连霍高速三门峡段改扩建路面纵向裂缝成因及治理措施

刘津源,职子涵

(河南省交通规划设计研究院股份有限公司,河南 郑州 450000)

连霍高速公路三门峡段位于豫西重丘陵山区、道路线形曲折、地质地况地貌复杂,气候变化大、路况多变,有团雾多发、隧道群和连续长大下坡等路段,且重载超载车辆多,导致路面病害频繁发生,一直是交管部门督办的重点危险路段。随着道路使用时间的增长,路面的使用寿命在逐渐降低,不可避免地出现各种裂缝病害。裂缝是高等级公路的常见病害,危害在于从裂缝处渗入的水分使基层甚至路基软化,导致路面承载能力下降。若不及时处治,随着车辆荷载的反复作用和时间的推移,裂缝病害会引发相关病害,如路面松散、坑槽、沉陷等病害,甚至深入路面基层,导致路面出现结构性破坏。因为病害都是相关的,其发生就像连锁反应,会加速路面破坏。因此,及时地进行路面病害处治,对延长道路使用寿命至关重要。

1 沥青路面病害

现行规范《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)中将公路沥青路面病害分为11类,分别为龟裂、块状裂缝、纵向裂缝、横向裂缝、坑槽、松散、沉陷、车辙、波浪拥包、泛油、修补[1]。

我国的高速公路路面结构基本上都是以“半刚性基层和沥青面层的组合”为主,高速公路半刚性基层沥青路面的损坏形式可以分为四大类:裂缝类、松散类、变形类和其他类。再进一步划分,裂缝类常见的有龟裂、块状裂缝、纵向裂缝、横向裂缝;松散类常见的有坑槽、松散;变形类常见的有沉陷、车辙、波浪拥包;其他类常见的有泛油、修补损坏[2]。

相关调查显示,高速公路出现的病害有裂缝、松散、坑槽、车辙、拥包、修补损坏、桥头跳车等,其中最典型的病害可归纳为裂缝、坑槽、车辙、桥头跳车这几类,但首当其冲的病害就是裂缝病害。裂缝的产生破坏了沥青路面的整体性和连续性,水分通过裂缝渗入基层,侵蚀路基,导致路面承载力降低,还为冻融提供了条件,裂缝成为目前无法避免和根治的一种路面破坏形式。

沥青路面上的裂缝有横向、纵向、网裂和龟裂,在高速公路上纵向裂缝病害最常见。因此下面重点研究路面的纵向裂缝,并以河南省境内改扩建的连霍高速公路为依托工程,选取有代表性的路段进行路面病害调查分析,分析纵向裂缝的成因,并根据成因给出针对性的处理措施。

2 路面纵向裂缝调查及原因分析

该段连霍高速公路改扩建时,部分路段采用“双侧拼宽的方式”进行加宽,调查发现,路面右幅自西向东方向在第三车道右侧轮迹带位置出现了不同程度的纵向拼接裂缝,裂缝距右侧车道边缘线距离普遍为1.1～1.3 m,裂缝长度较长,大部分均在20～30 m以上,部分严重纵缝伴随沉陷、龟裂、错台等病害。

2.1 纵向拼接裂缝分类

路面纵向裂缝,指的是与行车方向基本平行的裂缝。根据实际调查,路面纵向拼接裂缝表现特征不同,比对现行路面养护规范,将其按轻重程度分为以下几类。

(1)轻度纵缝。病害特征为:单一纵缝,走向笔直,周围无其他病害,裂缝宽度较窄,大部分路段日常灌缝后还未开裂,全线分布较多,纵缝分布断断续续,无清晰分界点。

(2)中度纵缝。病害特征为:单一纵缝,走向笔直,局部存在少量支缝,裂缝宽度稍宽,灌缝胶已开裂,裂缝较为连续,一般长度可达100 m以上。

(3)重度纵缝。病害特征为:裂缝宽度较宽,纵缝处往往伴随有沉陷、龟裂、轻微错台等病害,部分位置反复修补不良,沉陷宽度一般为20～30 cm。

2.2 路面钻芯取样

针对第三车道纵缝问题,在现场进行路面钻芯取样检测,根据病害调查结果,结合现场实际情况,采用Φ150 mm、取芯深度为700 mm的标准钻机对具有代表性的路面进行钻芯取样[3]。

2.2.1 路面结构层厚度

根据现场钻芯取样结果进行路面结构调查,路面各结构层厚度统计结果如表1所示。

表1 路面结构层厚度统计表

根据取芯结果,可以看出上面层厚度和面层总厚度基本满足《公路工程质量检验评定标准》的验收要求,查阅该路段历年改造设计资料,将检测得出的各层位厚度与原设计路面各层厚度进行对比,发现上、中面层平均厚度与设计值基本一致。新加宽部分的下面层均值10 cm,设计值12 cm;上基层平均值15 cm,设计值17 cm。

2.2.2 路面病害发展情况

对调查路段的具体路面病害进行归纳整理,统计结果如表2所示。

表2 路面病害情况统计表

根据取芯和路面病害调查结果,分析得出以下结论。

(1)重度纵缝取芯,面层芯样完全开裂,上基层完全松散,孔内观察四周侧壁脱空松散现象严重,重度纵缝一般位于距右侧标线1.1 m位置。

(2)中度纵缝取芯,面层完全开裂,面层裂缝为改扩建新老路面中下面层拼接位置,基层一般较为完整为改扩建前老路基层,孔内观察右侧新路加宽方向的取芯孔侧壁基层脱空松散现象严重,中度纵缝一般位于距右侧标线1.3 m位置。

(3)轻度纵缝取芯,面层部分开裂,面层裂缝为改扩建新老路面中下面层拼接位置,基层较为完整为改扩建前老路基层,孔内观察右侧新路加宽方向的取芯孔侧壁基层部分存在松散现象,轻度纵缝一般位于距右侧标线1.3 m位置。

2.3 路面裂缝原因分析

沥青路面上的裂缝有多种,其形成的原因也是多样,有时是多种原因共同作用造成的,需要具体原因具体分析。通过查阅改扩建施工图纸(如图1所示),对比现场裂缝位置,结合各类纵缝处路面钻芯取样结果,分析纵向拼接裂缝形成的原因如下。

(1)改扩建前连霍高速老路硬路肩宽2.5 m,从改扩建设计图纸上看,改扩建新老路面中下面层拼接位置应在距离左侧标线1.9 m位置,然而在现场取芯发现新老路面中下面层拼接位置基本位于距离左侧标线2.45～2.65 m位置,相当于位于老路路面边缘。

(2)根据改扩建原设计图纸,结合现场纵缝取芯情况,改扩建新老路面层、基层拼接位置刚好位于第三车道右侧轮迹带,长时间受到车辆荷载作用,新旧路面衔接的位置是薄弱部位,接缝处压实度很难完全保证达到设计要求[4],压实不到位的地方,在车辆荷载的长时间作用下容易产生纵向开裂,是纵向裂缝大规模产生的主要原因。

(3)连霍高速为双向八车道,第三车道往往是重载货车最习惯行驶的车道,重载交通作用加速了纵向裂缝的产生,加剧了纵向裂缝的严重程度。

(4)在改扩建拼宽部分基层施工时,受到老路基层的影响,拼宽部分新铺水稳基层混合料边部易发生离析,同时不易碾压密实,造成目前取芯看到的松散脱空状况,引发了纵缝伴随沉陷、龟裂等病害。

(5)轻度纵缝和中度纵缝取芯发现面层为新老路面拼接位置,基层为老路基层,较为完整,但中度纵缝孔内观察右侧新路加宽方向的取芯孔侧壁基层脱空松散现象严重,结合改扩建路面拼宽图纸,确定轻、中度纵缝为改扩建面层拼接缝位置。此位置刚好位于第三车道右侧轮迹带区域,在重载交通的反复作用下,加上基层拼接处新路基层松散,两种原因的综合作用下,原18 cm厚面层拼接缝很快穿过4 cm加铺罩面层反射至路表,形成纵向裂缝。

(6)新旧路基衔接处往往是路基的薄弱部位。调查显示,拼宽部分新路基和原有旧路基的压实、沉降程度不一致,加之新旧路基衔接部位路基很难压实,压实度不均匀,产生了一定程度的不均匀沉降,导致路面基层开裂,在路面产生纵向反射裂缝,是重度纵向裂缝、错台和沉陷病害产生的主要原因。

(7)此外,重度纵缝取芯发现面层为新路面层结构,基层大部分松散严重,距左侧标线一般为2.65 m,结合改扩建路面拼宽图纸,确定重度纵缝为改扩建基层拼接位置。基层松散,经分析,是在改扩建新路基层施工时,新老路基层拼接位置受到老路基层影响,水稳基层混合料边部易发生离析,同时不容易碾压密实,造成目前的松散状况,在重载车辆的不断作用下,出现纵缝伴随沉陷病害,裂缝逐步变宽,出现支缝。同时雨水通过裂缝进入路面结构内部,在车辆反复碾压的作用下,出现龟裂、唧浆等次生病害。

3 路面纵向裂缝处治措施

裂缝病害是沥青路面的常见病害,大部分高速公路路面病害的防治是从延缓沥青路面开裂的时间、裂缝产生的条数、开裂可能造成的进水等方面进行预防及修补,可见裂缝病害的处治是路面日常养护的重要一环,因此需要高效的处治措施,才能事半功倍。

3.1 常见的处治措施

对于沥青路面的纵向裂缝,常见的处治措施就是灌缝处理。根据裂缝宽度的大小进行分类处理,缝宽在5 mm以内的,直接进行灌封处理;缝宽在5 mm以上的,应进行切缝后再灌封处理[5]。

3.2 针对性的处治措施

连霍高速三门峡段项目沿线地形非常复杂,尤其是山岭区,山大沟深,且通行车辆较多,日均车流量达2万多辆,最高流量可达8万余辆,给路面病害处治从设计到实施都带来一定的难度。根据依托工程的裂缝病害调查、钻芯取样结果和原因分析,结合项目所在地区的自然、经济和实际情况,针对上述类型的纵向裂缝,建议采取的措施如下。

3.2.1 轻度纵缝处治

对于轻度纵缝,由于病害程度较轻且全线分布较广,路段分散不连续,采用高聚物注浆进行处治,跟踪观察其对延缓轻度裂缝继续发展的效果。

3.2.2 中度纵缝和重度纵缝处治

对于中度纵缝和重度纵缝,考虑目前仅存在少量支缝,无其他沉陷龟裂等病害,本次设计对段落较长且中间伴随有局部重度纵缝的路段进行处治,其他中度纵缝建议加强日常养护灌缝封闭处理,待裂缝进一步发展后再采取相应措施。

对于重度纵缝,根据病害发展层位情况,按照“高聚物注浆+抗裂贴+铣刨重铺上中面层”进行处治。

(1)高聚物注浆。

在铣刨重铺处治前,对纵向裂缝的路面结构全深范围裂缝内填塞高聚物浆液。采用雷达确定基层松散脱空位置,注浆在松散脱空区域沿路线走向布设一排注浆孔,孔间距为50 cm,孔直径控制在1.6～2.0 cm。

钻孔完毕后,使用高压吹风机对钻孔内部灰尘进行清理,之后下注浆管及安装注浆头,按照设计或现场实际确定的浆液比例及用量进行高聚物浆液注射。

(2)铣刨重铺上中面层。

注浆完毕后,对上中面层进行铣刨重铺。铣刨完毕后,对铣刨面进行清扫处理。对铣刨面上高聚物已填塞的纵向裂缝,沿裂缝走向粘贴48 cm宽抗裂贴。封缝完毕后,在铣刨面喷洒改性乳化沥青黏层,侧壁粘贴固体沥青条,分层回铺中面层和上面层,层间喷洒改性乳化沥青黏层。

本次纵缝处治层位较深,为了保证处治层位摊铺碾压效果,建议对中面层进行回铺时,适当增大控制松铺系数,保证碾压后中面层厚度比设计值大3～5 mm。

3.2.3 纵缝处的局部严重龟裂、沉陷、唧浆、修补不良等病害处治

对于纵缝处的局部严重龟裂、沉陷、唧浆、修补不良等病害,在铣刨前做好标记,铣刨上中面层后,对局部深层病害进行挖除换填处理。根据病害面积对下面层和基层局部松散区域继续向下人工凿除下面层和上基层,然后采用沥青碎石ATB-30进行回填,用小型机具进行夯实后,再分层回铺上中面层。

4 结 语

从沥青路面全寿命周期考虑,以上提及的病害处治方法,有利于延长道路使用年限,常规灌缝、修补等方式只能修补沥青面层病害,在沥青面层上防止雨水等进入,但无法进一步阻止病害发展,而采用高聚物注浆不仅可以在面层防止雨水进入,还可以填充裂缝至基层,防止裂缝进一步发展并向面层反射形成龟裂、坑槽等更严重病害。连霍高速三门峡段公路路面病害愈发严重,存在较多重度拼接纵缝,若不采用针对性处治方案,后期发展将更为严重,会需要更大投资或进行大修处治。采用本研究建议的处治方法自2020年处治至今,基本无裂缝反射现象,处治效果良好,破损情况得到改善,预期延长道路使用年限5年,可节约30%的养护成本及大修资金。路面裂缝处治的方法很多,要根据实际情况选择合适的处治措施。随着科技的发展,还会出现裂缝处治新材料、新技术和新方法,因此应与时俱进,选择行之有效的处理措施,同时还应从最初的设计和施工方面来采取措施,共同减少、避免裂缝的发生,提高路面的使用寿命。