城市中心城區快速通道道路工程路面結構設計探討

劉淑芬

摘要 路面結構設計是城市快速道路設計的重要內容，對道路造價、施工、服務期限及使用的安全性、舒適性有至關重要的影響。文章依托南陽市中心城區快速通道項目，綜合考慮不同面層和基層的受力變形規律、施工難易程度、使用壽命、行駛舒適性、造價等特點，對路面結構進行分析設計，提出以下結論：（1）考慮南陽地區氣候情況及擬建項目交通量，采用瀝青混凝土路面，路面結構層應適當加強，加厚基層；為提高路面的耐久性和高溫穩定性，上面層采用SBS改性瀝青。（2）針對主線機動車道、地面輔道機動車道、非機動車道，考慮不同的受力特點，選擇不同的半剛性基層以降低造價，延長路面使用壽命。（3）使用階段，應結合現場情況調查分析，針對可能出現的裂縫、車轍等病害及時治理，延長道路服務周期。

關鍵詞 城區快速通道；路面結構；對比分析；設計選型

中圖分類號 U416文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0068-04

0 引言

路面結構設計是城市快速道路設計的重要內容，對造價、施工、道路服務期限及使用的安全性、舒適性有至關重要的影響。林緣祥等[1]采用安定極限分析方法，研究了道路結構的安定性問題。陳毅超[2]以廈門濱海東大道快速路為例，提出城市快速路應近遠期結合設計。朱淵[3]對比市政道路和公路工程的瀝青混凝土路面，分析了道路的滲水破壞問題。于歡[4]基于太原市中環快速路，分析出現的橫向裂縫、縱向裂縫、網狀裂縫、車轍等病害，針對不同病害提出了相應的養護措施。該文依托南陽市中心城區快速通道項目，綜合考慮不同面層和基層的受力變形規律、施工難易程度、使用壽命、行駛舒適性、造價等特點，對路面結構進行設計、計算分析，可供相似工程參考。

1 工程概況與地質條件

1.1 工程概況

項目連接鴨河工區和南陽市中心城區，北起龍祥路立交南側，南至人民路與兩相路交叉口處北側約350 m處，路線全長約1 740 m，如圖1所示。主線高架設計速度60 km/h，標準段寬度25.5 m，布置為雙向6車道；地面輔道與匝道設計速度均為40 km/h，規劃紅線標準寬度50 m。50 m寬標準段橫斷面如圖2所示。

1.2 地質條件

場地自上而下共分為九個工程地質層：即①層雜填土（層厚0.7～4.6 m）、②層粉質黏土（層厚6.5～16.3 m）、③層含泥中砂（層厚0.3～5.2 m）、④層含卵礫粗砂（層厚1.3～9.3 m）、⑤層黏土（層厚0.5～6.5 m）、⑥層泥質粗砂（層厚0.5～4.2 m）、⑦層黏土（層厚10 ～24.4 m）、⑧層粉質黏土（層厚13.5～17.4 m）、⑨層黏土。

場地內地下水位埋深在8.7～17.3 m之間。場地內②層粉質黏土中存在上層滯水。屬臨時性懸掛，無統一水位，水量較小，旱季水位較深或消失，受季節性降水及場地周邊溝、管排水的影響較大。

2 路面結構設計

2.1 路面結構設計原則

路面是機動車通行的行為場所，路面質量的優劣也將通過車輛在路面的狀態演變為人的身體感受[5-6]。不同的路面材料、路面結構帶來不同的路面使用功能、使用壽命、行駛舒適性[7]。路面結構方案的最終目標是根據工程所在區域的特點以及自身的功能定位、服務性質，選擇合適材料，保證路面的整體質量。

2.2 路面結構類型選擇

2.2.1 面層瀝青混合料比選

我國城市道路瀝青面層常用的材料有：密級配瀝青混凝土（AC）、瀝青瑪碲脂碎石混合料（SMA）和高性能瀝青路面材料（Sup）。SMA路面熱穩定性好、水穩定性好、對溫度敏感性小，但施工工藝復雜，造價較高；Sup需要特別儀器進行設計。AC水穩性、抗裂性、耐久性較好，費用低，通過SBS改性和摻入少量瀝青改良劑，可以提高瀝青混合料的高溫穩定性[8]。

通過對比瀝青面層方案的優勢，參考南陽市與該工程相似的其他工程對瀝青面層的選取，該項目擬采用密級配瀝青混凝土（AC）面層方案。考慮南陽地區氣候情況，參考降雨量、年平均溫度與該快速通道的交通量，路面結構層應適當加強，上面層擬采用SBS改性瀝青。

2.2.2 基層方案比選

（1）剛性基層。剛性基層由于其材料組成同水泥混凝土接近，甚至需要配筋，其工程造價與一般的半剛性基層相比過高，目前已基本被半剛性基層所替代。

（2）半剛性基層。半剛性基層具有一定抗拉強度、抗疲勞強度，水穩定特性較好，路面基層受力性能、穩定性良好。

（3）復合式基層。復合式基層常規做法是下基層采用半剛性基層材料，上基層用瀝青碎石材料或級配碎石材料。理論上可減緩半剛性基層的反射裂縫，提高路面使用性能和壽命。但該種結構施工質量難以控制，國內設計和施工經驗都不多，使用效果待定。

結合南陽當地的通用做法，該次鴨河工區至南陽市中心城區快速通道城區段項目擬采用半剛性基層，基層材料根據需要采用不同水泥摻量的水穩和級配碎石。

2.3 瀝青路面結構設計

道路路面結構采用瀝青混凝土柔性路面，路面結構設計指標采用路表容許回彈彎沉、容許彎拉應力及容許剪應力。

2.3.1 設計交通量

根據周邊交通量調查及預測，項目建成后運營第一年（2023年）交通量如表1所示。

結合大客車、小客車、中貨車、小貨車四種車型所占比重及標準軸載換算系數，計算得到主線與輔道2023年單向日平均當量軸次分別為3 741、2 089。

一個車道在設計基準年內的累計當量軸次（Ne）：

式中，t——設計基準期（年），該項目取15年；N1——路面運營第一年（2023年）單向日平均當量軸次（次/d），Ne=3 741和2 089；γ——設計基準期內交通量的年平均年增長率，前五年取5%，中間五年取3%，最后五年取2%；f——設計車道分布系數，該項目取0.6。

計算得出城區段主線Ne=1.61×107次/車道，輔道Ne=8.99×106次/車道。確定主線、輔道路面設計交通等級分別為重交通、中等交通。

2.3.2 土基回彈模量

根據路基土類、干濕類型及沿線填挖情況確定，不小于30 MPa。

2.3.3 方案設計

該項目路面結構初步擬定如下：

（1）主線機動車道。主線機動車道結構如表2所示。

（2）地面輔道機動車道。地面輔道機動車道結構如表3所示。

（3）非機動車道。非機動車道結構如表4所示。

瀝青面層之間設置PC-2乳化瀝青黏層，瀝青路面層與水穩基層之間設置PC-3乳化瀝青透層。

2.3.4 路面材料參數

結合規范與國內已建成路面數據調查情況，確定各層材料抗壓回彈模量和劈裂強度設計參數如表5所示。

2.3.5 路面結構厚度計算

路面設計層選取水泥穩定碎石上基層，設計層最小厚度為150 mm。由URPDS2011軟件計算，主線上基層厚172 mm，輔道上基層厚172 mm，可同時滿足彎沉和層底拉應力要求，結合工程實際，取180 mm。

2.3.6 指標驗算

計算得主線、輔道道路表面的設計彎沉值ld分別為0.217 mm、0.244 mm。主線、輔道瀝青頂面交工驗收彎沉值ls分別為0.203 mm、0.227 mm，可靠度系數γa取1.05，計算彎沉值可以滿足γa·ls≤ld的要求。

瀝青表面層的最大剪應力0.333 MPa，小于容許剪應力0.667 MPa，主線及輔道瀝青表面層材料的抗剪強度滿足設計要求。

路面結構設計是一個比較成熟的課題，已有無數的實操案例。即便如此，常見的路面問題，如道路開裂等仍層出不窮，這一方面與道路結構設計有關，道路結構設計沒有針對性，如對車流量、荷載大小、天氣狀況等缺乏考慮；另一方面可能與施工有關，施工質量不滿足設計要求；也可能與運營養護有關，如車輛超載等。從全壽命周期分析，三個因素也是相互關聯的。設計是各因素的源頭，如設計材料、結構厚度等選擇不當，會造成施工困難。雖然理論上安全、適用、耐久，但如因施工難度大導致質量難以控制，則屬于設計考慮不周。同樣，針對道路超載，也不能完全依賴管理手段。從全壽命角度，需結合道路通行車輛的情況綜合考慮。如超載頻次過高，則可能是前期設計考慮不足，需及時進行加固處理。

值得注意的是，當前道路結構設計工作，因建設單位工期要求等因素，留給設計單位的時間并不充裕，設計單位基于已有大量工程、設計經驗的情況，存在偏重經驗、輕視力學計算的情況。因力學計算需針對不同材料，選擇適用的本構模型，如彈性模型、彈塑性模型、黏彈塑性模型等。選取的本構模型越精確，需要的參數越多，計算也越復雜，路面結構設計時往往不考慮，或者僅考慮簡單的彈性本構模型，這可能導致道路在耐久性方面存在缺陷，需引起足夠重視。道路工程服務周期長，高架等投入大的市政項目，實際服務周期可能遠超設計年限（該項目設計年限為15年）。針對城市快速通道到達設計年限如何維護修補，目前初始設計階段一般不予考慮。而修補階段，為加快修補速度，一般也僅針對面層進行修補，忽視基層的狀況。如何從道路全壽命周期以及經濟的角度，在初始設計階段考慮營業維護、修復方案，也應是道路路面結構設計應該考慮的內容之一。

路面結構設計，不僅僅是施工圖完成或者工程竣工就完成的一項工作。從設計的角度，設計工作應關注道路整個服務期，甚至進一步考慮如何延長道路生命周期。如果僅僅是基于經驗、現有規范，機械式、程序式的設計，從設計到施工再到運營，可能會導致道路性能低于設計者預期。因此，設計者不能僅專注于施工圖之前或者竣工圖之前的工作，應該密切關注道路在運營階段的性能，根據實測數據分析道路的性能，不斷優化設計成果。

3 結論

依托南陽市中心城區快速通道項目，綜合考慮不同面層和基層的受力變形規律、施工難易程度、使用壽命、行駛舒適性、造價等特點，得到的主要結論有：

（1）考慮南陽地區氣候情況及擬建項目交通量，路面結構層適當加強，加厚基層；面層采用密級配瀝青混凝土面層方案，為提高路面的耐久性和高溫穩定性，上面層采用40 mm厚SBS改性瀝青。

（2）針對主線機動車道、地面輔道機動車道、非機動車道，考慮不同的受力特點，選擇不同的半剛性基層以降低造價，延長路面使用壽命。

（3）使用階段，應結合現場情況調查分析，針對可能出現的裂縫、車轍等病害，及時治理，延長道路服務周期。

參考文獻

[1]林緣祥， 鄭俊杰， 后如意， 等. 移動簡諧荷載作用下層狀道路結構的安定下限分析[J]. 巖土工程學報， 2022（11）： 2026-2034.

[2]陳毅超. 城市快速路近遠期結合設計的研究[J]. 科學技術創新， 2022（32）： 129-132.

[3]朱淵. 淺談市政道路瀝青混凝土路面滲水破壞——形成原因及防治對策[J]. 四川建材， 2022（8）： 136-137.

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