高速公路大修工程设计中的要点分析

2016-11-15齐萱

城市道桥与防洪 2016年1期

关键词：加铺大修沥青

齐萱

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082）

高速公路大修工程设计中的要点分析

齐萱

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082）

目前我国高速公路经过10年左右的使用已进入建设与保养并重的时期。结合京哈路大修工程设计实例，提出大修工程的设计流程。着重提出对现况路的资料收集和分析之后的路况评价、对于纵断面设计标准的控制以及通过对现况路结构分析合理进行加铺结构设计等思路。京哈路大修路面加铺设计主要通过现况路弯沉分析结果来确定。该次大修设计分不同路段进行合理计算，综合弯沉指标、工程投资、施工工期等因素分段进行加铺沥青面层，道路表面层全线更换为改性沥青SMA。通过对高速公路大修设计流程的罗列以及几个要点分析，希望可以对高速公路大修道路设计的工作提供一些参考。

京哈高速公路；大修设计；路况评价；纵断面设计标准；路面加铺结构设计

0　引言

道路路面结构在行车荷载与自然因素的反复综合作用下，其使用性能会逐渐恶化，路面结构状况逐渐产生一定程度的损坏，从而必然丧失车辆运行的舒适性，严重情况下还会造成交通事故，使道路的运行效率下降。

目前，我国的高速公路已进入建设与养护并重的时期，经过10 a左右的使用，路面破损情况较为严重，不少路面需要大修。同时，近年来一些高速公路建成后，交通量增长迅速，受车辆大型化、载重增大及施工质量等因素影响，道路的路面结构承载力均有不同程度的下降。较高的道路破损率严重影响了城市交通的正常运行。针对路面病害，采用新技术、新材料、新工艺，进行科学合理的设计维修，提高路面使用品质，延长使用寿命，是目前面临的紧迫任务，也是道路工作者普遍关心的问题。

结合京哈高速公路大修工程设计实例，提出大修工程的设计流程，着重提出设计前的资料收集和对现况路调查之后的路况评价、大修工程对于纵断面设计标准的控制以及通过对现况路结构分析合理进行加铺结构设计等设计思路，希望可以对高速公路大修道路设计工作提供参考。

1　工程概况

京哈高速公路是北京市公路网规划中八条高速放射线中的一条，是国家公路网中的一条重要国道。京哈高速北京段位于通州区，西起通州区北关环岛，东到河北燕郊，全长约11.5 km。

现况京哈高速公路全线为两上两下加连续停车带，路基宽25 m。沿线共有立交桥涵20座。京哈高速于1986年7月开工，1990年11月建成通车，目前已使用14 a。

2　京哈路大修工程设计流程

2.1收集资料及现况路调查

在进行方案设计前，需要收集京哈路原始设计资料，包括预测交通量累计当量轴次、使用期各年实测交通量资料、设计弯沉值、路面结构、纵断面设计、横断面布置和道路附属设计等，道路使用期间是否有过加铺以及加铺次数等资料对之后的设计也会有很大的帮助。

同时，应提出京哈路的路况调查方法、内容、指标与数据整理方法（分沥青类路面和水泥混凝土类路面）。

此项包括路面病害调查：

（1）调查路面、停车港湾和波形防撞栏杆等破损状况、类型及原因，并进行分类、统计及分析；

（2）调查沿线桥梁桥头沉降、加铺及桥面、匝道和伸缩缝的破损状况并进行分析；

（3）对路面强度进行测试（包括对纵、横缝及破损严重路段取芯，沥青层做马歇尔试验，判断基层有无松散，作二灰砂砾层的抗压强度或回弹模量试验等）。

还包括路面测量资料（包括横断面高程测量和纵向间距30 m一个高程，特殊点加密测量等）及其他专业的调查资料。

2.2设计参数的确定

2.2.1设计弯沉值的确定

万方养护公司提供了2004年京哈高速公路主站白庙收费站的交通量（2004年每月的其中一天的交通量）调查情况，见表1。

通过以上的数据对应5 a和8 a的设计年限得出表2的设计弯沉值。

根据2004年实测交通量以及各种车型的比例分配算出5 a和8 a对应的设计弯沉值。设计单位专业技术委员会对此专题进行了设计评审，同时邀请国内相关专家就具体问题进行座谈，又多次与业主单位及时沟通，该次大修最终确定设计年限为5 a。

2.2.2路况评价

目前的道路大修工程路况评价指标包括有破损率DR、路面状况指标PCI等，路面的弯沉值是目前鉴定路面强度的一项重要指标。

根据2004年进行的京哈高速公路路面状况调查，沥青混凝土路面的病害是较多的，主要病害是：龟裂、横缝、纵缝、车辙和沉陷。其中最多且最严重的破坏形式为龟裂，占总破损面积的58%左右；其次为纵、横裂缝，占总破损面积的32%左右。路面沉陷主要发生在未修复过的桥梁两端路面上，其他破坏形式相对较少。

从路面破损采集数据汇总结果来看，京哈高速公路全路段特别是出京方向的路段路面破损率部分已达到3%，已大面积出现龟裂、麻面，横、纵裂缝等裂缝类破损，小面积松散类和车辙、波浪、拥包等变形破损。

反映路面强度的弯沉指标在2002年、2003年分别做了检测。通过两次检测的结果对比，2003年的弯沉值比2002年增大许多，说明路面强度在一年间下降较多，路面大面积病害的出现也说明了这一点。

要进行合理的大修结构设计，首先要求有精确的旧路路面材料的设计参数，但是旧路面往往破坏层位和程度相差很大，各处路面厚度和老化程度不一。钻芯的结果很难有代表性，本设计以2003年和2004年的路面弯沉分析结果为依据，来确定大修路面加铺结构设计。但是，施工当中发现弯沉的结果并不能完全代表路面的破损情况，这跟弯沉的测试点及范围息息相关。

2.3设计概要

2.3.1设计标准及平面设计

设计标准的确定对大修工程是至关重要的，其控制着整个工程的规模以及投资。京哈路设计标准为高速公路，道路设计行车速度为100 km/h。道路断面维持现况宽度。该次京哈路大修定位是对道路、桥梁的病害进行整治，而非对原有道路、桥梁改建。

平面设计起点为京通京哈联络线终点，终点为北京市与河北交界处，工程道路加铺范围主要为主路、匝道及停车港湾处的加铺［1］。

2.3.2横断面设计

现况京哈路横断面型式为两幅路，路基全宽25 m，断面布置为两上两下加连续停车带（2.5m），中央隔离带2 m宽。

大修工程横断面型式为两幅路，路基全宽25 m，断面布置为两上两下加连续停车带（2.75 m），中央隔离带1.5 m宽。

2.3.3纵断面设计

京哈路纵断面设计主要以现况路面标高加铺沥青混合料厚度进行控制（不含旧路铣刨厚度），桥下及桥上部分受净空及桥梁荷载限制，以现况路面高控制，并满足纵断设计要求。该次大修纵断设计标准以满足规范为前提，但是由于现况道路经过十几年的运营，大部分路基已有不均匀沉降，而且在桥梁加铺范围内需要考虑桥梁荷载以及现有道路竖向条件对加铺厚度的要求，因此在少数路段（主要为与桥梁接顺段，以及竖向变坡点相邻纵坡坡差很小路段）道路纵断设计坡长和坡度设计标准适当降低，但能满足道路平整度的要求，能保证行车的安全和舒适。

表1　京哈高速公路主站白庙收费站的交通量

表2　由白庙收费站的交通量计算的设计弯沉值

大修工程设计的难点是纵断面设计，旧路经过多年的使用，各处破损的程度相差很大，路面纵断跟原设计已相差甚远。如大修纵断设计标准以满足规范为前提，势必将受到现况地面起伏、桥梁范围荷载要求以及控制工程量节约造价等因素制约。该工程在施工当中多次调整纵断以满足桥梁端头和加铺厚度的要求，但坡长和坡度按规范执行有一定的难度，设计中可根据现况在保证行车安全的前提下，适当降低标准。

2.3.4路面加铺结构设计

京哈路原路面结构从下至上分别为15 cm的6%石灰处理路基、18 cm的12%石灰土、36 cm的二灰、5 cm的沥青碎石、4 cm的沥青混凝土以及2 cm的沥青石屑。可以看出，相对于高速公路的标准，京哈路的沥青面层过薄，目前沥青石屑已经不能用于高速公路的面层设计，京哈路的面层主要靠沥青混凝土和沥青碎石来承载。

该次设计是分不同的路段进行合理计算，综合弯沉指标、工程投资、施工工期等因素分段进行加铺沥青面层。道路表面层全线更换为改性沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA），其有良好的高温抗车辙能力、低温抗变形能力，抗滑性能好，同时SMA混合料的空隙很小，耐老化性能及耐久性能都很好，对提高高速公路质量及路面使用服务性能、延长使用寿命、减少使用过程中的维修费用都会有明显的效果。

具体加铺设计为：所有路段均需先做病害处理，铣刨原表面层后进行加铺面层。当路面加铺厚度较薄时或受桥梁净空限制时，应将现况路面进行铣刨处理，满足要求后再加铺。

（1）起点K1+141.94～K5+110（耿庄立交东西各900 m除外），长2 168.06 m，由上往下加铺：SMA-16改性沥青玛蹄脂碎石混合料5 cm；改性乳化沥青黏层。

（2）K5+110～终点K12+620，长7 510 m，由上往下加铺：SMA-16改性沥青玛蹄脂碎石混合料5 cm；改性乳化沥青黏层；AC-20密级配中粒式沥青混凝土6 cm；改性乳化沥青黏层。

对于路面结构的设计要求，现行养护规范是以实测弯沉和设计弯沉的比值来评定的。对同一路面结构采用了半刚性基层和柔性基层两种方式计算设计弯沉，针对不同的交通轴次，设计弯沉值都会有所不同，由此评定的路面强度等级也会相差较大，故不同的基层类型将直接影响到是否对承重层补强。

半刚性基层由于高强度、造价较低，在我国公路工程中得到了广泛的应用，但由于其自身固有温缩、干缩等特点，易使路面产生裂缝，给水侵入路基提供了通道，导致路面结构破坏。柔性基层一般采用沥青稳定碎石等黏弹性材料，韧性好，有一定的自愈能力，具有更大的摩阻力和嵌挤力，结构层整体水密性好，对反射裂缝有较好的抑制作用［2］。

目前在许多高速公路大修设计中采用柔性基层，即在半刚性基层上沥青混凝土面层下采用8～10 cm的沥青稳定碎石或级配碎石做夹层，其实质是通过增加沥青层厚度达到对剪切应力的消散和弥散均匀的效果。实践中确实有成功的例子证明柔性基层是一种较理想的治理反射裂缝的措施，但实际应用中仍需大量的实例验证。

2.3.5病害处理

加强对道路病害的处理对整个大修工程成败的意义重大，因此需对路面裂缝、松散、沉降、变形、拥包、车辙等各类路面病害进行有效处理。

对于路面网裂、龟裂等路面病害应根据不同的破损状况确定处理方法。京石高速公路现况路面破损类型可分为裂缝类、松散类、变形类三大类，每类中根据路面破损状况分为龟裂、网裂、不规则裂缝、纵裂和横裂及车辙、波浪拥包等，并分为轻、重两种程度，如表2所示。

对不同的病害种类以及病害轻重分别有不同的处理办法，设计只是给了一般经验性的原则，具体的病害处理需要在施工当中分析病害成因以及严重程度，通过铣刨路面或钻芯取样分析，结合现场施工条件给出具体的病害处理意见。

2.3.5.1裂缝处理

（1）裂缝小于5 mm：可不处理。

（2）5～10 mm及以上的裂缝：用开缝机进行开缝处理，开出标准槽，将裂缝清理干净后，用改性乳化沥青进行灌缝处理。改性乳化沥青选用慢裂或中裂阳离子乳化沥青（PCR或BCR），缝宽在6 mm左右的应选用喷洒型（PCR）改性乳化沥青，缝宽在10 mm左右的应选用拌合型（BCR）改性乳化沥青。

表2　沥青路面破损分类分级表

2.3.5.2对于路面龟裂、松散、破损的处理

将现况表面层刨除4～5 cm，泼洒改性乳化沥青黏层油（PCR），然后铺中粒式沥青混凝土AC—20（AH—90石灰岩碎石）4～5 cm，然后随路面加铺段加铺路面。

（1）表面层破损较轻时

需直接铣刨表面层0.5～1 cm，然后泼洒改性乳化沥青黏层油（PCR）后，加铺一层土工格栅，上面再随路面加铺段加铺路面。

（2）沉降及变形较大的路段

局部龟裂、网裂严重的地方，应将破损区域按铣刨清除处理，铣刨厚度为4～5 cm，如其下无损坏，则清扫干净后洒改性沥青黏层油，用中粒式沥青混凝土AC—20找平之后再随路面加铺段加铺路面。

如果铣刨后仍有损坏，则继续向下处理直至好的部位或基层，基层局部损坏严重的可洒改性沥青黏层油（PCR）后，加铺一层格栅，上面用中粒式沥青混凝土AC—20找平后随路面加铺段加铺路面。

2.3.6新材料、新工艺以及新的设计思路

京哈路现况中央隔离带路段全线均为波形梁护栏，没有硬隔离设施，不符合现行高速公路防撞标准。该次大修设计中央隔离带全线更换为符合现行高速公路防撞标准的混凝土防撞护栏，压缩了中央隔离带尺寸，提高了现况道路的使用功能。同时，在施工中能充分结合现场施工工具的固定尺寸要求，调整铣刨路面宽度和厚度，然后安装混凝土防撞护栏。现况路侧防撞护栏为波形梁护栏，立柱为Z形钢，在现行的高速公路设计中已不再使用。该次大修路段上将Z形立柱护栏更换为符合设计标准的圆形立柱护栏，安装新的圆形立柱应岔开Z形立柱位置，并在纵向上与Z形立柱在一条直线上。W板回厂镀锌处理后再利用，节约了投资。

大修设计可充分体现新材料、新工艺以及新的设计思路。如北京市二环路路面加铺增加了改性沥青应力吸收层，京石大修工程加铺的沥青面层增加了抗车辙剂，其他工程中使用了裂缝灌缝胶等。