高速环道曲面沥青施工设备改造及摊铺关键技术

王安会 （中铁四局集团第一工程有限公司，安徽 合肥 230041）

1 概述

高速环道是汽车试验场的重要组成部分，是供汽车进行连续高速行驶试验的闭合循环跑道，测试汽车的高速巡航能力，在高速状况下的传动系统工作状态、制动和高速耐久性等相关性能。试车场高速环道一般采用椭圆形，两端对称设置圆曲线和缓和曲线。对于一个试车场来说，高速环道是其中建设难度最大、建设成本最高的一环，其建设规格标志着试车场的规模和级别。

2 项目背景及技术难点

某试车场高速环道由直线、缓和曲线、圆曲线组成封闭连续道路，全长4118.482m，其中每条缓和曲线长度342m，每条圆曲线长度630.554m，圆曲线半径为305m。纵断面设计基准线为低速车道内侧边线，基准线设计标高均为13.80m。高速环道缓和曲线采用麦克康奈尔曲线，横断面采用三次抛物线，硬路肩为一次函数，且各段线性在交界点处平顺过渡，即高速环道的曲面由设计的三维曲面组成，有0°～47.08°的倾角变化。高速环道划分为3条行车道，其中低速车道、中速车道宽3.75m，高速车道宽5.0m。设计车速为高速环道180km/h，中速车道120km/h，低速车道60km/h。见图1“某试车场高速环道平面及横断面图”所示。

图1 某试车场高速环道平面及横断面图

高速环道呈现的是盆腔式，沥青摊铺要在连续变化的曲面上进行，其传统的沥青摊铺机械设备、摊铺工艺均不能满足要求。传统摊铺机熨平板是刚性的平面板状结构，摊铺横断面是直线，不能进行横断面为变化曲线的高环沥青摊铺，为此要对传统的摊铺设备进行必要的改造。在47.08°超大高度角的三维曲面上施工，机械和作业人员均需要借助辅助的稳定系统，且沥青混合料在摊铺时容易滑落，施工难度大。必须分析曲面上的沥青的松铺系数与沥青摊铺厚度的对应关系，对曲面沥青摊铺机施工宽度、摊铺速度、行走方向、摊铺温度以及路面车道宽度拼接方式、横向接缝设置、曲面平衡梁找平系统、摊铺厚度和平整度的控制等关键工序进行严格控制。

鉴于篇幅所限，本文仅就曲面沥青摊铺机械和摊铺过程中的质量控制要点进行简述。

3 沥青摊铺机改造

传统沥青摊铺机熨平板是刚性的平面板状结构，摊铺横断面是直线（或近似直线）。试车场高速环道的摊铺面是三维曲面，且缓和曲线横断面是不断变化的，传统的沥青摊铺机无法满足曲面沥青摊铺要求，因此必须对摊铺机进行改造。

3.1 熨平板改造

熨平板作为摊铺机的主要工作装置，决定着沥青摊铺的平整性和密实性。为适应曲面沥青的摊铺，必须对熨平板进行改造，改造思路为将熨平板进行分节，并通过液压杆进行拱度调整，为此需计算确定合理的分节长度和调节高度。

由前述工程概况已知该高速环道圆曲线段设计半径为305m，高速车道、中速车道的设计速度分别为180km/h、120km/h，高程设计线位13.8m，重力加速度g取9.81m/s2。以高程设计位置为原点，横断面方向为X轴，竖直方向为Y轴建立假定坐标系。见图2“假定坐标系”所示。

图2 假定坐标系

将已知数据分别带入，可求得该三次抛物线的方程式为：

令 ρ'=0，解得 x=6.510

当 -3＜x＜6.510，有 ρ'＜0；当 6.510＜x＜14，有 ρ'＞0；

即试车场高速环道横断面三次抛物线方程最小曲率半径在在横向6.510处，也就是处于中速车道内。从低速车道到此处半径逐渐变小，从此处到高速车道半径逐渐变大。此时意味着摊铺中速车道时熨平板弧度最大，此时熨平板调节装置调节幅度最大，其值为最大弦高值。

中速车道宽度为375cm，边界两点坐标近似（3.75，14.36791）、（7.5，15.79831），由该两点构成的直线方程为：y=0.38144x+12.93751。

对 y=0.00126031（x+4.365490965）3+13.69514463求导，令y'=0.38144，

解得：x=5.67850974，将此值带入横断面三次抛物线方程，求出y=14.97220584，此处弦高值最大，此处弦高值为点 （5.67850974，14.97220584） 到 y=0.38144x+12.93751的距离。计算得出点到直线距离：

根据上面计算，故熨平板最大调节量为12.4cm，考虑调节富余，设计时熨平板调节装置最大值为15cm。

在圆曲线上曲率半径最小在位置6.51m处，此处半径R：

如果半径为1598.4cm的圆，弦长D对应的正矢优于准许值，那么分节宽度就满足要求，计正矢为t则：

根据大量实践和经验总结，t＜0.15cm，那么将t=0.15cm、R=1598.4cm带入上式求得D=43.79cm，因此熨平板分节最大长度需控制在43.79cm内。经理论计算得知，单节熨平板的理论长度为43.79cm，在实际制造过程中取为42cm进行改造加工。改造后的熨平板示意图见图3“改造后熨平板示意图”所示，其实物图见图4“摊铺机熨平板改造后实物图”所示。

3.2 摊铺机稳定性控制

图3 改造后熨平板示意图

图4 摊铺机熨平板改造后实物图

曲面摊铺机要实现在倾斜面上连续作业，必须确保摊铺机的稳定。采用大型设备进行牵引可解决其稳定性问题。牵引机采用某公司生产的橡胶垫履带式液压铲车改造而成，工作时加配重总重量为41350kg，行驶速度为0～10m/min，最大爬坡能力为15°，绞盘张力为3t，绞盘速度为0～20m/min。工作时在斜面的堤顶道路上牵引摊铺机作业。改造后的牵引机采用卷动式行驶装置和自动张力控制装置，使运行操作更容易。上部旋转体后部的配重板做成轻薄形状，缩小后端半径。加装绞盘钢缆理顺装置，防止由于钢缆乱卷导致重复操作。设置了后方监视器、大型反光镜、扶手、施工照明灯等提高了安全性。见图5“摊铺机牵引机实物图”所示。

图5 摊铺机牵引机实物图

为确保摊铺机和牵引机的稳定性，对牵引机的倾覆稳定性和滑动稳定性、牵引钢丝绳安全性等进行受力分析。已知斜面用摊铺机自重为16600kg，即166kN。沥青料重量为5t，即50kN。支撑机械自重为62850kg，即628.5kN。钢缆材质为IWRC 6×F（i29）B种。附着系数取值0.7。见图6“牵引机及摊铺机受力分析简图”所示。

图6 牵引机及摊铺机受力分析简图

忽略摩擦力作用，则摊铺机在重力作用下向下滑动对钢缆产生拉力为：

此时钢缆对上部支撑机械的力可分解为x方向与y方向两个力

以支撑车一侧轮胎中心线为转动中心，则倾覆抵抗矩为：

M抵抗=628.5×1.2=754.2kN·m

由于钢缆y方向力与转动轮胎中心基本重合，可忽略不计，则转动矩为M倾覆=126.75×2.2=278.85kN·m。则M抵抗/M倾覆=2.7＞2，倾覆稳定性满足要求。

最大滑动力F滑动=Fx=126.75kN，取支撑机械与地面附着系数为0.7，则摩擦力f=μ（G+Fy）=0.7×（628.5+106.35）=514.39kN， 则 f/F 滑 动 =514.39/126.75=4.1＞2，滑动稳定性满足要求。

由设备厂家提供的钢丝绳规格可知，单根钢丝绳承受的破断拉力为219KN，钢丝绳安全系数为6，则单根钢丝绳承受的最大荷载为219KN/6=36.5KN。滑轮上共有6根钢丝绳受力，单根承受荷载为165.46KN/6=27.6 KN。由于 36.5KN＞27.6KN，故钢丝绳安全系数满足要求。

4 摊铺智能控制系统

4.1 实时定位

传统摊铺机没有精准定位系统，但试车场高速环道的断面形式是连续变化的，因此安装定位系统实现实时定位是必要的。通过安装的定位系统，实时读取摊铺机所处位置。

4.2 曲面摊铺动态控制系统

根据试车场高速环道曲面沥青摊铺的特殊性，对原摊铺机的控制系统进行技术改造，研发曲面摊铺控制的SPCS系统，实现曲面摊铺的自动化。根据试车场高速环道曲面的设计断面参数，根据摊铺机的定位系统实时进行定位，将下承层采集的数据导入到控制器中，控制器依据测距系统实时定位参数与试车场三维数字模型进行比对，将熨平板调整指令通过电信号传输给熨平板的液压系统，通过液压系统的冲程来调节熨平板的空间位置，实现曲面摊铺时的动态调整。

5 施工控制要点

5.1 曲面沥青摊铺的分幅分层

鉴于沥青摊铺机的最大摊铺宽度为5.46m，要实现沥青摊铺宽度达15.5m的满幅摊铺，必须对待摊铺区域进行分幅。对摊铺的倾斜面大于25o的混合料摊铺，必须分成多层进行摊铺，以保证高环沥青的摊铺和碾压。该试车场沥青摊铺时具体的分幅分层见图7“高速环道沥青摊铺分幅分层图”所示。

图7 高速环道沥青摊铺分幅分层图

5.2 设备及人员组合

由于曲面沥青施工工艺复杂，精度要求高，投入的机械设备、操作工人多，施工前必须对设备、人员等进行合理分工，相互之间密切配合，确保一次摊铺成型。见图8“设备及人员组合示意图”所示。

图8 设备及人员组合示意图

5.3 摊铺前准备

摊铺前应对摊铺机的刮板输送器、闸门、螺旋布料器、振动梁、熨平板组装、厚度调节器等工作装置和数据调节装置进行检查，在确认各种装置及机构处于正常状态后才能开始施工，若存在缺陷和故障应及时排除，防止摊铺过程中出现故障停机，影响摊铺质量。摊铺前把已经测量好的数据和设计数据进行对比，调整后通过软件输入摊铺机控制电脑中，通过电脑控制系统对各个小熨平板进行调整。

5.4 摊铺作业

沥青摊铺时需严格控制摊铺速度，一般控制在2m/min～4m/min。低速车道摊铺速度一般控制在3m/min～4m/min，中速车道摊铺速度一般控制在2.5m/min～4m/min，高速车道摊铺速度一般控制在2m/min～3.5m/min，松铺系数按1.2控制。沥青料经由沥青料供输机的传送带输送到斜面沥青摊铺机中，然后按环道行走方向，南北环交替进行沥青摊铺作业。在摊铺过程中，若出现横断面不符合设计要求、构造物接头部位缺料、摊铺带边缘局部缺料、表面明显不平整、局部混凝土明显离析及摊铺机有明显托痕时，采用人工局部找补或更换沥青混凝土，但不能由人工反复修整。

6 平整度检测

低速车道采用平整度仪对曲面沥青摊铺成型面进行了检测，中、高速车道采用智能全站仪进行了检测。经检测，南环沥青面层平整度平均值为0.7mm，北环沥青面层平整度平均值为0.73mm，达到了设计不大于0.9mm的要求，优于国内其它试车场水平。

7 结语

试车场高速环道曲面沥青施工工艺复杂，影响因素多，控制难度大。文中仅就沥青摊铺工艺中的摊铺机改造、摊铺机和牵引机稳定性控制、摊铺机智能控制系统和摊铺分层分幅、设备及人员组合配置方式、摊铺速度控制等进行了介绍。鉴于篇幅所限，施工过程中的高精度三维基础控制网建立、高速环道三维实体模型创建、具有曲面追从性的压路机改造、曲面沥青碾压、曲面摊铺接缝处理、沥青曲面测控检测技术等未作介绍，但这些方面均影响着高速环道的成型质量，后续将进一步探索研究，总结一套成熟的曲面沥青摊铺技术，为国内汽车试验场的建设提供参考。