高速公路水泥混凝土精銑刨處治研究

謝 靜

（廣西交通投資集團柳州高速公路運營有限公司，廣西 柳州 545001）

0 引言

隨著我國公路車輛荷載日益增加，水泥混凝土路面容易產生錯臺現象，導致路面積水、平整度惡化，錯臺病害導致通過車輛發生跳車，危害行駛安全且對混凝土面板造成頻繁的沖壓作用，降低了混凝土面板的使用壽命［1］，影響行車安全性和駕乘舒適性。

傳統的混凝土路面錯臺消除，提高路面平整度主要通過打磨、填補或銑刨加鋪等手段來實現，耗時耗力，成本高，對交通影響也大［2］。目前國內精銑刨大多用于瀝青路面中下面層、黏層銑刨后加鋪［3］，水泥混凝土路面精銑刨的研究幾乎為零，而國外精銑刨則比較普遍。相對標準銑刨，精銑刨刀間距更小，目的在于獲得一個新的、具有精確紋理的路面，形成具有理想抗滑能力的平整的路面。精銑刨是通過錯臺之間的拉坡，精準地銑刨掉錯臺部分，替代傳統的單一深度銑刨加鋪及更換舊板、破碎板［4］，能恢復路面坡度，減少廢料排放，降低維修成本。精銑刨可以半幅施工、半幅開放交通，銑刨后，可以馬上開放交通，對交通影響較小。

下面通過研究精銑刨路面處治技術的原理，分析精銑刨施工的銑刨速度、銑刨深度等內容，結合工程實際施工項目，研究在水泥混凝土路面病害處治施工中應用精銑刨處治技術的施工設計，并總結平整度指標和抗滑性能指標用于評價精銑刨處治后的水泥混凝土路面的性能變化，為類似工程提供參考。

1 精銑刨工藝研究

1.1 精銑刨原理

相對于傳統的銑刨工藝，精銑刨是一種升級版的銑刨工藝，目的是為了更好地改善公路路面的養護質量，在降低其養護成本的同時提高使用性能。精銑刨的主要特點是利用刀間距比標準銑刨鼓更小的精銑刨鼓進行銑刨［5］。由于銑刨刀間距更小所以銑刨出的紋理更精細。

從銑刨機機理上看，銑刨機的銑刨鼓相鄰兩個銑刨刀具的垂直投影之間的距離稱為銑刨刀間距LA，如圖1所示。銑刨刀間距可作為劃分銑刨鼓類型的依據，進而可作為區分傳統銑刨與精銑刨處治工藝的依據。對于銑刨寬度為1m及以上的銑刨機，通常將刀間距為15mm和18mm的銑刨鼓作為標準銑刨鼓，對于銑刨寬度＜1m的銑刨機，標準銑刨鼓的刀間距為12mm，如圖1所示。對于銑刨寬度≥1m的銑刨機，通常將刀間距為15mm和18mm的銑刨鼓作為標準銑刨鼓，對于銑刨寬度＜1m的銑刨機，標準銑刨鼓的刀間距為12mm。當銑刨刀間距比標準銑刨鼓刀間距要大時，如25mm或20mm時，稱之為高效型銑刨鼓或經濟型銑刨鼓。這種銑刨鼓主要用于大深度銑刨，由于刀間距大，銑刨鼓上的刀具較少，所以切削阻力小，銑刨刀損耗和油耗更小，因此銑刨機可以發揮更大的銑刨效率。不同的銑刨刀間距，決定了銑刨面的橫向紋理間距和深度不同，如圖2所示。通過模型運算可以得到銑刨刀間距與理論銑刨深度間的關系，如圖3所示。

圖1 銑刨刀間距示意圖

圖2 銑刨橫向紋理間距和紋理深度示意圖

圖3 銑刨刀間距和理論紋理深度關系示意圖

根據圖3和工程應用經驗，當前水泥路面精銑刨工藝一般要求銑刨刀間距≤6mm，且銑刨機具有單線雙刀功能，這樣能夠使得精銑刨處治后的路面具有更加精細的紋理和更高的質量。采用這種精銑刨處治方式，能夠使水泥混凝土表面具有較高一致性的紋理，而且對于路面骨料的損耗降低。根據相關研究顯示［6］，在構造深度均＞0.5的基礎上，精銑刨處治可使縱、橫向平整度控制在3mm以內，橫向力系數（SFC）＞58，大幅提高了水泥混凝土路面的平整度。而且精銑刨形成的紋理和行駛車輛輪胎花紋之間不會形成密閉的空間，在一定程度上減少了行車噪聲污染。綜合來看，精銑刨處治技術產生的廢料更少，對路面標高影響最小，是一種高效環保的路面處治工藝。

1.2 精銑刨速度

水泥路面紋理的間距、銑刨精細度和銑刨寬度都會決定銑刨機的行駛速度（如圖4所示）。《公路水泥混凝土路面施工技術規范》（JTGF30－2003）指出極重、特重和重交通水泥混凝土路面宜采用硬刻槽方式制作宏觀抗滑構造，尺寸宜為：槽深3～5mm，槽寬3mm，槽間距12～24mm［7］。

假設選用1m直徑的精銑刨鼓，則可推導出銑刨速度為：

其中：d——紋理間距，12mm≤d≤24mm；

v——銑刨鼓速度；

t——銑刨機行駛時間，取t＝1min；

n——銑刨機轉速，取n＝100r／min。

圖4 銑刨速度與紋理效果關系示意圖

1.3 過渡段和標高控制

銑刨處治需要設置一定長度的過渡段，此段由于和待處治路段存在高程差，因此通過過渡段的緩和來消除施工時高程的大幅變化。過渡段長度和標高需要綜合考慮該段公路的線形設計等屬性進行選擇。緩和過渡段的長度和標高控制如圖5所示，銑刨深度控制施工工藝如圖6所示。

圖5 銑刨標高控制示意圖

圖6 銑刨深度控制施工工藝圖

總結來看，在精銑刨處治施工過程中，確定緩和過渡段的長度、標高控制原理都是相同的，都作為施工時控制銑刨深度的依據進行施工。

2 精銑刨施工處治效果評價

水泥路面精銑刨處治的主要功效是提高路面的平整度和抗滑性能，可在保證路面抗滑性能的同時有效減小或完全消除路面板縮縫之間的錯臺量，提高路面的平整度。因此將精銑刨前與精銑刨后路面的平整度、抗滑性能指標進行對比可驗證評價精銑刨對提高路面性能的綜合效果。

2.1 平整度效果評價

采用平整度指標評價路面施工和使用質量是我國公路標準的基本要求，當前我國常用的測試方法如表1所示。國外工程中則多以平整度指數（IRI）表征路面平整程度，進一步反映路面質量。

表1 國內常用公路平整度測試方法一覽表

針對精銑刨處治工程，根據處治路段長度選擇合適的平整度測試方法進行測定，針對距離較短的試驗段，可選擇3m尺法測定，具體按《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80－2004）的規定步驟進行［8］。采用3m法進行精銑刨處治平整度測定時，需要在量測前清理路表面，消除砂漿顆粒的影響。

2.2 抗滑性能評價

路面行車安全功能包括抗滑及防濺水、噴霧和眩光等，其中最主要的是抗滑性能。路面的抗滑能力依賴車輪胎面與路表面間的附著力，由路表面的構造所提供。其構造主要是砂漿和粗集料的表面構造，它會隨輪胎反復作用而逐漸磨光。路面構造在車速＜30～50km／h（低速）和＞50km／h（高速）時對路面的抗滑能力的影響不同。精銑刨在對路面銑刨后要保持路面的抗滑性能，因此銑刨后路表面構造的粗糙程度應滿足《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40－2002）中關于表面粗糙度的要求，如表2所示。

表2 各級公路水泥混凝土面層的表面抗滑構造深度要求表［9］（mm）

針對路面主要病害為錯臺的精銑刨處治工程，由于精銑刨設備的橫向調平是通過激光測試斷面的標高，在解決錯臺的情況下，要根據多個指標進行綜合評定（錯臺、平整度、抗滑）。路面在銑刨后，應及時測量平整度，將此數據與銑刨前對比，在綜合平整度、抗滑、錯臺量后調整路面銑刨深度。錯臺的量測可通過直尺，由于銑刨的工作面有限，可能不便于抗滑性能的測試，此時可通過粗略觀察進行判斷。

3 工程應用

3.1 桂林繞城高速公路精銑刨處治施工項目工程概況

該高速公路為雙向四車道，經過長期使用，水泥混凝土路面出現了不同程度的病害問題，其中主要病害為錯臺和唧泥，通過前期調查，發現其中錯臺量大多超過5mm，需要對此水泥混凝土路面進行處治，以消除路面病害，提高公路的平整度和整體使用質量。

3.2 施工方案分析

建養單位在前期處治中采取了錯臺研磨和薄層修補的措施，但由于該地區降雨量大，在重交通荷載綜合作用下，采用這一方案并未能取得較好的處治效果。結合專項施工方案分析和工程實際經驗，選擇精銑刨處治方式施工。鑒于精銑刨處治后即可開放交通，無需路面養生，且施工速度較快，經濟效益突出，因此采用精銑刨處治方案是合適的。

首先需對銑刨路面進行其他病害的處治，通過修補、接縫等綜合手段作為銑刨前的鋪墊，能夠發揮精銑刨處治的最大效果，在提升路面養護質量的同時降低養護成本，精銑刨施工方案的技術路線如圖7所示。

圖7 精銑刨施工方案技術路線圖

3.3 精銑刨施工組織設計

（1）施工前準備：項目路段精銑刨施工選用W2000型號維特根精銑刨機，根據相關設備參數，擬定2m銑刨鼓寬度，銑刨刀間距選擇3mm規格，此時的銑刨機最大銑刨深度可達30mm。

（2）測量：測量工作按順序依次為測量路面高程、測量路平石標高、測量每塊板錯臺量，為后續工作做好數據統計匯總工作。

（3）調坡設計：根據現場測得的數據進行內業準備，進行縱橫坡設計計算。路面調坡設計在綜合考慮縱坡與橫坡因素的同時還需要考慮到路面的錯臺量。由于項目所在地區降雨量比較豐富，為了保證道路的行車安全，銑刨時必須考慮橫向坡度的排水問題。

銑刨過程中應對道路斷面的標高進行控制，公路標高控制點間距為2～3m（可根據情況適當減小間距）。銑刨過程中，若能按設計銑刨深度及橫向坡度施工，銑刨后路面的縱坡和銑刨前路面基本一致。縱向坡度主要由平衡梁自動找平系統控制銑刨深度。

（4）施工放樣：綜合考慮銑刨寬度和該工程路段寬度，分九幅進行銑刨施工，前后銑刨施工重疊寬度取100mm，次第選取上一銑刨點處的高程作為初始高程進行銑刨高程控制。

（5）交通配合：因為本工程是在高速公路連接線上開展，車流量較大，施工勢必對交通造成影響，為了確保工程施工與道路交通的正常有序進行，需要對交通配合做出相應的處理方案。

（6）精銑刨施工：根據上節確定的精銑刨作業理論速度1.2～2.4m／min，綜合考慮施工實際情況，控制現場銑刨施工速度以保證施工質量。

根據現場勘察數據，項目路段內、外車道的錯臺量不相同，這導致內、外車道銑刨深度又不相同。應根據錯臺量差別，合理確定銑刨深度。施工中由縱坡傳感器控制左側的銑刨深度，右側由平衡梁自動找平系統控制銑刨深度。為保證銑刨后路面的平整度，視情況假設傳感器，爭取在銑刨鼓寬度為2m時，銑刨設備前進方向的傳感器個數≥2個，傳感器能自動采集銑刨后的路面標高等數據并對其進行處理，若平整度、抗滑構造等效果不滿足技術要求，系統反饋到操作界面，重新調整銑刨深度、銑刨速度，并且在條件不允許的情況下應采取人工控制措施。

由于項目路段縱斷面的曲線半徑遠大于過渡段的長度，所以取銑刨前后路面高差為過渡段高差，并且根據錯臺面板調查情況，優先考慮錯臺量小的水泥混凝土板進行銑刨過渡作業。

3.4 應用效果評價

經過施工后對公路施工質量和實際使用效果的檢測顯示，桂林繞城高速公路水泥混凝土路面項目處治段經過精銑刨處治施工，取得了較好的養護效果，路面錯臺、松動、唧泥等病害得到有效解決，路面平整度和路面抗滑性能較舊路面有了明顯提升，公路使用質量大幅改善。

4 結語

（1）將精銑刨處治工藝應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與抗滑性能，改善水泥混凝土路面紋理，提高路面病害處治施工效率。

（2）采用平整度指標和抗滑性能指標對水泥混凝土路面精銑刨處治效果進行評價能夠保證路面養護質量，使路面經過處治施工后達到規范要求的性能標準。

（3）通過制定合理的精銑刨施工方案，控制施工關鍵工藝，確定科學的銑刨速度和銑刨深度，能夠切實提高工程實際中的精銑刨處治效果。桂林繞城高速公路精銑刨處治施工項目工程實踐經驗，對類似工程處治項目有較好的參考價值。