高緯度季凍地區(qū)高速公路改擴建工程路面設計方案
2021-08-18 02:06:54陳連海
北方交通 2021年8期
陳連海
(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)
1 概述
高速公路改擴建工程路面設計方案主要包括新建路面設計、舊路面改善設計、新舊路面拼接設計、舊路銑刨料利用、新舊路面結構的排水系統(tǒng)完善五部分。而且路面改擴建設計方案應考慮施工組織安排，設計方案應與保通方案相輔相成，滿足保通需求。其中舊路面改善設計和新舊路面拼接設計是改擴建路面設計方案的重中之重。
舊路面的改善設計主要針對改擴建后的1、2車道，由于多為小型車輛通行，在交通量計算時應考慮設計當量軸次的折減，以達到舊路的充分利用，確保設計方案合理、經濟。舊路改善設計前應綜合原路面設計、使用和養(yǎng)護情況，以及舊路現(xiàn)狀調查，充分利用舊路，對舊路采取對應的病害處理和補強設計，設計中應采用動態(tài)設計理念，考慮舊路狀況的發(fā)展變化[1]。
新舊路面拼接設計是體現(xiàn)高速公路改擴建設計精細化程度的關鍵所在，它本身是改擴建后路面最薄弱的部分，設計是否合理直接影響路面的使用壽命。由于高緯度季凍地區(qū)的氣候特點[2]，拼接縫設計應考慮溫縮、凍脹、不均勻沉降等因素，注意拼接縫位置等，設計中應增加精細化施工的要求，保證路面拼接處路面施工質量。
作者結合工程項目實例，對舊路改善設計和新舊路面拼接設計中需要注意的環(huán)節(jié)進行總結，并對該工程的路面設計方案進行介紹。
2 舊路情況以及現(xiàn)場問題分析
舊路設計情況收集是在進行路面改擴建設計前，首先應掌握的重要資料，案例項目的舊路面設計情況如下：
原路面結構：面層4cmSMA-16+5cm AC-20+6cmAC-25；基層28/25cm石灰粉煤灰粒料；底基層20/30cm石灰粉煤灰土。原設計的基層和底基層為二灰結合料穩(wěn)定基層，與目前慣用的水泥結合料穩(wěn)定基層相比有所差別，在抗疲勞破壞和抗凍脹方面表現(xiàn)較差，二灰結合料穩(wěn)定基層對環(huán)境影響比較敏感。
舊路面現(xiàn)狀調查主要包括舊路彎沉檢測、舊路病害調查以及舊路養(yǎng)護情況等，本項目設計階段對舊路進行了全面調查，但在施工前對路面復查發(fā)現(xiàn)舊路狀況進一步發(fā)展變化，具體情況如下：
(1)舊路彎沉檢測。舊路彎沉代值是舊路結構驗算的重要參數(shù)，是舊路改善設計的關鍵數(shù)據。根據研究[3]，瀝青路面彎沉值隨通車時間先減小至最小值，之后逐漸加大。彎沉值在前期變化明顯，后期增加相對緩慢。本項目施工期間，通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)彎沉值普遍大于設計階段調查數(shù)值，并且彎沉值離散性較大，測量數(shù)值的可復現(xiàn)性差，這與之前研究提出的彎沉變化規(guī)律也基本一致。經分析本項目通車已17年，已經超出了瀝青路面的設計使用年限，其路面材料已經老化。在改擴建設計和施工過程中舊路一直處于通車狀態(tài)，同時舊路面也未進行有效養(yǎng)護，造成路面強度急劇降低。另外，原路運營時間長，期間進行過多次維修和病害處理，原路結構和強度均存在一定的不均勻性，導致了彎沉值復現(xiàn)性差和離散性較大。
(2)舊路病害調查。該項目路面病害主要以縱橫縫、龜裂、沉陷及坑槽為主，施工過程中發(fā)現(xiàn)舊路縱向裂縫發(fā)展較快，裂縫變大并出現(xiàn)不同程度新增縱向裂縫。路面縱縫成因復雜，經分析主要原因是舊路老化且缺乏養(yǎng)護，季凍地區(qū)路面受凍脹、溫縮影響，以及舊路基層既有裂縫或維修施工縫反射，加之施工重載車輛等，多重因素相互作用的結果。
(3)舊路養(yǎng)護情況調查。根據養(yǎng)護資料，本項目于2014年和2015年對路面進行過維修養(yǎng)護，維修方案均以罩面為主，雙層維修和三層維修為輔。本項目設計時間為2016年，與維修養(yǎng)護完成時間非常接近，調查期間的路面相對完好，很多舊路病害被掩蓋無法發(fā)現(xiàn)。
(4)新舊路面拼接縫施工過程中出現(xiàn)的問題。由于本項目基層為二灰碎石和二灰土穩(wěn)定基層，設計拼接位置臺階寬度為50cm，且按原路結構層厚度銑刨臺階(見圖1)。
圖1 路面拼接臺階
該方案拼接位置臺階處于行車道輪跡帶區(qū)域，不符合規(guī)范要求[4]，影響后期路面使用壽命。而且因為臺階過寬，施工機械容易對已完成的臺階造成破壞，另外由于舊路床需要緊貼臺階垂直下挖1.2m再重新填筑，施工時極易擾動臺階下的原有路床從而出現(xiàn)坍塌脫空問題，造成該位置路床壓實度不足，在之后碾壓臺階上的新鋪基層時會因不均勻變形而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。同時二灰粒料基層長期暴露受水溶凍脹影響，也容易發(fā)生破損現(xiàn)象(見圖2)，以上這些問題都會影響后續(xù)拼接施工。
圖2 臺階現(xiàn)場情況
而且新舊路面拼接處始終無法避免施工縫的存在，多處新舊路面拼接位置出現(xiàn)施工縫開裂問題(見圖3)。經分析主要原因是，該工程地處高緯度季凍地區(qū)，凍脹、溫縮影響較大，且本項目為重要運輸大通道，保通壓力大，施工工期較短，大部分路段的路基和路面均為當年施工，也很難完全消除不均勻沉降影響。
圖3 新舊路面拼接縫開裂
結合以上對舊路變化情況和影響因素的分析，作者認為舊路改善設計和新舊路面拼接設計應根據舊路情況采取動態(tài)設計理念，保證設計方案的合理性。
3 舊路改善設計方案介紹
結合舊路現(xiàn)狀，應對原舊路改善設計進行調整。舊路改善設計包括舊路補強設計和舊路病害處理，調整后采用動態(tài)設計理論，其關鍵是施工前對舊路狀況進行逐段調查分析。路面動態(tài)設計是基于施工時路面情況進行判斷，此時路線平縱設計和橋涵構造物已基本完成，故不宜采取繼續(xù)加鋪路面、抬高縱斷的方式調整設計，動態(tài)設計主要采取逐段進行分層調查、分層處理的方案。
動態(tài)設計主要分以下幾步，首先設計時應根據當量設計軸載累計作用次數(shù)，計算路面結構，確定路面結構組合和路面加鋪層厚；另外舊路加鋪方案要結合舊路彎沉和病害檢測情況，按舊路彎沉值和病害分別設計路面加鋪方案；然后分析舊路彎沉值，設置彎沉控制值，將舊路加鋪方案按舊路彎沉值歸類，并結合舊路病害情況對舊路逐段設計補強方案；最后施工期對舊路彎沉和病害情況逐段重新檢測，根據復測彎沉代表值和病害情況核查路面加鋪方案，形成最終的加鋪方案。
根據以上原則本項目的舊路改善設計方案如下。
3.1 當原路面層頂彎沉代表值L0(1/100mm)≤29時(圖4)
圖4 原設計L0(1/100mm)≤29的動態(tài)設計方案圖
(1)設計階段采用I-1結構，在舊路面層頂加鋪7cm AC-20+4cmSMA-13。施工期進行復測后，滿足原設計要求或直接施工即可。如果舊路瀝青面層彎沉代表值L0(1/100mm)>29，或存在縱縫、龜裂、塊裂等較重病害，應銑刨面層，結合基層頂面彎沉、病害進一步分類處理。
(2)舊路面層銑刨后對舊路基層進行復測，當舊路基層頂彎沉代表值L0(1/100mm)≤50時，采用I-1-a結構，在原路二灰粒料基層頂加鋪15cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。如果舊路基層彎沉代表值L0(1/100mm)>50，或存在縱縫、龜裂、塊裂等較重病害，應銑刨基層，結合底基層頂面彎沉、病害進一步分類處理。
(3)舊路基層銑刨后對舊路底基層進行復測，當舊路底基層頂彎沉代表值L0(1/100mm)≤80時，采用I-1-b結構，在原路二灰土底基層頂加鋪28～31cm水泥穩(wěn)定碎石+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。當原路二灰土頂代表彎沉值L0(1/100mm)>80時，原路按挖除新建設計。
3.2 當原路面層頂彎沉代表值29
圖5 原設計29(1)設計階段采用I-2結構，在原路瀝青層上加鋪12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。施工期進行復測后，如果舊路瀝青面層彎沉代表值L0(1/100mm)>50，或存在縱縫、龜裂、塊裂等較重病害，應銑刨面層，結合基層頂面彎沉、病害進一步分類處理。
(2)舊路面層銑刨后對舊路基層進行復測，當舊路基層頂彎沉代表值L0(1/100mm)≤60時，采用I-2-a結構，在原路二灰粒料基層頂加鋪15cm水泥穩(wěn)定碎石+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。如果舊路基層彎沉代表值L0(1/100mm)>60，或存在縱縫、龜裂、塊裂等較重病害，應銑刨基層，結合底基層頂面彎沉、病害進一步分類處理。
(3)舊路基層銑刨后對舊路底基層進行復測，當舊路底基層頂彎沉代表值L0(1/100mm)≤90時，采用I-2-b結構，在原路二灰土底基層頂加鋪40～43cm水泥穩(wěn)定碎石+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。當原路二灰土頂代表彎沉值L0(1/100mm)>80時，原路按挖除新建設計。
3.3 當原路面層頂彎沉代表值50
圖6 原設計50(1)設計階段采用I-5結構，在原路瀝青面層上加鋪20cm 水穩(wěn)基層+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。施工期進行復測后，如果舊路瀝青面層彎沉代表值L0(1/100mm)>80，或存在縱縫、龜裂、塊裂等較重病害，應銑刨面層，結合基層頂面彎沉、病害進一步分類處理。
(2)舊路面層銑刨后對舊路基層進行復測，當舊路基層頂彎沉代表值L0(1/100mm)≤100時，采用I-5-a結構，在原路二灰粒料基層頂加鋪35cm水泥穩(wěn)定碎石+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。如果舊路基層彎沉代表值L0(1/100mm)>100，或存在縱縫、龜裂、塊裂等較重病害，原路按挖除新建設計。
該設計方案可盡量提供水穩(wěn)基層全斷面攤鋪條件，同時根據舊路彎沉值控制分層調整路面結構，更加符合動態(tài)設計理念，也更加貼近于實際。施工階段要求施工單位逐層進行彎沉驗收，以確保每層彎沉代表值滿足加鋪上層的要求。
4 新舊路面拼接設計調整及施工精細化
針對施工過程中拼接縫出現(xiàn)的問題，對拼接縫設計方案進行了調整優(yōu)化，主要設計方案如下：
(1)調整臺階尺寸，拼接縫臺階位置盡量靠近2、3車道分界線處，基層臺階尺寸減小至25cm，滿足施工要求即可。調整拼接縫位置基本避開車輛輪跡分布范圍，具體見圖7所示。
圖7 調整后臺階方案圖
(2)舊路路床設置40cm深、65cm寬臺階，以減少舊路床受擾動影響，并降低新舊路床不均勻沉降，二灰土底基層與新建部分底基層拼接時，水穩(wěn)底基層預留25cm，待底基層水穩(wěn)施工前，再將舊路預留部分鑿至新建底基層底標高，避免前期施工和水溶凍脹影響。為了保證路堤邊坡臺階開挖的質量，應使用小型機具，必要時可以采用人工開挖。
(3)在拼接縫處設置自粘式貼縫帶，在舊路瀝青面層與新建瀝青柔性基層拼接處側面設置自粘式貼縫帶，待攤鋪高溫瀝青時，貼縫帶受高溫作用軟化從而粘性增強，軟化的貼縫帶能充分地與新舊瀝青融合，此方式不僅可以確保側面瀝青飽滿度和均勻性，而且施工方便耗時少，可有效避免側面污染，粘結和防水效果較好，提高了新舊拼接處的聯(lián)接強度。
(4)設置自粘式玻纖格柵，在全斷面攤鋪瀝青面層前，于新舊路拼接處設置自粘式玻纖格柵，增強拼接縫的抗拉能力，為保證玻纖格柵搭接寬度，面層臺階寬度調整為45cm，要求自粘式玻纖格柵抗裂能力應大于80kN，玻纖格柵層間聯(lián)接好，施工易控制，可減少和延緩拼接縫縱向裂縫的出現(xiàn)。
(5)為保證基層拼接縫滿足強度要求，應加強基層拼接縫處壓實和聯(lián)接質量。采取措施避免攤鋪過程中豎向離析現(xiàn)象。基層搭接處施工過程中采用撒水泥漿方案，濃度控制在1∶1，主要工序為：撒水泥漿→攤鋪→三角區(qū)人工布料→小型壓路機初壓→接縫處回灌水泥漿→小型壓路機壓實、沖擊夯死角補壓→回灌水泥漿→三鋼輪壓路機終壓。同時注意降低動載對拼接處的擾動，增加靜載壓實使其達到設計要求。
5 結論
本項目結合舊路現(xiàn)狀和發(fā)展變化，采用動態(tài)設計的理念，綜合考慮高緯度季凍地區(qū)公路路面改擴建的影響因素，提出了比較貼合實際的設計方案。舊路改善設計，對舊路采用分層檢驗分層處理的方式，為路面各結構層全斷面攤鋪提供了條件，盡量減少了各結構層拼接縫的存在。新舊路面拼接設計，臺階盡量避開車輛輪跡影響范圍，減弱了拼縫受荷載影響產生疲勞破壞的程度，設置必要的抗裂措施，可減少和延緩縱向裂縫的出現(xiàn)，有利于提高路面結構耐久性。從現(xiàn)場施工后路面使用情況看，該方案符合季凍地區(qū)高速公路路面改建的實際情況，施工效果較好。
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圖5 原設計29 (1)設計階段采用I-2結構，在原路瀝青層上加鋪12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。施工期進行復測后，如果舊路瀝青面層彎沉代表值L0(1/100mm)>50，或存在縱縫、龜裂、塊裂等較重病害，應銑刨面層，結合基層頂面彎沉、病害進一步分類處理。 (2)舊路面層銑刨后對舊路基層進行復測，當舊路基層頂彎沉代表值L0(1/100mm)≤60時，采用I-2-a結構，在原路二灰粒料基層頂加鋪15cm水泥穩(wěn)定碎石+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。如果舊路基層彎沉代表值L0(1/100mm)>60，或存在縱縫、龜裂、塊裂等較重病害，應銑刨基層，結合底基層頂面彎沉、病害進一步分類處理。 (3)舊路基層銑刨后對舊路底基層進行復測，當舊路底基層頂彎沉代表值L0(1/100mm)≤90時，采用I-2-b結構，在原路二灰土底基層頂加鋪40～43cm水泥穩(wěn)定碎石+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。當原路二灰土頂代表彎沉值L0(1/100mm)>80時，原路按挖除新建設計。 圖6 原設計50 (1)設計階段采用I-5結構，在原路瀝青面層上加鋪20cm 水穩(wěn)基層+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。施工期進行復測后，如果舊路瀝青面層彎沉代表值L0(1/100mm)>80，或存在縱縫、龜裂、塊裂等較重病害，應銑刨面層，結合基層頂面彎沉、病害進一步分類處理。 (2)舊路面層銑刨后對舊路基層進行復測，當舊路基層頂彎沉代表值L0(1/100mm)≤100時，采用I-5-a結構，在原路二灰粒料基層頂加鋪35cm水泥穩(wěn)定碎石+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。如果舊路基層彎沉代表值L0(1/100mm)>100，或存在縱縫、龜裂、塊裂等較重病害，原路按挖除新建設計。 該設計方案可盡量提供水穩(wěn)基層全斷面攤鋪條件，同時根據舊路彎沉值控制分層調整路面結構，更加符合動態(tài)設計理念，也更加貼近于實際。施工階段要求施工單位逐層進行彎沉驗收，以確保每層彎沉代表值滿足加鋪上層的要求。 針對施工過程中拼接縫出現(xiàn)的問題，對拼接縫設計方案進行了調整優(yōu)化，主要設計方案如下： (1)調整臺階尺寸，拼接縫臺階位置盡量靠近2、3車道分界線處，基層臺階尺寸減小至25cm，滿足施工要求即可。調整拼接縫位置基本避開車輛輪跡分布范圍，具體見圖7所示。 圖7 調整后臺階方案圖 (2)舊路路床設置40cm深、65cm寬臺階，以減少舊路床受擾動影響，并降低新舊路床不均勻沉降，二灰土底基層與新建部分底基層拼接時，水穩(wěn)底基層預留25cm，待底基層水穩(wěn)施工前，再將舊路預留部分鑿至新建底基層底標高，避免前期施工和水溶凍脹影響。為了保證路堤邊坡臺階開挖的質量，應使用小型機具，必要時可以采用人工開挖。 (3)在拼接縫處設置自粘式貼縫帶，在舊路瀝青面層與新建瀝青柔性基層拼接處側面設置自粘式貼縫帶，待攤鋪高溫瀝青時，貼縫帶受高溫作用軟化從而粘性增強，軟化的貼縫帶能充分地與新舊瀝青融合，此方式不僅可以確保側面瀝青飽滿度和均勻性，而且施工方便耗時少，可有效避免側面污染，粘結和防水效果較好，提高了新舊拼接處的聯(lián)接強度。 (4)設置自粘式玻纖格柵，在全斷面攤鋪瀝青面層前，于新舊路拼接處設置自粘式玻纖格柵，增強拼接縫的抗拉能力，為保證玻纖格柵搭接寬度，面層臺階寬度調整為45cm，要求自粘式玻纖格柵抗裂能力應大于80kN，玻纖格柵層間聯(lián)接好，施工易控制，可減少和延緩拼接縫縱向裂縫的出現(xiàn)。 (5)為保證基層拼接縫滿足強度要求，應加強基層拼接縫處壓實和聯(lián)接質量。采取措施避免攤鋪過程中豎向離析現(xiàn)象。基層搭接處施工過程中采用撒水泥漿方案，濃度控制在1∶1，主要工序為：撒水泥漿→攤鋪→三角區(qū)人工布料→小型壓路機初壓→接縫處回灌水泥漿→小型壓路機壓實、沖擊夯死角補壓→回灌水泥漿→三鋼輪壓路機終壓。同時注意降低動載對拼接處的擾動，增加靜載壓實使其達到設計要求。 本項目結合舊路現(xiàn)狀和發(fā)展變化，采用動態(tài)設計的理念，綜合考慮高緯度季凍地區(qū)公路路面改擴建的影響因素，提出了比較貼合實際的設計方案。舊路改善設計，對舊路采用分層檢驗分層處理的方式，為路面各結構層全斷面攤鋪提供了條件，盡量減少了各結構層拼接縫的存在。新舊路面拼接設計，臺階盡量避開車輛輪跡影響范圍，減弱了拼縫受荷載影響產生疲勞破壞的程度，設置必要的抗裂措施，可減少和延緩縱向裂縫的出現(xiàn)，有利于提高路面結構耐久性。從現(xiàn)場施工后路面使用情況看，該方案符合季凍地區(qū)高速公路路面改建的實際情況，施工效果較好。3.3 當原路面層頂彎沉代表值50
4 新舊路面拼接設計調整及施工精細化
5 結論
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