汽车试验场环道高仰角曲面沥青路面施工技术

徐书国 （中铁四局集团第一工程有限公司，安徽 合肥 230041）

1 工程简介

高速环道是汽车试验场中专供汽车进行高速行使测试整车性能、燃油经济性及噪音等测试跑道，高速环道曲线段的横断面几何设计不同于一般的道路，其行车道多为盆腔式高次抛物线、对数曲线或复合函数曲线形式组成的曲面横断面（一般低速道、中速道、高速道为高次方程、安全带一般为一次方程或为复合曲线1-2-3-1形式）、高速道与低速道的高差大（一般都大于8m）、平整度要求高（σ≤0.9mm），技术标准远远高于高速公路标准（σ≤1.2mm）。典型断面见下图1，设计参数如下表1所示：

图1 环道典型断面图

由上表看，目前国内高速环道主要有椭圆形，平整度要求远高于国内高速公路的要求，曲线段高速道仰角大、试车速度高，要求曲面平顺性高等特点，因此高环曲面沥青混合料摊铺碾压时，防止高仰角沥青混合料下滑、碾压的平整度和平顺性是主要技术控制，笔者从关键设备的选择、基层面的技术处理、沥青混凝土配比的设计、高精度测量运用、摊铺的顺序方法、碾压的方式等方面来进行分析总结。

试验场高速环道曲线段的设计参数 表1

2 关键设备选择

高环曲面高仰角沥青摊铺，目前国际上主要就两种类型设备，一种日系的纵向分幅分车道摊铺的高环曲面摊铺机（见图2）；另一种是德系的纵向全断面摊铺的曲面摊铺机（见图3）。日系摊铺机优点是曲面无横向接缝，且施工成本低，缺点是行车道间存在纵向冷接缝；德系摊铺机优点是曲面无纵向冷接缝，缺点是施工成本高，且可能存在横向冷接缝。根据两种类型摊铺机的优缺点结合沥青混合料的性质及修建试验场地区的气候特征，若少雨且常年气温在0℃以上，在保证施工质量的前提下，考虑经济性，建议选择日系的；反之则采用德系摊铺机。

图2 日系曲面摊铺机

图3 德系曲面摊铺机

3 基层面的技术处理

高速环道圆曲线段曲面是由高次方程（y=ax3+bx+cx+d）组成，特备是在受场地限制情况下，半径较小，试车速度要求较高的情况下（一般要求不小于120km/h），曲面仰角大于35°以 上（见下图4），通过单元体受力分析 {f=(Fsinθ+mgcosθ).μ=(V2/R.m.sinθ+m.gcosθ).μ}实际试验段验证，要确保摊铺的底面层沥青（一般不大于10cm）不易下滑，需要增大此部分基层表面摩擦系数，一般路面的摩擦系数μ值不大于0.7，通过材改善料和施工工艺的改变很难得到提高，因此只有采用机械刻槽方式来增大表面摩擦系数（见图 5）。

图4 曲面上受力分析

图5 机械刻槽

4 高黏附性沥青混合料配合比技术

4.1 严控沥青混合料中骨料参配比例

加强上料斗冷配料比例的管理，对于粗集料斗要定期进行一次全面清理即可，但细集料必须每天结束都清理料斗一次，同时还要有遮雨设施，否则冷料比例的失调对质量的波动影响较大。采用天然河砂对混合料级配有着优良的改善作用，但需注意的是采用两种细集料，则必须确保同时按照设定好的冷料配合比下料，否则使热料0～5mm的组份发生改变，影响到沥青混合料性能，添加天然河沙的比例要求严格按照沥青路面施工技术规范的限制要求，并利用优质沥青做胶结料，以提高耐温度梯度应力变化和高仰角摊铺的稳定性且具有较高承载性能。

4.2 采用PG分级技术，严控沥青原材料性能的技术指标

沥青混合料的性能很大程度上取决于沥青胶结料的特性，对沥青性能的准确评价及分级是沥青材料选用和质量控制的基础，进而也是路面保持长期良好服务的保证。而我国规范现阶段采用的针入度分级笔者认为未有美国大规模采用PG分级对沥青进行评判合理。

PG技术包括沥青胶结料规范、沥青胶结料试验以及沥青胶结料的选择方法。它的显著特色是一反“固定温度进行试验而改变标准值”的办法，而是采用“标准值不变而改变试验温度”的办法。即“标准是一致的，条件是不同的”。

5 高精度测量技术

5.1 建立控制网

高速环道沥青摊铺对平面、高程的要求很高，因此必须要有高精度的控制系统。根据理论计算和相关规范，平面控制网采用D级GPS网+一级导线布设测量；高程控制网采用二等水准网。

5.2 建立高速环道三维模型

由于麦克康奈尔曲线没有严格的线性，采用计算整步长处的空间坐标，非整步长处的空间坐标采用内插方法近似计算，推算对应整步长处横断面坐标方程，研究横断面上点的合理计算间隔和计算坐标的方法。

构建A级曲面，拟合成贝塞尔曲线(Bézier curve）进行工程量统计及模拟施工技术的研究工作。在此基础上，计算沥青混合料的虚铺系数、分析曲面碾压受力方式等。

6 摊铺宽度、顺序合理规划

6.1 根据选择的曲面摊铺机类型来决定摊铺宽度

根据2.1节所述，横向可分全断面和分幅摊铺两种宽度，考虑到曲面的仰角送料情况，全断面组合一般为72cmx17cm组成，分幅的最大一次摊铺宽度为42cm×13cm组成。

6.2 高速环道曲线段摊铺顺序的选择

根据操作手的习惯和曲面仰角的限制，一般是横向由低速道向高速道送料和摊铺，纵向是逆时针方向摊铺。

7 摊铺面关键部位的正确碾压控制技术

碾压设备是指具有碾压滚的压路机，设置碾压滚为双轴双轮串联结构，双轴双轮串联结构是将第一轴和第二轴以铰链连接的形式进行串联，在第一轴上串联且间隔设置第一滚轮和第二滚轮；在第二轴上串联且间隔设置第三滚轮和第四滚轮，形成第一滚轮和第二滚轮共同以第一轴为轮轴，第三滚轮和第四滚轮共同以第二轴为轮轴。如图6所示。

图6 碾压机械的特点（具有曲面追从性）

施工冷接缝碾压采用交叉动静碾压法。压路机先沿横缝方向进行碾压，以保证接缝处热铺面平整且仅略高于冷料面2～4mm。第一遍为静压，压路机钢轮大部分位于冷料面上，仅搭在热铺面上5～10cm；第二遍仍采用静压，压路机钢轮仍大部分位于冷料面上，仅搭在热铺面上约30cm；第三遍进静压退振动，压路机钢轮一半搭在冷料面上一半搭在热铺面上；第四遍进退均振动，压路机钢轮搭在热铺面上约2/3。4遍完成后退回冷料面上，压路机置冷料面接缝中央处，分别从两个方向与接缝呈45。角逐渐向两侧平行碾压，碾压过程进退均开启振动，最后沿冷缝方向静压整平消除轮迹。

8 合适的检测方法选择

①国内外试车场高速环道曲线段验收均未规范检测方法，现阶段主流检测方法有以下三种相结合。

方法一：采用高程、靠尺对完成面进行验收。

方法二：运用八轮平整度仪。

方法三：运用汽车行驶质感进行验收。

采用以上验收方式存在诸多不确定性。方法一：采用高程验收原理以点带面方式存在局限性，而靠尺无法验收横断面为抛物线及曲线半径偏小的高速环道。方法二：斜面八轮平整度仪测量数据无法准确表示现场实际情况。方法三：汽车行驶质感只是定性而无法定量。

笔者研究团队根据原有高速环道、斜面验收存在的问题结合现阶段3D扫描设备的发展，运用高精度激光扫描仪进行验收的原理，结合实景复制和运动仿真技术研发了斜面平整度验收技术。采用3D扫描仪对斜面进行全断面扫描，获得高精度的斜面三维点云，并将点云封装构建成面，等比例创建八轮平整度仪模型，并运用运动仿真技术将创建的模型在构建面的指定特征线上运动，追踪测定轮与测量架的相对运动规律，间接获得每隔一定距离(10cm)路面凸凹偏差位移值，从而计算出平整度值，实现了斜面的平整度验收。

图7 曲面3D扫描

利用三维激光扫描仪提取高速环道的三维点云数据；依据国际平整度指数定义和相应理论编制电算程序，在扫描得到点云数据资料后，便可按抽样点间距利用相应程序计算该段路面平整度的国际平整度指数IRI值。

9 结语

试验场高仰角高速环道工程曲面沥青面层的施工防止高仰角沥青混合料下滑、碾压的平整度和平顺性技术控制是一个多环节的系统工程，影响其指标大小的因素很多，其中某一个环节出现问题，都将难以达到预定的目标，但只要很好的贯彻施工组织安排，对关键设备、关键性工序技术控制方法研究充分，严格质量管理过程，采用先进的检测技术控制就可实现预期的高平坦、高平顺性的质量目标，本文旨在对上海大众、广汽广本及长春一汽等试验场项目的成功经验进行分析总结，为以后国内设计和施工类似的汽车试验场高仰角环道曲面沥青摊铺、水库大坝及高速匝道等沥青路面施工提供经验借鉴。