特长隧道沥青路面抗滑处治措施

陈一虎，张温庭，黄民如

(1.广东省政府还贷高速公路管理中心,广东 广州 510623;2.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司,广东 广州 510641;3.广东交科检测有限公司,广东 广州 510550)

0 引言

随着高速公路建设逐步朝着“村村通高速”的目标前进,同时为了缩短路线里程,隧道工程在高速公路中的占比越来越高。由于隧道内外路面的光照度、温湿度不同,隧道内部空气流通差,长时间行车油污、尾气污染及车轮沾水导致路面湿滑等情况的存在,隧道水泥混凝土路面在使用过程中普遍存在抗滑衰减较快的问题。加之沥青混凝土路面具有较好的平整度、良好耐久的抗滑性能,且易修复、养护后开放通车时间短,沥青混凝土路面在高速公路隧道路面结构中得到了更广泛的应用[1-3]。

由于隧道空间窄小、密闭,空气流通受限,加上灰尘及汽车尾气污染物的影响,隧道沥青路面抗滑性能逐年衰减。通过调查广东省11条高速公路的60余座隧道,对其中代表性路段的交通量、工作环境、使用性能、养护措施等进行详细分析,总结出影响隧道路面抗滑性能的主要因素[4-7]:

(1)交通量的影响。重载车辆不仅会加速路面的磨耗,且隧道内车速慢、制动多,也加速路面抗滑性能的衰减,容易引发高速行驶下的刹车失灵,导致严重的交通安全事故。

(2)水的作用。隧道由于密闭的使用环境,导致水的来源途径较多。无论在湿润还是润滑的状态下,路表碎石构造在车轮荷载的磨耗作用下,导致耐久性衰减过快。此外,沥青胶浆膜磨光后,裸露的集料顶部也容易形成微水膜的“镜面”效应。

(3)隧道密闭环境中污染物的积聚作用。汽车尾气等污染物在隧道内部汇集并逐渐积聚在路面构造上,形成一层油膜,导致隧道内部路面抗滑构造处于一个不利的环境中。

(4)施工工艺的缺陷。对于隧道沥青路面施工工艺而言,由于施工工作空间的限制,以及建设初期隧道通风不良,使得施工期间压实度、布料均匀性、碾压均匀性等施工质量也达不到洞外路面的施工质量,最终导致路面施工过程中的宏观构造、微观纹理未能满足使用条件。

某高速公路已通车运营三年,隧道沥青路面横向力系数SFC平均值从通车时的65.4下降至43.0,下降幅度达到34.3%,后续存在较大的行车安全风险。隧道沥青路面抗滑性能的课题需引起重视,但目前国内对隧道沥青路面抗滑性能的研究以及处治修复措施的应用偏少,因此,本文对隧道沥青路面抗滑性能处治技术进行探究。

1 工程概况

某高速公路牛塘隧道全长3.8km,双向四车道,属特长隧道,洞内为沥青混凝土路面,于2018年底建成通车。隧道路面结构形式见表1。

表1 隧道路面结构

2020年底对沥青路面横向力系数进行了全面检测,发现沥青路面SFC值在遇到隧道时突变降低。通车运营2年后路面抗滑指标下降较快,均值由交工验收时的69下降至43,且离散性较大。

将隧道按长度进行划分,其中中、长隧道内外部的湿度、温度、有害气体浓度均有较大差异。对××高速公路全线隧道内外的空气温度、路面温度及空气湿度进行采集,采集结果如图1所示。

图1 隧道不同位置的空气温度、路表温度及湿度

由采集结果可知,对于隧道内外路面其温度主要受天气情况影响。晴天下采集的路面温度远高于空气温度,最高差值为24.4℃;多云天气下采集的路面温度与空气温度相差减小,差值在3.9℃～8.0℃之间。隧道内空气温度和路面温度接近,路面温度略低于空气温度,最大差值为3.9℃,并且越接近隧道中部,温差越小。由于隧道内部紫外线无法直接照射,同时挥发的水汽难以散发,导致内部气温通常略低于外部的空气温度,采集结果显示比隧道外部平均低2℃～7℃。

隧道洞口内50m处的湿度普遍大于隧道洞口外50m的湿度,差值为3℃～9℃。对于不超过500m的短隧道,隧道内外的湿度差较小,为3%左右,湿度差随着隧道长度的增加而越大,最大相差9℃。对于1 000m～3 000m的长隧道,隧道内外的湿度差较大,尤其是桔子岭2#隧道,湿度差达到29%。而对于3 000m以上的特长隧道,湿度差高达31%。由此可见,随着隧道深度的增加,隧道内空气流通速度相比路基段缓慢,渗入孔隙的流动水或路表水膜挥发后难以散发,湿气聚而不散,导致中、长隧道长期处于潮湿状态。

由于湿度、温度的差异化,导致隧道内部有害气体的浓度也相比外部高,其中一氧化碳、二氧化碳、氧化氮的浓度相对较高[8-9]。与此同时,隧道内部路面上由于车辆通行存在一定量被磨损的橡胶颗粒、碎石、砂子及油污等。

2 隧道抗滑功能恢复措施研究

2.1 常用的隧道抗滑功能恢复措施

对于长大隧道沥青路面旧路养护,通常采用磨耗层加铺的方式处理,可以明显提高路面抗滑摩擦系数,但是市场上不管是加铺罩面、还是超薄磨耗层,单价均在60元/m2以上。对于竣工期出现摩擦系数偏低的长大隧道路面来说,直接采用加铺方案可以快速恢复,但是由于隧道路面长期潮湿、密闭的使用条件,一段时间后路面抗滑性能同样会较快衰减,同时对隧道内空气造成污染。长时间的封闭对道路营运产生较大的安全风险,导致工程经济性较低,也会造成一定的资源浪费。

广东省近几年的主要措施包括增加刻槽(横向、纵向、菱形)、精铣刨、薄层罩面、改性沥青混凝土加铺等。广东华路交通科技有限公司对典型路段隧道水泥混凝土路面抗滑性能改善前后的SFC进行了检测和对比分析,评价不同处治措施对于抗滑修复的应用效果。就整体情况来看,经过水洗、铣刨、加铺薄层罩面、改性沥青混凝土加铺等处治后,路面横向力系数SFC均有不同程度的改善,加铺罩面(超薄沥青磨耗层)改善效果优于复做防滑构造(拉毛与精铣刨)的效果(表2)[10]。

表2 不同抗滑改善措施的效果对比

2.2 隧道路面沉积物分析

经现场调查发现,隧道内结构表面均存在一层油腻性薄膜。对隧道内沥青路面摩擦系数不足的路段进行取样实验,通过燃烧、酶法分析针对集料顶部污染物进行成分确定,如图2和图3所示。

图2 隧道沥青路面集料样品

图3 样品表面物质分析

经分析,隧道内取得碎石样品中的无机物,油含量在5%左右,初步判定污染物为汽车尾气、油污、粉尘污染所形成的。这些粘附在路面及孔隙中的含油性的粉尘颗粒和油污等污染物,是造成沥青路面抗滑性能大幅降低的主要原因。

2.3 隧道路面抗滑测试与处治方案设计

2.3.1 方案一

清水清洗:采用洒水车水枪高压冲洗路面。冲洗后用山猫扫地车(未带钢刷)进行清扫,清扫速度5km/h,清除表面的残余垃圾。

处治路段为K524+500～K525+100,长度600m。

2.3.2 方案二

钢刷处理:采用带钢刷(50%)的山猫扫地车,直接对隧道沥青路面进行处理,清扫速度5km/h,旨在增加路面微观纹理,还原沥青表面的抗滑纹理(图4)。

图4 山猫扫地车(钢刷)处理沥青路面

处治路段为K525+100～K525+600,长度500m。

2.3.3 方案三

抛丸处理:采用亿龙机械品牌水平移动式抛丸机,对隧道沥青路面进行抛丸处理(图5)。转速为2 910r/min(恒定),档数共10档,通过改变档位来调整抛丸强度。现场试验为了确保沥青路面破坏程度最低,选用最高档第10挡,速度为0.76m/s。抛丸机的相关性能参数见表3。

图5 移动式抛丸机处理

表3 抛丸机性能参数

处治路段为K525+600～K526+100,长度500m。

2.3.4 方案四

洗洁精清洗:按照浓缩洗洁精的使用方案进行洗洁精制备,由2名工人将洗洁精均匀洒布至待洗路段的路面。洒布完成后,保持洗洁精混合物4h反应时间,采用山猫扫地车对洒布区域进行清扫,清扫速度5km/h。最后采用高压水枪对路面进行冲洗。

处治路段为K526+100～K526+600,长度500m。

2.3.5 方案五

CAP抗滑封层处治:在试验段铺设一层5mm厚的CAP抗滑封层,CAP抗滑封层结构为CAP还原剂+抗滑砂+CAP封固层。CAP沥青还原剂是一种含活化物的冷混合产品,主要由改性乳化沥青、活化材料、渗透材料、树脂粘结材料等组成,相关技术指标见表4。抗滑砂为玄武岩机制砂,粒径1～4mm,相关技术指标见表5。

表4 CAP性能技术指标

表5 抗滑砂技术指标

处治路段为K502+523～K504+913,长度2 390m。

3 隧道抗滑功能恢复效果分析

3.1 构造深度

采用铺砂法对4种试验方案对应的路段处理前和处理后路面的构造深度进行检测。每隔50m在轮迹带和非轮迹带处进行数据采集,数据结果如图6所示。

图6 路面处治前后宏观趋势

由检测结果可知,清洗前隧道沥青路面的构造深度在1.13～1.50之间,相比2018年刚通车时的构造深度大。主要原因是经过2年的营运,沥青混合料的油膜及开口孔隙中细集料在行车荷载的作用下剥离了路表,导致构造深度增大。化学清洗和物理涂刷方案处理路面后,宏观构造相比清洗前呈现不同程度的增大。主要原因是经过清洗或处理后路表粘粘和开口孔隙内的杂质污染物被冲洗,而部分区域清洗后路表宏观构造深度略有下降,这与污染物在冲洗过程出现沉积堵塞有关。加铺罩面方案处理后构造深度下降,主要原因是采用1～4mm抗滑砂经过压路机碾压后,裸露的开口孔隙较小,导致宏观构造深度下降。

3.2 处治后的SFC

路面SFC抗滑系数检测采用横向力系数车。车辆配备光面天然橡胶充气轮胎,测试轮胎规格为3.00-20-4PR,测试轮胎标准气压为(3.5+0.2)kg/cm2,测试轮静态垂直标准荷载为(2000+20)N,测试轮偏置角为19.5°,距离标定误差为<2%。其余的相关参数均满足《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450-2019)中T 0965-2008的技术要求。

对5种试验方案对应路段清洗前和清洗后的路面SFC进行检测。采用相同的横向力系统检测车,以相同的参数及方法,对试验路段隧道路面横向力进行试验后检测,相关数据如图7所示。

图7 5种方案路面处治前后SFC趋势

图8 水洗及山猫扫地车清洗后的效果

图9 抛丸处理与洗洁精清洗后的效果

图10 CAP抗滑翻新封层处治后的效果

(1)采用清水清洗路面后SFC提高了4.8。清洗前SFC均值为38.2,清洗后均值为43,SFC提高了12.5%。表明采用清水高压清洗能够冲洗路表孔隙堆积物,清扫后使得路表纹理重新裸露,一定程度上增加了粗糙度。但效果相对较差,加之隧道沥青路面密闭的使用条件,清洗后3个月内快速恢复至原有状况。

(2)采用山猫扫地车处理路面后SFC提高了0.4。处理前SFC均值为38.0,处理后均值为38.4,SFC提高了1.0%。山猫扫地车(带钢刷)处理后的隧道沥青路面抗滑性能基本未发生改善,主要是由于山猫扫地车钢刷中的钢丝韧性不足,且外表包有橡胶层,无法改变路面原有的微观构造,以致不能提升沥青路面的抗滑性能。

(3)采用抛丸处理路面后SFC提高了22.6。处理前SFC均值为39.2,处理后均值为61.8,SFC提高了57.6%,表明抛丸处理方式虽然无法恢复路面宏观构造,但可以剥离碎石表面附着物,改变路面原有微观构造,增加轮胎与集料的接触面,从而提升隧道沥青路面的抗滑性能。但抛丸处理可能对沥青路面的表面整体性造成破坏,处治过程中存在脱粒的现象,抛丸后仍会有钢丸残留在路表孔隙内,无法清扫干净。

(4)采用洗洁精清洗路面后SFC降低了3.0。清洗前SFC均值为39.8,清洗后均值为36.8,SFC降低了7.5%。主要原因是洗洁精清洗完路面之后进行冲洗会产生大量泡沫,水车无法做到充分冲洗干净,泡沫水附着在路面表面,较湿滑,导致检测数据下降。

(5)采用铺设5mm厚CAP抗滑封层后,SFC值提高了38.9。处治前SFC值为37.9,处治后均值为76.8,SFC值提升了103%,表明CAP抗滑封层处治隧道路面能够明显改善及提升路表的抗滑性能。主要原因是表面抗滑砂提供了新鲜的轮胎接触面,微观纹理较丰富。CAP抗滑封层施工后的SFC抗滑系数变化规律与构造深度变化规律相反,也表明导致沥青路面抗滑能力的衰减与构造深度没有正比关系。

3.3 路用性能

试验段施工后对路面使用性能进行跟踪检测,采用渗水仪和八轮仪评价路面渗水系数及平整度。检测结果表明:CAP抗滑翻新封层有效封闭了路面开口孔隙,基本不渗水,外观平整密实,无松散脱粒,整体路用性能良好。

4 效益分析

将CAP再生抗滑封层与广东省沥青路面已实施的其他类型路面的养护技术进行经济性对比分析,各沥青路面养护技术的效益对比见表6。

表6 沥青路面不同养护技术效益对比

4.1 经济效益

由表6可知,CAP抗滑封层的单价最低,综合单价约24元/m2。按预计使用年限计算,其年平均费用也是最低的,仅为6.0～8.0元/m2,全寿命周期内养护费用较低。

4.2 社会效益

CAP抗滑翻新封层施工为直接加铺,不铣刨原路面,不产生废料;抗磨砂使用1～4 mm玄武岩集料;常温施工,能耗较低,同时施工周期短,占道施工时间短,对交通影响相对最小,社会效益显著。

5 结论

(1)采用清水清洗的方式对沥青路面抗滑恢复没有长期作用。作为日常养护措施冲洗路表孔隙堆积物,可短时间提高一定的抗滑能力。

(2)抛丸方式能够快速、有效地剥离碎石表面的附着物,增加路面集料微观纹理,增加了轮胎与路面的有效接触面积,提升路面摩擦力的阻滞力与附着力分量,进而达到提高隧道沥青路面抗滑性能的效果。其中采用亿龙机械水平移动式抛丸机,选用10档,速度为0.76m/s,通过该方式处治路面后抗滑性能得到显著改善(提升57.6%)。但抛丸处理对路表整体性存在破坏风险。

(3)化学清洗方式(洗洁精)清洗路面后存在清洗不到位的问题,清洗后初期抗滑性能反而降低。

(4)CAP抗滑封层,增加了胎路接触点,有效增加轮胎与路面的摩擦力,达到改善路面抗滑性能的效果。其抗滑性能提升高达103%,抗滑性能衰减速度较慢,适用于长大隧道沥青路面养护,且经济效益较好。