沈大路改扩建技术 |
来源:中国公路网 作者:辽宁省交通勘测设计院 李伟 发布日期:2006-7-22
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前 言 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,其中,通车年限在5年以上的高速公路里程占总里程的50%,10年以上的占总里程的13%。由于受历史条件的限制,早期修建的高速公路一般标准较低,且大部分为4车道。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。 高速公路改扩建是我国公路建设领域面临的重要任务,是高速公路建设可持续发展的重大课题,它所要解决的问题比新建项目更复杂。 一、沈大高速公路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。它北起辽宁省省会沈阳市,南至大连市,纵贯辽东半岛,连接沈阳、辽阳、鞍山、营口、大连五大工业城市,沟通大连、营口二大港口和沈阳桃仙、大连周水子两大国际机场,在辽宁省及整个东北地区的公路运输网中占据重要地位,是国家规划的高速公路网“同三国道主干线”的重要组成部分。 1、原有建设规模 原沈大高速公路路线全长375公里(起点沈阳市建设大路,终点大连周水子),路基宽26米。全线共设互通立交27座;特大桥1座,1206延米;大桥13座,共计3117延米;中桥41座,共计2588延米;小桥93座;涵洞451道;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120公里/小时标准,K332-K349的17公里按100公里/小时设计;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,存在安全隐患,降低了服务水平。 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 6、路面 原沈大高速公路全线路面依据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,行车道路面的典型结构如表1所示: 根据《公路养护技术规范》,以实地调查资料为基础,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,结果见表2。 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 沈大高速公路原有6座服务区和停车场的规模、服务设施条件、服务水平均无法满足日益增长的交通量和用路人的需求。 为完成好沈大高速公路改扩建工程,交通部和辽宁省委、省政府多次听取交通厅的汇报,提出“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”,要“建一流工程,塑最好作品,树全国样板,再现神州第一路风采”。为此,我们组织有关技术和工程管理人员制定了《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,借鉴国内外高速公路改扩建的成功经验,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、改扩建工程技术方案 沈大高速公路改扩建技术方案论证主要包括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三个方面论证。 (l)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,我们进行了论证比较。 ①为满足交通量增长需要,沈大高速公路需要一次改扩建为八车道。 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,又需将主线所有路基、桥涵再次加宽,且扩建的交通组织等各方面难度进一步加大,因此,按八车道改扩建是合理的。 ②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八车道。 我省高速公路到2002年已达到1637公里,全省所有14个地级市己全部用高速公路联通,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。因此,本次改造应该一次到位,扩建为八车道。 ③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(1320万元/公里)。经测算,如果按六车道标准(34.5米)建设,改扩建投资为31亿元(890万元/公里)。这样,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。因此本次按八车道改扩建在经济上是合理的。 ④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施工,对主线行车基本无影响。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。 ①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。 ②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%。 ③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。 ④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。 ⑤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、超车受到较大干扰,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,我们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。 ①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。 ②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。 ③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。 ④单侧加宽时,互通立交及跨线桥的改动量较双侧加宽大。 ⑤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。 ⑥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,确定沈大高速公路改扩建工程规模和标准为: 沈大高速公路全线348公里(起点沈阳金宝台,终点大连后盐)采用以两侧加宽为主的八车道方案,即路基宽度两侧各加宽8米,总宽为42米,横断面布置为: 分隔带3米,路缘带2×0.75米,行车道8×3.75米,硬路肩2×3米,土路肩2×0.75米,每侧护坡道宽度2米;主线计算行车时速120公里/小时,立交区匝道计算行车时速60公里/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。 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: 前期准备阶段: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。 四、沈大高速公路改扩建工程关键技术 1、路基加宽技术 改扩建工程控制新老路基沉降差,防止新老路基产生纵向开裂是关键。经国内外调研和专家技术论证,确定采取以下路基加宽技术方案。 (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 (3)加强新填路基部分填前碾压 (4)控制新填路基填料 (5)加强路堤压实度 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。 ①当原路面路段代表弯沉Lo〈50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。 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。 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,因此不采用抗冻融循环能力较差的二灰稳定结构,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。 (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,提高路面的耐久性。 (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。 (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.Om,宽度为< 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 改扩建工程控制新旧构造物在结合处产生纵向裂缝是又一关键,我们采取了以下技术方案。 (1)加宽桥涵与原桥上下部全部刚性联结,上部结构预制安装后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。L≥10m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、 大跨度隧道建设技术 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。 金州隧道开挖宽度大,高度高,隧道施工工艺采用目前世界先进的新奥法,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”的工作原则,分层分部的多部开挖,一次最大开挖宽度仅11.Om。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。金州隧道由于跨径大,全洞均设有工字钢架支护,为了确保安全,每次循环掘进长度仅有0.5-1.Om,最长IV类围岩也不超过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 (1)场区平面布置——近期与远期相结合; 五、沈大高速公路改扩建后通车运营情况 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;2005年日均车流量达到30,000辆小客车,最大断面日均车流量超过53,000辆小客车。 经跟踪观测,目前全线路面平整,路基稳定,构造物安全,排水设施顺畅,横向新老路面和桥梁的连接部位均没有出现纵向开裂,SMA混合料优良的路用性能也得到了充分的发挥,全线工程达到了预期目标。 六、高速公路改扩建工程技术建议 (1)高速公路改扩建工程技术是高速公路可持续发展的体现,它面对的技术问题不同于新建项目,目前我国早期修建的国道主干线项目即将面临大规模扩建的迫切需要,建议交通主管部门和各级学会加强科技攻关、开展技术创新、技术总结组织工作,不断积累工程经验,尽早形成完善的改扩建工程建设成套技术和技术政策,这是工程成败的关键。 (2)我国早期修建的高速公路采用的是《公路工程技术标准》(JTJ O01-97)版及相关的技术规范,而当前执行的是JTG B01-2003版及相关的技术规范,在荷载标准等方面有一定的差异,建议尽快制定技术指导意见。 (3)全面收集原路通车运营以来的维修、养护技术数据,调查原路使用现状,通过技术标准评价、使用功能性评价、道路安全性评价工作,确定改扩建工程的技术标准和技术方案。 (4) 针对改扩建项目的特点和关键技术提前安排技术攻关工作。 (5) 根据项目在运输网中的地位和作用,做好交通分流的技术准备工作,为项目的顺利实施、最大程度地减少对社会经济发展的制约创造条件。 (6) 强化新建项目竣工文件归档工作,建立完善的高速公路管理、养护、维修档案,为项目改扩建提供充分的基础资料。 (7) 对于交通量增长较快、工程条件复杂的新建项目,局部复杂的单体工程的建设标准和规模应该充分考虑到为将来的扩建留有必要的技术条件。 (8) 及时总结早期建成的高速公路项目交通流量发展规律,指导新建项目的规划、立项,合理确定建设规模和标准。 结 语 沈大高速公路改扩建工程的竣工,标志着辽宁省高速公路建设又上了一个新台阶,这是交通行业工程经验和智慧的结晶。正如交通部前任部长张春贤同志在通车仪式上发表的重要讲话中所指出-—“沈大高速公路改扩建工程,充分运用新技术、新材料、新工艺,实现了技术突破和科技创新,是科学发展观在交通建设舞台的成功实践;探索了经济上升时期高速公路的成长规律,检验了工程技术构想,从一个侧面体现了交通建设可持续发展的内涵,为我国高速公路改扩建工程的实施积累了宝贵经验,提供了重要示范”。 |
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