公路隧道路面结构设计与施工.pdf

总第 1 2 4期 公 路 与 汽 运 hi g h wa y s& au t o mo t i v e ap p l i c a t i o n s 1 3 7 公 路隧道路面结构设计 与施 工 兰光 欣 ，孙 湘俊 ( 1 长沙市国道绕城 建设 开发 总公 司，湖南 长沙4 1 0 0 0 1 ；2 长 沙理 工大学，湖 南 长 沙4 1 0 0 7 6 ) 摘 要 ：通过分析隧道路 面结构 的特 点及 隧道 内特殊 气候 环境对 路 面结构 的要 求 ， 对 目前 国 内外公路隧道路 面的主要结构形 式和优 缺点作 出了分析 和总结 ， 介 绍 了隧道 内路 面结构的施 工特 点 ， 并针 对 目前 公 路 隧道 路 面 结 构 与 材 料 现 状 ， 提 出 了今 后 隧 道 路 面 的研 究 方 向 。 关键词 ：隧道 ；公路 ； 路 面 ；结构设计 ； 施 工特 点 中图分类号 ： u4 5 9 2 文献标识码 ： a 文章编号 ： l 6 7 1 2 6 6 8 ( 2 0 0 8 ) 0 l o l 3 7 一o 3 近年来 ， 随着我国高等级公路的发展 ， 公路隧道 建设规模 越来 越大 。据 统计 ， 1 9 7 9年我 国公 路 隧 道 3 7 4座 、 通 车 里 程 仅 为 5 2 k m； 2 0 0 0年 我 国 隧 道 1 6 8 4 座 、 通车里 程达 6 2 8 k m， 隧道平 均长 度达到 3 7 3 m。近 1 0年来 ， 我 国已修建 了不 少长 隧道、 特 长隧道及隧道群 ， 隧道 占公路里 程 比重不 断增大。 据不 完 全统 计 ， 到 2 0 0 1年 底 ， 我 国建 成 的 千米 以上 公路隧道已有 1 4 0余座。随着高等级公路向西部地 区延伸 ， 预计到 2 0 1 0年 ， 我国将 有总长 1 5 5 k m 以 上的公 路隧 道投入 建设 。 由于 隧道 是 一个 相 对封 闭 、 空 间狭 小 的管 状环 境 ， 没有 隧道外 日晒雨淋 的气 候 ， 气温 变化 也 比隧道 外 小 。但 隧 道 内 湿度 大 ， 比较 潮 湿 ， 地下 水 丰 富 ； 隧 道 内空气 流动 性 小 ， 空气 易 污 染 ； 隧道 内 没有 日照 ， 常年处于黑暗中， 能见度低 。因此 ， 隧道路面与一般 道路、 桥面铺装结构在使用环境上存在较大的差别 ， 需深入 调查 、 观测 和研 究隧 道 内气 候 、 环境 对 路 面结 构性能 的影 响 。 1 隧道路面结构特点 隧道内路基与路面是承受车辆长期行驶 的基本 载体 ， 是公路隧道最重要的部位之一。稳定 、 密实和 匀质的路基为路面提供均匀的支承 ， 同时路面应具 有 一定 的强度 、 抗 滑 性 、 平 整 度 和 耐磨 性 ， 这 是保 证 行车安全 、 舒适 的基本条件。路面要长期承受高速 车辆荷载的冲击与摩擦 ， 保证其耐久性更为重要 。 隧道路面具有如下 特点 ： 隧道穿越 地层 ， 其 埋置条件、 应力条件与洞外路面受力特征方 面有较 大的不同。 隧道路基处于山体中， 地下水位对隧 道路面的影响较外面大。 隧道为管状构造物 ， 空 间狭小， 存在汽车排放废气积聚等现象， 废气 、 油烟、 粉 尘在 路 面 表 面 的 粘 附 比 洞外 路 段 大 。油 渍 的污 染 、 粉尘的粘聚使路面抗滑性能变差 ， 且得不到天然 降雨的冲洗 ， 将严重影响路 面的抗滑性能。 洞内 发生火 灾 时 ， 其 温 度对 路 面 的影 响 比洞 外严 重 。 洞内行车条件总体上为光线差 、 视觉环境差 ， 对行车 不利 。 洞 内路 面受 场 地 条 件 影 响 ， 施 工 条 件 差 ， 维护难度大 。 行 车安全受气候 环境影 响大。雨 天 或低 温 时 ， 洞 口段 冷 空气 变换 ， 产 生 水珠 ， 路 面 积 雾 ， 降低路面抗滑性能 。 2 隧道 路面结构类型及 应用 由于技术 、 经济 条件 及用 户对 路 面要求 的不 同 ， 不 同国家选择隧道路面结构形式时也存在差别。如 欧洲几乎所有的隧道都采用沥青路 面， 而 日本 隧道 则较多采用水泥砼路面。在我 国， 受经济、 技术条件 的限制 以及 国际上 几次 损 失 比较 严 重 的隧道火 灾 的 影 响 ， 到 目前 为止 ， 在很 多地 区 的隧 道建设 中仍 以水 泥砼路面为主。随着我 国经济的发展、 路面施 工技 术水平及道路使用者对路面要求的不断 提高， 原有 的观念部 分制约 了我 国隧道路 面质量 的提 高。因 此， 有必要对我国当前隧道建设 的实际进行分析 ， 合 理选择隧道路面的结构形式 ， 并 根据隧道 中地质条 件 、 水文条件、 环境条件及交通状况等实际情况进行 隧道路面结构组合 的选择 ， 这也是隧道路面设计 的 一 个 重 点 。 目前 ， 我 国隧道路面主要有水泥砼路面( 含钢纤 维砼路面、 连续配筋砼路面) 结构形式 ， 如位 于山西 晋 阳( 晋城一阳城) 高速公路 k5 +8 9 0 k7 +7 5 8的 牛王 山隧 道 ( 长 1 8 6 8 m) 和 沈丹 ( 沈 阳一丹 东 ) 高 速 公路大峪隧道采用水泥砼路面等。 部分隧道也采用沥青混合料面层与水泥砼基层 维普资讯 1 3 8 公 路 与 汽 运 hi g h wa y s& au t o mo t i v e app l i c a t i o n s 第 1期 2 0 0 8年 1月 ( 钢纤维砼基层 、 连续配筋砼基层 ) 组成的复合式路 面结构 ， 如福建省漳龙 ( 漳州一龙岩) 高速公路东家 舍隧道的路面结构为 4 c m s b s改性沥青 s ma一1 o +改性乳化沥青粘层及 自粘式玻璃纤维格栅+4 c m 改性 沥青 ac一 1 3 + 2 5 c m c 3 5水 泥 砼 基 层 +c1 0 贫砼找平层 。 国内外常见的隧道路面结构形式如表 1 所示。 2 1 水 泥砼 路面 水泥砼路面是我国隧道多年来主要采用 的结构 形式， 其主要优点 ： 水稳定性好 、 地下水对其影响小 ； 结构强度高、 承载能力强、 耐久性好 ； 颜色浅亮， 对照 明有利。 表 1国内外部分隧道路面形式 但水泥砼路面 自身也有一些不足 ： 因洞内路 面潮湿 ， 水泥砼表面摩擦系数不足 ， 造成车辆制动效 果不佳。 路面噪声大 ， 路面结构接缝造成平整度 相对较差 ， 行车舒适程度不如沥青路面， 一般路面抗 滑性能难以满足技术要求。 颜色浅 ， 路面标线与 路面的对比度低 ， 路面标线的效果受到影响。 一 旦损坏 ， 养护维修困难。因为隧道 内空间狭小 、 亮度 低 ， 不利于作业和交通组织。 近年来 ， 随着我国公路建设的迅速发展 ， 公路隧 道尤其是高速公路 中的隧道建设越来越多， 对隧道 路面的安全性与舒适性、 表面抗滑性能和噪声要求 较一般公路提出了更高的要求 ， 而一般小型机具施 工的水泥砼路面难以满足这方面的要求。如牛王山 隧道 ， 自 1 9 9 &年投入运营 以来 ， 其南线路面抗滑性 能急剧下降， 使用一年半后 ， 其路面构造深度由竣工 时的 0 7 2 mm下降到不足 0 2 mm， 路表面光滑如 镜 。与此对应 的是由于隧道内路面抗滑性能下降引 起 的车辆侧滑事故呈大幅度上升趋势， 1 9 9 9年达到 全线交通事故 的 5 o 9 6 。沈丹 高速公路大峪隧道于 2 0 0 0年 9月通车， 到 2 0 0 4年 ， 隧道 内路面就 已经出 现 了大量裂缝 ， 以至于不得不于 2 0 0 4年 6月封闭， 进行整修 。 2 2 沥 青路 面 以前隧道内路面较少采用沥青路面 ， 主要考虑 隧道 内温差小 、 相对潮湿 ， 全年保持在一个较低、 较 恒定的温度 ， 如采用层铺法或路拌法施工 的沥青表 面处治、 沥青贯人式或乳化沥青混合料等， 一般不易 成型； 而潮湿的使用环境影响沥青路面的使用性能与 耐久性 ， 容易产生水损坏， 耐久性不如水泥砼路面； 沥 青路面颜色黑 ， 反射率低 ， 直接影响路面的亮度( 照明 度) 。但沥青 路面平整 度好 ， 抗滑性能易保证 ， 噪声 低 ， 行车舒适、 安全 ， 且损坏维修方便 ， 与路面标线颜 色对比明显， 有利于高速公路中的分道行驶 。 如前所述 ， 国外大多数公路隧道采用沥青路面 。 我国也有专家提出 ， 一般公路隧道可 以采用水泥砼 路面， 但高速公路隧道宜采用沥青路面， 特别是采用 高性能沥青混合料 ( 如 s ac、 s ma、 o gf c等) 作面 层的沥青路面结构形式 。如福建省漳龙高速公路东 家舍隧道 ， 通过半年的通车运行 ， 效果 良好 而旁边 的如山头隧道的水泥砼路面 ， 抗滑性能急剧下降 ， 短 短 3 个 月 就发 生 了近 2 o起 交通事 故 。 2 3复合 式路 面 复合式路面主要 由沥青混合料面层与水泥砼基 层 ( 或 加筋水 泥 砼基 层 钢 纤 维砼 基 层 、 连 续 配 筋 砼 基层) 组成。随着公路修筑技术的发展 ， 复合式路面 在 隧道 中得 到越 来越 广 泛 的应 用 。 1 9 8 5年 ， 西 班牙 某高速公路拓宽车道施工 中， 在厚 1 5 c m 的水 泥稳 定基层上铺筑 2 3 c m厚的 r c c层 ， r c c层板加铺 5 c m热拌沥青混合料 。1 9 8 9年 ， 澳大利亚 p e n i t h市 成功地在水泥稳定基层上修筑了 ac+r c c复合式 路面 。 连续配筋砼 ( c r c p ) 是在纵 向配有足够数量 的 维普资讯 总第 1 2 4期 公 路 与 汽 运 hi g h wa y s& au t o mo t i v e app l i c a t i o n s l 3 9 钢筋 以控 制砼 面板 纵 向收缩 产 生裂 缝 的结 构 形 式 。 由于在纵 向配 有足 够数量 的钢 筋 以控制 砼路 面 板纵 向收缩 产 生开裂 ， 因此 ， c r c p除 需设 置 施 工缝 及 构 造需要 的胀缝外 ， 完 全 不需 设 置 胀 缝 及 缩 缝 。美 国 最先使 用 c rc p路 面 ， 现行 的设计 规 范为 l 9 9 0年美 国联邦公路局( f hwa) 颁发的刚性路面规范 ， 在美 国修建高速公 路和机场道面时大量 采用 c rc p路 面 。经 过 2 0多 年 的使 用 ， 绝 大 部分 路 面 完 好 无 损 。 在我国， 由于用钢量较大、 造价较高 ， 受投资的影响， 一 般公 路建设 中极 少 采用 c r c p 。2 0 0 0年 以前 ， 仅 在江苏省的盐城和镇江两地各修筑了 l k m 的试验 路 ； 2 0 0 2年， 湖南耒宜 ( 耒 阳宜章) 高速公路修筑 了 4 4 k m 的 c rc p路 面 ， 经 过 近 5年 的使 用 ， 目前 状 况 良好 。另 外 ， 泰 国采 用英 国设 计规 范 于 l 9 8 8年 在南北高速公路上铺筑了 l 5 o k m c rc p路面 。 在 隧道 路 面结 构 中使 用 c rc p作 为 复 合 式 路 面 的基层 时 ， 由于不 需设 置胀缝 及 缩缝 ， 其表 面 能形 成完 整而 平坦 的表 面 ， 可 以改善 汽 车行驶 的平稳 性 ， 避 免 了普通 砼路 面 的 接缝 破 坏 ， 同 时也 增 加 了路 面 板的整体刚度 ， 提高了其承载能力 。 钢 纤维砼 ( s f rc ) 是 将钢 纤 维 均 匀 地 分 散 于 基 体砼 中 ， 通过 分散 的钢纤 维减 少 动 态 荷 载 作 用 在 基 体砼 上 引起 的应力 集 中 ， 从 而 控 制砼 裂 缝 的 产 生 和 发展 ， 提高复合材料 的抗裂性。同时 由于砼与钢纤 维界面间有很大的粘结力 ， 因而可将外 力传递 到抗 拉强度大 、 延 伸率高的钢纤维上 ， 使钢纤维砼作为一 个均 匀整 体抵 抗外力 作用 。也 可 以显著 提高 素砼 的 抗弯拉强度、 抗冲击韧性 、 抗裂性 、 抗疲劳性能和耐 久性等， 使本属于脆性材料的砼转变 为具有 良好韧 性的复合材料 。在隧道路面结构 中使用 s f rc， 可 以明显减少路面的龟裂 、 断板破损等病害 ， 显著提高 复合式路面的使用寿命 。 隧道 内空 间狭 小 、 亮 度 低 、 空 气 潮 湿 ， 对 施 工 操 作不 利 。 目前 ， 隧道 内水 泥砼 路面 大多 采 用 小 型 机 具施工 ， 无法满足平整度的要求 ， 而且施工质量控制 困难。目前 ， 迫切需要研究采用大型施工机械进行 隧道内水泥砼路面与热拌热铺沥青砼路面的施工技 术与质量保障措施。 3 隧道路面结构与材料研究展望 近年来 ， 随着我 国高等级公路的发展 ， 公路隧道 建设 规模 越来 越大 ， 但 目前 对 隧道 内路 面研 究不 多 ， 果 。因此 ， 有必要对隧道 内路面开展更深入的研究 ， 更好地提高隧道 内路面行车舒适性、 安全性与通行 能力 。主要 加强 以下几 方 面 的研 究 ： 1 )采用先进的电子测试技术 和无损检测技术 ， 对 隧道 内气候 、 环境 和 路 面使 用 性 能 进 行 周期 性 观 测与调查 ， 全面掌握隧道 内气候 、 环境特点及其变化 规律， 结合平面温度场和三维温度场等理论 ， 采用非 线性有限元分析方法 ， 在试验研究 的基础上 进行分 析 ， 把握其对隧道路面结构与材料的影响程度。 2 )应用 c rc p提 高 高 速 公 路 隧道 路 面 的整 体 强度 、 耐 久性 和行 车舒 适性 。 3 )采用 砼板 斜 接缝 、 不 等距 刻 槽 和滑 模 摊铺 施 工技术等提高水泥砼 路面表 面的抗滑性 能和平整 度 ， 降低噪声水平 ； 采用高性 能减 噪沥青混合料， 提 高沥青路面表面构造深度 ， 降低行车噪声 ， 提高行车 舒适 性 。 4 )应用 水 泥砼 、 连 续 配 筋 砼 、 钢 筋 砼 和 贫砼 基 层 提 高隧 道 内沥青 路 面 的整 体 强 度 ， 减 薄 路 面 结 构 总厚度 ， 满 足隧 道 内施工 的要求 。 5 )研究隧道内路面结构的综合防排水技术。 4 结 语 公 路 隧道 特 殊 的气 候 与 环 境 ， 要 求 其 路 面结 构 密 实 、 路