吐乌大高速公路路面扩建设计分析

李 程

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

吐乌大高速公路是新疆最重要的交通要道，是我国第一个全国公路国道主干线网络“两纵两横三个重要路段”中的“两横”，是连云港至霍尔果斯线的重要组成部分。吐乌大高速公路自1998年建成通车至今已有14年，目前交通量已达饱和状态，服务水平日趋下降，对该段高速的扩建研究已提上日程。

本文对该段高速公路四车道改八车道中路面扩建设计进行探讨，针对吐乌大高速公路现有路面状况，分析其路面破损产生原因，并结合八车道高速公路行驶车辆分布特点，按分车道行驶进行路面设计，为今后新疆高速公路路面扩建提供参考。

1 现有吐乌大高速公路路面结构及现状

1.1 现有路面结构组成及运营维修情况

本段高速公路现有路面结构为：面层为沥青混凝土，基层为水泥稳定砂砾，底基层为天然砂砾，路面结构层厚度总体较薄。

截止到2009年，本段高速公路已运营了十余年，在长期交通荷载和气候环境因素作用下，路面普遍出现了纵向裂缝、横向裂缝、沉陷、泛油与车辙等病害。2009年9月～2010年10月，完成了该段高速公路旧路面病害处理及罩面施工。

随着2010～2012年交通量的迅猛增长，路面又出现了新的裂缝、沉陷、泛油、车辙等病害，养护部门已对其做过细致的修补，目前使用状况良好。

1.2 现有路面破损状况

对本段高速公路路面进行调查与检测，内容包括：路面病害调查、回弹弯沉检测、平整度检测、探地雷达检测、路面取芯与试验。在调查检测与试验的基础上，依据《公路技术状况评定标准》对各项指标进行评价分析。

现有路面检测与评价结果为：使用状况良好，整体强度高，但局部病害严重；路面面层病害较为普遍，典型病害有裂缝、龟裂、泛油等，PCI评价为中、差的路段较多；路面弯沉检测结果较好，路面结构层强度高，PSSI评价为良；探地雷达检测和路面钻芯取样试验表明，沿线各层厚度均匀，整体强度较好，但是全线的沥青中、下面层矿料级配波动较大。

结合现有路面检测与评价结果以及管理单位提供的相关材料，认为现有路面的主要病害为：横向裂缝、平整度不足、泛油。

1.3 路面病害原因分析

1.3.1 横向裂缝

吐乌大高速公路的主要病害是横向裂缝，宽度为10～20mm。横向裂缝对行车的舒适性有较大的影响，行驶过程中有明显的跳车。本段高速公路全线采用水泥稳定砂砾材料作为基层，所经地区属大陆性干旱气候，冬季寒冷，温差大，气温升降剧烈。经过病害分析，判断横向裂缝为温缩开裂、半刚性基层反射裂缝以及这两种原因的综合作用形成的横向裂缝。

1.3.2 不平整

吐乌大高速公路上下行线平整度普遍较差，主要原因在于沥青混合料面层的变形，包括重复行车荷载作用下的压密变形和路面车辙。

1.3.3 泛油

根据路况调查，在夏季高温季节六七月份，吐乌大高速公路路面出现大量的泛油现象，分析认为主要有以下两个方面的原因。

1.3.3.1 夏季高温

新疆地区夏季温度很高，特别是该高速公路项目所在地区夏季的最高温度可达到50℃以上，在强烈的日照作用下地表温度可达到80℃。高温使沥青变软，在车辆荷载的作用下进一步挤密，过多的自由沥青挤压到路面表面形成泛油现象。

1.3.3.2 路面上面层沥青含量偏高

路面取芯及室内试验表明：上面层沥青从沥青混凝土层的内部和下部向上移动，使表面有过多沥青，部分路段存在明显的车辙，上面层的高温稳定性较差。这也是造成路面高温稳定性较差、产生泛油的原因之一。

1.4 路面结构设计对策

结合本段路面病害原因分析，沿线气候环境恶劣，地质条件复杂，因此在沥青混合料设计中，以高温抗车辙、低温抗开裂作为重要设计指标，需提高温度稳定性并均衡协调两者对于材料技术指标及配比设计的要求。建议使用改性沥青，如SBS改性沥青、SBR改性沥青。

半刚性基层设计时为有效减少水泥稳定砂砾基层的收缩开裂，建议采用较低的水泥剂量，并严格控制半刚性基层的厚度。施工时注意基层7d无侧限抗压强度要严格控制在3～4MPa。

2 扩建路面设计原则

2.1 分车道设计新建路面结构

根据改扩建后八车道高速公路车辆运行特点，自中央分隔带向外第一、二车道行驶车辆为小型车、中型车，行驶速度相对较快，一般作为轻载交通车道，第三、四车道行驶车辆为大型车、中型车，行驶速度相对较慢，一般作为重载交通车道。结合改扩建后八车道高速公路车辆运行特点，将现有路面作为老路改建利用车道，按轻载交通进行设计；第三、第四车道和硬路肩全部新建路面，按重载交通进行设计。

2.2 原有路面病害处治

原有路面病害处治可分为面层病害处治和基层病害处治。其中面层病害主要有裂缝、龟裂、车辙、坑槽等，基层病害主要表现为基层破碎及路面沉陷。

改扩建项目为利用原有路面，就拟定路面病害程度的划分标准制定不同的路面病害处治原则。原有路面面层出现坑槽、沉陷、龟裂、疲劳裂缝、横向裂缝连续、集料剥离等病害时就需挖除原有路面的面层，并按调坡后的路面标高重新加铺沥青混凝土面层。

对原有路面基层进行现场检测，基层松散、破碎、横向裂缝连续等病害为严重破损，需挖除重建。

对原有路面底基层原则上不翻修，个别情况视需要确定。

根据以上路面病害、破损严重程度，确定本项目路面破损、病害处治原则，对原有路面病害进行处治后方可利用。

2.3 路拱横坡衔接

路面纵面设计时兼顾老路面横坡改建需要。路面调纵坡前必须核对老路面原横向坡度，要求改建路面和新建路面均按同一横坡控制，超高路段按设计横坡确定；当原老路面横坡小于设计值时，可适当抬高路面纵坡，当原路面横坡大于设计值时，可适当降低路面纵坡，尽量控制老路行车道路面标高，使其在原老路面罩面标高基础上少量抬高。

桥头原伸缩缝处标高不变，作为纵坡调整的控制点，桥面铺装按现有纵面进行施工，不考虑纵面调整，保证铺装厚度的稳定。

2.4 路面结构拼接

对现有路面进行补强利用时，为了提高老路基强度，保证新建路面下路基强度的均匀性，将现有路面硬路肩和土路肩全部挖除，第三、第四车道与硬路肩新建路面。对现有路面开挖台阶，台阶每级宽30cm，并在基层顶部铺设宽2m的玻璃纤维格栅，防止新旧路面产生纵向裂缝。

2.5 现有路面再利用分析

为了减少老路面废料对环境的污染、降低路面工程造价，对老路面材料进行回收并充分利用，现有路面铣刨的沥青混凝土旧料和基层旧料分开堆放，把沥青混凝土旧料、基层旧料、石屑和水泥按一定的配合比掺合进行再生利用。

3 新建路面设计

3.1 累计当量轴次计算

3.1.1 交通量预测

根据交通量预测结果，吐乌大高速公路交通组成主要有以下几个特点：

a）客车、拖挂车、集装箱所占比重较大，并逐年增长；

b）大客车、小货车、中货车、大货车、特大货车所占比重较小，其中大客车、中货车、大货车、特大货车所占比重逐年减少，小货车比重基本不变。

根据未来特征年交通量预测：吐鲁番至达坂城、达坂城至乌拉泊段在设计基年2020年的交通量分别达到了21 794pcu/d、33 712pcu/d，其中客车和货车的比例为3∶2。

3.1.2 计算参数

新建双向八车道路面设计，按《公路沥青路面设计规范》选取设计参数，公路等级系数Ac=1，面层类型系数As=1，路面结构类型系数Ab=1，车道分布系数η＝0.5。

3.1.3 计算结果

按分道行驶设计原则，第三、四车道及硬路肩新建路面为重载交通作用路面，累计当量轴次为5.2×107次/车道，设计弯沉计为23.2（0.01mm）。

3.2 新建路面结构

新建路面结构组合及厚度如下：上面层为5cm中粒式SBS改性沥青混凝土（AC—16C）；中面层为6cm中粒式SBS改性沥青混凝土（AC—20C）；下面层为8cm沥青稳定碎石（ATB—25F）；封层为沥青表面处治下封层（S12）；基层为32cm4.5%水泥稳定砂砾；底基层为20cm3%水泥稳定砂砾。

4 老路面改建设计

4.1 原有路面当量模量计算及累计轴载计算

根据各路段原路面实测弯沉值，按《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）中改建路面的当量模量计算公式得出原有路面当量模量，再根据原有路面当量模量计算出路面补强厚度。依据原有老路检测与评价，计算得出原有路面上、下行线的当量模量分别为668.5、878MPa。

按分道行驶设计原则，第一、二车道为老路改建利用，为轻载交通作用路面，累计当量轴次为3.71×107次/车道，设计弯沉值为29.1（0.01mm）。

4.2 原有路面结构

假设加铺层为四层，采用设计累计当量轴次3.71×107次、路面设计弯沉值0.291mm验算补强层厚度。补强路面结构层为：5cm中粒式SBS改性沥青混凝土（AC—16C）+6cm粗粒式SBS改性沥青混凝土（AC—20C）+8cm沥青稳定碎石（ATB—25F）。经验算，水泥稳定砂砾补强层厚度为18cm时就能满足设计弯沉值的要求。

5 结语

随着西部大开发的深入，新疆地区的经济迅速发展，高速公路的交通量快速增长，高速公路的运输压力越来越大。新疆地区的高速公路已逐渐进入扩建期。吐乌大高速公路是新疆第一条高速公路，也是第一条改扩建高速公路。本文结合新疆特有的地形、地貌和气候等特点以及以往高速公路路面的病害特点对路面扩建设计进行探讨，以为今后新疆的高速公路改扩建工程提供参考。

［1］JTG D50—2006，公路沥青路面设计规范［S］.

［2］新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院.连霍高速（G30）新疆境内吐鲁番至乌鲁木齐段改扩建工程可行性研究［R］.乌鲁木齐：新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，2012.

［3］韩文涛.连霍高速公路郑州段路面改扩建设计［J］.中外公路，2009，（5）：56-61.