高速公路扩建工程新旧路基差异沉降处理技术研究

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。

3 结 论

以唐津高速公路扩建工程为研究对象，结合在软土地基路段易发生新旧路基差异沉降过大并影响公路的使用性能的问题，提出了适宜的施工工艺，以减少不均匀沉降。采用轻质路堤、复合地基可有效减小新老路基常见的沉降差异;边坡削坡、台阶开挖以及控制压实度是增加新老路堤接合部整体性的有力措施。

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