長大寬幅橋梁橋面鋪裝設計方案優化

張 偉

(武漢交通工程建設投資集團有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

武漢市南四環線(四環線龔家鋪至中洲段)，路線起于江夏區龔家鋪，接四環線沌口長江大橋段，止于江夏區中洲村，與滬渝高速公路相接，路線全長約17.190 km，為雙向八車道高速公路，設計速度100 km/h。全線橋梁長度約16.796 km，占路線長度97.7%，單幅寬20.5 m。

2 原設計方案及不足

本項目橋面鋪裝采用瀝青混凝土，瀝青混凝土路面的設計年限為15年，車道累計標準軸載100 kN，作用次數Ne=2.56×107次，屬特重交通。原設計路面結構如表1所示。

表1 原設計路面結構一覽表

原設計方案存在的不足如下：

1)鋼箱梁與混凝土箱梁橋面鋪裝結構不一致，增加施工難度。

2)橋面鋪裝結構及防水粘結層設計針對性有待加強。

3)未考慮長大寬幅橋梁的中央防撞護欄、路緣帶、伸縮縫等橋面細部防排水處理。

3 橋面鋪裝設計優化

3.1 鋪裝層優化設計方案介紹

由于本項目鋼箱梁總計310 m，占比較低，為便于施工，且考慮施工連續性，本次優化將鋼箱梁橋面鋪裝結構與混凝土橋面統一。根據《湖北省高速公路路面設計標準化指導意見》，結合國內大橋、特大橋常用橋面鋪裝材料，擬定表2的三種鋪裝方案進行比較[1,2]。

3.2 鋪裝層優化設計方案比選

3.2.1材料性能比選

表2 三種鋪裝方案

1)連續式密級配瀝青混合料(AC)。

AC是我國最常用的一種級配，因為經驗豐富，技術成熟，在我國使用的很多。主要優點是具有良好的力學性能和較好的泌水性。其缺點是：AC型瀝青混凝土為一種密實型瀝青混凝土結構，是連續結構，其礦料級配按最大密實原則設計，混合料的強度和穩定性主要取決于瀝青與礦料之間的粘聚力，因此，受瀝青的性質影響較大，結構高溫穩定性較差。

SMA是一種間斷級配骨架嵌擠型密實結構混合料，由瀝青穩定添加劑、礦粉及少量細集料組成的瀝青瑪脂填充間斷級配的碎石骨架組成，它的最基本組成是碎石骨架和瀝青瑪脂兩部分。其主要優點是：高溫抗車轍能力好、疲勞壽命較高、耐久性較好、抗磨耗及抗滑能力較好。缺點是施工工藝較復雜、原材料質量要求高、工程造價高。

3)高性能瀝青混合料(Superpave)。

Superpave是美國戰略公路研究計劃的成果之一，是一種全新的瀝青混合料設計方法，實驗室級配設計時與AC，SMA的設計成型方式不同，它采用旋轉壓實，用的是體積設計法。與AC相比，其優點是路用性能優、抗水損害性能好、耐久性好。其缺點是：國內規范沒有關于Superpave瀝青混合料的技術要求及控制指標，相關要求需參考其他類似工程。

3.2.2經濟比較

路面結構設計必須考慮經濟效益，在滿足使用性能的情況下，要考慮成本，控制造價。三種方案單價表如表3所示。

表3 三種方案單價表 元/m2

由表3可知，方案一：145.92元/m2<方案三：157.32元/m2<方案二：187.24元/m2。方案三的單價略高于方案一。

綜合上述經濟技術比較，SMA-20高溫抗車轍能力好、疲勞壽命較高、耐久性較好、抗磨耗及抗滑能力較好,性能最優，但造價高。與AC-20C相比，Superpave-20造價略高，但使用性能和耐久性更優。因此，優化設計方案推薦采用方案三，即橋面鋪裝上面層采用4 cm厚SBS改性瀝青瑪脂碎石SMA-13、下面層采用6 cm厚中粒式SBS改性瀝青混凝土Superpave-20。

4 橋面防水粘結層設計優化

防水粘結層是橋面鋪裝體系的關鍵層位，設置于水泥混凝土板和瀝青鋪裝層之間，必須具備足夠的防水性能、良好的高低溫性能、良好的粘結強度和剪切強度、耐鹽害的能力[3,4]。與路基相比，橋面環境惡劣，冬季氣溫低，夏季氣溫高，對防水粘結層的質量要求更高。下面將幾種常用的橋面防水粘結層進行比較。

1)改性乳化瀝青稀漿封層。

乳化瀝青稀漿封層應用較廣，其固化成型后混合料空隙率低，防水性能較好。另外，稀漿具有良好的流動性，能灌滿原橋面細小裂紋，可起到封閉裂紋的作用。但是稀漿封層也有弊端，因為稀漿封層屬于剛性材料，常溫呈脆性，因此在行車荷載的沖擊和橋面反射裂縫作用下，可能會出現裂縫，從而影響其防水效果。

2)SBS改性瀝青同步碎石封層。

SBS改性瀝青同步碎石封層是采用智能型同步碎石封層車或智能型瀝青灑布車噴灑SBS改性熱瀝青或橡膠瀝青，然后同步撒布覆蓋率60%單粒徑碎石，最后采用膠輪壓路機碾壓形成的一種結構性防水粘結層。同步碎石封層具有防水性能好，能減少反射裂縫，工序簡單，施工速度快等優點。

3)水性環氧瀝青防水粘結層。

水性環氧瀝青防水粘結層性能特點主要表現為優良的粘結性能、可靠的防水性能、優良的高溫穩定性、低溫抗裂性能、優異的耐老化特性，并且具有很好的滲透性，對于橋面板的微裂縫具有很好的修復作用。水性環氧瀝青防水粘結層在鋪裝層碾壓作用下容易造成局部損壞。另外，水性環氧瀝青防水粘結造價較高。

按照JTG D50—2017公路瀝青路面設計規范8.2.4條，綜合考慮經濟因素，優化設計方案采用SBS改性瀝青同步碎石防水層。

5 橋面細部防排水設計優化

5.1 防撞護欄底部增加止水帶

中央防撞墻根部與瀝青混凝土的接觸面(高度為10 cm)，常規做法為攤鋪前涂刷一層乳化瀝青，但由于防撞墻上窄下厚，經大量試驗效果欠佳，接觸面縫隙仍容易進水，流入的水滯留于橋面混凝土與瀝青混凝土之間，影響防水粘結層的耐久性。為此，本次優化方案在護欄與鋪裝層的接觸部位增加止水帶，該止水帶在瀝青混合料攤鋪時的高溫下自融，從而起到防水作用。乳化瀝青、止水帶防水處理效果圖見圖1。

5.2 路緣帶層間灑布熱瀝青

由于橋梁中央防撞護欄的限制，壓路機碾壓時，靠近護欄一定范圍內(路緣帶)難以碾壓充分，孔隙率較大，從而成為雨水進入鋪裝層內部的途徑。由路表面流入的水滯留于路面結構層內或瀝青混凝土與水泥混凝土層間，在車輛荷載作用下，該部位瀝青混凝土極易產生水損害，嚴重影響使用性能和耐久性。為防止雨水進入粘結層，使水順利沿瀝青層間排出，中面層瀝青混合料鋪設碾壓完成后，在防撞墻100 cm范圍灑布熱瀝青(1.5 kg/m2～1.6 kg/m2)。灑布熱瀝青效果圖見圖2。

5.3 伸縮縫處設置橫向導水管

伸縮縫鋼纖維混凝土與瀝青混凝土接頭處(橋面縱坡最低點)易產生積水，而自由水的存在將降低鋪裝材料的強度，并且在鋪裝層內部形成很高的車載動水壓力，破壞橋面鋪裝，產生裂縫、松散、坑洞等破壞。據調查，在橋梁伸縮縫上游1 m～2 m部位均產生了沉陷、滲水及坑洞等破壞[5]。為解決這一問題，在伸縮縫鋼纖維混凝土與瀝青混凝土接頭處設置帶滲流孔的橫向導水管，通過橫向導水管將此處積水排至橋面明溝內或橋梁護欄外。增加橫向導水管的伸縮縫斷面圖和平面圖如圖3,圖4所示。

6 結語

通過使用性能及經濟性對比，確定橋面最優鋪裝結構為：4 cm SBS改性瀝青瑪脂碎石SMA-13+6 cm SBS改性瀝青混凝土Superpave-20，防水粘結層結構采用SBS改性瀝青同步碎石封層。此外，通過中央防撞墻根部增設止水帶、路緣帶層間撒布熱瀝青、伸縮縫處增加橫向導水管三種措施優化瀝青路面排水，解決防撞墻根部雨水易進入瀝青層間、伸縮縫處排水不暢問題。