汽車試驗場環(huán)道高仰角曲面瀝青路面施工技術(shù)

徐書國 （中鐵四局集團第一工程有限公司，安徽 合肥 230041）

1 工程簡介

高速環(huán)道是汽車試驗場中專供汽車進行高速行使測試整車性能、燃油經(jīng)濟性及噪音等測試跑道，高速環(huán)道曲線段的橫斷面幾何設(shè)計不同于一般的道路，其行車道多為盆腔式高次拋物線、對數(shù)曲線或復合函數(shù)曲線形式組成的曲面橫斷面（一般低速道、中速道、高速道為高次方程、安全帶一般為一次方程或為復合曲線1-2-3-1形式）、高速道與低速道的高差大（一般都大于8m）、平整度要求高（σ≤0.9mm），技術(shù)標準遠遠高于高速公路標準（σ≤1.2mm）。典型斷面見下圖1，設(shè)計參數(shù)如下表1所示：

圖1 環(huán)道典型斷面圖

由上表看，目前國內(nèi)高速環(huán)道主要有橢圓形，平整度要求遠高于國內(nèi)高速公路的要求，曲線段高速道仰角大、試車速度高，要求曲面平順性高等特點，因此高環(huán)曲面瀝青混合料攤鋪碾壓時，防止高仰角瀝青混合料下滑、碾壓的平整度和平順性是主要技術(shù)控制，筆者從關(guān)鍵設(shè)備的選擇、基層面的技術(shù)處理、瀝青混凝土配比的設(shè)計、高精度測量運用、攤鋪的順序方法、碾壓的方式等方面來進行分析總結(jié)。

試驗場高速環(huán)道曲線段的設(shè)計參數(shù) 表1

2 關(guān)鍵設(shè)備選擇

高環(huán)曲面高仰角瀝青攤鋪，目前國際上主要就兩種類型設(shè)備，一種日系的縱向分幅分車道攤鋪的高環(huán)曲面攤鋪機（見圖2）；另一種是德系的縱向全斷面攤鋪的曲面攤鋪機（見圖3）。日系攤鋪機優(yōu)點是曲面無橫向接縫，且施工成本低，缺點是行車道間存在縱向冷接縫；德系攤鋪機優(yōu)點是曲面無縱向冷接縫，缺點是施工成本高，且可能存在橫向冷接縫。根據(jù)兩種類型攤鋪機的優(yōu)缺點結(jié)合瀝青混合料的性質(zhì)及修建試驗場地區(qū)的氣候特征，若少雨且常年氣溫在0℃以上，在保證施工質(zhì)量的前提下，考慮經(jīng)濟性，建議選擇日系的；反之則采用德系攤鋪機。

圖2 日系曲面攤鋪機

圖3 德系曲面攤鋪機

3 基層面的技術(shù)處理

高速環(huán)道圓曲線段曲面是由高次方程（y=ax3+bx+cx+d）組成，特備是在受場地限制情況下，半徑較小，試車速度要求較高的情況下（一般要求不小于120km/h），曲面仰角大于35°以 上（見下圖4），通過單元體受力分析 {f=(Fsinθ+mgcosθ).μ=(V2/R.m.sinθ+m.gcosθ).μ}實際試驗段驗證，要確保攤鋪的底面層瀝青（一般不大于10cm）不易下滑，需要增大此部分基層表面摩擦系數(shù)，一般路面的摩擦系數(shù)μ值不大于0.7，通過材改善料和施工工藝的改變很難得到提高，因此只有采用機械刻槽方式來增大表面摩擦系數(shù)（見圖 5）。

圖4 曲面上受力分析

圖5 機械刻槽

4 高黏附性瀝青混合料配合比技術(shù)

4.1 嚴控瀝青混合料中骨料參配比例

加強上料斗冷配料比例的管理，對于粗集料斗要定期進行一次全面清理即可，但細集料必須每天結(jié)束都清理料斗一次，同時還要有遮雨設(shè)施，否則冷料比例的失調(diào)對質(zhì)量的波動影響較大。采用天然河砂對混合料級配有著優(yōu)良的改善作用，但需注意的是采用兩種細集料，則必須確保同時按照設(shè)定好的冷料配合比下料，否則使熱料0～5mm的組份發(fā)生改變，影響到瀝青混合料性能，添加天然河沙的比例要求嚴格按照瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的限制要求，并利用優(yōu)質(zhì)瀝青做膠結(jié)料，以提高耐溫度梯度應力變化和高仰角攤鋪的穩(wěn)定性且具有較高承載性能。

4.2 采用PG分級技術(shù)，嚴控瀝青原材料性能的技術(shù)指標

瀝青混合料的性能很大程度上取決于瀝青膠結(jié)料的特性，對瀝青性能的準確評價及分級是瀝青材料選用和質(zhì)量控制的基礎(chǔ)，進而也是路面保持長期良好服務的保證。而我國規(guī)范現(xiàn)階段采用的針入度分級筆者認為未有美國大規(guī)模采用PG分級對瀝青進行評判合理。

PG技術(shù)包括瀝青膠結(jié)料規(guī)范、瀝青膠結(jié)料試驗以及瀝青膠結(jié)料的選擇方法。它的顯著特色是一反“固定溫度進行試驗而改變標準值”的辦法，而是采用“標準值不變而改變試驗溫度”的辦法。即“標準是一致的，條件是不同的”。

5 高精度測量技術(shù)

5.1 建立控制網(wǎng)

高速環(huán)道瀝青攤鋪對平面、高程的要求很高，因此必須要有高精度的控制系統(tǒng)。根據(jù)理論計算和相關(guān)規(guī)范，平面控制網(wǎng)采用D級GPS網(wǎng)+一級導線布設(shè)測量；高程控制網(wǎng)采用二等水準網(wǎng)。

5.2 建立高速環(huán)道三維模型

由于麥克康奈爾曲線沒有嚴格的線性，采用計算整步長處的空間坐標，非整步長處的空間坐標采用內(nèi)插方法近似計算，推算對應整步長處橫斷面坐標方程，研究橫斷面上點的合理計算間隔和計算坐標的方法。

構(gòu)建A級曲面，擬合成貝塞爾曲線(Bézier curve）進行工程量統(tǒng)計及模擬施工技術(shù)的研究工作。在此基礎(chǔ)上，計算瀝青混合料的虛鋪系數(shù)、分析曲面碾壓受力方式等。

6 攤鋪寬度、順序合理規(guī)劃

6.1 根據(jù)選擇的曲面攤鋪機類型來決定攤鋪寬度

根據(jù)2.1節(jié)所述，橫向可分全斷面和分幅攤鋪兩種寬度，考慮到曲面的仰角送料情況，全斷面組合一般為72cmx17cm組成，分幅的最大一次攤鋪寬度為42cm×13cm組成。

6.2 高速環(huán)道曲線段攤鋪順序的選擇

根據(jù)操作手的習慣和曲面仰角的限制，一般是橫向由低速道向高速道送料和攤鋪，縱向是逆時針方向攤鋪。

7 攤鋪面關(guān)鍵部位的正確碾壓控制技術(shù)

碾壓設(shè)備是指具有碾壓滾的壓路機，設(shè)置碾壓滾為雙軸雙輪串聯(lián)結(jié)構(gòu)，雙軸雙輪串聯(lián)結(jié)構(gòu)是將第一軸和第二軸以鉸鏈連接的形式進行串聯(lián)，在第一軸上串聯(lián)且間隔設(shè)置第一滾輪和第二滾輪；在第二軸上串聯(lián)且間隔設(shè)置第三滾輪和第四滾輪，形成第一滾輪和第二滾輪共同以第一軸為輪軸，第三滾輪和第四滾輪共同以第二軸為輪軸。如圖6所示。

圖6 碾壓機械的特點（具有曲面追從性）

施工冷接縫碾壓采用交叉動靜碾壓法。壓路機先沿橫縫方向進行碾壓，以保證接縫處熱鋪面平整且僅略高于冷料面2～4mm。第一遍為靜壓，壓路機鋼輪大部分位于冷料面上，僅搭在熱鋪面上5～10cm；第二遍仍采用靜壓，壓路機鋼輪仍大部分位于冷料面上，僅搭在熱鋪面上約30cm；第三遍進靜壓退振動，壓路機鋼輪一半搭在冷料面上一半搭在熱鋪面上；第四遍進退均振動，壓路機鋼輪搭在熱鋪面上約2/3。4遍完成后退回冷料面上，壓路機置冷料面接縫中央處，分別從兩個方向與接縫呈45。角逐漸向兩側(cè)平行碾壓，碾壓過程進退均開啟振動，最后沿冷縫方向靜壓整平消除輪跡。

8 合適的檢測方法選擇

①國內(nèi)外試車場高速環(huán)道曲線段驗收均未規(guī)范檢測方法，現(xiàn)階段主流檢測方法有以下三種相結(jié)合。

方法一：采用高程、靠尺對完成面進行驗收。

方法二：運用八輪平整度儀。

方法三：運用汽車行駛質(zhì)感進行驗收。

采用以上驗收方式存在諸多不確定性。方法一：采用高程驗收原理以點帶面方式存在局限性，而靠尺無法驗收橫斷面為拋物線及曲線半徑偏小的高速環(huán)道。方法二：斜面八輪平整度儀測量數(shù)據(jù)無法準確表示現(xiàn)場實際情況。方法三：汽車行駛質(zhì)感只是定性而無法定量。

筆者研究團隊根據(jù)原有高速環(huán)道、斜面驗收存在的問題結(jié)合現(xiàn)階段3D掃描設(shè)備的發(fā)展，運用高精度激光掃描儀進行驗收的原理，結(jié)合實景復制和運動仿真技術(shù)研發(fā)了斜面平整度驗收技術(shù)。采用3D掃描儀對斜面進行全斷面掃描，獲得高精度的斜面三維點云，并將點云封裝構(gòu)建成面，等比例創(chuàng)建八輪平整度儀模型，并運用運動仿真技術(shù)將創(chuàng)建的模型在構(gòu)建面的指定特征線上運動，追蹤測定輪與測量架的相對運動規(guī)律，間接獲得每隔一定距離(10cm)路面凸凹偏差位移值，從而計算出平整度值，實現(xiàn)了斜面的平整度驗收。

圖7 曲面3D掃描

利用三維激光掃描儀提取高速環(huán)道的三維點云數(shù)據(jù)；依據(jù)國際平整度指數(shù)定義和相應理論編制電算程序，在掃描得到點云數(shù)據(jù)資料后，便可按抽樣點間距利用相應程序計算該段路面平整度的國際平整度指數(shù)IRI值。

9 結(jié)語

試驗場高仰角高速環(huán)道工程曲面瀝青面層的施工防止高仰角瀝青混合料下滑、碾壓的平整度和平順性技術(shù)控制是一個多環(huán)節(jié)的系統(tǒng)工程，影響其指標大小的因素很多，其中某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都將難以達到預定的目標，但只要很好的貫徹施工組織安排，對關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵性工序技術(shù)控制方法研究充分，嚴格質(zhì)量管理過程，采用先進的檢測技術(shù)控制就可實現(xiàn)預期的高平坦、高平順性的質(zhì)量目標，本文旨在對上海大眾、廣汽廣本及長春一汽等試驗場項目的成功經(jīng)驗進行分析總結(jié)，為以后國內(nèi)設(shè)計和施工類似的汽車試驗場高仰角環(huán)道曲面瀝青攤鋪、水庫大壩及高速匝道等瀝青路面施工提供經(jīng)驗借鑒。