灰侧面采用1.5m宽水平厚度的包边土。

（4）施工前应进行混合料配合比设计，配合比设计各项材料参考用量为水泥∶粉煤灰=4∶96～10∶90（体积比）。外加剂用量为水泥用量的1%，见图10。

图10 液态粉煤灰标准化施工流程

7 重视安全，合理有序安排施工及交通组织

京藏高速为宁夏境内南北走向的重要通道，公路的施工对交通流有较大影响，为兼顾交通安全顺畅与施工质量进度，需要制定合理的设计、施工方案、保通方案，发挥老路的社会经济效益，减少社会影响。设计方案制定时尽可能减少对原路的影响：如路基基底补强用对旧路影响较小的高速液压夯方案，尽可能利用桥梁上部，根据交通组织方案合理确定路基、路面、桥梁拼接方案。

7.1 望远至金积段交通组织

因地制宜地根据沿线路网特点分段制定保通方案：起点至金积枢纽段主要过市区，路网密集，现有道路可满足短期内出行需求，故采用封闭交通施工的模式，强化分流引导方案，减轻地方道路通行压力。

根据总体施工计划安排，工程施工阶段共划分为两个阶段，并于2017年11月5日～2018年9月20日全线（除金积枢纽互通外）封闭施工，施工期间禁止所有车辆通行。

7.2 金积至滚泉段交通组织

金积枢纽至终点路网较单一，故采用“边施工、边保通”的方式，并制定了全面、详细的交通组织措施、策略及方法，建立了科学、合理的交通应急预案，为项目的顺利完成提供保障。

根据本段落总体工期安排，共划分为两个施工阶段，于2018年3月20日～2018年10月31日左半幅（固原往银川方向）封闭施工，封闭期间右半幅（银川往固原方向）正常通行；2018年11月1日～2019年3月19日左半幅（固原往银川方向）已施工完毕，全线双向正常通行；2019年3月20日～2019年10月31日右半幅（银川往固原方向）封闭施工，封闭期间左半幅（固原往银川方向）单向四车道通行。

8 结语

本文对丘陵区高速公路改扩建工程设计创新技术展开了研究，提出以下建议：

（1）应用SSW车载激光建模测量系统，有限元分析及midascivil软件，理论联系实际，为设计提供充分的依据，进而提高工程质量；

（2）应着重加强路基、路面的拼接处置，降低新老路基间的不均匀沉降；

（3）采用液态粉煤灰进行桥涵台背回填，对铣刨回收料的再生利用，充分贯彻绿色、环保设计理念。