甬臺溫高速公路分水關(guān)超長上坡路段車轍處治技術(shù)研究

楊朝輝，溫 騰，陳浙濤

（浙江交工高等級公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江杭州 310051）

1 項目概況

甬臺溫高速公路分水關(guān)長上坡位于甬臺溫高速公路K348～K357即浙閩站與分水關(guān)段，長約9 km，平均設(shè)計縱坡為3.8%（最大縱坡為4.8%），素有華東第一坡之稱。原面層結(jié)構(gòu)為：4 cmAC-13+5 cm AC-16+7 cmAC-20；橋面結(jié)構(gòu)層為：4 cmAC-13+5 cm AC-16。2003年12月底通車，2004年夏天出現(xiàn)車轍，由原施工單位進(jìn)行返工處理。2005年夏天又出現(xiàn)嚴(yán)重車轍，深度達(dá)10 cm，嚴(yán)重影響了行車安全。2005年11月，再次進(jìn)行車轍處理，處理深度為9 cm，上、中面層均采用改性瀝青，且上面層摻加了纖維。但在2006年6月下旬（處治只有半年后）該路段又出現(xiàn)了車轍、擁包、松散等病害，而且其發(fā)展速度迅速，7月初該路段路面部位已出現(xiàn)連續(xù)、大面積的擁包，凹槽深達(dá)15 cm，嚴(yán)重影響了行車安全性和舒適性，見圖1。

圖1 2006年路段車轍照片

2 病害原因調(diào)查分析

2006年7月30日，對長上坡車轍路面進(jìn)行了外觀檢查、取芯檢查、瀝青用量及礦料級配分析、車轍試驗等，對損壞原因進(jìn)行分析。車輛行駛速度降低造成的剪切變形是長上坡路段車轍形成的主要原因，超長坡、超載、路面溫度高、常年排水不暢等不利因素導(dǎo)致早期車轍破壞，具體為以下三個方面：

（1）交通量大，且以重載車為主，超載超限現(xiàn)象嚴(yán)重。加之地處山區(qū)，連續(xù)超長上坡及彎道，交通荷載在這些路段的通行狀況與正常路段不同，路面受力模式發(fā)生改變，表現(xiàn)為荷載作用時間長、水平作用力加大、側(cè)向作用力加大，這是瀝青路面車轍大面積產(chǎn)生的主要原因；

（2）分水關(guān)長上坡位于浙江南端山區(qū)，早晚溫差大，夏天連續(xù)高溫時間長，路面溫度高；

（3）沿海多雨，常年排水不暢，水損害破壞嚴(yán)重。

3 處治措施

針對浙江省山區(qū)高速公路長上坡路段車轍嚴(yán)重的現(xiàn)象，從優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高路面排水、降低路面溫度、加強施工質(zhì)量控制等共四個方面進(jìn)行處治。

3.1 優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用抗車轍能力強、抗水損害能力強的瀝青混合料結(jié)構(gòu)模式，見圖2。上面層采用密實型SMA-13結(jié)構(gòu)，提高抗滑和抗車轍性及起到封水作用；中下面層采用Superpave-20型級配，粗集料間能夠形成骨架，內(nèi)摩阻力大，抗車轍性能良好；部分車轍嚴(yán)重路段中面層采用摻巖瀝青Superpave高模量瀝青混合料，在高溫條件下具有較一般瀝青混合料更高的模量，在路面結(jié)構(gòu)中可增加荷載向下傳遞的擴散角，減少傳遞到底層的應(yīng)力，從而增加路面的抗車轍能力。表1比較了Superpave20（摻巖瀝青）與AC-20（改性SBS）的性能，可見前者的抗車轍能力與抗水損害能力均大于后者，特別是抗車轍能力提高1倍多。

圖2 路面結(jié)構(gòu)圖

表1 瀝青混合料抗水損害能力與抗車轍能力對比

3.2 提高路面排水能力

在行車道與硬路肩基層設(shè)置縱向碎石盲溝，將下滲到結(jié)構(gòu)層中的水收集，并及時排出，降低高動水壓力對路面的反復(fù)作用。盲溝設(shè)置方法見圖3，盲溝深0.3 m，四周鋪設(shè)反濾土工布，底部中間設(shè)軟式透水管，沿盲溝縱向每隔120 m設(shè)置一道橫向排水盲溝。

圖3 盲溝設(shè)計圖

3.3 路面降溫措施

提出灑水降溫的技術(shù)措施，并對此進(jìn)行了專題研究。在分水關(guān)長上坡路段現(xiàn)場建立氣象站。在行車道上選擇合適的位置開槽，在行車道輪跡帶位置的各結(jié)構(gòu)層中埋設(shè)溫度感應(yīng)片（見圖4）。通過測定溫度變化狀況，分析環(huán)境溫度與路面溫度的關(guān)系，研究溫度對路面結(jié)構(gòu)的影響。

圖4 埋設(shè)溫度感應(yīng)片示意圖

路面溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系、路面結(jié)構(gòu)層間溫度的變化分別見圖5、圖6。由圖5可見，環(huán)境溫度越高，路面溫度就越高。由圖6可見，路面各結(jié)構(gòu)層的溫度以上面層最高，這是由于黑色路面大量吸收環(huán)境中的熱量，致使上面層的溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度；對于不同測點，路面結(jié)構(gòu)層中溫度變化均有相同的規(guī)律，上面層至下面層溫度逐步遞減，減幅約為每層2℃～5℃。

圖5 路面溫度與環(huán)境溫度關(guān)系圖

圖6 路面結(jié)構(gòu)層間溫度變化圖

根據(jù)初步的統(tǒng)計，灑水前路面結(jié)構(gòu)層尤其是上面層的溫度會有5℃的降幅，其他結(jié)構(gòu)層隨之也有3℃的降幅，30 min后，路面結(jié)構(gòu)層的溫度逐步回升至灑水前的狀態(tài)。因此，在連續(xù)高溫季節(jié)高溫時段選擇合適時機采取灑水降溫措施。一般當(dāng)環(huán)境溫度高于35℃時，路面溫度高于60℃，通過每30 min左右灑水一次，采用附有預(yù)警設(shè)備的灑水車，高壓均勻噴灑。通過水蒸發(fā)帶走一定的熱量來達(dá)到降低路面溫度的目的，消減夏季路面溫度峰值。灑水量每次以噴濕路面且不產(chǎn)生沿路面流動即可。

3.4 施工中的質(zhì)量控制

3.4.1 Superpave-20(改性瀝青+巖瀝青)施工質(zhì)量控制

Superpave級配設(shè)計方法提出了“S型級配曲線、控制點和限制區(qū)”等概念進(jìn)行級配設(shè)計；Superpave旋 轉(zhuǎn) 壓 實 儀 SGC（Superpa Gyratory Compactor）成型方法，與馬歇爾試驗方法相比，能夠較好的模擬混合料的現(xiàn)場壓實，而且用旋轉(zhuǎn)壓實機評價混合料時，不僅可以評價壓實過程中某一點的壓實狀況，還可以評價瀝青混合料在整個服務(wù)期間的壓實特征，且具有良好的抗車轍、抗?jié)B水的性能。

在Superpave-20中摻加一定量的巖瀝青，并通過添加適量的礦粉改善瀝青膠漿在混合料中的性能，使礦料表面具有合適的瀝青膜厚度。從而提高瀝青混合料的模量，增強路面抗車轍、抗?jié)B水的性能。

施工Superpave-20(改性瀝青+巖瀝青)與其他瀝青混合料的不同之處主要包括兩點：

（1）Superpave-20(改性瀝青 +巖瀝青)的拌和

巖瀝青投放：在集料放入拌鍋的同時加入巖瀝青（采用人工方式投放稱量好的巖瀝青），干拌延長至15 s，濕拌時間延長到45 s。

（2）Superpave-20(改性瀝青 +巖瀝青)的碾壓

與AC級配相比，Super pave-20路面相對較難壓實，因而碾壓主要以大噸位的輪胎壓路機為主，通過皮輪的反復(fù)揉搓至路面碾壓密實。

3.4.2 SMA施工質(zhì)量控制

瀝青瑪蹄脂碎石混合料（Stone Mastic Asphalt，SMA）是按照內(nèi)摩擦角最大的原則，以間斷級配的粗集料形成相互嵌擠的礦料骨架；然后按照空隙率較小的原則，以瀝青瑪蹄脂填充骨架的空隙，形成一種骨架密實結(jié)構(gòu)的瀝青混合料。施工SMA與其他瀝青混合料的不同之處和控制要點主要包括：

（1）SMA拌和

a.拌和時間控制

拌和順序及拌和時間：集料→纖維+礦粉→瀝青，即集料加入2 s后，纖維與礦粉同時加入，干拌20 s，再加瀝青濕拌40 s，總生產(chǎn)時間約65 s。

b.纖維投放控制

木質(zhì)素纖維投放均勻，是控制SMA質(zhì)量的一個關(guān)鍵點，投放多造成混合料過干，過少則會析漏，造成路面泛油。纖維投放以機械投放為主人工補投為輔，采用電子稱重式投放機投送纖維均勻，能使拌和的SMA瀝青瑪蹄脂碎石混合料均勻、連續(xù)。在纖維出料口安排一人觀察纖維送料管是否正常工作，發(fā)現(xiàn)輸送停止及時由人工補投。

c.保證出廠的瀝青混合料質(zhì)量穩(wěn)定

如出現(xiàn)纖維機故障且人工投放不及時，應(yīng)用對講機及時通知拌合樓操作工，及時將此鍋混合料在小車未拉入成品倉前廢棄，以保證出廠瀝青混合料的質(zhì)量穩(wěn)定。

（2）SMA碾壓控制要點

a.SMA必須采用鋼輪碾壓，不能采用輪胎壓路機碾壓，因為輪胎壓路機的揉搓作用會使瑪蹄脂上浮，造成構(gòu)造深度降低，甚至泛油。按照“高頻率、低振幅”的碾壓原則，同時注意控制好碾壓遍數(shù)，防止過壓造成瑪蹄脂上浮。

b.“能否在高溫狀態(tài)下用振動壓路機碾壓而不產(chǎn)生推擁”是鑒別SMA是否碾壓成功的重要標(biāo)志，如果產(chǎn)生推擁現(xiàn)象，說明粗集料沒有充分嵌擠好，或者嵌擠作用沒有充分發(fā)揮，那就未能達(dá)到真正的SMA效果。

（3）SMA油斑處理

拌和SMA時纖維投放機出現(xiàn)異常波動時導(dǎo)致纖維少投，造成瀝青混合料析漏，如拌和人員未及時發(fā)現(xiàn)，攤鋪時會產(chǎn)生油斑，見圖7，應(yīng)及時處理。

圖7 由析漏造成的油斑

4 效果及成本分析

4.1 2007年觀測結(jié)果

甬臺溫高速公路分水關(guān)長上坡路段車轍處治工于2006年8月中旬完成施工，2007年4月至10月對車轍較大的部位采用三米直尺進(jìn)行了連續(xù)的車轍觀測，觀測結(jié)果見表2。由表2可知：

（1）至10月底兩種結(jié)構(gòu)試驗段的最大車轍深度分別為3 mm和2 mm，表明試驗段性能效果良好，摻巖瀝青的路段車轍相對要小、性能更好。

（2）兩種結(jié)構(gòu)的車轍變化，無論是左側(cè)還是右側(cè)車轍，都從4月至6月、8月至9月增長較快，6月至8月增長緩慢。

4.2 2012年觀測結(jié)果

2012年10月份再次對分水關(guān)長上坡處治路段進(jìn)行跟蹤檢測，路面狀況見圖8。經(jīng)過6年通行營運后，處治路段目前未出現(xiàn)較大的車轍和推擠擁包現(xiàn)象，可見長上坡路段的抗車轍能力明顯提高，且耐久性優(yōu)良。

4.3 成本分析

目前路面車轍處治方法主要有三種：傳統(tǒng)的4 cm改性AC-13+6 cm改性AC-20+6 cm粗粒式AC-25；本項目推薦采用結(jié)構(gòu)5 cm SMA-13+11 cm摻巖瀝青 Superpave-20；4 cm復(fù)合改性摻纖維AC-13+6 cm復(fù)合改性摻纖維ATB-25+6c m復(fù)合改性摻纖維 ATB-25。成本分析見表3。由表3可見，方案二、方案三成本分別比方案一增加了12.4%、18%，但方案二、方案三耐久性增加了三倍多，因而方案二、方案三綜合成本更低、更經(jīng)濟。

表2 2007年車轍觀測結(jié)果

圖8 2012年路面狀況照片

5 經(jīng)驗總結(jié)

綜合甬臺溫高速公路分水關(guān)長上坡車轍處治經(jīng)驗主要有以下幾方面：

（1）瀝青路面結(jié)構(gòu)選擇是重點。中下面層采用骨架密實型Superpave路面結(jié)構(gòu)層，抗車轍性能較為理想。若摻加巖瀝青或聚酯纖維等高模量材料，對提高長上坡路段抗車轍能力效果更好。

（2）長上坡路段防排水采用“封、堵、排”結(jié)合的處理方法。即在中分帶采用水泥混凝土硬化封閉處理，防止中分帶水滲入路面結(jié)構(gòu)層；上面層采用防水效果好的SMA結(jié)構(gòu)層，有效防止路表水滲入瀝青路面結(jié)構(gòu)層；在行車道與硬路肩下設(shè)置縱向碎石盲溝，每隔一定路段設(shè)置橫向排水盲溝，利用長上坡縱坡大，及時排出積在路面中的水。

（3）做好長上坡路段瀝青路面后期的跟蹤養(yǎng)護(hù)，通過在瀝青結(jié)構(gòu)層中埋設(shè)溫度感應(yīng)片，及時掌握瀝青結(jié)構(gòu)層溫度。在連續(xù)高溫季節(jié)，當(dāng)環(huán)境溫度高于35℃時，路面溫度高于60℃，每30 min灑水一次，以消減夏季路面溫度峰值，使路面溫度降低，延緩裂縫類、變形類主要病害的發(fā)生、發(fā)展。

表3 成本分析表

（4）長上坡路段處治過程中，病害處治徹底，特別是車轍，應(yīng)處理至未發(fā)生車轍的結(jié)構(gòu)層。

（5）加強日常養(yǎng)護(hù)工作，勤灌縫、常補洞，發(fā)現(xiàn)病害立即處理，防止病害發(fā)展。

[1]JTG D50-2006,公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[2]JTG F40-2004,公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[3]帥詞俊,段吉安,王炯.關(guān)于粘彈性材料的廣義Maxwell模型[J].力學(xué)學(xué)報,2006,38⑷:565-569.

[4]鄭健龍,田小革,應(yīng)榮華.瀝青混合料熱粘彈性本構(gòu)模型的實驗研究[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報,2004(1):1-7.

[5]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].北京:人民交通出版社,2001.