高速公路改擴建工程深層軟基路段路-橋方案比選

羅思欣，劉偉文

(廣東省路橋建設發展有限公司,廣東 廣州 510623)

0 引言

珠三角地區軟土地基分布廣泛,主要由粘土、粉性土等微顆粒含量多的軟土、孔隙率大的有機質土、泥炭以及松散的砂土層等構成,地下水位高,軟土地基上的填方、構造物存在穩定性差,且地基易產生沉降[1]。高速公路在深層軟基處理方面工期長、施工困難、質量控制難及工程造價高。因此,軟基路段路-橋方案比選是高速公路設計、建設過程中常遇到的問題之一。

高速公路改擴建項目受施工環境復雜、施工條件受限、作業面寬度、凈空高度及交通轉換等因素的制約。本文通過總結中江高速公路改擴建工程軟基路段路-橋方案比選的經驗,分析改擴建項目深層軟基處理方案的適用性,提出深層軟基處理工程造價指標,總結不同路段、不同施工條件下相對合理的路-橋比選方案,并通過本改擴建項目實際的處理案例加以驗證。

1 路-橋方案比選路段分析及適用的軟基處理方式

1.1 路-橋方案比選路段分類

根據拓寬路基與既有路基空間相對位置的不同,高速公路改擴建形式可分為:拼接式、分離式和整體改建等[2],路-橋方案比選主要是在分離式(或整體式)的路段范圍。中江高速公路改擴建劃分三種路-橋方案比選:(1)兩段路基之間考慮路改橋方案;(2)兩座橋之間考慮路改橋方案;(3)一座橋一段路基之間考慮路改橋方案。

1.2 適用于改擴建項目的軟基處理方案

改擴建項目路基拼接,面臨最為突出的技術難題是新、老路基差異變形,主要包括拓寬荷載產生的地基二次沉降、拓寬路基壓密變形,以及新老路基結合不良導致蠕滑或滑移[3]。既有高速公路經過多年通車運營,既有地基已基本固結,處于沉降相對穩定的狀態。而拓寬路基兩側基本為原狀地基,在新填筑路基荷載的作用下,地基將產生新的附加沉降,因此軟基處理時,拼接式擴建需要避免差異沉降引起的路基縱向裂縫。分離式(或整體式)改建路段,更需要關注新、老路基拼接位置開裂或跳車的問題。中江高速公路改擴建工程的軟土地基處理方式有:水泥攪拌樁、CFG樁、鉆孔灌注樁、預應力管樁及擠擴支盤樁等多種形式。本文重點對鉆孔灌注樁、預應力管樁進行分析。

鉆孔灌注樁的特點是樁身抗壓、抗彎強度高[4-5],可在施工區域狹窄、凈空高度不足的路段應用,并且施工機械相對小,部分施工作業面狹窄或凈空受限的路段可以采用,但鉆孔灌注樁每延米造價較高。

PHC預應力管樁樁身抗壓、抗彎強度最高[6-7],施工期間須加強對樁身連接質量、垂直度和樁底標高的施工監管。但其施工機械尺寸、重量較大,部分施工作業面狹窄或凈空受限的路段難以采用。

2 路-橋方案比選分析

2.1 路-橋方案各項工程造價

中江高速公路改擴建項目為4車道擴建為8車道,因此主要分析路基寬度為20.75m(分離式擴建)、10.50m(匝道原位改建),其路基、橋梁各項單價指標見表1。

表1 路-橋各工程項目單價

根據以往路-橋比選的經驗,大部分路-橋比選的長度在1 000m以內,比選路段長度與每m2軟基處理單價的相關曲線如圖1所示。

圖1 路-橋工程造價比選相關曲線

由圖1可知:

(1)當路-橋方案比選長度小于100m時,不同的填土高度下,路-橋比選路段的長度越小,路-橋工程造價比選曲線均越接近于水平線。表明在比選長度小于100m時,橋梁造價主要受橋臺造價的影響,在不考慮取消橋臺或路基增減其他構造物的情況下,橋梁造價普遍較高。在滿足承載力和其它現場施工條件的情況下,深層軟基處理填土方案更為經濟合理。

(2)當路橋方案比選路段長度在250～600m時,曲線斜率開始明顯變大,表明在此比選長度區間內,橋臺對橋梁整體造價的影響越來越小。在不考慮取消或增加其他造價較高的構造物的情況下,路-橋工程造價比逐漸增大。

2.2 軟基處理方案每m2造價

預應力管樁、鉆孔灌注樁的間距通常取值為1.8m、2.0m、2.2m、2.4m。碎石墊層厚度為0.5m,樁帽尺寸為1.4m×1.4m,厚度0.35m。預應力管樁、鉆孔灌注樁每m2工程造價見表2。

表2 軟基處理樁長15m方案每m2工程造價

表3 軟基處理樁長25m方案每m2工程造價

表4 軟基處理樁長35m方案每m2工程造價

2.3 路-橋方案工程造價對比

分別取填土高度為6m、9m,取路-橋比選長度為500m。將填土高度、處理深度作為變量交叉組合,將各種地基處理方案的造價與橋梁的造價作對比,得出路-橋工程造價對比。

以分離式擴建路基寬度10.5m為例,路基邊坡坡度為1∶1.5,路基方案造價包含地基處理、邊坡防護、排水、填土等費用,路-橋工程造價隨地基處理深度的關系曲線如圖2和圖3所示。

圖2 路-橋工程造價對比曲線(填土高度6m)

圖3 路-橋工程造價對比曲線(填土高度9m)

由圖2和圖3可知:

(1)當軟基處理深度為6m時,采用管樁處理的路基方案造價接近橋梁造價;當處理深度大于15m時,橋梁方案比路基方案更為經濟合理。

(2)填土高度越高,軟基處理造價越高,路基方案造價越高,橋梁方案越經濟。

3 工程實例

3.1 港口互通立交AK0+713～AK0+913段

港口互通立交AK0+713～AK0+913段路基范圍軟基深厚,層底深度為39～44m,原設計為路基方案,路基寬度為10.5m,填土高度為1.2～5.2m。為了擴建之后匝道線形滿足設計要求,港口立交 AK0+713～AK0+913段需要整體改建,舊匝道暫時保通,原設計采用路基方案,軟基處理方案為管樁、鉆孔灌注樁。

施工凈空高度滿足的區域采用φ400mm管樁+樁帽處理,共9～11排樁基,樁間距為2.4m,樁帽為 1.40m×1.40m×0.35m的正方形樁帽,填土高度為3.5～5.0m。凈空不滿足的區域采用φ500mm灌注樁+筏板基礎處理,樁間距為2.4m,共7排樁基。路基方案的工程造價見表5。

表5 原設計軟基處理的工程造價

考慮采用橋梁方案,橋墩平均高度為2m。上部結構采用10m×20m預應力混凝土先簡支后連續小箱梁,下部結構橋墩為雙圓柱式橋墩,橋臺為座板臺,樁基為鉆孔灌注樁。橋梁工程造價見表6。

表6 10m×20m預應力混凝土簡支橋梁工程造價

由表5和表6可知,原設計的路基改為橋梁后,總體工程造價節約了376.36萬元。分析原因主要是:路基方案需要兩側按照坡率為1∶1.5放坡,處理區域寬度達到25.5m;橋梁雖然每m2造價較高,但橋梁計算寬度只有10.5m,而且該路段軟土地基深度達到平均35m左右,軟基處理指標3702元/m2,略高于橋梁指標,故該路段選擇橋梁方案更為合理。

3.2 主線K24+490～K24+732路段

主線K24+490～K24+732路段原設計為分離式擴建路基,該范圍內設置中橋1座、涵洞1處。路基寬度20.75m,填土高度6.0～7.2m,軟基層底埋深28m～35m,軟基處理方案為預應力管樁、鉆孔灌注樁。該路段范圍內存在高壓線上跨路基、天然氣管道橫穿路基,路基方案施工限制條件多,因此需進行路-橋方案比選。路基方案工程造價見表7。

表7 原設計軟基處理的工程造價

考慮采用橋梁方案。上部結構采用33m+30m+19.79m+18.79m+20.79m+5×19.79m預應力混凝土先簡支后連續小箱梁;下部結構橋墩為雙圓柱式橋墩,跨越天然氣管道位置采用騎馬樁方案;橋臺為柱式臺,樁基為鉆孔灌注樁。橋梁工程造價見表8。

表8 預應力混凝土簡支箱梁工程造價

由表7和表8可知,原設計路基改為橋梁后,總體工程造價略有增加。但路改橋后,可以省去天然氣管道的遷改費用,同時工期可大大縮減,因此總體上改橋方案更為合理。

4 結論

(1)當路-橋方案比選路段長度小于100m時,橋梁造價主要受橋臺造價的影響。在不考慮取消橋臺或路基增減其他構造物的情況下,深層軟基處理填土方案較為經濟。

(2)當路-橋方案比選路段長度在250～600m時,橋臺對橋梁整體造價的影響越來越小,路-橋造價比逐漸增大,采取橋梁方案較為經濟。

(3)當軟基處理深度>15m時,填土高度越高、軟基處理造價越高,路基方案造價越高,橋梁方案較軟基處理方案就越經濟。

(4)對于深厚軟基路段的匝道或主線,采用分離式路段在設計階段對路基及橋梁方案進行同等深度的比較,或結合現場情況擇優選取路或橋的方案。