震后公路恢復建設中路面結構設計有關問題的探討

王元生，董全喜

（北京市市政工程設計研究總院，北京市100082）

1 概述

1.1 項目背景

2008年5月12日，四川汶川發生里氏8.0級特大地震，地震烈度最大達到Ⅺ度。什邡市是本次地震的重災區之一，由北京市對口援建的廣青公路是什邡市縱貫南北的交通干線。受地震影響，廣青公路路面結構破壞嚴重，不僅影響到公路的通行能力、而且對行車安全造成嚴重威脅。

廣青公路不僅承擔著沿線的交通需求，而且是什邡市抗震救災的生命線工程和災后重建的主要交通通道，它的恢復重建不僅對什邡市災后重建具有重要意義，而且對統籌全市平壩地區與山區的協調發展，促進旅游資源的開發具有重要意義。

1.2 公路現況

廣青公路起點為廣漢市（接成綿高速），終點為青牛沱鎮，全長約78 km，為南北走向，縱貫什邡全市，是什邡出入境的主要通道。該路分期進行建設，其中一期（廣漢市至洛水鎮）在震后已按一級公路進行了改擴建，二期為洛水鎮至紅白鎮段，全長約19 km，現況為二級公路，路面為水泥混凝土結構型式，路面寬度9～15 m不等。在本次大地震中多處斷路，嚴重阻滯了救災工作的開展，震后雖然該段已經搶通，但路面結構破壞嚴重，沿線存在多處安全隱患，給道路交通運行構成巨大威脅。

2 受損情況調查分析

受損情況調查分析是公路恢復重建方案的基礎，調查應組織相關專業技術人員，通過巡查、調查和必要的專項檢測等方式。

地震引起的道路破壞類型具有復雜性、多樣性、并存性。根據地震對道路破壞的機理，可以分為直接破壞和次生破壞兩種形式。直接破壞是由于地震振動的擠壓、張裂，局部地形受力變形，或隆起，或沉降，或扭曲，造成公路路基沉陷、斷裂、錯臺，路面裂縫、隆起等破壞。次生破壞是由于地震引起的間接破壞，如由于地震引發山體滑坡攔斷河溝形成的堰塞湖淹沒道路，或受壓縮河道湍急的水流沖毀路基，塌方、滑坡落石砸毀路基和路面等破壞。

此外，根據道路結構組成，地震對道路破壞形式可以分為路基路面破壞、邊坡破壞、支擋結構破壞和場站破壞[1]。

2.1 受損情況

本次地震中，廣青公路各結構部分均受到不同程度損害，其中路基路面結構破壞的表現形式主要有：路基路面錯臺、開裂、橫向和縱向裂縫；路基沉陷、扭曲變形；路基路面隆起、擠壓破壞等[1]。

此外，在地震和救災重載交通的共同作用下，特別是下行車道，路面混凝土板斷裂、破碎嚴重，部分路段路基發生沉降，造成路面脫空，見圖1、圖2。

圖1 路面損毀情況（一）

圖2 路面損毀情況（二）

2.2 評估

對道路損壞程度的評估密切關系到震后應急搶修方案地制定、實施，評估結果對于恢復重建將起到重要的指導意義。

通過對公路受損情況調查，廣青公路路面板底脫空現象嚴重，結構強度、接縫傳荷能力等嚴重不足。根據《汶川地震后由于對地震災后生命線工程修復加固與重建技術手冊》，從縱向裂縫、橫向裂縫、路段、橋頭路基下沉、路面隆起及雜物掩埋（可通行區寬度表示）等指標判斷，廣青公路破壞等級為一級，屬于道路嚴重破壞，交通完全中斷，雙向車輛均不能通行[2]。

3 恢復重建條件

3.1 地形地貌

什邡市位于德陽市西南20 km，市內山區、丘陵、平原兼而有之，山區約占全市總面積60%。“一江四河”（石亭江、鴨子河、小石河、馬牧河、斑鳩河）縱橫全境，有“六山、一水、三分田”之稱。自朱家橋起，沿前山向西南至湔底鄉西丘陵邊沿，再往東南延伸，則是什邡平原，海拔全在700 m以下，總面積約365 km2，系古湖沉積和石亭江沖積形成。丘陵則界于山區和平原之間，為湔底虎頭鄉至民主慈母山一帶的九里埂區域，面積約為10 km2。

廣青公路二期工程位于洛水至紅白鎮間，地形地貌為半山區半平原。

3.2 氣候特征

什邡市地處成都平原西北邊緣，屬亞熱帶溫熱季風氣候區，氣溫自東南向西北隨地勢升高而逐漸降低。區內多年極端最高氣溫35.9℃，極端最低氣溫-5.3℃，年平均氣溫在13℃～17℃之間。

由于它位于龍門山麓，有平壩和山區兩種不同的氣候帶類型，平壩與山區氣候特征差異較大。平壩區氣候溫和、雨量充沛，日照偏少、四季分明。山區冬長、夏短、雨水多，無霜期短，降雪多，立體氣候特征明顯。

什邡近年平均降雨量950～1 050 mm左右，具有冬春兩季雨量少、夏秋兩季暴雨頻繁的降雨特征，日照在1 240 h以上，無霜期280 d左右，土質以沙壤土為主。

根據瀝青路面使用性能氣候分區，什邡屬于1-4-2區（夏炎熱冬溫濕潤區）。

3.3 交通量

廣青公路是貫穿什邡市南北向的一條客、貨運輸并重的交通干道，公路沿線分布有較多的水泥廠、磷肥廠、沙石廠等，重載貨運交通所占比例較大，尤其是公路左半幅（由北向南），大貨車基本均為滿載通行。

通過交通調查，廣青公路廣漢至什邡段年平均日交通量為6 840 veh/d，洛水路段為3 848 veh/d。根據什邡市公路網規劃，廣青公路二期遠期交通量將達6 650 pcu/d[3]。

4 實施方案論證

在對現況路面結構材料組成、路面強度調查及舊路混凝土芯樣強度檢測分析的等基礎上，結合本路所處區域區氣候特征、交通特性、施工工藝等因素，通過對舊路碎石化方案、瀝青與水泥混凝土面層、柔性與半剛性基層的比選，最終確定了本路的路面結構型式。

4.1 碎石化方案

為了盡量利用現有材料，加快工程進度，節約投資，廣青公路恢復重建中決定充分利用現況水泥混凝土路面結構，并將其進行碎石化。

多錘頭碎石化和沖擊壓實技術均是將舊水泥混凝土路面碎石化的一項技術，但各具優缺點。沖擊壓實技術具有運行速度快、施工工序少、工期短；作用能量大，能夠提高路基強度、穩定性和均勻性，防止不均勻沉陷而造成的路面損壞的優點。缺點主要有：沖擊壓路機體積比較龐大，施工作業面比較寬（一般都在6 m以上）；沖擊壓路機轉彎半徑大，破碎施工不宜掉頭；作用能量大，對周邊環境影響比較大[4]。

廣青公路（二期）屬于山區公路，沿線多村鎮，路面寬度多為9 m，且該公路為山區村鎮生產、生活和賑災建設的主要通道，不能封閉交通。沖擊壓路機沖擊力大，擾民；施工作業面大，影響交通通行。此外，從現場路面調查的情況來看，個別地段出現沉陷、嚴重唧泥等現象，路面板裂縫、斷角的現象普遍。但舊路的土基情況基本穩定、基層未松散（無明顯的裂縫、沉陷）、板體強度無顯著下降（路面板裂縫現象嚴重但芯樣強度不低），滿足實施多錘頭碎石化的應用條件。因此，本次設計中舊水泥混凝土路面處理方式采用多錘頭碎石化方案。

此外，廣青公路下行半幅重載多，破壞嚴重，需采用全程破碎。上行半幅雖部分路段破壞程度較輕，但考慮到同一橫斷面左右副強度差異不宜過大，所以決定對廣青公路整體采用多錘頭碎石化方案。

4.2 面層方案

舊水泥混凝土路面碎石化后路面結構的面層加鋪方案可采用瀝青混凝土面層和水泥混凝土面層。瀝青路面與水泥混凝土路面相比，具有表面平整無接縫，行車震動小，噪音低，開放交通快，養護簡便等特點[5]。根據廣青公路實際需求，本次設計采用瀝青混凝土面層的路面結構型式。

4.3 基層方案

在確定采用瀝青混凝土面層后，現需要確定基層方案。在基層設計中采用柔性基層還是半剛性基層方面，進行了比選。擬采用以下兩種方案，見表1。

4.4 厚度方案

在路面結構計算時，邊界條件為：按新建瀝青路面類型進行設計；碎石化層頂面當量模量替代常規路面結構計算中的土基模量。結構參數采用標準軸載、累計軸次 (彎沉設計或瀝青層彎拉設計)536.00萬次。分別按新建柔性基層和半剛性基層二級公路、各層間結合完全連續的狀態下計算。當采用表2中結構層厚度時，方案一的設計彎沉值 ld=47.6（0.01 mm），路表實際設計彎沉 ls=43.8（0.01 mm）；方案二的設計彎沉值ld=29.8（0.01mm），路表實際設計彎沉ls=19.9(0.01 mm)。兩種方案均滿足設計要求。

表1 基層方案比選

表2 不同基層的路面結構厚度

4.5 方案比選

路面結構采用瀝青穩定碎石的柔性基層還是水泥穩定碎石的半剛性基層，主要從兩者的適用性、施工方便性、經濟性三個方面進行比較分析。

（1）適用性

廣青公路處于潮熱多雨地區，水泥穩定碎石基層抗水損害能力比密級配瀝青穩定碎石基層要差，水穩材料易產生裂縫，而瀝青穩定碎石基層適用性較強。

（2）施工方便性

本路建設工期短，且不能斷路施工，水泥穩定類材料施工過程中需要一定的養生期，將影響交通通行，而瀝青穩定碎石基層施工較為方便。

（3）經濟性

以上兩方案柔性基層和半剛性基層厚度比為1∶2.7，目前建材市場上兩者的單價比約為3.2∶1，綜合基層單層造價柔性基層比半剛性基層大約高18.5%。

通過以上兩種基層方案的比選，最終確定廣青公路路面結構為在碎石化路基上新建弱性基層，其上加鋪兩層瀝青混凝土，具體加鋪方案：細粒式瀝青混凝土AC-13C（4 cm）+中粒式瀝青混凝土AC-16C（6 cm）+瀝青穩定碎石混合料ATB-25（12 cm）+碎石化水泥路面。

5 相關建議

“5.12”汶川地震對四川及周邊省市公路工程造成了巨大的損失。地震對公路損害呈現出范圍廣、程度大、次生破壞嚴重等特點。通過對廣青公路恢復重建工作的開展，得出以下幾點啟示：

（1）恢復重建工程，應充分利用原有工程資源，恢復與重建相結合。

公路的恢復重建工程應充分利用原有工程資源，節約投資，縮短建設周期，在滿足公路功能的條件下，應以恢復為主、重建為輔。

（2）受損情況的調查、分析及評估，是恢復重建方案的基本前提。

恢復重建工程一般對時間要求均較為急迫，但只有充分的調查、分析和在此基礎上的評估才能制定出合理的技術方案。

（3）恢復重建方案的選擇應因地制宜，充分考慮項目建成后的維護成本。

恢復重建方案的選擇應因地制宜，不僅要考慮恢復重建的工程造價，還應充分考慮當地維護保養技術條件和成本。在保證公路使用功能前提下，盡量采用當地成熟技術，以減低工程建成后的維護成本。

此外，恢復重建過程中，應合理利用土地資源，注重環境保護，采用節能技術，實現可持續發展。

[1]北京市規劃委員會,北京市市政工程設計研究總院,北京市城市科學研究會.地震災害對城市道路橋梁等市政基礎設施的影響調查及分析（初稿）[R].2009.

[2]仇保興.地震災后生命線工程修復加固與重建技術手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[3]北京市市政工程設計研究總院.四川省什邡市公路網規劃[Z].2009.

[4]北京交科公路勘察設計研究院有限公司,北京市市政工程設計研究總院.北京市援建什邡市工程廣青公路（洛水～紅白鎮）二期工程[Z].2009.

[5]李嘉.公路設計百問[M].北京:人民交通出版社,2004.