高速公路改扩建工程深层软基路段路-桥方案比选

罗思欣，刘伟文

(广东省路桥建设发展有限公司,广东 广州 510623)

0 引言

珠三角地区软土地基分布广泛,主要由粘土、粉性土等微颗粒含量多的软土、孔隙率大的有机质土、泥炭以及松散的砂土层等构成,地下水位高,软土地基上的填方、构造物存在稳定性差,且地基易产生沉降[1]。高速公路在深层软基处理方面工期长、施工困难、质量控制难及工程造价高。因此,软基路段路-桥方案比选是高速公路设计、建设过程中常遇到的问题之一。

高速公路改扩建项目受施工环境复杂、施工条件受限、作业面宽度、净空高度及交通转换等因素的制约。本文通过总结中江高速公路改扩建工程软基路段路-桥方案比选的经验,分析改扩建项目深层软基处理方案的适用性,提出深层软基处理工程造价指标,总结不同路段、不同施工条件下相对合理的路-桥比选方案,并通过本改扩建项目实际的处理案例加以验证。

1 路-桥方案比选路段分析及适用的软基处理方式

1.1 路-桥方案比选路段分类

根据拓宽路基与既有路基空间相对位置的不同,高速公路改扩建形式可分为:拼接式、分离式和整体改建等[2],路-桥方案比选主要是在分离式(或整体式)的路段范围。中江高速公路改扩建划分三种路-桥方案比选:(1)两段路基之间考虑路改桥方案;(2)两座桥之间考虑路改桥方案;(3)一座桥一段路基之间考虑路改桥方案。

1.2 适用于改扩建项目的软基处理方案

改扩建项目路基拼接,面临最为突出的技术难题是新、老路基差异变形,主要包括拓宽荷载产生的地基二次沉降、拓宽路基压密变形,以及新老路基结合不良导致蠕滑或滑移[3]。既有高速公路经过多年通车运营,既有地基已基本固结,处于沉降相对稳定的状态。而拓宽路基两侧基本为原状地基,在新填筑路基荷载的作用下,地基将产生新的附加沉降,因此软基处理时,拼接式扩建需要避免差异沉降引起的路基纵向裂缝。分离式(或整体式)改建路段,更需要关注新、老路基拼接位置开裂或跳车的问题。中江高速公路改扩建工程的软土地基处理方式有:水泥搅拌桩、CFG桩、钻孔灌注桩、预应力管桩及挤扩支盘桩等多种形式。本文重点对钻孔灌注桩、预应力管桩进行分析。

钻孔灌注桩的特点是桩身抗压、抗弯强度高[4-5],可在施工区域狭窄、净空高度不足的路段应用,并且施工机械相对小,部分施工作业面狭窄或净空受限的路段可以采用,但钻孔灌注桩每延米造价较高。

PHC预应力管桩桩身抗压、抗弯强度最高[6-7],施工期间须加强对桩身连接质量、垂直度和桩底标高的施工监管。但其施工机械尺寸、重量较大,部分施工作业面狭窄或净空受限的路段难以采用。

2 路-桥方案比选分析

2.1 路-桥方案各项工程造价

中江高速公路改扩建项目为4车道扩建为8车道,因此主要分析路基宽度为20.75m(分离式扩建)、10.50m(匝道原位改建),其路基、桥梁各项单价指标见表1。

表1 路-桥各工程项目单价

根据以往路-桥比选的经验,大部分路-桥比选的长度在1 000m以内,比选路段长度与每m2软基处理单价的相关曲线如图1所示。

图1 路-桥工程造价比选相关曲线

由图1可知:

(1)当路-桥方案比选长度小于100m时,不同的填土高度下,路-桥比选路段的长度越小,路-桥工程造价比选曲线均越接近于水平线。表明在比选长度小于100m时,桥梁造价主要受桥台造价的影响,在不考虑取消桥台或路基增减其他构造物的情况下,桥梁造价普遍较高。在满足承载力和其它现场施工条件的情况下,深层软基处理填土方案更为经济合理。

(2)当路桥方案比选路段长度在250～600m时,曲线斜率开始明显变大,表明在此比选长度区间内,桥台对桥梁整体造价的影响越来越小。在不考虑取消或增加其他造价较高的构造物的情况下,路-桥工程造价比逐渐增大。

2.2 软基处理方案每m2造价

预应力管桩、钻孔灌注桩的间距通常取值为1.8m、2.0m、2.2m、2.4m。碎石垫层厚度为0.5m,桩帽尺寸为1.4m×1.4m,厚度0.35m。预应力管桩、钻孔灌注桩每m2工程造价见表2。

表2 软基处理桩长15m方案每m2工程造价

表3 软基处理桩长25m方案每m2工程造价

表4 软基处理桩长35m方案每m2工程造价

2.3 路-桥方案工程造价对比

分别取填土高度为6m、9m,取路-桥比选长度为500m。将填土高度、处理深度作为变量交叉组合,将各种地基处理方案的造价与桥梁的造价作对比,得出路-桥工程造价对比。

以分离式扩建路基宽度10.5m为例,路基边坡坡度为1∶1.5,路基方案造价包含地基处理、边坡防护、排水、填土等费用,路-桥工程造价随地基处理深度的关系曲线如图2和图3所示。

图2 路-桥工程造价对比曲线(填土高度6m)

图3 路-桥工程造价对比曲线(填土高度9m)

由图2和图3可知:

(1)当软基处理深度为6m时,采用管桩处理的路基方案造价接近桥梁造价;当处理深度大于15m时,桥梁方案比路基方案更为经济合理。

(2)填土高度越高,软基处理造价越高,路基方案造价越高,桥梁方案越经济。

3 工程实例

3.1 港口互通立交AK0+713～AK0+913段

港口互通立交AK0+713～AK0+913段路基范围软基深厚,层底深度为39～44m,原设计为路基方案,路基宽度为10.5m,填土高度为1.2～5.2m。为了扩建之后匝道线形满足设计要求,港口立交 AK0+713～AK0+913段需要整体改建,旧匝道暂时保通,原设计采用路基方案,软基处理方案为管桩、钻孔灌注桩。

施工净空高度满足的区域采用φ400mm管桩+桩帽处理,共9～11排桩基,桩间距为2.4m,桩帽为 1.40m×1.40m×0.35m的正方形桩帽,填土高度为3.5～5.0m。净空不满足的区域采用φ500mm灌注桩+筏板基础处理,桩间距为2.4m,共7排桩基。路基方案的工程造价见表5。

表5 原设计软基处理的工程造价

考虑采用桥梁方案,桥墩平均高度为2m。上部结构采用10m×20m预应力混凝土先简支后连续小箱梁,下部结构桥墩为双圆柱式桥墩,桥台为座板台,桩基为钻孔灌注桩。桥梁工程造价见表6。

表6 10m×20m预应力混凝土简支桥梁工程造价

由表5和表6可知,原设计的路基改为桥梁后,总体工程造价节约了376.36万元。分析原因主要是:路基方案需要两侧按照坡率为1∶1.5放坡,处理区域宽度达到25.5m;桥梁虽然每m2造价较高,但桥梁计算宽度只有10.5m,而且该路段软土地基深度达到平均35m左右,软基处理指标3702元/m2,略高于桥梁指标,故该路段选择桥梁方案更为合理。

3.2 主线K24+490～K24+732路段

主线K24+490～K24+732路段原设计为分离式扩建路基,该范围内设置中桥1座、涵洞1处。路基宽度20.75m,填土高度6.0～7.2m,软基层底埋深28m～35m,软基处理方案为预应力管桩、钻孔灌注桩。该路段范围内存在高压线上跨路基、天然气管道横穿路基,路基方案施工限制条件多,因此需进行路-桥方案比选。路基方案工程造价见表7。

表7 原设计软基处理的工程造价

考虑采用桥梁方案。上部结构采用33m+30m+19.79m+18.79m+20.79m+5×19.79m预应力混凝土先简支后连续小箱梁;下部结构桥墩为双圆柱式桥墩,跨越天然气管道位置采用骑马桩方案;桥台为柱式台,桩基为钻孔灌注桩。桥梁工程造价见表8。

表8 预应力混凝土简支箱梁工程造价

由表7和表8可知,原设计路基改为桥梁后,总体工程造价略有增加。但路改桥后,可以省去天然气管道的迁改费用,同时工期可大大缩减,因此总体上改桥方案更为合理。

4 结论

(1)当路-桥方案比选路段长度小于100m时,桥梁造价主要受桥台造价的影响。在不考虑取消桥台或路基增减其他构造物的情况下,深层软基处理填土方案较为经济。

(2)当路-桥方案比选路段长度在250～600m时,桥台对桥梁整体造价的影响越来越小,路-桥造价比逐渐增大,采取桥梁方案较为经济。

(3)当软基处理深度>15m时,填土高度越高、软基处理造价越高,路基方案造价越高,桥梁方案较软基处理方案就越经济。

(4)对于深厚软基路段的匝道或主线,采用分离式路段在设计阶段对路基及桥梁方案进行同等深度的比较,或结合现场情况择优选取路或桥的方案。