牡哈大修工程沖擊破碎穩固技術施工方案

李英杰，張宿峰

(綏滿高速公路牡丹江至哈爾濱段大修工程指揮部)

1 概述

目前，我國多數采用加鋪瀝青混凝土面層方法改造的舊水泥混凝土路面，加鋪瀝青層后，原有舊水泥板作為基層或底基層，這種復合結構涉及剛性、柔性兩種路面結構形式，處理不當，就會在罩面層對應于舊路面板接、裂縫的位置上出現反射裂縫，嚴重影響改造后的路面使用壽命，因此必須對舊水泥混凝土路面進行處置后方可進行加鋪。國內外大量研究表明：根據原路面破壞狀況，對舊水泥混凝土板采用沖壓破碎穩固技術是一種有效的處置措施。

綏滿高速公路牡丹江至哈爾濱段舊路大修工程起于K165+120，終于 K431+390.3，全長 266.27Km。根據對原舊路路面調查結果，初步設計是在重新鋪筑路面結構前，對原路面結構采取不同方式分段修補、處理的設計方案合理可行。對K179+980～K224+800、K227+300～K337+420段原二級路半幅，K166+606～K179+980、K337+420～K400+500段牡丹江至哈爾濱方向，K400+500～K431+390.3段高速公路全幅路面進行打裂處理。

2 舊水泥路面加鋪層反射裂縫

2.1 形成機理

舊水泥混凝土路面板裂縫一般出現于板底脫空處，這是由于在脫空處水泥板變形較大，板底面所受拉應力遠大于未脫空處，而水泥混凝土的抗拉強度遠低于抗壓強度，因此會導致水泥板從板底發生開裂，在車輛荷載的反復作用下，板底反復受拉，裂縫逐漸向上延伸，并最終貫通全板，形成裂縫，而兩條裂縫之間的水泥板形成殼體結構。研究證明，舊水泥板的水平位移和在板縫或裂縫兩側板的相對垂直位移是造成舊水泥路面瀝青加鋪層反射裂縫的主要原因。

水平位移由溫度及濕度變化引起的。一年四季冬冷夏熱的溫度變化造成水泥板的收縮與膨脹，一天晝夜的溫度以及濕度變化都會造成舊水泥板的變形，從而引起水泥板接縫處的水平位移，使加鋪層產生應力集中，誘發反射裂縫的發生。而水平位移的大小也與板的大小有關，板越大水平位移也越大。

垂直位移由交通荷載作用引起。在行車荷載的反復作用下，加鋪層受到兩種應力的反復作用，因此隨著時間延長，加鋪層就會出現反射裂縫。形成原理如圖1所示。

2.2 防止反射裂縫的措施

考慮到我國的公路狀況以及大部分地區的氣候條件，垂直位移應當是大部分水泥路面加鋪層反射裂縫的主要原因，只有在季節性溫差或日溫差較大的地區，水平位移可能是主要因素。因此，對于垂直位移，應當以消除板底脫空為主，對于水平位移，以盡量減小水泥板尺寸為主。

圖1 加鋪層反射裂縫形成示意圖

3 沖壓破碎穩固技術

沖擊破碎穩固技術是近年來國內外在舊水泥混凝土路面修復中應用較多的一種技術，實際工程中被稱為藍派打裂，是采用沖擊壓實機利用機械方式將舊水泥板破碎成一定尺寸后，再使用碾壓設備將破碎后的水泥板穩固到路基上的一種工藝。沖擊壓實機由牽引機和壓實輪兩部分組成，如圖2。

圖2 五邊輪沖擊壓實機

沖擊壓實作用原理如圖3所示，壓實輪曲線從最大半徑滾動至最小半徑處時，產生遠大于沖擊輪自重的沖擊作用力，舊水泥路面板在其作用下產生裂縫，裂縫逐漸貫穿全板并形成網狀開裂。隨后地表給壓實輪的支持力逐步增大，呈現大于重力的揉壓過程，并越來越大。當其再次滾動至最大半徑處時，存在支持力等于重力的過程，破碎后的水泥板在揉壓、碾壓的作用下，被穩固在基層上。因此，沖壓破碎穩固技術除了可以解決反射裂縫的問題外，它對路基和基層的穩固，起著非常重要的作用。

圖3 沖擊壓實作用示意圖

4 牡哈大修工程應用方案

4.1 試驗準備

采用五邊型沖擊式壓路機進行沖壓，每個沖壓輪寬80 cm，沖壓輪間距115 cm，自重16 t，沖擊壓實力320～1 000 t，牽引速度8～15 km/h。只對行車道及超車道面板進行沖壓，邊板不進行沖壓。沖壓時距離板邊部38.7 cm。為了確保整塊面板沖壓過程中受力點布設均勻，每車道采用錯輪但不重疊的方式進行沖壓，即第二次沖壓時，沖壓輪從兩次輪跡通過。沖壓輪與面板接觸一次記為一遍。如圖4所示。

圖4 錯輪沖擊示意圖(單位：cm)

對沖壓段落行車道及超車道的每塊板進行編號，200 m共計76塊面板。每隔一塊板，在板中間設置一個斷面，每斷面6個點，分別布設在距板邊緣40 cm處及板中間，測量不同沖壓遍數沉降量。

4.2 試驗分析

4.2.1 沉降量

試驗段沉降量測量共設置38個斷面，114個點。沖壓2遍未沉降反而變高的點有26點，占總量22.8%。表明沖壓2遍后局部翹起，未達到穩固狀態，去除翹起的點，其他檢測點沖壓2遍計算平均沉降量為1.57 mm。

沖壓四遍后高于未沖壓前的點有6個，其中有3個與第二遍沖壓翹起的點位置相同，其他三點數據離散過大，作為無效數據剔除。高于第二遍沖壓但低于未沖壓前的點有10個。上述點計算沖壓4遍后增加的平均沉降量為3.28 mm，總平均沉降量為4.85 mm，大于該段落的平均脫空量。

4.2.2 板塊斷裂情況

沖壓前多數混凝土面板存在縱向裂縫，個別存在板角斷裂及橫向裂縫，還有某些面板沖壓前沒有裂縫。沖壓兩遍后，首先出現一至兩條縱向裂縫，平行于原有縱向裂縫，并貫通整個板塊，與原有縱向裂縫間距在1.5 m左右，同時產生6～8條不規律的橫向及斜向裂縫，長度一般在1.5 m左右。沖壓4遍后增加裂縫8～10條，一部分沿第二遍沖壓后產生的裂縫延伸，一部分在第二遍沖壓出現的裂縫之間出現新的短裂縫，同時一部分細小裂縫較難發現。

沖壓4遍后產生的碎裂的板塊大小不均勻，一塊面板碎裂成20塊左右。同時縱向整板貫通裂縫較寬，寬度在1 mm左右。橫向、斜向不規則裂縫較細，寬度在0.2 mm左右。圖5為現場部分水泥面板被沖擊后裂縫情況的手繪圖。

4.2.3 取芯情況

沖壓2遍后對細小的橫向裂縫位置除進行了取芯，裂縫貫穿至板底。沖壓4遍后破除面板對基層取芯，未取得完成芯樣，但人工破除基層時，基層強度較高，整體性較好，沖壓未對基層強度造成影響。

圖5 水泥面板沖擊后的裂縫手繪圖

4.3 方案確定

沖壓2遍沉降量1.57 mm，小于雷達檢測脫空量，沖壓4遍時累計沉降量達4.85 mm，大于等于雷達檢測的平均脫空量，所以要解決脫空問題，需要沖壓4遍以上。

沖壓4遍時，產生的裂縫間距120 cm左右，并且局部裂縫較密集，間距50～80 cm，為了避免板塊過度破碎，打裂遍數不宜超過4遍。沖壓4遍后，尚有11.4%的活動板塊未完全穩固，所以沖壓后要采用膠輪壓路機穩壓2遍。

5 結論

綏滿高速公路牡丹江至哈爾濱段大修工程采用沖擊破碎穩固技術對舊水泥混凝土路面進行打裂穩固。通過試驗段確定藍派打裂的方案，即使用五邊形沖擊壓實機，錯輪沖擊4遍。