公路改扩建新旧路基合理衔接与沉降控制技术

吴 煜

(四川公路工程咨询监理有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

随着社会经济的快速发展，我国早期修建的部分高速公路已不满足急剧增长的交通需求[1]。为提高道路通行能力，改善服务水平，高速公路将进入改扩建高峰期[2]。自21世纪初，启动广佛高速公路及沈大高速改扩建工程以来，我国逐渐进入了高速公路新建与扩建工程并举的时代。我国已经相继完成了沪宁、沪杭甬、连霍、京港澳、宁合、西潼、西宝、昌九、杭金衢、合芜高速等近7000km高速公路的改扩建工程。以四川省为例，至2021年，四川省相继启动了成彭、成乐、泸黄、成南等高速公路的改扩建工程。未来全国将会有更多的公路改扩建项目。

不同于新建公路，道路改扩建工程有特殊的问题和困难。由于旧路路基的固结沉降已经完成或基本完成，而新路的路基尚未开始沉降。在运营过程中，新旧路基会产生明显沉降差。高速公路拓宽工程最大的技术难题，是解决新旧路基的不均匀沉降问题[3]。研究高速公路改扩建问题，既要方案切实有效，又要争取施工方便，不过多增加工程造价。公路改扩建新旧路基的合理衔接与沉降控制，需要切实有效、经济适用、养护方便的措施和技术。

近年来，国外大量的研究人员以工程实践为背景，采用模型试验、数值模拟和现场监测等手段，对新旧路基合理衔接与差异沉降控制进行了广泛的研究。国内主要是从增强新旧路基结合、应用土工合成材料、提高新地基承载力和控制填料压实度等几个方面来考虑降低新旧路基差异沉降技术。从道路总体的应用效果来看，这些方法在技术上是可行的，但仍然存在一些长期效果不理想和成本过高等问题，还有大多数扩建工程都很难避免在使用期内发生纵向开裂。

本文分析公路改扩建新旧路基衔接和沉降问题，研究公路改扩建工程中新旧路基合理衔接技术、差异沉降控制技术，并给出新旧路基合理衔接与沉降控制的具体建议。

1 公路改扩建新旧路基衔接和沉降问题分析

在新旧路基衔接工程中，老路基经过数年甚至数十年荷载作用，沉降已趋于稳定，而新路基建成后必然要经历一个沉降过程；新旧路基的稳定性、强度、密实度、固结程度等方面存在差异，将会造成新旧路基的不均匀沉降，从而引起路基纵向开裂，并将裂缝反射到沥青路面。从目前我国已实施完成并投入使用的高速公路改扩建工程来看，开裂、车辙及沉陷是拼接位置的易发病害。

新旧路基之间的差异沉降是导致相关病害的主要原因，加之高速公路广泛应用的沥青路面结构层的厚度和模量有限，会出现新建的路面，特别是沥青路面的开裂。造成新旧路基不均匀沉降的具体原因有：拓宽处的地基过陡、拓宽处的地基软弱、地基变形差异、新旧路基填方高度不同、新旧路基压实度不同、排水影响等。

因此，有必要分别研究公路改扩建新旧路基合理衔接技术和公路改扩建新旧路基差异沉降控制技术。

2 公路改扩建新旧路基合理衔接技术

公路改扩建新旧路基合理衔接方面的传统做法是在旧路一端采用开台阶做法，加强新旧路的结合，但仍然是半刚性基层直接相接。由于新旧路面结构材料性能不同，在荷载作用下，造成路基出现不均匀变形。无法消除的路基不均匀变形导致扩建的沥青路面在新旧结合部位出现破坏。在公路改扩建新旧路基合理衔接方面，不仅要重视路基搭接位置和搭接宽度，优选路基填筑方法，还要合理制定拼宽施工方案。

2.1 重视路基搭接位置和搭接宽度

改扩建高速公路路基拼接位置是薄弱环节，也是关键部位。路基搭接施工控制，要重点关注搭接位置的选择。

以京港澳高速公路石家庄至磁县段改扩建工程为例，研究人员重点分析了路基搭接位置，研究后认为将顶层的接缝设置在第二车道与第三车道的分隔线上，第一级台阶的宽度确定为180cm，第二道接缝设置在第三车道的中线上，第二级台阶宽度确定为70cm，这样可以有效保证接缝位置避开车道的轮迹带[4]，通行过程中新旧路基搭接处的病害较少。

以京港澳高速公路京石段扩建工程为例，研究人员研究了路基搭接宽度，研究后推荐基层的搭接台阶宽度为30cm，面层的搭接台阶宽度为30cm，这样的搭接效果比较理想，出现病害的情况比较少，而且施工的工程量比较小[5]。

可见，对于不同道路路段，应结合道路改扩建工程的具体要求，根据路基的工程地质条件，选择不同的搭接位置和搭接宽度，不仅有利于减少道路病害的出现，还节约了工期、减少了施工成本，这些研究成果值得应用推广。

2.2 优选路基填筑方法

改扩建高速公路路基施工可以采取路基间隙填筑法。施工方案如图1所示。

图1 间隙填筑法

研究表明，较之水平填筑，路基间隙填筑法可以显著减少既有道路的水平变形，减少了30%的变形量，从而大大减少路基开裂的可能性。

2.3 合理制定拼宽施工方案

高速公路加宽后，如何使拼宽位置的新旧路基协同受力和变形，是改扩建路基面临的关键问题，确定合理的拼宽方案尤为重要。经过大量路基改扩建实践编制以下拼宽施工方案：清除杂物，对旧土路肩翻晒或掺石灰重新碾压等，还可以修建试验路，进而优化路基开挖台阶的方案，具体实施步骤如下：

（1）清除地表植物、有机种植土及不符合强度要求的原土后，按规定进行路基压实，并进行密实度检验；

（2）施工时需通过现场试验严格保证路基土的各项指标，如原有路肩的质量较差，则应将土路肩翻晒或掺石灰，再重新碾压；

（3）对公路改扩建新旧路基竖向沉降最大的影响因素是路基的拓宽宽度，建议单侧拓宽的宽度采取8～12m；

（4）对大型压路机的压实施工时的死角，即新旧路基结合带，用打夯机分薄层填筑压实，必要时可采用冲击碾加强压实。

3 公路改扩建新旧路基差异沉降的控制

公路改扩建新旧路基差异沉降的控制，必须先对新旧路基不均匀沉降进行分析，然后针对性地实施控制技术。

3.1 路基不均匀沉降分析

造成新旧路基出现差异沉降的原因主要有：拓宽路基的压实度不足、高填方路基、新旧路基结合部的强度不足等[6]。随着路基的填土高度増大，道路拓宽工程新旧路基的差异沉降值增大；新加宽的道路路基土的弹性模量对沉降的影响程度较大，随着弹性模量的増加，路基不均匀沉降量呈下降的趋势[7]。新旧路基差异性大，会因土质、土体压缩性、固结时间、自重、长期荷载等各种不同的因素，产生不均匀沉降，并从路基反映至路面，进而造成路面结构的损坏。

新旧路基沉降差异主要形成机理是：新旧路基压实度不同，尤其是边缘的压实度往往差异较大，原有道路路基经通车运行压缩变形已基本完成沉降，而扩建道路路基施工结束后，仍在发生一定的压缩变形，施工中路基填料的密实度不足，是产生新旧路基的不均匀沉降的直接原因。

国内外科研人员已经对此问题开展了相应的研究。研究表明公路路基拓宽的宽度越大，新旧路基不均匀沉降问题往往越大，并且越难解决。在行车荷载作用下，路面容易出现纵向开裂。在高速公路改扩建过程中，必须限制拓宽的宽度，以不超过8 m为宜，即一次最多拓宽2个车道[8]。这些对路基不均匀沉降的分析奠定了差异性控制技术的理论基础。

3.2 道路改扩建新旧路基差异沉降控制技术

通过提高新地基的承载力来控制差异沉降具有非常重要的意义，但从造价方面考虑，国内大部分的扩建工程仅在桥头路段釆用部分地基处理措施，而未在所有路基段进行推广。在桥头路段一般采用粉喷桩、碎石砂桩、预应力桩等复合地基处理法来提高地基承载力，施工效果良好。路基段一般只采用冲击碾压或填前碾压进行处理。

在压实度控制方面，冲击压实和强夯也经常用于道路改扩建工程，冲击压实用于路基补压和地基处理，强夯主要用于新旧路基结合带的处理。工程实践表明，利用强夯技术可以增强新旧路基的密实程度和结合效果。

在新旧路基拼接段铺设土工材料，能使松散的土体形成板结的复合体。铺设土工材料能够增强新旧路基整体的稳定性，增强其力学特性。路基土体更易形成自拱效应。铺设土工材料可以加强路基的整体强度和板体作用，防止新旧路基不均匀沉降，进而减少路面的反射裂缝。在荷载的作用下，随着地基差异沉降的增加，路基内部土体存在变形的协调过程。土工格栅起着协调路基土体变形的作用，能在一定程度上消解新旧路基间的差异沉降。因此，铺设土工格栅或土工布，可以增大路基的整体强度，增强板体作用，从而防止路基不均匀沉降，减少反射裂缝。

在填料控制方面，目前国内道路扩建工程一般考虑两个方面：一是使用透水性填料，降低路面渗水，二是使用轻质填料，通过减小新路基重量的方法来降低新路基沉降量。道路扩建工程中采用了轻质路堤，结果表明具有很好的使用效果，很大程度上降低了路基的差异性沉降。然而其造价较高，限制其进一步的推广。

4 结束语

本文研究了公路改扩建新旧路基合理衔接与沉降控制这个复杂又重要的问题，结论如下：

（1）公路改扩建不均匀沉降的原因：新旧路基的稳定性、强度、模量、密实度、固结程度等方面存在差异。

（2）公路改扩建新旧路基的合理衔接技术，比如接缝处理、间隙填筑法、加强压实等技术手段是有效的。

（3）公路改扩建新旧路基差异沉降的控制，必须限制拓宽宽度，不超过8 m为宜；铺设土工材料、加强夯实等等技术手段也是有效的。

（4）本文研究结论可以更好地指导后期公路改扩建工程的设计和施工。