高速公路水泥混凝土精铣刨处治研究

谢 静

（广西交通投资集团柳州高速公路运营有限公司，广西 柳州 545001）

0 引言

随着我国公路车辆荷载日益增加，水泥混凝土路面容易产生错台现象，导致路面积水、平整度恶化，错台病害导致通过车辆发生跳车，危害行驶安全且对混凝土面板造成频繁的冲压作用，降低了混凝土面板的使用寿命［1］，影响行车安全性和驾乘舒适性。

传统的混凝土路面错台消除，提高路面平整度主要通过打磨、填补或铣刨加铺等手段来实现，耗时耗力，成本高，对交通影响也大［2］。目前国内精铣刨大多用于沥青路面中下面层、黏层铣刨后加铺［3］，水泥混凝土路面精铣刨的研究几乎为零，而国外精铣刨则比较普遍。相对标准铣刨，精铣刨刀间距更小，目的在于获得一个新的、具有精确纹理的路面，形成具有理想抗滑能力的平整的路面。精铣刨是通过错台之间的拉坡，精准地铣刨掉错台部分，替代传统的单一深度铣刨加铺及更换旧板、破碎板［4］，能恢复路面坡度，减少废料排放，降低维修成本。精铣刨可以半幅施工、半幅开放交通，铣刨后，可以马上开放交通，对交通影响较小。

下面通过研究精铣刨路面处治技术的原理，分析精铣刨施工的铣刨速度、铣刨深度等内容，结合工程实际施工项目，研究在水泥混凝土路面病害处治施工中应用精铣刨处治技术的施工设计，并总结平整度指标和抗滑性能指标用于评价精铣刨处治后的水泥混凝土路面的性能变化，为类似工程提供参考。

1 精铣刨工艺研究

1.1 精铣刨原理

相对于传统的铣刨工艺，精铣刨是一种升级版的铣刨工艺，目的是为了更好地改善公路路面的养护质量，在降低其养护成本的同时提高使用性能。精铣刨的主要特点是利用刀间距比标准铣刨鼓更小的精铣刨鼓进行铣刨［5］。由于铣刨刀间距更小所以铣刨出的纹理更精细。

从铣刨机机理上看，铣刨机的铣刨鼓相邻两个铣刨刀具的垂直投影之间的距离称为铣刨刀间距LA，如图1所示。铣刨刀间距可作为划分铣刨鼓类型的依据，进而可作为区分传统铣刨与精铣刨处治工艺的依据。对于铣刨宽度为1m及以上的铣刨机，通常将刀间距为15mm和18mm的铣刨鼓作为标准铣刨鼓，对于铣刨宽度＜1m的铣刨机，标准铣刨鼓的刀间距为12mm，如图1所示。对于铣刨宽度≥1m的铣刨机，通常将刀间距为15mm和18mm的铣刨鼓作为标准铣刨鼓，对于铣刨宽度＜1m的铣刨机，标准铣刨鼓的刀间距为12mm。当铣刨刀间距比标准铣刨鼓刀间距要大时，如25mm或20mm时，称之为高效型铣刨鼓或经济型铣刨鼓。这种铣刨鼓主要用于大深度铣刨，由于刀间距大，铣刨鼓上的刀具较少，所以切削阻力小，铣刨刀损耗和油耗更小，因此铣刨机可以发挥更大的铣刨效率。不同的铣刨刀间距，决定了铣刨面的横向纹理间距和深度不同，如图2所示。通过模型运算可以得到铣刨刀间距与理论铣刨深度间的关系，如图3所示。

图1 铣刨刀间距示意图

图2 铣刨横向纹理间距和纹理深度示意图

图3 铣刨刀间距和理论纹理深度关系示意图

根据图3和工程应用经验，当前水泥路面精铣刨工艺一般要求铣刨刀间距≤6mm，且铣刨机具有单线双刀功能，这样能够使得精铣刨处治后的路面具有更加精细的纹理和更高的质量。采用这种精铣刨处治方式，能够使水泥混凝土表面具有较高一致性的纹理，而且对于路面骨料的损耗降低。根据相关研究显示［6］，在构造深度均＞0.5的基础上，精铣刨处治可使纵、横向平整度控制在3mm以内，横向力系数（SFC）＞58，大幅提高了水泥混凝土路面的平整度。而且精铣刨形成的纹理和行驶车辆轮胎花纹之间不会形成密闭的空间，在一定程度上减少了行车噪声污染。综合来看，精铣刨处治技术产生的废料更少，对路面标高影响最小，是一种高效环保的路面处治工艺。

1.2 精铣刨速度

水泥路面纹理的间距、铣刨精细度和铣刨宽度都会决定铣刨机的行驶速度（如图4所示）。《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTGF30－2003）指出极重、特重和重交通水泥混凝土路面宜采用硬刻槽方式制作宏观抗滑构造，尺寸宜为：槽深3～5mm，槽宽3mm，槽间距12～24mm［7］。

假设选用1m直径的精铣刨鼓，则可推导出铣刨速度为：

其中：d——纹理间距，12mm≤d≤24mm；

v——铣刨鼓速度；

t——铣刨机行驶时间，取t＝1min；

n——铣刨机转速，取n＝100r／min。

图4 铣刨速度与纹理效果关系示意图

1.3 过渡段和标高控制

铣刨处治需要设置一定长度的过渡段，此段由于和待处治路段存在高程差，因此通过过渡段的缓和来消除施工时高程的大幅变化。过渡段长度和标高需要综合考虑该段公路的线形设计等属性进行选择。缓和过渡段的长度和标高控制如图5所示，铣刨深度控制施工工艺如图6所示。

图5 铣刨标高控制示意图

图6 铣刨深度控制施工工艺图

总结来看，在精铣刨处治施工过程中，确定缓和过渡段的长度、标高控制原理都是相同的，都作为施工时控制铣刨深度的依据进行施工。

2 精铣刨施工处治效果评价

水泥路面精铣刨处治的主要功效是提高路面的平整度和抗滑性能，可在保证路面抗滑性能的同时有效减小或完全消除路面板缩缝之间的错台量，提高路面的平整度。因此将精铣刨前与精铣刨后路面的平整度、抗滑性能指标进行对比可验证评价精铣刨对提高路面性能的综合效果。

2.1 平整度效果评价

采用平整度指标评价路面施工和使用质量是我国公路标准的基本要求，当前我国常用的测试方法如表1所示。国外工程中则多以平整度指数（IRI）表征路面平整程度，进一步反映路面质量。

表1 国内常用公路平整度测试方法一览表

针对精铣刨处治工程，根据处治路段长度选择合适的平整度测试方法进行测定，针对距离较短的试验段，可选择3m尺法测定，具体按《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80－2004）的规定步骤进行［8］。采用3m法进行精铣刨处治平整度测定时，需要在量测前清理路表面，消除砂浆颗粒的影响。

2.2 抗滑性能评价

路面行车安全功能包括抗滑及防溅水、喷雾和眩光等，其中最主要的是抗滑性能。路面的抗滑能力依赖车轮胎面与路表面间的附着力，由路表面的构造所提供。其构造主要是砂浆和粗集料的表面构造，它会随轮胎反复作用而逐渐磨光。路面构造在车速＜30～50km／h（低速）和＞50km／h（高速）时对路面的抗滑能力的影响不同。精铣刨在对路面铣刨后要保持路面的抗滑性能，因此铣刨后路表面构造的粗糙程度应满足《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40－2002）中关于表面粗糙度的要求，如表2所示。

表2 各级公路水泥混凝土面层的表面抗滑构造深度要求表［9］（mm）

针对路面主要病害为错台的精铣刨处治工程，由于精铣刨设备的横向调平是通过激光测试断面的标高，在解决错台的情况下，要根据多个指标进行综合评定（错台、平整度、抗滑）。路面在铣刨后，应及时测量平整度，将此数据与铣刨前对比，在综合平整度、抗滑、错台量后调整路面铣刨深度。错台的量测可通过直尺，由于铣刨的工作面有限，可能不便于抗滑性能的测试，此时可通过粗略观察进行判断。

3 工程应用

3.1 桂林绕城高速公路精铣刨处治施工项目工程概况

该高速公路为双向四车道，经过长期使用，水泥混凝土路面出现了不同程度的病害问题，其中主要病害为错台和唧泥，通过前期调查，发现其中错台量大多超过5mm，需要对此水泥混凝土路面进行处治，以消除路面病害，提高公路的平整度和整体使用质量。

3.2 施工方案分析

建养单位在前期处治中采取了错台研磨和薄层修补的措施，但由于该地区降雨量大，在重交通荷载综合作用下，采用这一方案并未能取得较好的处治效果。结合专项施工方案分析和工程实际经验，选择精铣刨处治方式施工。鉴于精铣刨处治后即可开放交通，无需路面养生，且施工速度较快，经济效益突出，因此采用精铣刨处治方案是合适的。

首先需对铣刨路面进行其他病害的处治，通过修补、接缝等综合手段作为铣刨前的铺垫，能够发挥精铣刨处治的最大效果，在提升路面养护质量的同时降低养护成本，精铣刨施工方案的技术路线如图7所示。

图7 精铣刨施工方案技术路线图

3.3 精铣刨施工组织设计

（1）施工前准备：项目路段精铣刨施工选用W2000型号维特根精铣刨机，根据相关设备参数，拟定2m铣刨鼓宽度，铣刨刀间距选择3mm规格，此时的铣刨机最大铣刨深度可达30mm。

（2）测量：测量工作按顺序依次为测量路面高程、测量路平石标高、测量每块板错台量，为后续工作做好数据统计汇总工作。

（3）调坡设计：根据现场测得的数据进行内业准备，进行纵横坡设计计算。路面调坡设计在综合考虑纵坡与横坡因素的同时还需要考虑到路面的错台量。由于项目所在地区降雨量比较丰富，为了保证道路的行车安全，铣刨时必须考虑横向坡度的排水问题。

铣刨过程中应对道路断面的标高进行控制，公路标高控制点间距为2～3m（可根据情况适当减小间距）。铣刨过程中，若能按设计铣刨深度及横向坡度施工，铣刨后路面的纵坡和铣刨前路面基本一致。纵向坡度主要由平衡梁自动找平系统控制铣刨深度。

（4）施工放样：综合考虑铣刨宽度和该工程路段宽度，分九幅进行铣刨施工，前后铣刨施工重叠宽度取100mm，次第选取上一铣刨点处的高程作为初始高程进行铣刨高程控制。

（5）交通配合：因为本工程是在高速公路连接线上开展，车流量较大，施工势必对交通造成影响，为了确保工程施工与道路交通的正常有序进行，需要对交通配合做出相应的处理方案。

（6）精铣刨施工：根据上节确定的精铣刨作业理论速度1.2～2.4m／min，综合考虑施工实际情况，控制现场铣刨施工速度以保证施工质量。

根据现场勘察数据，项目路段内、外车道的错台量不相同，这导致内、外车道铣刨深度又不相同。应根据错台量差别，合理确定铣刨深度。施工中由纵坡传感器控制左侧的铣刨深度，右侧由平衡梁自动找平系统控制铣刨深度。为保证铣刨后路面的平整度，视情况假设传感器，争取在铣刨鼓宽度为2m时，铣刨设备前进方向的传感器个数≥2个，传感器能自动采集铣刨后的路面标高等数据并对其进行处理，若平整度、抗滑构造等效果不满足技术要求，系统反馈到操作界面，重新调整铣刨深度、铣刨速度，并且在条件不允许的情况下应采取人工控制措施。

由于项目路段纵断面的曲线半径远大于过渡段的长度，所以取铣刨前后路面高差为过渡段高差，并且根据错台面板调查情况，优先考虑错台量小的水泥混凝土板进行铣刨过渡作业。

3.4 应用效果评价

经过施工后对公路施工质量和实际使用效果的检测显示，桂林绕城高速公路水泥混凝土路面项目处治段经过精铣刨处治施工，取得了较好的养护效果，路面错台、松动、唧泥等病害得到有效解决，路面平整度和路面抗滑性能较旧路面有了明显提升，公路使用质量大幅改善。

4 结语

（1）将精铣刨处治工艺应用在高速公路水泥混凝土路面上可以有效提升路面平整度与抗滑性能，改善水泥混凝土路面纹理，提高路面病害处治施工效率。

（2）采用平整度指标和抗滑性能指标对水泥混凝土路面精铣刨处治效果进行评价能够保证路面养护质量，使路面经过处治施工后达到规范要求的性能标准。

（3）通过制定合理的精铣刨施工方案，控制施工关键工艺，确定科学的铣刨速度和铣刨深度，能够切实提高工程实际中的精铣刨处治效果。桂林绕城高速公路精铣刨处治施工项目工程实践经验，对类似工程处治项目有较好的参考价值。