引言

我国高速公路建设经过数十年的高速发展，早期修建的四车道高速公路已经不能满足日益增长的交通需求。改建工程与新建工程相比，存在新旧路基衔接的特殊技术难题，旧路基经过多年的运营后，地基已经基本稳定，新拓宽路基在承受荷载作用时，会产生较长时期的固结沉降和次固结沉降，两者沉降速率、沉降量之间的不匹配，必然会形成拼接处的差异沉降。当差异沉降超过允许值的时候，就会引起路面的纵向裂缝、反射裂缝、桥头跳车等一系列的病害，严重影响行车安全以及道路使用寿命。因此，对新旧路基拼接差异沉降的成因、危害和控制技术进行系统的探究，对改扩建工程长期服役性能具有一定必要性。

1 高速公路改扩建工程新旧路基拼接差异沉降原因和危害

1.1 差异沉降产生的原因

差异沉降是地质、水文、设计与施工多因素耦合的结果，根本原因可归结为四个层面：

（1）地基固结差异的根本原因。旧路基经过长期的运营，孔隙水已经基本排出，固结趋于稳定；新路基地基尚未充分固结，工后沉降会在运营期持续发生。旧稳新动的不同步性是造成差异沉降的根本原因。

（2）地质条件非均质性。天然地基存在软弱夹层、破碎带等，不同部位的承载力和压缩性差别很大，软土地基上更加明显。

（3）路基本体材料与工艺差异。新旧填料性质不同、压实度有差异、搭接处施工场地狭小、压实标准难以一致等问题都会使沉降增大。

（4）水文与环境影响。地下水位升降会带来附加压缩沉降，搭接处是渗水薄弱处，渗流对软化后的土体会产生减小的作用。拓宽宽度、填方高度、地基模量等都是重要的影响因素，数值模拟结果表明距旧路中心6～18m范围内沉降增幅最大，结合处尤为明显。

1.2 差异沉降的危害

差异沉降的危害是多层次的：

第一，对路面结构的危害。由于差异沉降引起的横向、纵向裂缝是沥青路面的反射裂缝，水泥路面的断板。经研究发现，山区典型沥青路面横向差异沉降的限值是2.2‰，超过这个值就会引起早期的损坏。

第二，对行车安全的危害。路面不平顺对舒适性、安全性都会产生影响。高速铁路无砟轨道要求32m简支梁相邻墩台沉降差不大于15mm，严格标准不大于5mm。

第三，对结构耐久性的危害。差异沉降引起附加应力，使结构倾斜、开裂。桥梁桥台沉降加大了振动，短跨桥梁动态放大系数大，随着车速的增大而增大。

第四，经济方面的危害。直接损失指的是维修加固、设备更换等的费用，间接损失指的是停工停产、法律纠纷等的损失。由于桩基偏移和填土不实，该工程在使用过程中一共产生了40.12mm的沉降以及结构倾斜。

2 高速公路改扩建工程新旧路基拼接差异沉降控制技术及应用

2.1 地基处理技术

地基处理是控制差异沉降的源头。复合地基法就是通过CFG桩、粉喷桩、PHC管桩等形成复合地基来提高承载力、减小压缩变形，沪宁高速扩建中软土路段根据深度采用水泥搅拌桩和预应力管桩，效果较好。排水固结法有塑料排水板预压、真空预压、超载预压等，增大排水通道来加快固结，减小工后沉降，适合于含水量高、地下水复杂的工程，工期长、成本高。强夯置换法对于饱和黏性土地基的效果较好，处理后浅层土体变形模量明显提高，石安高速改扩建中与土工格栅结合可以大幅度减小差异沉降。冲击压实法经过多遍冲压后，砂性土地基的压缩模量明显增大，压实度提高，压缩变形减小。

2.2 路基拼接与加筋技术

拼接、加筋是控制差异沉降的主要构造措施。台阶式拼接是最常用的方式，自下而上开挖台阶，高度和宽度根据工程条件确定，台阶数量越多越好，以提供更多的接触面，沪宁高速采用分层台阶设计，效果较好。土工格栅加筋铺设在基底及每层台阶的顶面上，最大剪应力位于老路边坡向内的一定范围之内，格栅应深入到足够长的新旧路基中去，两者一起受力，和粉喷桩配合使用的时候差异沉降会显著降低，沪杭甬、广佛高速都采取了格栅加土工布组合形式。EPS轻质填料技术利用EPS块体重度远低于普通填料的特点，基地附加应力可以大大减少，地基压缩变形量明显降低，对差异沉降较大的路段，EPS与冲击压实相结合可以将最终沉降控制在较小范围内，但是EPS遇汽油、沥青会溶解，施工中必须严格隔离。

2.3 填料控制与压实技术

填料和压实控制属于直接提高路基均匀性的方法。填料用透水性或者泡沫轻质土填料减少渗水和自重，不得混填不同性质的填料，保证填料均匀、压实度达标。分层压实时每层松铺厚度必须严格控制，石安高速数值模拟结果表明，在合适的填筑速率下路堤沉降速率、水平位移速率均能满足规范要求，对路堤稳定性起到较好的保证作用，填筑速率越快沉降越大，应以水平位移控制为主。软弱地基深处时用反压护道，护坡道的重量来抵抗路堤边坡、软土共同向下滑动的作用，减小侧向滑移的危害。

2.4 排水防渗系统

完备的排水防渗设施可以使得沉降差不再发生。设置排水系统防止雨水渗入软化路基。清理拼接位置杂草、种植土，清理深度30cm左右，清理后整平压实。排水沟现状全部清理淤泥，弃土不能用作路基填料。

3 高速公路改扩建工程新旧路基拼接差异沉降控制技术应用对策

差异沉降控制属于一项系统工程，需要设计、施工、监理、建设等多方主体共同参与。从责任主体出发，提出具体的对策如下。

3.1设计单位应科学制定差异化控制方案

设计单位是差异沉降控制的第一责任人，应做到：

1. 第一，在勘察阶段充分查明拼接段的地质条件、地下水位和软弱夹层分布，为地基处理方案提供可靠依据；
2. 第二，根据软土深度分级选择地基处理方法——软土深度≤3m采用换填处理，3~10m采用水泥搅拌桩复合地基，大于10m采用预应力管桩，做到因地制宜；
3. 第三，合理确定差异沉降控制标准，一般路段参照极限标准和容许标准双控，高速铁路等敏感结构相邻墩台差异沉降控制在15mm以内；
4. 第四，在设计文件中明确土工格栅铺设位置、层数、搭接距离等参数，以及台阶开挖尺寸和施工顺序。

3.2施工单位应严格执行精细化施工工艺

施工单位是控制措施落地的关键执行者，应做到：

1. 第一，严格按照设计要求开挖台阶，自下而上逐层开挖、逐层填筑，台阶高度控制在70～100cm，保证新旧路基紧密结合；
2. 第二，在路基顶面以下H/3（H为路基高度）范围内设置土工格栅，竖向铺设间距分别为1m、1m、2m、3m，搭接距离纵向不小于20cm、横向不小于15cm，且应施加预加应力以避免受力变形产生裂缝；
3. 第三，对新旧路基结合带的"压实施工死角"用打夯机分薄层填筑压实，保证压实度达标；
4. 第四，控制填筑速率，以水平位移控制为主，当沉降速率超过10～15mm/d时应立即停止填筑；
5. 第五，采用大吨位振动压路机和冲击式压路机碾压，增加碾压遍数，减小土体孔隙率。

3.3监理单位应强化全过程动态监控

监理单位应对差异沉降进行全生命周期的监控，施工期设置沉降板、倾斜仪等监测设备，对路堤中心线地面沉降速率、坡脚水平位移速率进行实时跟踪，竖向沉降速率不大于10～15mm/d、水平位移速率不大于5mm/d；运营期持续监测差异沉降发展趋势，将实测数据与理论计算对比分析，及时预警；对填料质量、压实度、台阶开挖尺寸等关键工序实施旁站监理，发现问题立即整改。

3.4 建设单位应统筹协调资源保障

建设单位应从管理上提供保障：

1. 第一，在招标文件中明确差异沉降控制的技术要求和验收标准，将其作为合同约束条件；
2. 第二，合理安排工期，防止因赶工造成填筑速率过快而加重沉降；
3. 第三，保证监测经费的投入，保证沉降监测贯穿施工期和运营期；
4. 第四，对已经发生的不均匀沉降，及时组织注浆加固等纠偏措施，如在基础外侧注入双液浆封闭、内侧注水泥浆固化土体，可提高地基承载力、缩小沉降差。

3.5运营管理单位应建立长期维护机制

运营管理单位应将差异沉降监测纳入日常养护体系：

1. 第一，定期检测路面平整度和裂缝发展情况，对反射裂缝及时处治；
2. 第二，严格限制线路两侧各200m范围内开采地下水，控制因地下水位下降诱发的地基差异沉降；
3. 第三，对差异沉降超标路段，可采用注浆加固、土工格栅补强等措施进行处治，将差异沉降控制在容许范围内。

4结语

高速公路改扩建工程新旧路基拼接差异沉降，是由地质状况、水文环境、材料不同、施工工艺等因素相互影响而产生的综合性问题。其根本原因在于旧路地基固结趋于稳定，新路地基仍处于工后沉降阶段，新旧不同步的沉降特性不能完全消除，但是可以通过科学的技术手段将其控制在容许范围内。从技术途径上讲，复合地基处理可以改善地基软弱状况，台阶式拼接可以解决结合松散的问题，土工格栅加筋可以实现整体协同作用，轻质填料减载可以减小荷载过大会导致的软化，排水防渗可以防治水害造成的影响，只有这五种措施共同发挥作用才能取得成效。就管理途径而言，设计单位、施工单位、监理单位、建设单位和运营单位之间彼此分工负责，密切合作，才是确保控制措施落到实处的根基。未来的研究应该从车桥耦合动力学的角度出发，对差异沉降对行车安全的量化影响进行研究，用大数据预测沉降，研究新型地基处理材料和结构形式。

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