范 江

(湖南省高速公路集團有限公司， 湖南 長沙 410003)

0 引言

作為現(xiàn)代化交通的重要標志，高速公路迎來了一個新的發(fā)展建設(shè)高峰，給國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟和社會效益[1-2]。軟土路基施工是高速公路構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)中的一個重要內(nèi)容，在交通荷載作用下，軟土路基容易發(fā)生沉降變形，嚴重影響公路的質(zhì)量和使用，造成巨大的經(jīng)濟損失[3-5]，目前存在多種加固方式[6-7]，其中路面堆載的方式能夠加速地基中的孔隙水壓力消散，使地基土排水固結(jié)，提高公路路基穩(wěn)定性[8-10]。傳統(tǒng)的軟土路基預(yù)壓多是采用填土堆載或者填石堆載的方式，預(yù)壓期結(jié)束后土石方需要卸載至指定棄土場，消耗大量土石方且占用土地資源。土石方的開采、運輸、堆放都需要大量機械設(shè)備，不僅施工不便，而且造成環(huán)境污染，違背了“綠水青山就是金山銀山”重要指導(dǎo)思想。特別是洞庭湖等江河湖海地區(qū)，土地資源匱乏，軟土路基分布廣泛，土層含水量大、壓縮性高、強度低、透水性差[11-16]。針對此類地區(qū)土層特性，水載預(yù)壓技術(shù)應(yīng)運而生，利用施工現(xiàn)場豐富的水資源加載水袋，施加荷載預(yù)壓軟土路基，發(fā)揮排水固結(jié)作用，是目前最為便捷和經(jīng)濟的軟土路基預(yù)壓方法[17]。

針對南益高速公路土建工程施工工期短、質(zhì)量要求高等特點，本著技術(shù)創(chuàng)新與保護環(huán)境的理念，結(jié)合水載預(yù)壓工藝，開發(fā)了一套軟土路基預(yù)壓的施工技術(shù)，并應(yīng)用于南益高速公路K19+020～K19+586路段。沉降觀測結(jié)果表明，該技術(shù)與傳統(tǒng)土載預(yù)壓施工技術(shù)相比，操作簡便，節(jié)約了資源，降低了成本，提高了工程質(zhì)量和施工技術(shù)水平，最大限度減少了對當?shù)丨h(huán)境影響。經(jīng)過實踐應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟、社會和環(huán)保效益。

1 水載預(yù)壓

1.1 原理和工藝

水載預(yù)壓是一種通過大型密封水袋利用水的自身重量荷載預(yù)壓軟土路基的施工技術(shù)，利用湖區(qū)施工現(xiàn)場豐富的地表水加載水袋，通過水的重量荷載預(yù)壓軟土路基3～6個月時間。水袋加荷載后，孔隙水被緩慢排出，孔隙體積隨之縮小，促使軟土路基提前發(fā)生沉降固結(jié)變形，有效應(yīng)力大大增強，從而提高了軟土路基穩(wěn)定性，減小通車運行后軟土路基沉降。施工過程中通過埋設(shè)沉降板、測斜管進行觀測分析，根據(jù)沉降量、沉降速率、水平位移數(shù)據(jù)來檢測軟土路基水載預(yù)壓成果是否達到設(shè)計要求。為保證水載預(yù)壓期間材料運輸、施工車輛的正常通行，前進方向左幅 8 m、高度1.6 m保留土載預(yù)壓，作為材料運輸通道及路基精加工層的土源。軟土路基水載預(yù)壓系統(tǒng)由預(yù)壓水袋、水泵、水準儀等組成。待路基填筑至設(shè)計高程后，鋪設(shè)預(yù)壓水袋，水袋下面鋪設(shè)一層土工布防止水袋扎破。水袋鋪設(shè)完成后利用輸送水管將水袋與水泵連接，連接完成后即可對水袋進行注水。水袋注水過程按設(shè)計要求分階段進行，每階段注水完成后利用水準儀進行測量，觀測沉降數(shù)據(jù)。水袋注水完成后，根據(jù)設(shè)計要求確定預(yù)壓時間，預(yù)壓期結(jié)束后，分階段對水袋進行放水，經(jīng)路基邊溝、當?shù)厮底罱K排放至河流。

1.2 施工工藝流程及操作要點

水載預(yù)壓軟土路基施工方法適用于湖區(qū)軟土地基的公路、鐵路工程和其它地質(zhì)情況較差的工業(yè)與民用建筑工程等，適用性廣。其工藝流程如圖1所示，具體操作要點如下。

1.2.1準備工作

水載預(yù)壓施工前調(diào)整路基橫坡向土載預(yù)壓施工通道傾斜，防止水袋側(cè)向滑動，報驗路基頂(-30 cm)驗收合格后再申請水載預(yù)壓施工。為確保整個水載預(yù)壓施工過程安全、防止水袋爆裂，施工前，清理路基表面尖碎石等雜物，禁止非施工作業(yè)人員進入水載預(yù)壓區(qū)域，作業(yè)人員戴安全帽、穿戴防水雨具。

1.2.2施工放樣

測量放樣定位水袋、預(yù)壓位置，水袋規(guī)格長19 m (沿橫斷面方向)、寬10 m、高2.5 m(最大加載高度)。每個水袋之間開挖一條30 cm×20 cm排水明溝，確保水載預(yù)壓期間雨水排水通暢，不浸泡路基。

1.2.3攤鋪水袋

采用新型PVC復(fù)合材料作為水袋原料，每批次水袋必須進行檢查，并出具檢測合格證，對不能出具合格證的水袋禁止進場或直接報廢。水袋攤鋪前鋪上土工布、隔水膜，確保水體不浸泡沖刷路基，水袋攤鋪時確保整齊擺放，在搬運、攤鋪過程中嚴禁損傷水袋，攤鋪平整后仔細檢查每條水袋，發(fā)現(xiàn)破損應(yīng)及時修補。

1.2.4加載預(yù)壓

水袋指標如表1所示，每個水袋容積380 m3，規(guī)格為長19 m、寬10 m、高2 m。根據(jù)預(yù)壓高度的土方荷載換算，每個水袋的荷載為19.694 kN/m2(見圖2)。水袋加載通過施工現(xiàn)場踏勘，就近利用當?shù)刎S富的地表水資源，部分路段水源較遠的，可采取接管等方法，將水源引到預(yù)壓路段附近。在充水前檢查水質(zhì)，注意泥沙含量，泥沙較多應(yīng)設(shè)沉淀池，待水質(zhì)變清后方可往水袋充水，避免后期由于泥沙水在水袋內(nèi)沉淀導(dǎo)致水袋內(nèi)部清理困難。由于單條水袋容量較大，為了縮短充水時間，設(shè)置兩臺離心式水泵，流量達到100 m3/h，通過分流閥，同時向2條水袋兩端充水，可達到3 h充滿一條水袋；電源優(yōu)先采用施工用電，將電源引到施工場地附近，如距離過遠可綜合考慮采取租賃發(fā)電機提供電源，注意施工過程中設(shè)置防漏電開關(guān)。

表1 水袋指標參數(shù)項目幅寬/cm拉伸強度(N·5cm-1)撕裂強度/N經(jīng)向緯向經(jīng)向緯向剝離強度/(N·5cm-1)適用溫度/℃數(shù)值3004 1634 058547527145-30～+70參考數(shù)值300≥4 000≥4 000≥520≥480120-30～+70參考測試標準DIN EN ISO 2286-1DIN 53354DIN 53363DIN 53357DIN 53361

圖2 水袋指標參數(shù)

1.2.5沉降穩(wěn)定觀測

在路基填筑過程中埋設(shè)沉降板，每填筑一至兩層觀測一次，水載預(yù)壓加載間歇期或加載完成后的前15 d內(nèi)必須每3 d觀測一次，而后每15 d觀測一次直至卸載。沉降量、沉降速率或位移超過規(guī)定標準時要停止施工，待達到標準后方能繼續(xù)進行加載施工。當加載至規(guī)定高度時，要加強觀測，嚴格控制加載速率，以免由于加載過快造成路基破壞。隨著水載預(yù)壓高度增加，測桿和套管相應(yīng)接高，所接長度每節(jié)不超過50 cm。測管周圍的填土宜用人工整平，并用小型夯實機夯實。沉降觀測采用電子水準儀，沉降觀測點布置如圖3所示，施工過程中，應(yīng)加強保護好沉降板，必須始終遵循先加載后接管、先卸管后卸載的原則。

圖3 沉降觀測點布置示意圖

1.2.6預(yù)壓卸載

水載預(yù)壓卸載時間由觀測單位提供，并出具相關(guān)卸載報告，連續(xù)2個月沉降不超過5 mm/月可提出卸載申請，并報監(jiān)理批準后方可卸載。預(yù)壓卸載施工采取分階段卸載，水袋橫斷面方向預(yù)留有出水口，在出水口位置路基上鋪設(shè)防水彩條布，軟水管接入出水口至路基邊溝或當?shù)卮笮蜏锨匀涣鞣?，一個水袋分兩次卸載完畢，卸載完成后需對路基-20 cm的填土需進行翻曬。土載預(yù)壓土方作為路基精加工層填料，進行攤鋪碾壓施工的壓實度需達到96%。

2 工程實例

2.1 工程概況

南益高速公路第四合同段位于湖南省南縣境內(nèi)，路線所經(jīng)地形為洞庭湖平原腹地，湖、塘眾多，河汊、溝渠縱橫，農(nóng)田廣布，地基類型屬于湖區(qū)沉積軟土。地域降雨充沛，地表水系發(fā)育，水塘星羅棋布，灌溉渠道縱橫交錯，水網(wǎng)密布，地表水豐富。南益高速公路為湖南省第一條湖區(qū)高速公路、全國首批綠色交通示范公路，其中第四合同段路線全長 9.81 km均為軟土路基，施工難度大，且路基填筑均為遠距離借方。原設(shè)計路基預(yù)壓方案為借土堆載，預(yù)壓期3～6個月，堆載土方量16.6萬m3?？紤]到湖區(qū)土資源稀缺，遠距離借方堆載成本高，預(yù)壓卸載二次轉(zhuǎn)運和棄土處治及大面積取土影響當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境等諸多問題，采用水載預(yù)壓軟土路基施工方案，通過等載預(yù)壓方式穩(wěn)定軟土路基沉降，有效保證軟基處理路基成型質(zhì)量，為后續(xù)施工及高速公路運營安全提供強有力保障。

2.2 應(yīng)用效果

以南益高速公路K19+020～K19+586段路基水載預(yù)壓施工為例，對其應(yīng)用效果進行分析。該段路基設(shè)計預(yù)壓期3個月，主線路基標準寬度24.5 m，為0.75 m(路肩)+10.5 m(行車道)+2 m(中央隔離帶)+10.5 m(行車道)+0.75 m(路肩)+超寬部分，施工現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 K19+020～K19+586水載預(yù)壓施工現(xiàn)場

通過觀測沉降數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),水載預(yù)壓施工后軟土路基沉降明顯，提前發(fā)生沉降固結(jié)變形，極大地提高了軟土路基的穩(wěn)定性，各項沉降數(shù)據(jù)指標均符合要求。圖5為抽取兩個預(yù)壓路基斷面的沉降觀測數(shù)據(jù)，繪制沉降觀測曲線圖，對比可知水載預(yù)壓和傳統(tǒng)的土載預(yù)壓能起到同等預(yù)壓沉降效果。施工過程未發(fā)生路基邊坡垮塌、水袋爆裂失穩(wěn)側(cè)滑等質(zhì)量安全事故，保證了南益高速公路軟基施工處理的質(zhì)量。

圖5 部分路段軟土路基沉降觀測結(jié)果

2.3 效益分析

采用水載預(yù)壓軟土路基施工，降低了傳統(tǒng)土載預(yù)壓軟土路基施工的成本。水載預(yù)壓利用當?shù)刎S富的水資源，就近取水減少了山體開挖取土預(yù)壓、遠距離運輸、大型機械的使用，保護生態(tài)平衡同時節(jié)約工程造價。本工程水載預(yù)壓和土載預(yù)壓工程造價對比如表2所示，采取水載預(yù)壓軟土路基比較傳統(tǒng)土載預(yù)壓節(jié)約工程造價約50%以上，節(jié)省了工程投資。

表2 水載預(yù)壓和土載預(yù)壓工程造價對比項目細目單價/(元·m-3)單價/(元·km-1)數(shù)量/萬m3數(shù)量/km金額小計/萬元金額合計/萬元水載預(yù)壓PVC水袋27—16.6—460460土方填筑6.23—16.6—99.68土載預(yù)壓借方11.53—16.6—191.391 047運距—0.71—36424.2棄土二次轉(zhuǎn)運20—16.6—332.00

3 結(jié)論

1) 水載預(yù)壓施工方法不需要大量機械，少量人員配合作業(yè)就能較快充水完成路基堆載預(yù)壓，水袋可折疊，運輸、卸載拆除方便，現(xiàn)場操作簡單，后期卸載拆除不會對原路基造成破壞。

2) 經(jīng)測算水載預(yù)壓施工比傳統(tǒng)土載預(yù)壓施工造價節(jié)約50%以上，可有效減少工程投資。

3) 水載預(yù)壓施工方法克服了湖區(qū)土資源稀缺的不利條件，提高了湖區(qū)高速公路軟土路基地基承載力、穩(wěn)定性，解決了沉降量大等問題，保障高速公路運行通車后的質(zhì)量和安全，從而減少了高速公路運維成本。