京滬高速擴(kuò)建路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及材料應(yīng)用研究

侯 爵

（江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004）

我國早期建設(shè)的高速公路以雙向四車道為主，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)營車輛數(shù)量與日俱增，原有高速公路的通行能力與快速增長的交通需求之間的矛盾日益突出，對(duì)原有高速進(jìn)行改擴(kuò)建已成為交通建設(shè)發(fā)展新常態(tài)[1]。當(dāng)前，我國一大批高速公路已經(jīng)實(shí)施了拓寬改建工程，眾多學(xué)者對(duì)擴(kuò)建工程中的路面工程關(guān)鍵技術(shù)做了一系列研究。曲向進(jìn)[2]對(duì)沈大高速公路現(xiàn)狀、病害原因及目前我國舊路改造利用工程中存在的問題進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析，擴(kuò)建方案采用了以兩側(cè)拼接為主，單側(cè)分離為輔的組合形式。劉建蘭、李海軍等人[3-4]以滬寧高速擴(kuò)建為依托，研究了路面拼接的施工技術(shù)，包括老路的處理、基層拼接施工、面層拼接施工等，同時(shí)提出了適用于滬寧高速公路重載交通的幾種耐久性路面結(jié)構(gòu)。劉甲榮等人[5]針對(duì)濟(jì)青高速改擴(kuò)建工程建設(shè)中路面拼寬遇到的技術(shù)難題，創(chuàng)新提出了改擴(kuò)建路面拼寬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料應(yīng)用、舊路面材料與固體工業(yè)廢棄物再生利用，以及路面拼寬施工新工藝等一系列新技術(shù)。鑒于此，文章以京滬高速公路新沂至江都段擴(kuò)建工程為依托，充分貫徹全壽命周期設(shè)計(jì)理念，著重研究了擴(kuò)建工程路面拼寬技術(shù)和舊路面材料再生利用技術(shù)。

1 工程概況

京滬高速公路新沂至江都段擴(kuò)建工程路線起自京滬高速公路蘇魯省界，止于揚(yáng)州正誼樞紐，路線全長約259.565km。項(xiàng)目現(xiàn)狀按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）中平微區(qū)高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為120km/h，標(biāo)準(zhǔn)路基寬度為28m[6]。

老路項(xiàng)目于2000年12月建成通車，已運(yùn)營近20年，有力地帶動(dòng)了沿線經(jīng)濟(jì)的全方位發(fā)展。隨著沿線社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，京滬高速公路的交通量迅猛增長，高峰時(shí)段的服務(wù)水平已明顯降低，其中淮安以南路段特別是高郵段道路通行狀況已基本接近飽和，原雙向四車道高速公路服務(wù)水平急劇下降。為適應(yīng)日益增長的交通發(fā)展需要，現(xiàn)按“兩側(cè)拼接加寬為主，局部分離”的方案將原雙向四車道擴(kuò)建為雙向八車道高速公路。拓寬后整體式路基寬度為42m，其中，中間帶4.5m（左側(cè)路緣帶寬2×0.75m，中央分隔帶3.0m）、行車道2×4×3.75m、右側(cè)硬路肩2×3.0m（含右側(cè)路緣帶0.5m）、土路肩2×0.75m。

2 京滬高速擴(kuò)建路面性能提升需求分析及設(shè)計(jì)原則

2.1 京滬高速擴(kuò)建路面性能提升需求分析

隨著通車年限的不斷增加，路基天然地基受力變形，加之路面在車輛的長期荷載及環(huán)境變化的循環(huán)作用下，出現(xiàn)車轍、開裂、抗滑不足等問題，服務(wù)性能下降。鑒于此，改擴(kuò)建工程中，開展既有路基路面檢測(cè)評(píng)價(jià)是制定路基、路面改擴(kuò)建方案，控制工程規(guī)模的重要基礎(chǔ)。京滬高速公路路基、路面現(xiàn)狀質(zhì)量對(duì)擴(kuò)建方案的選擇有明顯的制約作用。

在總結(jié)與借鑒國內(nèi)外對(duì)高速公路既有道路分析評(píng)價(jià)以及高速公路養(yǎng)護(hù)分析的基礎(chǔ)上，該項(xiàng)目收集了京滬高速公路通車以來的路面破損、平整度、車轍檢測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)性開展了京滬高速公路路基路面檢測(cè)評(píng)價(jià)，統(tǒng)計(jì)了路面破損、平整度和車轍等變化情況，結(jié)合京滬高速的養(yǎng)護(hù)歷史，分析了京滬高速的路面性能發(fā)展規(guī)律。養(yǎng)護(hù)歷史表明，京滬高速在運(yùn)營20年期間，歷年都進(jìn)行了大范圍的專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)，主要專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)類型為銑刨重鋪和罩面，兩項(xiàng)占比合計(jì)超過70%。老路各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，車轍和裂縫是其路面主要病害，其中路面車轍在開始4～5年內(nèi)發(fā)展較快，后逐漸趨于穩(wěn)定，車轍深度不超過8mm。相關(guān)研究表明，瀝青層剪應(yīng)力主要集中在4～10cm，對(duì)車轍深度影響較大的主要在于中面層模量。路面裂縫方面，現(xiàn)狀18～22cm路面在通車初期基本無裂縫，營運(yùn)3～5年后反射裂縫開始出現(xiàn)，經(jīng)過數(shù)年的穩(wěn)定發(fā)展在9～10年開始加速發(fā)展?；谝幌盗醒芯砍晒?，路面結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化，同時(shí)提升路面材料性能在京滬高速擴(kuò)建設(shè)計(jì)時(shí)顯得尤為重要。

2.2 京滬高速擴(kuò)建路面拼寬方案設(shè)計(jì)原則

（1）分車道設(shè)計(jì)原則。京滬高速公路擴(kuò)建工程采用雙向八車道標(biāo)準(zhǔn)，客貨分離的分車道設(shè)計(jì)理念，考慮不同路況，不同交通量，結(jié)合2017版《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017），進(jìn)行相應(yīng)路段或車道的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第三、第四車道以大型車為主，第一、第二車道以小型車為主[7]。

（2）既有第一、第二車道路面改造設(shè)計(jì)原則。①盡可能利用原有路面結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度，避免大面積和深層次開挖路面結(jié)構(gòu)，降低施工干擾因素；②設(shè)計(jì)方案既要能解決實(shí)際問題，保證路面功能滿足要求，并具備較好的耐久性能，同時(shí)又要經(jīng)濟(jì)合理、施工方便，全壽命周期經(jīng)濟(jì)。

（3）拼寬新建第三、第四車道設(shè)計(jì)原則。①新建第三、第四車道設(shè)計(jì)壽命期限內(nèi)需滿足京滬高速公路重載交通荷載的承載能力要求。通過對(duì)交通量及軸載組成的分析，確定新建第三、第四車道設(shè)計(jì)交通荷載等級(jí)屬于特重交通。②新建路面結(jié)構(gòu)層需考慮拼接的需求，考慮新舊路面橫向拼接的層位匹配，以及路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)橫向排水要求，原則上拼寬部分的瀝青層厚度與改造后第一、第二車道瀝青層的厚度保持一致。③第三、第四車道及硬路肩上面層厚度與第一、第二車道加鋪罩面層的厚度保持一致。④在滿足路面功能要求的同時(shí)具備較好的經(jīng)濟(jì)、耐久性，符合全壽命周期要求。

3 拼寬路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及材料應(yīng)用

3.1 拼寬路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）路面結(jié)構(gòu)方案比選。既有公路第一、二車道整體路況較好，路面結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求，僅需進(jìn)行功能性修復(fù)。第一、二車道采用直接加鋪和銑刨加鋪兩種比選方案，再結(jié)合第三、第四車道瀝青面層采用同層等厚的原則對(duì)路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行綜合比選，同時(shí)，對(duì)于第一、二車道直接加鋪面層方案，增加拼寬車道瀝青面層不同層等厚的比選方案。

方案一：第一、第二車道加鋪4cm SMA-13；對(duì)應(yīng)第三、第四車道鋪筑4cm SMA-13+6cm Sup-20+6cm Sup-20+10cm Sup-25=26cm。該方案可充分利用既有路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免損傷既有路面；瀝青層相對(duì)較厚，有效延緩反射裂縫的產(chǎn)生，提高瀝青路面結(jié)構(gòu)使用壽命，充分滿足重載條件下瀝青路面耐久性使用要求；新老瀝青路面同層，結(jié)構(gòu)受力特性保持一致，對(duì)基層頂面橫向排水有利，縱向拼接效果好；施工時(shí)間短，對(duì)交通干擾小，容易進(jìn)行施工組織。但是該方案需要在橋頭兩側(cè)進(jìn)行銑刨重鋪順接過渡；初期建設(shè)費(fèi)用高；且資源消耗大。該方案每公里總造價(jià)約1335萬元。

方案二：第一、第二車道加鋪4cm SMA-13；對(duì)應(yīng)第三、第四車道鋪筑4cm SMA-13+8cm Sup-20+10cm Sup-25=22cm。該方案可充分利用既有路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免損傷既有路面；縱向拼接效果好；養(yǎng)護(hù)間隔周期長；施工時(shí)間短，對(duì)交通干擾小，容易進(jìn)行施工組織；資源消耗相對(duì)較少，工程造價(jià)相對(duì)較低。但是存在新老瀝青路面不同層，結(jié)構(gòu)受力特性存在一定差異，對(duì)基層頂面橫向排水不利，需要在橋頭兩側(cè)進(jìn)行銑刨重鋪順接過渡等缺點(diǎn)。該方案每公里總造價(jià)約1240萬元。

方案三：第一、第二車道銑刨重鋪4cm SMA-13；對(duì)應(yīng)第三、第四車道鋪筑4cm SMA-13+8cm Sup-20+10cm Sup-25=22cm。該方案縱斷面高程不抬高，不存在橋梁順接過渡，縱斷面線形好；銑刨料可再生利用，資源消耗少；新老瀝青路面同層，結(jié)構(gòu)受力特性保持一致，對(duì)基層頂面橫向排水有利，縱向拼接效果好。但是此方案對(duì)既有路面產(chǎn)生擾動(dòng)，降低了既有路面性能的利用；增加了既有路面的病害風(fēng)險(xiǎn)，病害處治工程規(guī)模不易控制；且增加了施工工序，施工組織相對(duì)復(fù)雜。該方案每公里總造價(jià)約1357萬元。

（2）路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)京滬高速公路路面設(shè)計(jì)原則和路面各結(jié)構(gòu)層類型的比選，該項(xiàng)目優(yōu)選采用了方案一，即既有路面采用直接加鋪4cm SMA-13面層的改造方案，拼寬路面采用瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，面層為4cm改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13）+6cm中粒式改性瀝青混合料（Sup-20）+6cm中粒式改性瀝青混合料（Sup-20）+10cm粗粒式瀝青混合料（Sup-25），基層為38cm水泥穩(wěn)定碎石，底基層為20cm廠拌冷再生水泥穩(wěn)定碎石或低劑量水泥穩(wěn)定碎石，總厚度為84cm。主線一般路段路面結(jié)構(gòu)組合如表1所示。硬路肩路面結(jié)構(gòu)與行車道同厚度同結(jié)構(gòu)?；鶎禹敳吭O(shè)置SBS改性乳化瀝青封層，并局部設(shè)置聚酯玻纖布作為技術(shù)處理措施，以保護(hù)基層及防止雨水下滲和可能出現(xiàn)的收縮裂縫向上反射。各瀝青面層之間均應(yīng)灑布SBS改性乳化瀝青黏層油。

表1 主線一般路段路面結(jié)構(gòu)組合

3.2 新型路面材料的應(yīng)用

基于對(duì)新型路面材料的調(diào)研，高模量瀝青混合料和巖瀝青混合料在高速公路養(yǎng)護(hù)工程和改擴(kuò)建工程中均有試驗(yàn)性應(yīng)用，可較好地提高瀝青路面抗車轍性能。因此，該項(xiàng)目基于調(diào)研基礎(chǔ)對(duì)高模量瀝青混合料和巖瀝青混合料進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

（1）高模量瀝青混合料。高模量瀝青混合料主要通過硬質(zhì)瀝青的高黏度來增加膠結(jié)料與集料間的黏結(jié)力，配合比設(shè)計(jì)采用高瀝青含量和低空隙率確保礦料形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增加瀝青混合料的強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性，并保證其抗疲勞性能。EME-14高模量瀝青混合料與Sup-20（SBS改性瀝青）性能對(duì)比如表2所示。由表2可以看出，EME-14高模量瀝青混合料車轍動(dòng)穩(wěn)定度和20℃動(dòng)態(tài)模量均優(yōu)于Sup-20改性瀝青混合料，具有優(yōu)異的抗車轍性能。

表2 EME-14高模量瀝青混合料與Sup-20（SBS改性瀝青）性能對(duì)比

（2）巖瀝青混合料。高灰分巖瀝青是指灰分含量達(dá)到70%以上的巖瀝青，其不僅具有巖瀝青的一般特性，而且其中的瀝青與灰分通過億萬年的相互作用，形成了較為穩(wěn)定的作用界面。將其用于瀝青混合料，不僅能起到對(duì)瀝青改性的作用，也能改善瀝青膠漿的性能，從而提升瀝青混合料的綜合性能。巖瀝青混合料在江廣擴(kuò)建工程以及養(yǎng)護(hù)工程中得到應(yīng)用。考慮到Sup-20混合料級(jí)配對(duì)于巖瀝青來說較難壓實(shí)，因此，巖瀝青混合料一般采用AC-20級(jí)配。不同種類的AC-20混合料高溫性能比較如表3所示。由表3可知，使用高灰分巖瀝青制備的BRAC-20混合料動(dòng)穩(wěn)定度可提高20%～40%，在抗車轍性能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表3 不同種類的AC-20混合料高溫性能比較

根據(jù)新材料的研究成果，在項(xiàng)目實(shí)施過程中計(jì)劃通過路面試驗(yàn)段加以驗(yàn)證。

3.3 舊路面材料再生利用

該項(xiàng)目為老路擴(kuò)建工程，原有瀝青面層銑刨后將會(huì)產(chǎn)生大量的銑刨料，這些銑刨料如果直接廢棄，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大的污染。同時(shí)，江蘇省石料資源日益匱乏，如果全部采用遠(yuǎn)運(yùn)，將會(huì)大幅度增加成本。如果將銑刨料進(jìn)行加工再利用，既有利于環(huán)保，也能節(jié)省資源，符合“品質(zhì)工程、綠色公路”的環(huán)保理念，是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在公路建設(shè)中的具體體現(xiàn)。因此，有必要在路面結(jié)構(gòu)中采用部分再生混合料結(jié)構(gòu)層。

根據(jù)對(duì)國內(nèi)部分高速公路擴(kuò)建工程再生利用方案的調(diào)研，基層混合料再生方式主要以摻加水泥結(jié)合料的廠拌冷再生底基層為主，使用情況良好。因此，該項(xiàng)目主線底基層采用了低劑量廠拌冷再生水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)，同時(shí)，為提高瀝青面層銑刨料的再生利用率，廠拌冷再生水泥穩(wěn)定碎石底基層中摻入一定比例的瀝青面層銑刨料。此外，廠拌冷再生水泥穩(wěn)定碎石還可用在既有路面硬路肩下的路床補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)中。

結(jié)合以上分析，將瀝青銑刨料用于乳化瀝青廠拌冷再生基層的組合式基層結(jié)構(gòu)與瀝青銑刨料、二灰碎石銑刨料用于廠拌冷再生水穩(wěn)碎石底基層的兩種方案進(jìn)行比較，如表4所示。

通過銑刨料基層再生與銑刨料底基層再生利用方案比選可知，銑刨料廠拌冷再生水穩(wěn)碎石底基層再生方案有較大的優(yōu)勢(shì)。

表4 銑刨料基層再生與銑刨料底基層再生利用方案比選

4 結(jié)束語

文章以京滬高速新沂至江都段擴(kuò)建工程為依托，采用雙向八車道標(biāo)準(zhǔn)、客貨分離的分車道設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行相應(yīng)路段或車道的路面設(shè)計(jì)。研究成果如下：

（1）通過對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選，針對(duì)該項(xiàng)目特點(diǎn)推薦了路面最優(yōu)結(jié)構(gòu)組合，一二車道直接加鋪4cm SMA-13，拼寬路面面層鋪筑4cm SMA-13+6cm Sup-20+6cm Sup-20+10cm Sup-25=26cm，基層為38cm水泥穩(wěn)定碎石，底基層為20cm廠拌冷再生水泥穩(wěn)定碎石或低劑量水泥穩(wěn)定碎石。

（2）基于調(diào)研對(duì)高模量瀝青混合料和巖瀝青混合料進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，兩者均可較好地提高瀝青路面抗車轍性能，在項(xiàng)目實(shí)施過程中將通過試驗(yàn)段加以驗(yàn)證。

（3）貫徹“品質(zhì)工程、綠色公路”的環(huán)保理念，再生利用老路路面銑刨料，應(yīng)用于廠拌冷再生水穩(wěn)碎石底基層，實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展。