沈大高速公路改扩建工程关键技术

,辽宁省交通勘测设计院李伟2006年07月南京,沈大高速公路改扩建工程关键技术,我国高速公路建设始于上世纪80年代，至2005年底，高速公路通车里程已达到4.1万公里。,52.5%,34.5%,13%,通车年限在10年以上的占总里程的13%，5年以上的占总里程的50%，大部分为4车道，标准较低。,随着我国经济的持续快速发展，早期修建的高速公路交通量增长均较快，年平均增长率多在10%以上，甚至达到20%以上，远远超过项目规划立项时交通量增长预测值，目前服务水平明显降低，已经不能适应社会、经济发展的需要，需要对原路进行改扩建。,80年代沈大高速公路的建设以及本世纪的改扩建工程在我国高速公路建设史上均具有开拓性的历史意义。,老沈大路,扩建后沈大路,一、改扩建前建设和运营状况二、改扩建工程建设指导思想三、改扩建建设方案论证四、改扩建工程关键技术五、改扩建后高速公路的运营情况六、高速公路改扩建工程技术建议,一、改扩建前建设和运营状况,原沈大高速公路1984年6月开工建设，1986年起分段陆续建成交付使用，1990年9月1日全线建成通车。,1、原有建设规模全长375公里；路基宽26米；全线共设互通立交27座；特大桥1座，1206延米；大中桥54座，共计5700延米；小桥涵洞544座；跨线桥84座；服务区6处；管理所7处。,2、交通量增长情况1990年9月全线建成通车时全线平均日交通量为6739辆小客车；运营十年来，交通量以年均11.8%的速度增长，2000年年平均日交通量已达到20613辆小客车，局部路段已达25963辆小客车。,3、线形标准全线95%的路段设计时速可达到120km/h标准，K332-K349的17公里100km/h设计；4处平面线形指标、6处纵断面线形指标不符合现行技术标准，存在隐患。,4、互通式立交除灯塔立交为Y型、熊岳立交为不完全苜蓿叶型外,其余均为喇叭型。匝道的圆曲线半径小于45米的有8座。,5、路基原沈大高速公路全线路基宽26米，填方路基边坡坡度1:1.5，每侧护坡道宽度2.0米，路堤平均填土高度3.5米;路基填料多为碎石土、山皮土等;原路基中软土路基段修建时已采取了塑料排水板、粉喷桩等不同的处理措施，全线路基处于稳定状态。,6、路面路面依据1978年我国柔性路面设计规范进行设计,路面设计容许弯沉值为50.6，总厚度为54cm到56cm，行车道路面的典型结构如下：,改扩建前路面破损严重：受当时路面设计理论和施工工艺、设备、材料等因素影响；大吨位重载车辆的作用；运营期间又未进行过中修，路面、部分小桥及桥面系等已破损严重，裂缝、车辙、龟裂、磨光等现象较普遍，已影响行车安全。至2000年最早通车路段已达15年，达到了大修期限。,车辙,低温开裂,疲劳,松散,磨光,水损害,根据公路养护技术规范，以实地调查资料为基础，对路况调查所获得的资料进行了归纳总结，以每500米段落长度的路面状况PCI指数作为评价路面破坏的量化指标，对沈大高速公路全线进行评价。,原路面状况评价表,采用自动弯沉检测车调查了路面的弯沉状况，对检测结果进行了分析整理。采用每500米为一个段落计算代表弯沉值。,7、桥涵沈大高速公路全线84座跨线桥桥孔跨径普遍偏小；主线通道净空标准低，许多已不满足沿线出行的需求；主线桥梁结构型式采用老标准图，安全储备低；桥梁上部结构以简支预应力混凝土T梁和钢筋混凝土空心板为主，部分空心板已破损，桥面破损严重；下部结构以钢筋混凝土墩台身、石砌墩台身、桩基础、扩大基础为主。,8、服务管理设施落后沈大路原有6座服务区，停车场的规模、服务设施硬件条件、服务内容、服务水平均无法满足日益增长的交通量和用路人的需求。,二、改扩建工程建设指导思想,交通部“沈大高速公路改扩建不能简单地在规模上争全国第一，更应在路的品质上争全国第一，要为今后全国高速公路改扩建树立样板”建设超一流工程，塑最好的作品，树全国样板，再现神州第一路风采”,制定了沈阳至大连高速公路创一流实施纲要，提出：以科学技术为先导和支撑，创新设计和建设理念，借鉴国内外成功经验，抓好科研、设计、施工、监理、管理和质量监督各个环节，确保沈大高速公路改扩建工程“设计一流、施工一流、管理一流、质量一流、景观一流。”,三、改扩建工程建设方案论证,1、沈大路改扩建工程技术方案扩建八车道与六车道比选原路扩建八车道与另新建一条四车道高速公路比选双侧加宽与单侧加宽技术比选,（1）扩建八车道与扩建六车道技术论证对沈大高速公路是按照八车道标准改扩建,还是按照六车道标准改扩建论证比较。,为满足交通量增长需要,沈大高速公路需要一次改扩建为车道交通量预测结果表明：到2010年沈大高速公路全线年平均日交通量将达到53965辆小客车(年增长率9.3%),已超过沈大高速公路四车道通行能力的上限;到2016年年平均日交通量达到78810辆小客车(年增长率7.9%),超过六车道通行能力上限。如按六车道改扩建,通车10多年后,将面临再一次改造,难度进一步加大。,为提高我省高速公路路网服务水平,沈大高速公路需要扩建为车道。到2010年我省高速公路将达到4000公里,实现县县通高速的目标。沈大高速公路在我省高速公路路网中起着重要的枢纽和联通作用,具有极其重要的战略地位,随着东北老工业基地的振兴,六车道饱和交通量很可能会提前。,根据改扩建实际投资的比较,八车道扩建在经济上是合理的。沈大高速公路结合原路大修改扩建为八车道,投资估算约72亿元,其中,沈大高速公路原四车道的大修费用约为26亿元,八车道改扩建投资为46亿元；如果按六车道标准(34.5米)建设,改扩建投资为31亿元。一次加宽为八车道比六车道增加了15亿元,平均每公里仅增加430万元。从战略上讲,虽然投资有所增加,但一次到位,避免了后期的再次改造。,万元/公里,从保证工程质量的角度,一次改扩建成八车道是有利的如果按六车道改扩建,每侧加宽仅4.25米,施工作业面小,施工过程中对主线行车有较大干扰,路基难以压实。而按八车道改扩建,每侧加宽8米,施工机械在加宽部分可以正常进行路基施工,对主线行车影响较小。所以,一次改扩建成八车道,有利于施工组织和保证工程质量。,(2)原路扩建八车道与另新建一条四车道高速公路技术论证在选择原路改扩建八车道方案的同时,考虑到目前沈大高速公路交通量还未达到饱和状态,曾提出目前只对沈阳至大连高速公路进行路面大修,待几年后交通量发展到一定程度再新建一条四车道高速公路的方案。经比较,我们认为从路网布局、土地占用、投资效率、对经济发展的影响等方面综合考虑,在原路改扩建八车道方案是合理的。,新建四车道高速公路虽然在一定程度上可改善路网布局,增加一条纵向通道,但由于新建公路偏离已形成的沈大公路沿线经济走廊带,不利于吸引交通量,大量交通还是选择沈大高速公路,新建项目难以发挥其应有的作用,社会经济效益差。,从工程投资看,由于新建高速公路多数路段处于山岭重丘区,沿线地质条件复杂,工程量巨大,新建方案投资将超出改扩建方案投资90%。,围绕现在的沈大高速公路,已形成了配套齐全的公路网,新建高速公路需要修建大量的配套连接公路网,需要增加较大投资。原路改扩建方案可充分结合现有沈大高速公路的线形,具有占地少、对环境影响小等优势。,从通行能力和交通安全的角度看,四车道高速公路单向为一个主行车道、一个超车道,大小型车辆混杂行驶,行车、超车受到干扰大,交通流量大时,平均行驶速度明显降低。而八车道高速公路可按车型、车速划分车道,规范行驶,相互干扰小,平均行驶速度高,通行能力比两条四车道高速公路大,对行车安全及顺畅快捷通行十分有利。,(3)双侧加宽与单侧加宽技术论证确定加宽方案时,我们对以双侧加宽为主和以单侧加宽为主两个方案进行了研究。经比较,认为采用以双侧对称加宽(各8米)为主、局部地段因地制宜单侧加宽的方案是合理的。,由于现沈大高速公路占地边线距路肩边缘一般均大于8米,即使在两侧建筑物密集区,双侧加宽也可使路线按原有平面线形顺利通过,采用双侧加宽方案将大大减少拆迁占地费用。双侧加宽可按原路横坡顺接,单侧加宽需调整原路基、桥梁横坡,工程量增加,施工复杂。,单侧加宽时,原中央分隔带位于新路面的第二、第三车道处,必须对其进行处理和补强;新的中央分隔带处为满足植树绿化、埋设通信设施等要求,需将旧有路面结构层挖除。单侧加宽时,互通立交及跨线桥的改动量较双侧加宽大。,双侧加宽时,原路部分为扩建后的小型车道位置,新加宽部分为大型车行驶的第三、第四车道,有利于在设计中采取针对性措施,加强新加宽部分路基、路面的强度,很好地承负重载交通。以双侧加宽为主较以单侧加宽为主工程费用节省。,51188万元!,综合以上分析，改扩建技术规模和标准为：沈大高速公路全线348km（起点沈阳金宝台，终点大连后盐）采用八车道高速公路标准进行改扩建，全线工程总投资76亿元，主线计算行车时速120km/小时，立交区匝道计算行车时速60km/小时；桥梁设计荷载为汽车超20级；验算荷载挂车120，特载480；路面设计标准轴载为100KN。路基宽42米，半幅横断面布置如图：,全线主要工程量:路基挖方1570万立方米,填方2557万立方米;新建特大桥1座1233延米;隧道1座521延米;跨线桥87座,10775延米;新铺沥青混凝土路面1290万平方米;重建交通安全设施348公里。改造大桥33座，6193延米;中桥60座，3672延米;小桥106座，2162延米;通道桥254座，5173延米;分离式立交桥18座，1129延米;涵洞533道;互通立交28处;收费站29个。,2、施工组织方案根据沈大高速公路改扩建工程的特点，综合考虑各方面因素，经多方论证，工程采用“施工期原路分阶段全封闭”的施工组织方案，工程分四个阶段组织实施：第一阶段:2001年开始对沈大高速公路的辅道黑大线进行标准二级路改造,保证了沈大高速公路封闭后车辆的分流通行；对全线87座跨线桥分批进行重建和新建,为主线工程顺利施工创造了条件;修筑了三段不同地质情况总长10公里的试验路,为全线加宽改造摸索实际经验,做好技术准备。,第二阶段:2002年5月28日-11月末,主线正常通行，全线进行主线两侧路基及构造物的加宽施工、预制各种梁板、局部改线和隧道施工等。第三阶段:2003年3月21日-7月末,全线封闭交通，进行新老路基上部搭接和构造物的连接,互通立交的改扩建等工程。第四阶段:2003年7月-2004年8月末,全线封闭交通，进行路面、交通安全设施、收费站场改造、服务区重建、绿化及通信等工程施工。2004年8月29日沈大高速公路改扩建工程竣工通车。,四、改扩建工程关键技术,1、路基加宽技术(1)原有路基挖台阶将原路基的边坡按1:0.5挖除,然后挖台阶,深度80cm,台阶底面向路中心横坡3%,台阶挖至与原地面齐平。,(2)新旧路基结合处铺土工格栅为减少新旧路基沉降差,在路基顶面以下的台阶顶面铺设单向拉伸钢塑复合土工格栅。,(3)加强新填路基部分填前碾压旱田段填前碾压前先填40cm石渣。水田段填前碾压前先填70cm石渣。填前碾压采用25KJ冲击压实机,压实度不小于90%。水塘、鱼塘等先进行抛石挤淤,再用石渣或砂砾填至水平面上50cm后,再进行填前碾压,抛石范围超过坡脚外2m。,(4)控制新填路基填料为减少新旧路基的沉降差,新填路基要求使用碎石土、砂砾土、山皮土等强度较高的填料；填土高度小于1.5m的路段,新建路基部分（含沈大高速公路旧路边坡挖台阶部分）采用石渣填筑,直至路基顶面。,(5)加强路堤压实度压实度标准比部颁标准提高1-2个百分点。在满足正常压实规定下,路堤每填高1m,使用冲击压路机冲压20遍,新旧路基结合处再增加冲压5遍。,(6)加强软弱地基处理沿线营口老边至熊岳段(K151+500-K190+000)、普兰店海湾段(K318+000-K321+000)、金州湾段(K351+000-K357+000)为软弱地基段,老边坡挖除后,先采取粉喷桩、塑料排水板等措施进行地基处理,然后按正常路基加宽方法进行加宽,严格控制路基填筑速率。总之,在路基方面,选好填料是保证路基稳定的先决条件;对加宽段基底特殊处理,是解决新老路基不均匀沉降的关键环节;充分压实特别是衔接部分压实是保证新老路基稳定不开裂的必要手段。,2、老路面加铺技术(1)充分利用原路面结构层强度,在其上加铺新路面结构层由于原沈大高速公路路基路面状况较差,简单的罩面(5-10cm沥青混凝土)不能从根本上解决问题,原路部分必须采取挖除新建方案,或采取根据原路弯沉值加铺不同厚度的水稳层及沥青面层或直接加铺沥青面层(按柔性基层设计)的加铺方案。经比较,我们选择了以加铺为主、局部路面挖除的大修方案。,主要理由如下:原沈大高速公路己通行十余年,在重复荷载作用下,路基已趋于稳定,如果将旧路面挖除重修路面,不但破坏了原路面结构层,而且原有路基因受到扰动,其强度将会大大降低,甚至有些路段的路基CBR值过低需要处理才能满足强度要求。加铺方案保持了原有路基的稳定性,对原有路面的扰动较少,充分利用了原路面结构层强度,避免了翻修方案。在环境保护方面,加铺方案具有明显的优越性。根据施工工期计划安排，两侧路基在封闭前先行加宽施工,翻修方案挖出的路面及路基材料将很难利用,会产生大量的弃料,尤其是有黑色路面的沥青混合料,由于在技术上、经济上及工期上进行再生利用均存在较大困难,将很难进行处理,并且路面开挖所产生的废料需要重新征地作为弃土场,这些都会对环境造成极大影响。,(2)原路加铺路面结构层计算以原路面的实测弯沉值为基础,反算路面当量回弹模量,然后按照公路沥青路面设计规范(JTJ014-97)中路面补强厚度的计算方法,计算路面的加铺厚度。当原路面路段代表弯沉Lo50时,路面采用17cm沥青混凝土进行补强,个别代表弯沉值小于30的路段,补强厚度为9cm。其主要作用除了提供强度之外,还用于找平原路面的纵横坡度。,当原路面路段代表弯沉50Lo120时,在原沥青面层上加铺28cm水泥稳定砂砾半刚性基层,新沥青面层与加宽部分一起铺筑。其中水泥稳定砂砾半刚性基层找平层的厚度最小为10cm,然后再和新建路面一起铺筑18cm。,当原路面弯沉Lo120时,在原沥青面层上加铺35cm水泥稳定砂砾半刚性基层,新沥青面层与加宽部分一起铺筑,施工时采用的工艺同上。,由于原路硬路肩沥青面层强度与行车道不同,并且硬路肩没有经过行车碾压作用,因此在设计中考虑将原有路面硬路肩的路面全部挖除,铺筑新路面。,3、新建路面结构及SMA路面应用技术(1)加宽部分的新建路面结构路面总厚度为70-73cm,均满足抗冻要求。考虑到上基层对级配和强度的要求较高,同时对抗冻性的要求也比较严,因此均采用水泥稳定碎石结构;下基层和底基层根据沿线石灰、粉煤灰、碎石和砂砾料场的实际情况,因地制宜,灵活选用二灰或水泥稳定砂砾或碎石结构。加宽部分的新建路面结构:,(2)路面所选用的材料路面表面层集料采用坚硬耐磨的玄武岩,中、下面层采用石灰岩;上面层、中面层沥青混合料均采用SBS（5%）改性沥青作为结合料，结合沈大高速公路交通量较大的特点，在纵坡超过2%的上坡路段，下面层也采用了SBS改性沥青，保证沥青路面有良好的抗车辙能力，同时路面抗低温开裂能力也得到提高,下面层沥青采用国产AH-90号重交通道路石油沥青。,（3）沥青路面表面层大规模采用沥青玛蹄脂碎石SMA技术，同时对公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南中的级配进行调整，使SMA混合料的级配介于SMA-13和SMA-16之间，既保证路面有足够的粗糙度，同时铺筑的路面更加均匀。另外通过级配的调整，控制混合料的矿料间隙率VMA不小于18%，使混合料中可以加入足够的沥青结合料，增加集料油膜的厚度，提高路面耐久性。,（4）中面层采用AC-25I型粗粒式沥青混凝土,但是将19.Omm筛孔的通过量由规范中的75%-90%调整为85%-93%,将16.0mm筛孔的通过量由规范中的62%-80%调整为62%-75%,使混合料的级配曲线形成“S”型,提高混合料摊铺的均匀性,减少离析现象,使路面具有良好的密实性,沥青混合料的高温抗车辙能力也得以提高。同时缩窄混合料级配的波动范围,保证沥青混合料在生产过程中不产生大的变化。,筛孔尺寸（mm）,(5)路基顶面换填80cm天然砂砾,使旧路面原来的砂砾垫层与路基顶面的换填砂砾相通,路面渗入的水分能够排除,在保证内部排水的前提下,新建路面采用三层半刚性基层,路面具有足够的承载力。为了增强沥青面层抵抗开裂的能力,在中下面层之间铺设玻璃纤维格栅,铺设范围为路面靠近硬路肩的第三、四车道,并深入第二车道1.0m,宽度为8.5m。,总之，在路面方面,深入把握沥青路面的受力和破坏机理,摆脱已有观念的束缚，采用既符合实际经验,又与国际先进水平一致的全新思路，充分利用原路面的强度,尽早使新旧路面结构结合形成整体，才能建设高品质的路面。,4、桥梁构造物加宽技术(1)加宽桥涵与原桥上下部刚性联结,上部结构预制安装放置三个月再与原桥联结。,(2)加强加宽部分的基础设计,减少新旧桥体的不均匀沉降。原桥为扩大基础的,当基底土层较薄、岩层埋深较浅时,采取换填或直接将基础置于岩层上的方案；当基底土层较厚,岩层埋置较深,基础条件不很良好时,虽然地基允许承载力满足要求,但采取一定的措施,如加大基础成整体筏式、采用粉喷桩或碎石桩处理地基、采用桩基础等。,(3)为了尽量减小新旧桥梁上下部之间的沉降差及尽量缩短施工工期,控制拓宽部分梁板的安装龄期,先施工新建加宽部分的基础、墩台身及台帽(盖梁),并安装部分新建上部梁板,在封闭交通后联结下部结构,减少联结处的附加应力。,(4)当原桥上部为预应力结构时,考虑到预应力引起的徐变影响,新加宽桥部分的上部梁板按部分预应力混凝土B类构件设计。(5)设计采用HLT植筋技术、聚丙烯纤维混凝土等新技术、新材料,确保新旧联结处的安全、耐久,抑制裂缝的发展。,(6)改扩建中,对原桥的缺陷等问题进行集中处理。L10m的全部采用预应力结构,单板受力较多的翼缘式空心板全部更换，对原桥的裂缝进行封缝等处理,增设桥头搭板。,总之，在桥梁构造物方面,在联结前尽可能释放因变形产生的不均匀内力是防止和减少新旧构造物出现纵向裂缝的关键所在，采用加强的刚性联结措施,是彻底解决纵向裂缝问题的重要保证。,5、大跨度隧道设计技术金州隧道(原名韩家岭隧道)是沈大高速公路唯一的隧道,也是我国现有和在建的最宽公路隧道，位于沈大高速公路三十里堡至大连段的右线(左线为原沈大路),采用单洞四车道,全长521m。其中暗挖部分420m,明洞48m,削竹式洞门53m,最大开挖宽度22.48m,最大开挖高度16.1m,最大埋深70m,最小埋深2m。围岩类别为II-IV类。,施工工艺采用先进的新奥法,开挖采用台阶法施工,上半断面采用光面爆破,下部采用预裂爆破,初期支护采用湿喷法,喷射钢纤维混凝土,系统锚杆采用中空注浆锚杆。施工中严格遵守“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤观测”的原则,分层分部的多部开挖,一次最大开挖宽度仅11.0m。为确保安全,必要时增设中隔壁临时钢架支撑。开挖分上、中、下三个台阶,每台阶又分左、右部,由上而下施工。由于跨径大,全洞均设工字钢架支护,每次循环掘进长度仅有0.5-1.0m,IV类围岩不超过2.0m。二次衬砌采用先墙后拱整体式浇筑,模板采用8m长整体液压衬砌台车。隧道防排水坚持“以排为主、防排结合”的综合治理原则,采取在初期支护和二次衬砌之间铺设EVA塑料排水板作为防水层,同时二次衬砌采用防水混凝土。,6、服务管理设施建设新理念场区平面布置-近期与远期相结合；场区环境美化-五个服务区专门进行了绿化和景观设计，绿化设计注重场区的起伏变化、植物搭配、点面结合，很好的烘托了场区的气氛、美化环境；,建筑风格国际化-服务区采用欧美草原式建筑风格；,室内装饰设计和谐统一，强化整体性、创新性、实用性、自然性原则,培育浓郁的商业气氛、服务区设计着重强调了商业气氛的渲染,五、改扩建后高速公路的运营情况,改扩建后的沈大高速公路于2004年8月29日投入运营（实验路段于2002年9月投入运营）以来，沈大高速公路车流量和收费额增长迅速。从2004年9月至2006年4月上旬，沈大高速公路：总收费额为14.78亿元；日平均收费额为253万元；日均标准车流量达到30,000台；最大断面日均小客车车流量超过53,000台。,通车