高速公路改扩建项目设计中的技术问题

高速公路改扩建项目设计中的技术问题

随着中国公路建设的发展，高速公路总面积达到93.6万公里。中国早期高速公路,大部分为双向四车道标准。截至目前,由于某些地区的经济发展迅速,部分公路的通行能力已难以满足交通需要,道路饱和、拥堵、速度降低、服务下降甚至交通事故频发等问题日益凸显。因此,近年来,陆续对部分公路进行了改扩建,如沪杭甬高速公路、连霍高速公路、京港澳高速公路等。设计工作者在探索与尝试过程中,遇到了改建项目所特有的技术难题,在解决问题的过程中逐渐积累了一些设计经验。该文从路基、路面及排水专业出发,分析解决各类问题的思路并提出解决方案。1影响改扩建设计方案的因素改扩建项目设计的总原则:一路一特点,一路一经验,“量体裁衣”。对于改建前的原路而言,其建设标准、地质条件、使用周期、建设质量、通车后的交通量、养护历程、气候特点、典型病害以及事故高发段的成因等众多要素都是独一无二的,而这些要素将直接影响到改扩建项目设计方案的选取。2建设项目的设计理念2.1启动点基本处理的概念(1)确定原路和方案时应注意的问题搜集有关资料,了解原路对各类不良地质路段的处理方案,同时收集养护部门的有关观测资料。然后现场踏勘,查看原设计方案是否完全落实,并观察处理效果。完成以上的调查工作后,开始对原路处理方案的效果进行分析。若原处理方案效果较好,原则上优先选用原方案,但也不能盲目照搬到改扩建项目中。改扩建有其自身的特点,如京港澳高速公路石安段改扩建项目原路处理软土路基采用的是粉煤灰轻质路基,改扩建拼宽路基也采用粉煤灰轻质路基时遇到了两个问题,第一,原路沉降控制标准是按新建道路选用的,一般路基段工后沉降≤30cm即可满足要求。但是扩建工程对拼宽路基的工后沉降控制相当严格,中国国内多数项目都控制在5cm左右。沉降标准不统一就会出现原路用轻质路基填筑可以满足要求但拼宽部分使用相同方案却难以满足要求的情况。第二,原路建设时,粉煤灰等材料属于工业废料,项目附近的各大火电厂都免费供应。但随着科技的发展,粉煤灰已经被广泛应用于多种建筑材料的原料,供应量不足和价格高昂成为了大量使用粉煤灰的主要制约因素。若原路的处理方案效果不佳,则需要分析未能达到预期效果的原因,在排除了施工质量因素后,应该认真分析原设计方案有哪些缺失和不足。若原路的处理方案稍加改进便可以克服缺陷,则优先选用改良后的原方案。若随着科技的发展存在效果更好且经济的方案,则应经过严格论证后,推出替代方案。选取替代方案时,切忌脱离项目特点,应充分利用原处理方案的宝贵经验,建立计算模型,根据原设计方案的最终效果,验算出符合该项目特点的各项参数的合理取值区间。以便在进行替代方案的验算时,参数的取值更贴近实际。(2)cfg桩复合地基的工后沉降问题道路的地基之所以需要处理,主要是为了防止不均匀沉降。尤其是改扩建项目,若新老路基之间的不均匀沉降较大,容易造成路面衔接处的结构层拉裂,在路面上多表现为纵向裂缝或凹陷,路基上多表现为局部失稳或挡墙的拉裂。多数改扩建项目的不均匀沉降不会表现得如此极端,但造成的影响也是较严重的。例如不均匀沉降导致的横坡坡率的变化,容易导致车辆行驶的安全性降低,若横坡的变化在超高路段抵消了原横坡甚至形成了负超高,易形成较严重的安全隐患。降低不均匀沉降如此重要,设计师往往过度重视,这样就易形成另一种常见的错误———过犹不及。京港澳高速公路石安段改扩建项目在处理软土路基的过程中,最初推荐方案选用的是被公认为处理该地区软土效果最好的CFG桩复合地基方案。单独看软土处理的计算结果,会显示工后沉降很小,似乎是最佳方案。但经过仔细分析发现整个设计过程中,出现了一个被忽视的要素———原路基的附加沉降。强力有效的处理方案虽然极大程度地遏制了拼宽路基的工后沉降,但原路基在拼宽路基的重力作用下,引发了二次沉降,若拼宽部分的沉降值低于原路基的附加沉降值,则容易使路拱横坡形成平坡或反坡,影响了行驶安全也阻碍了通过路面横坡顺畅排水。最终这个项目推荐方案改为30%水泥搅拌桩、70%堆载预压的方案,更经济的同时,也保障了新老路基沉降的协调、同步,避免了反坡。图1、2为该项目两种方案处理后的沉降盆。分别显示了堆载预压处理和CFG桩复合地基处理后,改扩建项目整体式路基横断面上各点的工后沉降分布情况。原路基宽26m,两侧各拼宽8m后形成42m宽整体式路基,新老路基接缝位于距中线12m处。从图1、2可见,使用复合地基处理能有效减小工后不均匀沉降,但出现了矫枉过正的情况,老路基范围内工后附加沉降大于拼宽部分,这样经过一定时间的运营,容易形成路拱横坡消失甚至反坡。堆载预压方案则在满足沉降标准的同时,使路面横坡变化更统一、协调。再一个案例,安新高速公路改扩建项目,路线所经区域大面积分布有湿陷性黄土,湿陷等级为Ⅱ级自重湿陷,厚度约12m。该地区处理此类情况习惯使用强夯方案。效果好且稳定,但强夯是否适合改扩建项目呢?改扩建项目自身桥涵等结构物密度很大,路侧的村镇密集,而强夯的平面影响范围根据夯击能的不同而不同,但基本在50~100m之间。显然强夯方案难以满足改扩建项目的需要。因此,该项目选择了替代方案———冲击碾压+石灰土封层的方式处理,冲击碾压的有效处理深度为2m,远不及强夯5~7m的处理深度,但该方案使用冲击碾压消除了浅表黄土的湿陷性后,在道路基底铺设了一层40cm厚石灰土封层,利用石灰土的隔水性起到了隔绝地表水下渗的作用。替代方案处理湿陷性黄土的费用相比强夯更高,但更适合改扩建项目的特点。2.2填料的选用、疲劳和应用研究改扩建项目若存在新老路基拼接的需要,那么拼宽部分路基填料原则上采用与原路基相同或相近的材料。但由于原材料取用的制约,有时难免要采用差异性的路基填料。有条件的项目应在初设阶段或更早阶段对路基填料的候选材料进行适用性试验和疲劳试验。在温度、含水率变化幅度较大和频繁荷载碾压之下,取得一定的数据支持后方可作为推荐填料。(2)原路路基边部压实度原路建设质量直接关系到改扩建工程的建设成本。原路建设质量较好的道路其路基土的压实度较好,尤其是路基边部的压实度直接关系到新老路基拼接的质量。若原路路基边部压实度较低,则拼接过程中需要对原路基边部进行冲击碾压、掺水泥等补强措施,具体可选用高速强力夯实机。若补强效果不佳,则需要将新老路基的衔接面向路中线方向移动,这样原路基的利用率将大大降低,路面宽度被压缩对于施工期间有保通任务的项目则更加不利。(3)台阶宽度的确定原路基边坡表层约30cm的土往往富含植物根茎且潮湿松散,因此新路基填筑前应对原路基边坡进行清表。使用台阶拼接是常用的路基拼接模式。需要注意的是台阶宽度的选取,确定台阶宽度时主要考虑两方面内容:1)什么尺寸的台阶能使台阶开挖后自然稳定;2)台阶宽度要便于工程机械的压实。如京港澳高速公路石安段原路基是粉煤灰路基,若开挖较大尺寸台阶,粉煤灰难以自然稳定;试验证明台阶高度30cm是粉煤灰路基台阶的临界高度,若按30cm高度控制台阶尺寸则台阶过于细碎难以施工,且台阶宽度不能满足小型压实设备的最小碾压宽度。最终方案是台阶宽度按1m控制,高度按66.7cm控制,开挖后立即在台阶表面喷射水泥砂浆封闭帮助台阶的稳定。(4)两侧拼接宽度一旦总体设计将改扩建主线的扩建方式确定,那么原路的路基横断面与改扩建后的路基横断面之间的宽度差就是路基设计需考虑的要素之一。若采用两侧拼宽方式扩建,则单侧拼接的宽度一般较窄,若双向四车道改双向六车道,单侧拼宽宽度约4m,若四改八则单侧拼宽约8m。较窄的施工面往往还受到拆迁缓慢征地困难的限制,重型压实设备较难进场施展。而改扩建项目对拼宽部分的路基压实度要求很高,因此,此类路基拼接在选择方案时,需在一般新建公路的工艺之外,补充一定的补强措施,如冲击碾压、强夯,或从填料入手选择级配较好易于压实的材料。2.3保护设计的概念(1)挡墙方案的确定扩建后的路基边坡采用什么防护支挡方案,可以从原路的防护效果分析中找到答案。例如原路路侧设有挡墙,扩建后这一段防护的设计思路如下:1)首先分析原路在这一段设置挡墙的原因,判断扩建后是否还有必要设置挡墙;2)如果扩建后无需设挡墙,那么原挡墙如何拆除?拆除后如何与拼宽路基衔接;3)若扩建后仍需设置挡墙,那么要了解原挡墙的类型、目前墙体的状况、病害类型和成因;4)通过分析原挡墙的优缺点,确定新挡墙的用途、类型、材料、墙高和基础处理方式。图3、4为连霍高速公路西宝段的挡墙方案图。原路的路堤墙和路肩墙若不做拆除处理则会影响新老路基结合后的整体性,若拆除则极可能破坏原路基的稳定性。该项目采用了简单易行且安全有效的方式拆除既有挡墙,具体步骤为:1)根据施工期间的保通计划,在挡墙所在半幅封闭施工期间完成既有挡墙的拆除;2)自上而下拆除,边拆除边刷坡,刷坡坡率选用路基土能自稳的最小坡率,当拆除至原地表时原挡墙基础保留;3)拆除工作完成后,以最后一次刷坡线作为新老路基的衔接面,拼宽路基边填筑边在衔接面处挖台阶,逐层完成填筑作业。该方案避免了对原挡墙拆除过程中的临时支护,降低了施工难度,节约了工期,但刷坡造成拼接线内移,相对于一般路段的拼接,该方案对原路路面存在一定宽度的侵占,路面拼接方案需做相应调整才能与总体方案保持协调统一。(2)路堑段加固方案杭金衢高速公路改扩建项目地处山岭重丘区,对于深路堑路段,若从上至下重新刷坡,施工难度倍增,且容易破坏原坡面的稳定性,施工期间易发生安全隐患。因此,拟采用如下的路堑段扩建方案:采用快挖快防的方式,将原路堑最下面的1~2级边坡(根据需加宽的宽度确定)改为更陡直的坡率,同时使用保守的支挡方案保障陡直边坡的稳定性。支挡方案可根据路堑边坡的岩体风化程度和产状,分别采用挡墙或锚杆框架方案来提高支挡强度。(3)路基重开挖区的施工选择挡墙形式时,基础开挖对原路基稳定性的影响要兼顾。某项目在路侧设置了路肩墙,按常规考虑,墙底的埋深通常按低于墙外侧原地表不小于1m控制,但改扩建项目易出现在原路边坡上开挖挡墙基础的情况,这样就成倍地增加了临路基一侧的实际开挖深度。如某工程道路外侧是一处池塘,路肩挡墙基础开挖使得临路一侧挖深达7m,严重影响了原路的路基稳定,威胁着车辆行驶安全。此类情况多出现在原路填高较大且拼宽后采用了路肩墙的路段。因此,若确需布设挡墙,可优先选择路堤墙方案。若用地受限必须使用路肩墙时,建议采用CFG桩、高压旋喷桩等复合地基增强墙底承载力,同时一定程度地抬高墙底高度,避免对原路边坡的深开挖。另一种情况也容易忽视,有些路段即使设计了施工便道,但由于原路路侧紧邻重要建筑或邻村镇等原因,无法实现施工便道的临时征地。工程机械和人员只能填平原路的护坡道和排水沟作为进出工点的便道。因此,对于此类特殊路段应考虑拼宽路基外侧设置挡墙收缩坡脚,以便留出施工便道的空间。2.4路面加固方案的确定,将台阶式和硬路肩打改扩建项目的路面设计时,主要考虑两方面问题,一是原路路面如何整治;二是拼宽路面如何与原路面对接。(1)确定原路面整治方案时,主要是制定病害治理方案和加铺方案。原路建设质量直接影响到改扩建的路面设计方案。原路路面的铺筑质量较好,则路面病害相对较少。加之改扩建项目的原路路面在扩建后,由于其临近道路中线,多数被用于客车道,因此,对原路路面状况良好的道路,改扩建方案多以整治后利用为设计原则。具体整治方案一般采用先对原路的各类路面病害进行治理,然后进行一定厚度的罩面。对原路路面病害较多的道路,首先要调查清楚其病害成因,有的是路基本身不稳定,产生了不均匀沉降,有的是基层病害引发的,有的仅仅是面层自身病害。对于路基产生的病害和基层病害,如果病害率达到了50%以上,则需要考虑是否选择完全挖除原路面后新建的方案。对于单纯面层病害率达到了50%以上时,则需考虑铣刨掉病害多发的沥青层后重新铺设的方案。确定加铺方案时,首先应通过路检,按现行JTGH20-2007《公路技术状况评定标准》将原路面分为优、良、中、次、差共5个等级。然后将原路分为3类路段:1)损坏状况指数(PCI)为优良,若原路面整体强度基本符合要求,车辙深小于10mm,轻度裂缝,平整度和抗滑性能较差的路段,考虑直接罩面的方案,为提高罩面层与原路表层的粘结质量可视需要对原路表面选择空压机清洗或精铣刨等措施;2)PCI为中及以下,原路沥青层层间结合度不足,网裂、龟裂、沥青老化密度较大的路段,考虑铣刨一定厚度的沥青层后再加铺;3)对整体强度不足或破损严重的路段,视破损程度确定原路挖除深度、范围以及加铺层的结构和厚度。(2)确定拼宽新建路面与原路面对接的方案时,主要考虑如下因素:1)新老路基设计时速差的影响。若原道路等级相对低于扩建后道路,则扩建后的道路设计时速将有一定程度的提高。标线需要重新划分,比如100km/h的行车道宽度是3.75m,左侧路缘带宽度是75cm,而80km/h的行车道宽度为3.5m,左侧路缘带宽度是50cm。中国早期的公路设计中,为了节约造价,原路的硬路肩路面结构常比行车道薄。扩建后车道重新划分,原路硬路肩将划入第2、3行车道范围。因此,需要对原路硬路肩进行补强设计以满足功能的转化。一般情况都是将硬路肩路面挖除后按拼宽部分路面结构重铺。2)轮迹带的影响。目前中国国内常用的路面结构的拼接方式是台阶式拼接,该方案应用于中国国内众多改扩建项目,效果稳定工艺成熟,但台阶的宽度各项目间差异较大。中交一公院路面研究所对路面不同搭接宽度情况下,路面结构层的拉应力和剪应力进行了数值模拟,以确定路面合理搭接宽度(图5)。由图5可知,合适的台阶宽度为120~300cm,但宽度受限时也可以采用30cm的搭接宽度。路面拼接的位置多位于从道路中线算起的第3车道上,第3车道往往在运营期间划定为重车道,因此采用台阶拼接时,应避免将拼接缝置于重车道轮迹带上。同时很多项目都存在施工期间保通的要求,若路面拼接的台阶过宽,将压缩既有车道,降低了通行能力。因此,在选择台阶宽度时应尽量缩短拼接宽度,减少旧路挖除量,节约造价。3)制定合理的施工顺序。原路路面病害治理和铣刨、加铺等工序需要与拼接新建路面的工序相互协调。正常的施工顺序是先在原路上将新老路面拼接的顶面接缝予以标识。然后对标识线以内的原路先后进行路面铣刨、病害治理和加铺。最后进行新老路面拼接。应合理安排工序,拼宽部分路面应始终略低于原路路面,避免出现拼接部分路面高于老路面的情况而造成积水。施工顺序对改扩建项目的互通区临时匝道和改建的路面结构同样存在影响。由于临时匝道及改路工程是在路基施工期间完成的,该阶段路面沥青拌和站往往还未建成,因此,对于需要在前期就完成的路面工程应尽量使用水泥混凝土路面。2.5集中降雨时的应对措施由于原路的路基宽度相对较窄,与其配套的路面排水和路基排水工程将难以满足扩建后成倍增加的汇水面积的需要。因此,确定扩建后的排水方案时,要结合经济性、施工难度、工期安排充分考虑如何利用与废弃。杭金衢高速公路改扩建项目采用了如下技术方案:原路基为宽28m双向四车道,扩建后为路基宽42m双向八车道。经调查,原路超高段设置了较常见的中央分隔带纵向集水槽和每隔50m一道横向排水管。原排水系统在遇到集中降雨时总体运转良好,部分管道需要疏通。原路的路面状况也较好,但扩建为八车道公路后,路面汇水面积增加了约1倍,原排水设施已难以满足新路需要。若设计时简单地将原横向排水管挖除并更换成更大管径,势必对原路较好的路面造成频繁切割,50m一道挖下来,原路面将破坏殆尽导致基本废弃,造成较大浪费。该项目使用了如下方案:1)将原路中央分隔带内纵向集水槽拆除新建为更大断面的矩形盖板集水槽并与原横向排水管对接;2)原50m一道的横向排水管疏通后保留,并在拼宽路基内顺接、延长,伸出拼宽的路基边坡后,与急流槽顺接;3)扩容后中央分隔带的纵向集水槽以200~300m为一段,在每段的纵坡低点设置一处较大口径(100或120cm)的横向排水管排除集水槽内积水;4)桥头位置纵向集水槽设置一定距离的倒坡,让排水远离桥头。该方案采用了“原排水管分流,新排水管垫后”的设计思路。较好地解决了旧设施利用和尽量减少对老路面破坏的问题。根据各地不同的降雨量可适当延长主排管的间距,更大程度地减少对原路路面的破坏。此外,在路