城市快速路拓宽工程差异沉降控制标准探讨

摘 要：拓宽工程中的差异沉降对现有路面影响较大，而差异沉降控制标准的高低对道路投资影响较大。标准过高，道路前期建设成本高，标准过低，道路后期养护费用增加，因此制定合理的差异沉降标准至关重要。该文归纳、总结了现有高速公路拓宽改造工程差异沉降标准的研究现状，结合现有城市道路规范对城市快速路拓宽改造工程差异沉降控制标准进行了初步探讨。

关键词：城市快速路 拓宽工程 差异沉降 控制标准

随着城镇化建设及社会经济的快速发展，城镇人口及车辆剧增，现有城镇市政道路已无法满足快速增长的交通量和社会发展的需求，因此急需要配套的道路基础设施来缓解交通拥堵情况。目前解决原有道路拥堵问题主要通过以下两种途径：（1）通过新建城市主干路、快速路分散交通量，减少原有道路交通量；（2）拓宽原有道路，增加原有道路的通行能力。由于受城镇总体规划条件限制，在城市成熟区已无新建城市主干路、快速路条件，因此，对原有城市主干路、快速路拓宽则成为必然选择。但拓宽工程由于新、旧路基地基填筑时间及作用荷载不同等原因，其强度和刚度存在较大差异，新旧路基将产生差异沉降，而这种差异沉降将在路面结构拼接处产生较大拉应力，导致路面破坏。同时，拓宽工程的建设及运营将增大旧路差异沉降，增大旧路横坡，而过大的差异沉降将影响道路的使用功能，因此，提出合理的差异沉降控制标准至关重要。

目前，国内外研究均是基于高速公路进行。国外对差异沉降标准的研究主要集中在桥头路段及软土路基的工后沉降方面。如，对于德国的高速公路，桥梁路段允许坡差不大于1/300，通常取1/200；软土路基相对工后沉降（工后沉降与总沉降量之比）控制为5%～15%，工后沉降为3～5 cm，特殊情况下为10 cm。法国工后沉降要求：一般路段为10 cm，桥头引道部分为3～5 cm，其对应的地基固结度为85%～95%。日本工后沉降要求：一般路段为10～30 cm；路桥过渡段路基部位为5～10 cm。而研究者们提出的差异沉降指标主要为容许坡差，Daniel等人认为允许坡差为0.28%～0.42%较为合理。James等人认为桥头路基沉降允许坡差0.8%～1.0%。Briaud等提出了最大容许坡差为0.5%可保证行车安全舒适。

国内一般采用坡差或变坡率作为差异沉降控制指标。周虎鑫认为高速公路软土地基路面容许坡差为0.4%。张嘉凡认为坡差超过0.35%，半刚性路面基层底部将产生拉裂破坏。董海、邢启军认为高等级公路路面功能性要求差异沉降坡差控制在0.4%以内。沈大高速公路拓宽工程要求差异沉降坡差控制在0.4%以内。沪宁高速公路拓工程要求差异沉降控制坡差，即纵横向坡度差不得大于0.5%。

1 拓宽工程差异沉降控制标准探讨

拓宽工程差异沉降主要分为旧路差异沉降、新路差异沉降和新旧路基差异沉降。旧路差异沉降指旧路路肩（新旧路基拼接处）与旧路中心之间沉降差；新路差异沉降指最大沉降点与新路路肩之间沉降差；新旧路基差异沉降指新路最大沉降与旧路中心沉降差。旧路差异沉降对现有道路影响较大，且控制旧路差异沉降的同时对其他差异沉降也较为明显，目前绝大多数研究成果是以旧路差异沉降最为控制指标，因此，该文主要对旧路差异沉降控制标准进行探讨。

拓宽工程差异沉降控制标准的确定是一个较为复杂的技术、经济问题，涉及到施工期费用与道路后期养护费用的分配问题，而两者之间又是此消彼长关系。因此，差异沉降控制标准的确定需通过技术经济分析和工程实践验证来实现。国内外研究人员得到的加宽工程差异沉降控制标准变化较大，变坡率在0.15%～0.50%之间。

拓宽工程需满足道路路面的使用性能，包括结构性能和功能性能两方面。前者主要表现为路面的损坏状况和结构的承载能力，后者则表现为行驶舒适、行车安全、运行经济以及对环境的不良影响等。因此，拓宽工程差异沉降控制标准应同时考虑路面的结构性能和功能性能两个方面。

1.1 按路面功能性能要求确定差异沉降控制标准

从城市道路路面功能性要求出发，一般考虑纵坡、横坡、平整度3个方面满足道路适用功能要求。

（1）拓宽工程的纵坡要求。由差异沉降而引起的纵坡变化，不应超出城市道路标准《城市道路工程设计规范》（CJJ37-2012）规定的不同设计速度下最大纵坡限制如表1，从表1可知，除40、50、60 km/h设计时速之间坡度相差0.5%外，其余各设计速度之间相差1%。因此，因差异沉降而降低纵坡标准不得超过1%，40、50、60 km/h设计时速不得超过0.5%，否则将降低道路功能性要求。同时考虑到工程地质条件差异等其他一些不利影响因素，建议差异沉降控制指标容许值纵坡坡差为0.5%。

（2）拓宽工程的横坡要求。设计横坡的目的是及时将雨水排出路面，以保证行车安全。差异沉降发生后，路面横坡不应超过城市道路规定的标准。通常，新建道路在路基横断面方向地基土层性质变化不大，其差异沉降主要是由其自重所引起的。但在拓宽工程中，新旧路基下地基土层性质变化大，旧路地基在原有路基及车辆荷载下固结沉降基本完成，而拓宽部分地基在路基荷载作用下将发生较大的瞬时沉降和固结沉降。拓宽工程路基沉降特性有别于旧路路基，其沉降特性为拓宽路基中心部分沉降大，旧路部分沉降小，而未拓宽的旧路路基沉降为路基中心沉降大两端小，如图1所示。由图1可知，在拓宽工程中，由于拓宽路基的填筑，路基沉降呈“两端大，中间小”分别形式，拓宽路基填筑过程将使旧路横坡差不断增大。同时道路运营后由于拓宽路基部分一般为大车道，道路横坡差将不断增大，因此，从横坡上控制差异沉降变坡率即为重要。在拓宽工程设计路拱坡度时，若采用较大值（2%），随着拓宽部分路基地基的固结，路拱坡度将不断增大，这虽然有利于路面排水，但不利于行车安全，降低道路使用性能。如果路拱坡度采用较小值（1%），又不利于路面排水。同时，《城市道路工程设计规范》（CJJ 37-2012）规定快速路及降雨量大的地区横坡宜采用1.5%～2.0%。因此，城市快速路加宽工程路拱坡度的设置一般采用1.5%，为保证沉降稳定后，路面横坡既有利于路面排水，又能够满足技术指标要求（不高于上限2%），横向坡差最好控制在0.5%以内。

（3）拓宽工程的平整度要求。快速路即是为使汽车快速行驶，加快交通通行，提高社会经济效益的通道。为了确保车辆能够快速行驶，必须满足许多条件，如道路平面线性、纵横坡要求等。除此以外，还有一个非常重要的技术指标――路面平整度。对于快速路，由于车速快，道路稍有不平整就会造成严重颠簸，降低行车舒适性，同时也会给驾驶员带来不安全感，迫使其减速，以至于达不到快速的目的。对于平整度各国都有自己的技术要求，标准并不统一，而且测量平整度的仪器多种多样。《城镇道路工程施工与质量验收规范》（CJJ 1-2008）规定城市快速路、主干路δ≤1.5，次干路、支路δ≤2.4。这个指标只是为了检验工程的施工质量，并不是在道路使用期间的平整度指标。鉴于目前我国的情况，考虑到“平战结合”原则，可根据《民用航空运输机场飞行区技术标准》确定在路面使用期间平整度变坡率为：

（10 mm-3 mm）/（3000/2）≈0.46%

式中：3000为检测平整度的3 m直尺；10 mm为旧路路面直尺与表面间隙；3 mm为新路路面直尺与表面间隙。

综上所述，道路功能性指标主要从纵坡、横坡、平整度3个方面考虑，其变坡率指标要求列于表2。

从表2可知平整度变坡率指标为最严格的差异沉降指标，因此，把最严格的坡差要求作为路面功能性能指标要求，同时考虑到工程地质条件差异及其他影响差异沉降的不利因素，从路面功能性要求出发，快速路拓宽工程差异沉降控制标准容许变坡率为0.4%。

1.2 按路面Y构性能要求确定差异沉降控制标准

路面结构性能对道路的安全性舒适性及后期养护、维护至关重要，路面结构分析的主要指标为路面基层层底拉应力大小，而差异沉降将在路面结构层产生附加拉应力，其大小对路面结构性能影响大。同时路面结构材料、厚度等不同，路面容许拉应力也不同。目前城市快速路多采用半刚性基层路面，路面结构主要含三层面层（通常为SMA表面层、AC-20中面层、AC-25下面层），两层基层（水泥稳定级配碎石基层和底基层），一层垫层。

快速路拓宽工程新旧路基差异沉降的发展是一个长期的过程，路面结构所承受的应力也随差异沉降的发展而变化。同时，在交通荷载的反复作用下，路面结构将产生疲劳破坏。目前在进行路面结构设计时多为现有规范土或半刚性材料的极限抗拉根据路面结构设计参数及交通荷载，利用规范所列公式计算得到基层层底拉应力。现有《城镇道路路面设计规范》（CJJ 169-2012）规定了沥青路面的应力控制标准，对于快速路、主干路和次干路半刚性材料基层层底拉应力验算时，层底计算的最大拉应力应小于或等于材料的容许抗拉强度，但其主要针对的是新建道路，考虑主要因素为交通荷载，尚未考虑拓宽工程引起的附加拉应力。对于拓宽工程还应考虑由于拓宽路基差异沉降而引起的附加拉应力，即由交通荷载产生的拉应力与差异沉降产生的附加拉应力之和应小于路面结构材料所容许的拉应力。因此，对于拓宽工程为保证访娼峁剐阅？可通过两种途径来解决：（1）改善路面结构材料，提高其容许拉应力；（2）通过对路基地基及拓宽工程结合部处理减小拓宽工程差异沉降，从而减小其引起的附加拉应力。由于改善路面结构材料较为困难，对现状交通和社会影响较大，因此，只有将拓宽工程差异沉降控制在合理的范围内，方可满足道路路面结构性能要求。目前国内外学者多是通过数值模拟计算、模型试验、现场试验研究拓宽工程差异沉降对路面结构层附加拉应力的影响，从路面结构性能要求方面提出拓宽工程差异沉降标准。现有研究成果显示从路面结构性能要求确定的差异沉降控制标准为坡差0.15%～0.4%。

2 结语

（1）对于城市快速路拓宽工程差异沉降标准，从道路功能性能要求出发坡差应控制在0.4%以内，从道路结构性能要求出发坡差应控制在0.2%以内。

（2）对于城市快速路拓宽改造工程差异沉降标准应根据技术经济综合考虑，若按道路功能性要求坡差控制，则道路建设期对地基及路基的处理费用减少，而道路后期养护费用将增加；若按道路结构性能坡差控制，则道路建设期投资增加，道路后期养护投资将减少。拓宽工程差异沉降控制标准应结合工程实例从技术经济方面进一步验证。

参考文献

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