高速公路路基沉降与稳定观测方案[优秀工程方案]

溆浦至怀化高速公路(1-20合同段)路基沉降与稳定观测方案湖南省海威特公路检测技术咨询有限公司二〇一〇年九月目录1 目的和意义 (1)2 沉降与稳定观测的依据 (2)3 观测内容 (3)4 沉降与稳定观测点的布设 (3)4.1 布置原则 (3)4.2 沉降与稳定观测点布设步骤 (5)4.3沉降与稳定观测点布设方法 (6)5 溆怀路重点观测断面的选择 (9)6 沉降与稳定观测控制指标和精度 (10)6.1 沉降观测 (10)6.2稳定性观测 (11)7沉降与稳定观测的周期 (11)8 提交成果 (11)8.1 提交的成果报告 (11)8.2 成果报告的应用 (11)9项目的组织和管理 (12)9.1 项目的组织结构及主要参加人员 (12)9.2 拟投入的仪器设备和计算软件 (13)9.3 有关部门的协调配合 (13)10 项目经费预算 (14)附表(溆怀高速公路路基沉降与稳定测点分布一览表)1 目的和意义复杂多变的地形、地貌、地质条件是高速公路路基施工和长期稳定所面临的共同课题,对这些问题的了解程度和处理成功与否将直到公路的整体质量,这其中,软土地基、特殊土路基、高填方路堤、半填半挖路堤、陡坡路接影响堤、岩溶地基、填切交界频繁等不利因素更是路基修筑的棘手问题.溆浦至怀化高速公路是我省“五纵七横”高速公路网中的第三横——娄底至怀化高速公路的西段.本项目地处湖南省中部向西部的过渡地带,雪峰山脉的北东向延伸区,呈东西向纵贯怀化地区,路线起于溆浦县北部,与新化至溆浦高速公路顺接,西至怀化市北部鹤城区黄金坳枫木坪,与包茂国家高速吉首至怀化段相接(通过黄金坳枢纽互通转换).走廊带全部位于怀化地区,主要通过怀化的溆浦县、辰溪县、中方县、怀化市鹤城区.主线路线全长91.781千米.路线沿线风化剥蚀较强烈,属于丘陵地貌,地形受岩性、构造控制较显著,沟壑纵横,存在大量高填路基、半填半挖路基及陡(斜)坡路基.地质构造较为复杂,断层、褶皱构造发育,亦存在多处采空区、岩溶、软基等不良地质路段.因此,路基在填筑过程中,产生局部小滑塌、变形及不均匀沉降的可能性较大.以上这些不利因素给溆怀高速公路路基修筑带来了很大的难度,为了优质高效建好溆怀高速公路,就必须密切关注不同工程地质条件下路堤填筑过程中或填筑后的路基变形动态,也就是必须进行不同支撑条件下路基沉降和稳定的动态观测,为指导施工及时提供可靠的参考数据,同时,基于为今后湖南省新建高速公路(特别是山区、丘陵区高速公路)的建设提供基础数据,提高设计水平和指导施工,在溆怀路选择一些关键工点进行全断面长期沉降及稳定观测是非常有必要的,这是工程实际的客观要求和提升技术水平的必然途径,其经济意义及理论价值不言而喻.本次沉降及稳定观测分为普通沉降观测和重点断面沉降观测两个方面,其中普通沉降及稳定观测目的如下：(1) 以观测结果指导现场施工,正确控制路堤施工填筑速率,合理确定预压卸载时间和结构物及路面施工时间,并提供施工期间的沉降土方计量依据,进行信息化施工;(2) 根据监测结果及时发现危险的先兆,分析原因,判断工程的安全性,采取必要的工程措施,防止发生工程破坏事故和环境事故,确保路堤施工中的安全和稳定,控制和保证高速公路工程质量;(3) 通过观测,评价工程的技术状况,预测沉降量,验证设计参数和设计理论的正确性,使工后沉降控制在设计的允许范围内;(4) 通过观测,检验地基工程处理效果和施工方案的正确性.重点断面沉降及稳定观测目的如下：(1)用于沉降管理,根据测定数据调整填土速率;(2)根据监测数据,判断路基的稳定性,确定地基内可能出现的破坏面,保证路堤施工的安全和稳定;(3)确定预压卸载时间和结构物及路面施工时间;(4)监测运营期路基纵向、横向不均匀沉降,以了解不均匀沉降的大小及其发生、发展的规律;(5)监测运营期路基、基层、面层内的动、静应力和应变,了解不同施工工艺、路堤高度、不同路面结构下路基、基层及面层的静、动应力的分布规律,为交通荷载作用下路面结构稳定性分析提供基础资料;(6)评价地基处理方法、施工工艺的工程效果;验证设计理论的正确性;制订施工控制标准,指导设计与施工.基于以上目的,拟在溆怀路选择一批关键观测点及若干个重点断面进行路基沉降及稳定观测,其中原地面或路堤部分沉降观测点234个,路堤总沉降点234个,横向水平位移点108个,重点观测断面2个.测点分布位置见附表“溆怀高速公路路基沉降与稳定测点分布一览表”.2 沉降与稳定观测的依据(1) 《工程测量规范》(GB 50026-2007);(2) 交通部《公路路基设计规范》(JTG D30-2004);(3)《公路勘测规范》(TG C10-2007);(4) 河海大学和沪宁高速公路股份有限公司主编的《交通土建软土地基工程手册》2001.4;(5) 交通部《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006);(6) 交通部《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2003);(7) 交通部公路规划设计院《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006);(8) 溆怀高速公路的地质勘测资料、施工设计图及有关技术文件;(9) 溆怀高速公路路基沉降与稳定观测合同书.3 观测内容普通测点及重点观测断面所有观测项目如表1所示：4沉降与稳定观测点的布设4.1布置原则变形观测点应设置在需要观测的位置处,它直接反映出测点处变形情况,因此,测点的设置位置不仅要根据设计要求,同时还应针对施工掌握的地质、地形情况调整或增设.沉降和稳定等观测点最好设在同一断面上,这样有利于测点看护,便于集中观测,统一观测频率,更重要的是便于各观测项目数据的综合分析.（1）对于软土路基路段,按规范要求,每隔200米左右应设置一个地面沉降观测点,桥头引道路段至少设置3个观测断面;一般路堤沉降元件埋设在路中心,高路堤(填土高于10米)、桥头引道增设路肩及坡脚测点.(见图1)图1 原地面沉降观测点设置(2)对于地基条件较好的路段,路堤填筑后自身压缩量受压实标准和施工质量控制,路堤高度大于10米的一般路堤按点距250米布置,填土高度大于5米的桥头(涵洞)路堤50米范围内按点距25米布置观测点.(参见图2)l0米的地方应设置地面横向位移标,观测地表水平位移和隆起,判断路基稳定性,设置个数以控制路基稳定为目的确定(见图4).地面水平位移观测元件一般路段纵向每隔100~200米设置一个观测断面;桥头路段设置2~3个观测断面.(5)在土方路堤填土高度大于l0米的软土路段,且软土层厚度较大,应选择代表性位置进行综合观测.除观测地面沉降和水平位移外,还包括路堤填筑体分层沉降全断面观测(见图4、5)、深层土体水平位移、分层沉降、孔隙水压力、地基竖向静、动应力和基层竖向静、动应力等.为利用综合观测资料研究分析路基稳定和沉降规律,尚需在已有地质资料的基础上,进行原状土取样及原位测试,试验按《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》(JTJ017-96)要求进行.4.2 沉降与稳定观测点布设步骤布设前应该考虑地质、地基处理及路堤设计方式、荷载、结构物特征、施工作业方式和经济等因素.根据不同要求,观测点的布设分为沉降观测元件、水平位移观测元件、分层沉降标、全断面剖面沉降仪、测斜管、压力盒和孔隙水压计的布设等内容.目的是能够准确而完整地反映出软土地基路堤沉降和路堤自身压缩变形沉降的规律性.根据工地施工进度,依次按以下步骤进行布设：(1)在软土地基或原地面处理完成后,一方面布设综合观测断面的测点,即：分层沉降标、全断面剖面沉降仪、测斜管、压力盒、地表沉降元件、地表水平位移元件和孔隙水压计;另一方面,布设一般软基路段的地表沉降板和边桩;(2)当填土高度达到所要求的位置时,则按计划在该断面埋设路堤剖面沉降管或水平测斜管等.(3)在路基填土完成后,根据情况布置基层沉降管、路肩测斜管、静态及动态土压力元件、应变传感器等.根据上述原则和方法,各标段的沉降与稳定观测的测点布置详见附表：溆怀高速公路路基沉降与稳定测点分布一览表.图5 路堤填筑沉降全断面观测示意4.3 沉降与稳定观测点布设方法4.3.1沉降观测点的布设路基沉降观测系统由观测地表沉降的沉降板、观测土体内不同层次沉降量的分层沉降标、观测全断面整体沉降的剖面沉降仪组成.⑴沉降板的布设在考虑以上地质、地基处理及路堤设计方式、荷载、结构物特征、施工作业方式和经济等因素的情况下,埋设在变化分界线的两侧,这主要在室外完成.在地质情况相似地段上,要参考地形因素进行埋设;地形因素也相似的情况下,以适当距离布设,这主要到现场踏勘进行.对于结构物(桥梁、箱涵、通道等)的两端要埋设2组以上的沉降板,以确保沉降观测数据的可靠性.沉降板由钢管和底面钢板组成.底部钢管用互成120°的撑脚三角板焊接在沉降板中心处,节管用管箍连接.节管顶部用护管帽盖住.施工人员按设计的桩号断面将沉降板埋入铺好的砂垫层上.实际操作时,在第一层压实面上挖土坑(深20～30厘米),管顶应低于原压实面5~8厘米,随即测量管顶至底板高差,填土夯实至管顶,并测量管顶标高(初读数),当第二层土施工完毕后,在管顶位置接上第二节钢管,如此往上接长测量管直至路基顶面.⑵分层沉降观测点的布设分层沉降标一般埋设于路中心,一个观测断面埋设1～2根,分层沉降点沿铅垂线方向上和各层土内布设.点数与深度,应根据分层分布情况确定,原则上每一土层设一点,最浅的点位应在基础底面下50厘米处,最深的点位应在超过压缩层理论厚度处,或设在压缩性低的砾石或岩石层上.埋设步骤为：①在测点处钻孔,钻孔直径一般为108～125米米,最好用全断面取土器成孔,不可水冲,钻孔倾角小于1/100;②下沉降管,注意接头连接与密封;③下沉降环,按设计要求每间隔一定距离放置沉降环(土体中一般2.0米一个),从下往上,用送环器沿管壁下放,到规定深度后放开叉簧片,使其固定于土中;④每埋一个沉降环,及时进行回填,直至到下一个沉降环的位置;⑤整个钻孔沉降环埋设结束,进行第一次测量,记录下环的初始位置,并及时测量孔口高程;⑥作好埋设记录,内容包括：工程名称、观测孔编号、孔深、孔口坐标、高程、沉降环数量、初始位置、主要埋设人员、日期等.⑶路堤填筑全断面观测点的布设全断面观测仪有不同的类型：水压式、振弦式和水平测斜仪等.测试地基沉降时,在地基处理完之后,按以下步骤进行：①测线定位,要求准确、平直;②开沟,沟宽40～60厘米,深度50～70厘米,若上部有大型机械施工时深度应更大.沟底部平整、夯实,铺一层5～10厘米的细砂;③预先在沉降管中放好一根拉弦(测绳或细钢丝),连接铺设沉降管.使用水平测斜仪时,铺设的沉降管上应在每个管两头槽口上作好标志,不得扭曲;④沉降管放好后回填砂土并压实,埋设好后将探头在管中试行滑动,检查是否顺利,若不顺利,则挖开堵塞处,重新处理;⑤使用振弦式观测仪时,应在距沉降管出口不远的地方选择一处不受沉降影响的基准点,砌制水泥基准台,表面水平,其高度略低于沉降管可能达到的最低点,并测量其坐标、高程.为了防止沉降管被压扁而影响使用,沉降管应选择具有较大的径向刚度的高压水管,一般选择使用钢丝绕的高压管.测试路堤沉降时,在预计埋设沉降管的位置上,经压实后再挖槽,槽的尺寸比沉降管尺寸略大,埋设方法与测试地基相同.沉降管埋设之后,为了防止土粒进入,应及时在沉降管两端设计保护设置,保护设置为有盖板的砼池,池的尺寸根据实际情况确定,其原则是：一是能够让水管、导线、探头顺利通过,二是能够防盗.4.3.2 稳定性观测点的布设路基水平位移观测断面应与沉降观测断面相吻合,观测断面设于与路线垂直的轴线上,观测系统由观测地表变形的边桩和观测土体内部水平位移的测斜管组成.(1)边桩的布设在路基的填筑过程中,由于路堤荷载的作用下,使路堤坡脚处可能产生水平位移和垂直位移,因此要在路堤坡脚处设置若干边桩(位移桩).位移桩的布设根据地基及路堤场地条件确定,一般从路堤坡脚起,在垂直于路中心线方向每隔2～3米布设3～4个边桩,并用经纬仪定线方法使这些边桩在一条直线上,最后用小钉在木桩上标定桩位.边桩的布设主要在填土比较高的路基地段,一般布设在结构物的两端(主要是在各种桥梁的两端).边桩采用钢筋混凝土预制,砼标号不小于25号,长度 1.5米,方形断面,边长15厘米,桩顶预埋特制测头.边桩的埋置深度以地表以下不小于1.2米为宜,桩顶露出地面的高度不应大于10厘米.埋置的方法可采用打入或开挖埋设,要求桩周回填密实,桩周上部50厘米用混凝土浇筑固定,确保边桩埋置稳固.实践表明,砂垫层上铺设土工布能够限制侧向位移值,坡脚处侧向位移最大值发生在地面下6～8米,且位移量仅仅占路堤中心的沉降量的1/8左右,而边桩所测的最大侧向位移量仅仅约占路堤中心沉降量的1/40.因此,要确实掌握路堤的侧向位移,最好将布设边桩改为埋设测斜仪.如果仅仅把地面边桩所测得的位移值作为控制值则是十分危险的.(2)土体水平位移观测点的布设目前测量土体内水平位移及其方向大多使用测斜仪.测斜仪埋设于地基土体水平位移最大的平面位置,一般埋设于路堤边坡坡趾或边沟上口外缘1.0米左右的位置.测斜管埋设时采用钻机导孔,导孔要求垂直,偏差率不大于1.5% .测斜管底部埋置于深度方向水平位移为零的硬土层中至少50厘米,或基岩上,管内的十字导槽必须对准路基的纵横方向.当测斜孔较深或埋管与观测时间间隔较短时采用注浆的方法回填孔壁;而当测斜孔较浅或埋管与观测时间间隔较长时(大于两个月),可采用细砂回填和自然塌落消除孔壁空隙.4.3.3 孔隙水压力测点的布设通过在地基土体内部埋设孔隙水压力计观测土体孔隙水压力变化,以便掌握地基的固结状态,了解并据此分析地基土固结程度及地基处理的效果.孔隙水压力计的平面布点宜集中于路中心,并与沉降、水平位移观测点位于同一个断面上.孔隙水压力测点沿深度布设根据试验分析需要而确定,一般每种土层均设测点,土层较厚时一般每隔3～5 米设一个测点,埋置深度应及至压缩层底.孔隙水压力计有钢弦式、测压式、水关式、电阻应变片式等,其中钢弦式稳定性好,灵敏度高,使用最多.具体的埋设要求按《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》(JTJ017-96)进行.根据上述方法,结合溆怀高速公路的具体情况,溆怀路路基沉降与稳定观测点布置将包括原地面变形点的布置、土体自身压缩变形点的布置、重点观测断面的布置.路基原地面变形观测点主要埋设在软土路段、采空区、超高路堤、高填方桥头、岩溶区,基本控制了重点变形部位.土体自身压缩或侧向位移的观测点则主要布置在高填方、高填方桥头、填挖交界处.在超高路堤、原地面沉降较大部位应重点观测,重点观测断面的设置是为了全面掌握路基土体应力和变形的动态变化过程,综合分析路基稳定性(重点断面测试仪器的埋设方法及原则略).路基沉降与稳定观测点位一般通过业主提供的设计文件和现场详细调查在埋设时最终确定,测点的数量也需要根据现场实际路基条件和施工中出现的问题进行增减.此次,根据我们掌握的一些基本资料和以往的工程实践经验,初步编制了“溆怀高速公路路基沉降与稳定测点分布一览表”作为本观测方案的重要组成部分,见方案后面的附表.5 溆怀路重点观测断面的选择根据上述方法,结合溆怀高速公路的具体情况,经过现场调研及踏勘,拟在溆怀路选择2个典型断面进行全断面观测,断面位置及基本情况如下.(1)第15合同段k152+420第15合同段k152+420为高填方路段,路基中心最大填土高度约为23.36米,地基为淤泥质软土,拟将该处典型高填方路段设为重点观测断面.(2)第17合同段k165+400第17合同段k165+400为高填方路段,路基中心最大填土高度约为18.48米,地基为淤泥质软土,拟将该处典型高填方路段设为重点观测断面.6 沉降与稳定观测控制指标和精度高速公路软土地基沉降量的变化相当复杂,它与设计总沉降量的大小、观测频率、地质条件(软基厚度)、地基处理方式、填土速率、填土高度、沉降控制方法以及沉降趋于稳定状态等因素有关.因此,需要对施工全过程(路堤填筑、预压期及路面施工期)分阶段确定水准测量等级.在路堤堆筑期,填土速率控制在日沉降速率不大于1.0厘米/d;在预压期(堆载或等、超载),连续2个月实测沉降速率小于5米米/月为路基稳定;在底基层、基层和油面层施工时,连续2个月实测沉降速率小于3米米/月为路面层稳定.6.1 沉降观测根据施工全过程的沉降观测的不同要求,路堤施工全过程沉降观测水准测量等级、精度指标和对仪器的要求如表2所示,水准测量的主要技术指标如表3所示.表2 路堤施工全过程沉降观测水准测量等级、精度指标和对仪器的要求表3 水准测量主要技术指标注：N为测站数,路线允许闭合差取自《工程测量规范》(GB50026-2007).6.2 稳定性观测路基水平位移的观测精度要求与观测的方法和观测的仪器有关：当采用单三角前方交会法观测时,观测仪器采用J1或J2经纬仪,方向观测水平角误差为±2.5″;当采用视准线观测方法时,观测仪器采用光电测距仪,测距仪误差为±(5米米+5PP米.D).7 沉降与稳定观测周期由于观测对象及其各种条件不同,关于观测周期的确定,目前还不能得出确切的计算公式,一般根据现有的规范和经验而定.对于公路施工阶段的沉降观测,通常按加载阶段和变形是否稳定确定观测周期.公路施工一般分为填筑期、预压期和路面施工期三个阶段.对软土地基段、采空区和岩溶区：第一阶段,荷载逐渐加大,沉降速度较快,正常情况下7天左右观测一次;第二阶段,预压初期每半月观测一次,以后可每月观测1～2次;第三阶段,路面每填筑一层观测一次,或每月观测一次.对其它普通高填路段可每月观测1～2次,但在超高填路堤的填筑后期应适当加大观测频率,每半月观测一次.对于重点断面,通车1~2年,每月观测一次,通车3~5年,每3个月观测一次.但既定周期并不是一成不变的,当有特殊要求或发现有异常情况时,适当缩短观测周期.8 提交成果8.1 提交的成果报告通过观测资料的及时整理分析,在全线沉降观测过程中将提交下述成果报告：⑴现场观测简报(按月提交);⑵沉降和稳定发生异常专题报告(及时提交);⑶路基沉降与稳定观测总报告(项目完成后).8.2 成果报告的应用为保证路堤沉降与稳定观测的成果能确实及时地指导路堤的填筑施工,真正实现信息化施工的目标.特提议施工管理的有关部门在制定施工控制程序时,应考虑将沉降与稳定观测的成果作为监理工程师签发施工指令的前提,也就是说对于存在软土地基、路堤高度大于10米或沉降变形速率偏大的路段,各个阶段的施工时间安排应征求观测单位的意见.9 项目的组织及管理9.1 项目的组织结构及主要参加人员为了全面正确地贯彻本沉降与稳定观测方案,需要一个管理科学、运行有效、技术过硬的项目组织作保证.因此,一方面为该项目配备了一批具有丰富的相应技术知识和工程经验、责任性强的专业人员,并根据项目的具体需要,同时结合个人的知识、能力和经验特点实行定岗定责任,分工明确,注重发挥每个技术人员的特长将其放在最恰当的岗位上;另一方面,制定一整套完善的观测项目管理制度,以规范项目实施的每一个环节,确保测试的技术方法正确实现,观测人员操作合符规程,仪器设备运转正常可靠,观测的数据结果全面、真实、准确,处理和分析观测数据迅速科学,提供的报告及时、全面、正确.项目的主要组成人员如表4：表4 项目组主要人员组成9.2 拟投入的仪器设备和计算软件根据以往在沉降与稳定观测中的经验,本着测试精度高、性能稳定、操作简便而且经济实惠的原则,本项目拟选择以下主要仪器设备和软件,见下表5(包括路基沉降与稳定观测的部分和用于重点观测断面的部分)：表5 拟投入的主要仪器设备和计算软件一览表9.3 有关部门的协调配合沉降观测的路线长,点多面广,历时长,现场施工环境复杂,所有观测元器件的保护十分重要,而且元器件的完好程度,直接关系到观测工作的成败;另一方面,埋设和接长沉降管需要根据施工进度依次进行,所以需要随时掌握工地的施工进度,如果完全由观测组到现场来跟踪了解进度是不切实际的.因此,为了以后沉降观测的顺利进行,圆满完成观测任务,则需要各施工标段和监理的长期不懈的大力支持和配合,特提出以下几点建议：1、由施工单位负责埋设与保护沉降板,监理单位应时刻督促执行.施工单位应定人定点负起埋设和保护好沉降板的责任,同时要将保护沉降板的要求让每个施工人员都熟记于心,每次施工作业都应当高度注意不要扰动或破坏沉降管.一旦发生扰动或破坏沉降管的情况应立即及时通知观测组.每个监理处应定人负责沉降观测的协调联络工作.2、施工单位应做好协助观测单位开挖、接管、测量等辅助工作.3、对于总沉降量大于10厘米的部位,应考虑给予施工单位沉降土方计量,依据沉降观测单位资料进行核定.4、建议业主以文件的形式下发给各施工单位和监理单位,文件应附上各施工单位范围内。