連霍高速三門峽段改擴建路面縱向裂縫成因及治理措施

劉津源,職子涵

(河南省交通規劃設計研究院股份有限公司,河南 鄭州 450000)

連霍高速公路三門峽段位于豫西重丘陵山區、道路線形曲折、地質地況地貌復雜,氣候變化大、路況多變,有團霧多發、隧道群和連續長大下坡等路段,且重載超載車輛多,導致路面病害頻繁發生,一直是交管部門督辦的重點危險路段。隨著道路使用時間的增長,路面的使用壽命在逐漸降低,不可避免地出現各種裂縫病害。裂縫是高等級公路的常見病害,危害在于從裂縫處滲入的水分使基層甚至路基軟化,導致路面承載能力下降。若不及時處治,隨著車輛荷載的反復作用和時間的推移,裂縫病害會引發相關病害,如路面松散、坑槽、沉陷等病害,甚至深入路面基層,導致路面出現結構性破壞。因為病害都是相關的,其發生就像連鎖反應,會加速路面破壞。因此,及時地進行路面病害處治,對延長道路使用壽命至關重要。

1 瀝青路面病害

現行規范《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)中將公路瀝青路面病害分為11類,分別為龜裂、塊狀裂縫、縱向裂縫、橫向裂縫、坑槽、松散、沉陷、車轍、波浪擁包、泛油、修補[1]。

我國的高速公路路面結構基本上都是以“半剛性基層和瀝青面層的組合”為主,高速公路半剛性基層瀝青路面的損壞形式可以分為四大類:裂縫類、松散類、變形類和其他類。再進一步劃分,裂縫類常見的有龜裂、塊狀裂縫、縱向裂縫、橫向裂縫;松散類常見的有坑槽、松散;變形類常見的有沉陷、車轍、波浪擁包;其他類常見的有泛油、修補損壞[2]。

相關調查顯示,高速公路出現的病害有裂縫、松散、坑槽、車轍、擁包、修補損壞、橋頭跳車等,其中最典型的病害可歸納為裂縫、坑槽、車轍、橋頭跳車這幾類,但首當其沖的病害就是裂縫病害。裂縫的產生破壞了瀝青路面的整體性和連續性,水分通過裂縫滲入基層,侵蝕路基,導致路面承載力降低,還為凍融提供了條件,裂縫成為目前無法避免和根治的一種路面破壞形式。

瀝青路面上的裂縫有橫向、縱向、網裂和龜裂,在高速公路上縱向裂縫病害最常見。因此下面重點研究路面的縱向裂縫,并以河南省境內改擴建的連霍高速公路為依托工程,選取有代表性的路段進行路面病害調查分析,分析縱向裂縫的成因,并根據成因給出針對性的處理措施。

2 路面縱向裂縫調查及原因分析

該段連霍高速公路改擴建時,部分路段采用“雙側拼寬的方式”進行加寬,調查發現,路面右幅自西向東方向在第三車道右側輪跡帶位置出現了不同程度的縱向拼接裂縫,裂縫距右側車道邊緣線距離普遍為1.1～1.3 m,裂縫長度較長,大部分均在20～30 m以上,部分嚴重縱縫伴隨沉陷、龜裂、錯臺等病害。

2.1 縱向拼接裂縫分類

路面縱向裂縫,指的是與行車方向基本平行的裂縫。根據實際調查,路面縱向拼接裂縫表現特征不同,比對現行路面養護規范,將其按輕重程度分為以下幾類。

(1)輕度縱縫。病害特征為:單一縱縫,走向筆直,周圍無其他病害,裂縫寬度較窄,大部分路段日常灌縫后還未開裂,全線分布較多,縱縫分布斷斷續續,無清晰分界點。

(2)中度縱縫。病害特征為:單一縱縫,走向筆直,局部存在少量支縫,裂縫寬度稍寬,灌縫膠已開裂,裂縫較為連續,一般長度可達100 m以上。

(3)重度縱縫。病害特征為:裂縫寬度較寬,縱縫處往往伴隨有沉陷、龜裂、輕微錯臺等病害,部分位置反復修補不良,沉陷寬度一般為20～30 cm。

2.2 路面鉆芯取樣

針對第三車道縱縫問題,在現場進行路面鉆芯取樣檢測,根據病害調查結果,結合現場實際情況,采用Φ150 mm、取芯深度為700 mm的標準鉆機對具有代表性的路面進行鉆芯取樣[3]。

2.2.1 路面結構層厚度

根據現場鉆芯取樣結果進行路面結構調查,路面各結構層厚度統計結果如表1所示。

表1 路面結構層厚度統計表

根據取芯結果,可以看出上面層厚度和面層總厚度基本滿足《公路工程質量檢驗評定標準》的驗收要求,查閱該路段歷年改造設計資料,將檢測得出的各層位厚度與原設計路面各層厚度進行對比,發現上、中面層平均厚度與設計值基本一致。新加寬部分的下面層均值10 cm,設計值12 cm;上基層平均值15 cm,設計值17 cm。

2.2.2 路面病害發展情況

對調查路段的具體路面病害進行歸納整理,統計結果如表2所示。

表2 路面病害情況統計表

根據取芯和路面病害調查結果,分析得出以下結論。

(1)重度縱縫取芯,面層芯樣完全開裂,上基層完全松散,孔內觀察四周側壁脫空松散現象嚴重,重度縱縫一般位于距右側標線1.1 m位置。

(2)中度縱縫取芯,面層完全開裂,面層裂縫為改擴建新老路面中下面層拼接位置,基層一般較為完整為改擴建前老路基層,孔內觀察右側新路加寬方向的取芯孔側壁基層脫空松散現象嚴重,中度縱縫一般位于距右側標線1.3 m位置。

(3)輕度縱縫取芯,面層部分開裂,面層裂縫為改擴建新老路面中下面層拼接位置,基層較為完整為改擴建前老路基層,孔內觀察右側新路加寬方向的取芯孔側壁基層部分存在松散現象,輕度縱縫一般位于距右側標線1.3 m位置。

2.3 路面裂縫原因分析

瀝青路面上的裂縫有多種,其形成的原因也是多樣,有時是多種原因共同作用造成的,需要具體原因具體分析。通過查閱改擴建施工圖紙(如圖1所示),對比現場裂縫位置,結合各類縱縫處路面鉆芯取樣結果,分析縱向拼接裂縫形成的原因如下。

(1)改擴建前連霍高速老路硬路肩寬2.5 m,從改擴建設計圖紙上看,改擴建新老路面中下面層拼接位置應在距離左側標線1.9 m位置,然而在現場取芯發現新老路面中下面層拼接位置基本位于距離左側標線2.45～2.65 m位置,相當于位于老路路面邊緣。

(2)根據改擴建原設計圖紙,結合現場縱縫取芯情況,改擴建新老路面層、基層拼接位置剛好位于第三車道右側輪跡帶,長時間受到車輛荷載作用,新舊路面銜接的位置是薄弱部位,接縫處壓實度很難完全保證達到設計要求[4],壓實不到位的地方,在車輛荷載的長時間作用下容易產生縱向開裂,是縱向裂縫大規模產生的主要原因。

(3)連霍高速為雙向八車道,第三車道往往是重載貨車最習慣行駛的車道,重載交通作用加速了縱向裂縫的產生,加劇了縱向裂縫的嚴重程度。

(4)在改擴建拼寬部分基層施工時,受到老路基層的影響,拼寬部分新鋪水穩基層混合料邊部易發生離析,同時不易碾壓密實,造成目前取芯看到的松散脫空狀況,引發了縱縫伴隨沉陷、龜裂等病害。

(5)輕度縱縫和中度縱縫取芯發現面層為新老路面拼接位置,基層為老路基層,較為完整,但中度縱縫孔內觀察右側新路加寬方向的取芯孔側壁基層脫空松散現象嚴重,結合改擴建路面拼寬圖紙,確定輕、中度縱縫為改擴建面層拼接縫位置。此位置剛好位于第三車道右側輪跡帶區域,在重載交通的反復作用下,加上基層拼接處新路基層松散,兩種原因的綜合作用下,原18 cm厚面層拼接縫很快穿過4 cm加鋪罩面層反射至路表,形成縱向裂縫。

(6)新舊路基銜接處往往是路基的薄弱部位。調查顯示,拼寬部分新路基和原有舊路基的壓實、沉降程度不一致,加之新舊路基銜接部位路基很難壓實,壓實度不均勻,產生了一定程度的不均勻沉降,導致路面基層開裂,在路面產生縱向反射裂縫,是重度縱向裂縫、錯臺和沉陷病害產生的主要原因。

(7)此外,重度縱縫取芯發現面層為新路面層結構,基層大部分松散嚴重,距左側標線一般為2.65 m,結合改擴建路面拼寬圖紙,確定重度縱縫為改擴建基層拼接位置。基層松散,經分析,是在改擴建新路基層施工時,新老路基層拼接位置受到老路基層影響,水穩基層混合料邊部易發生離析,同時不容易碾壓密實,造成目前的松散狀況,在重載車輛的不斷作用下,出現縱縫伴隨沉陷病害,裂縫逐步變寬,出現支縫。同時雨水通過裂縫進入路面結構內部,在車輛反復碾壓的作用下,出現龜裂、唧漿等次生病害。

3 路面縱向裂縫處治措施

裂縫病害是瀝青路面的常見病害,大部分高速公路路面病害的防治是從延緩瀝青路面開裂的時間、裂縫產生的條數、開裂可能造成的進水等方面進行預防及修補,可見裂縫病害的處治是路面日常養護的重要一環,因此需要高效的處治措施,才能事半功倍。

3.1 常見的處治措施

對于瀝青路面的縱向裂縫,常見的處治措施就是灌縫處理。根據裂縫寬度的大小進行分類處理,縫寬在5 mm以內的,直接進行灌封處理;縫寬在5 mm以上的,應進行切縫后再灌封處理[5]。

3.2 針對性的處治措施

連霍高速三門峽段項目沿線地形非常復雜,尤其是山嶺區,山大溝深,且通行車輛較多,日均車流量達2萬多輛,最高流量可達8萬余輛,給路面病害處治從設計到實施都帶來一定的難度。根據依托工程的裂縫病害調查、鉆芯取樣結果和原因分析,結合項目所在地區的自然、經濟和實際情況,針對上述類型的縱向裂縫,建議采取的措施如下。

3.2.1 輕度縱縫處治

對于輕度縱縫,由于病害程度較輕且全線分布較廣,路段分散不連續,采用高聚物注漿進行處治,跟蹤觀察其對延緩輕度裂縫繼續發展的效果。

3.2.2 中度縱縫和重度縱縫處治

對于中度縱縫和重度縱縫,考慮目前僅存在少量支縫,無其他沉陷龜裂等病害,本次設計對段落較長且中間伴隨有局部重度縱縫的路段進行處治,其他中度縱縫建議加強日常養護灌縫封閉處理,待裂縫進一步發展后再采取相應措施。

對于重度縱縫,根據病害發展層位情況,按照“高聚物注漿+抗裂貼+銑刨重鋪上中面層”進行處治。

(1)高聚物注漿。

在銑刨重鋪處治前,對縱向裂縫的路面結構全深范圍裂縫內填塞高聚物漿液。采用雷達確定基層松散脫空位置,注漿在松散脫空區域沿路線走向布設一排注漿孔,孔間距為50 cm,孔直徑控制在1.6～2.0 cm。

鉆孔完畢后,使用高壓吹風機對鉆孔內部灰塵進行清理,之后下注漿管及安裝注漿頭,按照設計或現場實際確定的漿液比例及用量進行高聚物漿液注射。

(2)銑刨重鋪上中面層。

注漿完畢后,對上中面層進行銑刨重鋪。銑刨完畢后,對銑刨面進行清掃處理。對銑刨面上高聚物已填塞的縱向裂縫,沿裂縫走向粘貼48 cm寬抗裂貼。封縫完畢后,在銑刨面噴灑改性乳化瀝青黏層,側壁粘貼固體瀝青條,分層回鋪中面層和上面層,層間噴灑改性乳化瀝青黏層。

本次縱縫處治層位較深,為了保證處治層位攤鋪碾壓效果,建議對中面層進行回鋪時,適當增大控制松鋪系數,保證碾壓后中面層厚度比設計值大3～5 mm。

3.2.3 縱縫處的局部嚴重龜裂、沉陷、唧漿、修補不良等病害處治

對于縱縫處的局部嚴重龜裂、沉陷、唧漿、修補不良等病害,在銑刨前做好標記,銑刨上中面層后,對局部深層病害進行挖除換填處理。根據病害面積對下面層和基層局部松散區域繼續向下人工鑿除下面層和上基層,然后采用瀝青碎石ATB-30進行回填,用小型機具進行夯實后,再分層回鋪上中面層。

4 結 語

從瀝青路面全壽命周期考慮,以上提及的病害處治方法,有利于延長道路使用年限,常規灌縫、修補等方式只能修補瀝青面層病害,在瀝青面層上防止雨水等進入,但無法進一步阻止病害發展,而采用高聚物注漿不僅可以在面層防止雨水進入,還可以填充裂縫至基層,防止裂縫進一步發展并向面層反射形成龜裂、坑槽等更嚴重病害。連霍高速三門峽段公路路面病害愈發嚴重,存在較多重度拼接縱縫,若不采用針對性處治方案,后期發展將更為嚴重,會需要更大投資或進行大修處治。采用本研究建議的處治方法自2020年處治至今,基本無裂縫反射現象,處治效果良好,破損情況得到改善,預期延長道路使用年限5年,可節約30%的養護成本及大修資金。路面裂縫處治的方法很多,要根據實際情況選擇合適的處治措施。隨著科技的發展,還會出現裂縫處治新材料、新技術和新方法,因此應與時俱進,選擇行之有效的處理措施,同時還應從最初的設計和施工方面來采取措施,共同減少、避免裂縫的發生,提高路面的使用壽命。