淺談高速公路隧道水泥混凝土路面刻槽方向

鐘少川 潘昊宇 洪灶明

（1．廣西交通科學研究院 南寧 530007；2．中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

隧道內是一個相對封閉、空間狹小的管狀環境，具有獨特的氣候環境，溫差小、濕度大、空氣污染嚴重、交通噪聲大等特點。雖然針對水泥混凝土路面作為隧道路面的利弊有了共識，并通過水泥混凝土路面與瀝青混凝土路面不同結構結合的設計方法取得了良好的效果，但是我國目前公路隧道路面特別是中、長隧道的路面主要是水泥混凝土路面，所以存在以下問題：

（1）隧道內為水泥混凝土路面，而隧道外基本又是瀝青混凝土路面，這就造成了洞內和洞外2種路面的摩擦系數的巨大差異，即車輛從隧道外駛入隧道內時，由于路面抗滑性能發生巨大差異，對行車的適應性帶來巨大影響，從而容易造成車輛側滑發生事故。

（2）國內隧道基本都存在滲水現象，且隧道處于較為封閉環境，加上路面雨雪經汽車輪胎被帶進隧道路面，尤其在隧道中段，與車輛廢氣、塵埃混合完全沉積在路面上，形成一層較滑的薄膜層，從而使隧道中間段的摩擦系數降低。

（3）在即將出口處，由于光線明亮變化，容易造成駕駛員的心理變化，車輛開始加速，但洞內的水泥路面依然是較低抗滑摩擦性能的情況，從而增加了車輛在隧道出口的事故率。

為了改善隧道水泥混凝土路面抗滑性能和降噪問題，本文對在水泥混凝土路面上刻槽的問題進行探討分析。

1 水泥混凝土路面刻槽方向

按與行車方向的位置關系，刻槽分為橫向、縱向、斜向三類，見圖1。由于施工難易的問題，日常較少使用斜向刻槽，所以我們主要關注的橫向及縱向刻槽造成的問題。

圖1 刻槽方向示意圖

為改善水泥混凝土路面抗滑問題，由之前的壓槽、拉槽到現在通行的刻槽，刻槽路面的摩擦性能明顯高于非刻槽路面，這對于保證輪胎與路面間的接觸，提高抗滑性能，降低交通事故效果顯著。與此同時隨著環保概念的加入，采用橫向不等間距紋理、縱向紋理的方式，在保證路面使用品質的情況下，對降低水泥混凝土路面噪聲也有重要作用。由于橫向等間距刻槽路面的噪聲主要是振動作用噪聲、空氣泵吸噪聲以及兩者發生頻率之間相互干擾產生的，噪聲頻譜曲線存在明顯的間斷峰值頻率，導致輪胎／路面噪聲較大。縱向刻槽路面與橫向刻槽路面相比具有較低的輪胎／路面噪聲，降噪效果明顯［1］。所以目前隧道水泥混凝土路面較為傾向采用縱向刻槽形式。

2 水泥混凝土路面縱向、橫向刻槽噪聲分析

（1）橫向刻槽與縱向刻槽降噪性能比較。①橫向刻槽紋理輪胎路面噪聲最大，受不同刻槽參數的影響。當車速為80km／h時，輪胎／路面噪聲在101～103dB之間；②當車速為100km／h時，輪胎／路面噪聲在106～108dB之間。縱向刻槽和露石水泥混凝土路面噪聲水平明顯低于橫向刻槽水泥混凝土路面。在80km／h時，輪胎／路面噪聲在99～100dB之間；當車速為100km／h時，輪胎／路面噪聲在104～105dB之間［2］。在一定的交通流量下，相比于橫向刻槽水泥混凝土路面，縱向刻槽降低噪聲2．7～3．9dB。

（2）影響高速公路隧道內噪聲的關鍵因素。統計通過法測試表明：車速為影響輪胎／路面噪聲的關鍵因素，隨著車速的增加，輪胎／路面噪聲逐漸增加。對于小汽車當達到一定速度（大于40 km／h）時，輪胎／路面噪聲占據主導地位，而載重車在40～60km／h范圍內車輛動力裝置噪聲仍占據主導地位。隧道內噪聲比隧道外噪聲大，隧道中部噪聲最大。隧道內噪聲持續時間長，不易消散。在隧道內部噪聲從90dB衰減到80dB約30s左右，而隧道外部僅需2～3s。隧道越長其噪聲越大，持續時間越長。實際上，汽車進入隧道后通常車速降低，噪聲理應減小，但是由于隧道封閉作用，噪聲在隧道內會產生共振、疊加現象，使得隧道內噪聲更大。在隧道內，噪聲對司乘人員影響不大，一是車輛通過隧道時間短，二是車輛通過隧道時可將車窗關閉，可使車內噪聲降低，但對人車混合交通隧道的行人和隧道維修養護人員影響較大［3］。高速公路隧道大多處于山嶺地區，對于周邊環境噪聲污染程度較小。

3 刻槽方向對隧道路面抗滑性能影響分析

（1）水泥混凝土路面構造特性。路面構造分為細觀構造、宏觀構造、大構造和平整度4類。其中對路面抗滑性能影響最為顯著的是細觀構造和宏觀構造2種，見圖2。

圖2 路面抗滑性示意圖

細觀構造是指波長小于或等于0．5的構造，水泥混凝土路面的細觀構造取決于混凝土攤鋪完成后對路面的表面飾面工藝。《公路水泥混凝土路面施工技術規范》（JTG F30－2003）要求攤鋪完畢或者精整平表面后，宜使用支架拖掛1～3層疊合麻布、帆布或棉布，灑水濕潤后做拉毛處理，布片接觸路面長度以0．7～1．5m為宜，細度模數偏大的粗砂，拖行長度取小值；砂較細，取大值。人工修正表面時，宜使用木抹。用鋼抹修正過的光面，必須再拉毛處理，以恢復細觀抗滑構造［4］。拉毛處理后構造深度平均提高約10%～20%，擺值提高6%～30%，摩擦系數提高26．7%～43．8%，說明細觀構造提供的粘著摩擦力為路面提供最基本的抗滑力，即輪胎與路面之間的附著力，是路面摩擦系數的主要來源。但是由于隧道的特殊條件，細觀構造會迅速消失造成路面手感油膩并呈鏡面現象，而且當洞內積水致使路面水膜過大就會造成輪胎與路面完全接觸區變小出現滑水現象［5］，所以宏觀構造使輪胎變形嵌擠提供的滯阻摩擦力對路面抗滑力長期的、穩定的貢獻作用更為重要。

（2）不同刻槽方向形成的構造抗滑特性。根據輪胎與刻槽水泥路面接觸的具體情況，分析不同刻槽方向時不同的抗滑特性，見圖3。

圖3 輪胎與刻槽水泥混凝土路面接觸放大圖

①縱向刻槽。縱向刻槽在縱向（行車方向）是連續的，使路面與輪胎存在犁溝效應而產生縱向摩擦力，但是該效應模型并不能完全適用，主要原因是輪胎不可能完全進入溝槽內形成三面完全接觸，而僅僅只與溝槽上兩邊形成冰刀式的滑行，形成的摩擦力要大大小于模型預想，所以輪胎上同時作用縱向力和橫向力時，輪胎與縱向刻槽路面間的摩擦偏向于橫向，即縱向刻槽有較好的橫向防滑能力。

②橫向刻槽。與縱向刻槽相反，橫向刻槽在橫向上是連續的，縱向上是按一定距離（槽間距）間斷分布的。輪胎在橫向刻槽路面上滾動時，出現輪胎與橫向刻槽的周期性重復碰撞，由此產生的輪胎橡膠變形能量損失轉化為摩擦力的一部分。當輪胎上同時作用有縱向力和橫向力時，輪胎和路面間的摩擦力方向將主要偏向于縱向，即橫向刻槽有較好的縱向抗滑能力。

③對于斜向刻槽而言，輪胎在橫向力和縱向力共同作用下，其表面的橫向和縱向反作用力都會產生。

4 工程實例分析

某山嶺重丘區高速公路隧道全長約2．7km，隧道外為瀝青混凝土路面，進、出口段300m采用瀝青混凝土面層作為過渡段，內接水泥混凝土路面采用縱向刻槽防滑設計。在開通運行之后的10d內發生了9起交通事故，多發點位于下行隧道的下坡中后段。事故發生的主要原因如下：

（1）隧道所處環境的原因。隧道處于典型喀斯特地貌分布區，所在的區域內地質構造發育強烈，圍巖內水系發達，致使隧道內多處滲水；所處山嶺區氣候濕潤，常年水汽凝重，行車通過輪胎將降雨帶入洞內。在隧道長度較大的情況下，隧道通風不良造成洞內水汽凝聚在隧道路面上，且縱向刻槽較橫向刻槽排水效率低，導致路面濕滑形成抗滑性能降低的極限不利條件。

（2）隧道縱坡及路面類型設計的原因。由于進入隧道后的300m為瀝青混凝土路面，其抗滑性能較為良好，車輛在高速行駛過程中駕駛員不會感到車輛失控降低車速，反而由于駛入隧道的心理變化保持甚至提高車速。當行駛至水泥混凝土路面時，由于前期車輛的慣性及處于下坡段，車速過快加之路面濕滑，最終造成事故。所以事故多發于下行線下坡中后段水泥混凝土路面。

（3）水泥混凝土路面刻槽方向的原因。通過前面刻槽方向對路面抗滑性能的影響分析，該隧道內水泥混凝土路面縱向刻槽設計存在不足：

①縱向刻槽的水泥混凝土路面與瀝青混凝土路面縱向抗滑性能差異大，在兩種類型的路面變化時降低車輛行進方向的行駛制動力，反而更容易使車輛隨慣性形成側滑。

②由于前期車速過快可能導致車輛失控時，縱向刻槽的水泥混凝土路面在濕潤的條件下又無法提供足夠的剎車制動力。

③作為現行水泥混凝土路面的施工規范及評定標準，對水泥混凝土路面的抗滑性能檢測項目僅要求做抗滑構造深度一項，但實際檢測構造深度符合規定值的縱向刻槽段落并不代表其抗滑性能一定滿足車輛行駛的要求，相反采用橫向刻槽的水泥混凝土路面在構造深度較差的情況下，其摩擦系數卻能達到較高水平。

④隧道內空間狹小、亮度低、空氣潮濕，對施工操作不利，目前隧道內水泥混凝土路面大多采用小型機具施工，隧道內水泥混凝土路面施工水平較一般水泥混凝土路面及橋面鋪裝要低，無法滿足平整度的要求，從而導致刻槽深度不均勻、表面水泥浮漿多導致刻槽后的溝槽破壞在縱向刻槽路面表現更為明顯。

綜上所述，該隧道路面未達到原先設計縱向刻槽的預期效果，在地質條件、氣候環境、線性走向一定的條件下，縱向刻槽路面卻成為該隧道事故頻發的主要原因之一。

5 不同刻槽方向適用水泥混凝土路面的條件

（1）縱向刻槽由于其良好的降噪性能、行駛導向性能，適用于平緩、圍巖滲水不嚴重或需要防止車輛側滑的隧道內水泥混凝土路段。

（2）橫向刻槽由于路面路拱橫坡度的存在，可很好地輔助路面排水，由此降低行車水膜厚度，且能夠較好地提高縱向抗滑能力，適用于圍巖滲水嚴重而可能導致洞內積水路段、路面類型變化過渡段、隧道進、出口照明變化段及長下坡路段需要考慮剎車減速路段。

（3）斜向刻槽在曲線彎道路段上應用效果較好，但是由于其不易施工，所以可以采用縱、橫向溝槽結合的方式提高抗滑性能，減少高速行車事故發生幾率。

6 結語

從國內隧道的交通事故分析可知，發生在隧道的交通事故在隧道的入口、出口及中間段占事故的較大比例。并且目前隧道路面多采用瀝青混泥土上面層和水泥混泥土下面層組成的復合式路面，或者采用露石水泥混凝土路面來解決由于洞口內外采用不同結構形式路面附著系數的差異問題，以及洞內采用水泥混泥土路面長期使用后路面附著系數急劇降低的問題。當采用傳統水泥混凝土路面時，應在不同的路段采用不同的設計，注意水泥混凝土路面刻槽方向的問題，對于常用的橫向與縱向刻槽兩者的優缺點應有充分的認識，避免出現一味追求降噪性能及舒適性而忽視抗滑性能，更應注意一種刻槽方式一用到底的設計給隧道內車輛行駛帶來的不良影響。應該依據實際道路狀況設計刻槽方向，從抗滑安全性、降噪環保性2個方面綜合考慮，從而取得良好的綜合路面性能。

［1］ 郭知濤．刻槽水泥混凝土路面抗滑降噪特性研究［D］．西安：長安大學，2009．

［2］ 陶志金．水泥混凝土路面輪胎／路面噪聲與交通噪聲評價方法研究［D］．西安：長安大學，2009．

［3］ 張 瑞，黃曉明，趙永利，等．隧道噪聲的調查與分析［J］．公路交通科技，2006，23（10）：29－32．

［4］ JTG F30－2003公路水泥混凝土路面施工技術規范［S］．北京：人民交通出版社，2008．

［5］ 交通部公路科學研究院．低噪聲水泥混凝土路面研究［R］．北京：交通部公路科學研究院，2007．