（道路与铁道工程专业论文）隧道连续配筋混凝土与沥青混凝土复合式路面结构研究.pdf

隧道连续配筋混凝r 十与沥青混凝土复合式路面结构研究 摘要 随着经济的迅速发展，公路交通建设规模日益扩大，逐渐转向追求“安全、 舒适、便利、快捷、经济、耐久”的品质建设，公路隧道正以其可提高线路标准、 缩短运营里程、保护环境、不破坏森林植被等优点而越来越得到人们的青睐，但 是作为隧道重要组成部分的隧道内的路面结构却未得到足够的重视，致使其路面 出现早期的病害，影响隧道乃至公路的运营。隧道连续配筋混凝土与沥青混凝土 复合式路面是将c r c 板的高强度与a c 的行车舒适性相结合的一种新型复合式路 面结构，c r c 提供稳定、坚实的基层，a c 层改善路面使用性能。隧道c r c + a c 复合式路面结构整体强度高、使用寿命长、维修费用小，是长寿命路面结构的发 展方向之一。 本文首先在总结了当前国内外隧道路面的主要型式的基础上，阐述了隧道内 路面的工作条件，分析了隧道内路面结构的特点，比较了水泥混凝土路面和沥青 混凝土路面在隧道内使用性能的差异。分析了隧道内连续配筋混凝土与沥青混凝 土复合式路面结构的损坏模式。 根据连续配筋混凝土路面的特点，应用空间等参元有限元模型，对隧道内 c r c + a c 复合式路面结构的荷载应力进行了计算，分析了c r c 板的最不利荷位， 分析了路面结构参数对c r c 板荷载应力的影响情况，进行了隧道复合式路面结构 研究，内容包括连续配筋混凝土板厚的设计、配筋的设计及端部锚固的设计。 针对c r c 和a c 两层之间模量相差较大，热膨胀系数又有差异，容易因为变 形协调差而产生相对较大的相对位移，降低层间结合状态，同时a c 层又相对较 薄，层间剪应力较大，c r c 与a c 层容易发生剪切滑移破坏，本文基于弹性层状 体系理论，应用b i s a r 3 0 程序分析了c r c 和a c 层间最大剪应力及其变化规律， 为提高隧道c r c + a c 型复合式路面抗剪能力、延长其正常的使用寿命、减少维修 提供科学的理论指导。 关键词：隧道；复合式路面；有限元；荷载应力；结构设计；剪应力 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ee a r l ys t a g e so fc h i n a sh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，f u n ds h o r t a g ei ss e v e r e ，i t o n l y ，f o c u s e so nw i n d i n gm o u n t a i nh i g h w a y ，o nb u i l d i n gh i g h w a yi nt h em o u n t a i na r e a a n ds e m i - m o u n t a i na r e a t h i sk i n do fh i g h w a yn o to n l yh a sl o wl e v e l ，o c c u p i e dl a r g e t i l l a b l el a n d ，b u ta l s oh a sh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，m a n yp o t e n t i a ls a f e t yh a z a r da n d h i g hd a m a g eo fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，t h e s c a l eo fh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o nc o n s t r u c t i o ni se n l a r g i n g ，a n dt u r n i n gt op u r s u et h e c o n s t r u c t i o nq u a l i t yo fs a f e t y ，c o m f o r t a b l e ，c o n v e n i e n t ，f a s ta n de n d u r a n c eg r a d u a l l y h i g h w a yt u n n e lb e c o m i n gm o r ea n dm o r ea t t r a c t i v eb yi m p r o v i n gr o u t ec r i t e r i a ， s h o r t e n i n go p e r a t i o nm i l e a g e ，p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ta n dd e s t r u c t i n gf o r e s t b u tt h e p a v e m e n ts t r u c t u r ew h i c hi sr e g a r d e da st h ei m p o r t a n tp a r to ft u n n e lh a sn o tr e c e i v e d e n o u g ha t t e n t i o n ，i tl e a d st ot h ep a v e m e n te a r l yd a m a g e ，a n de f f e c tt h eo p e r a t i o no f t u n n e la n dh i g h w a y c o n t i n u o u sr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( c r c ) a n da s p h a l tc o n c r e t e ( a c ) c o m p o u n d p a v e m e n tc o n s t r u c t i o ni sa ne n d u r a n c ec o n s t r u c t i o n ，f o ru s i n gt h ea d v a n t a g eo ft h e s e t w om a t e r i a l s ，i m p l ys o f t n e s si nh a r d n e s s ，m a i n l yw i t hh a r d n e s s u s i n gt h eg o o d s t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fc r ct ob et h ec o n s t r u c t i o nb e a r i n gs t r a t u m ，u s i n gt h ea ct o b et h eo v e r l a y t h e s ec o u l di m p r o v et h er i d i n gc o m f o r to nt h es u r f a c e m o r e o v e r ，a c l a y e rc o u l dr e d u c et h es h o c kv i b r a t i o nt o t h ep a v e m e n t ，d i f f u s el o a da n db e c o n v e n i e n to fm a i n t e n a n c e i tc o u l di m p r o v ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e t h et h e s i s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc r cp a v e m e n t ，a p p l y i n gi s o p a r a m e t r i ce l e m e n t f i n i t em o d e lt od ot h er e s e a r c ho nt h el o a ds t r e s so fc r ca n da cp a v e m e n t c o n s t r u c t i o n ，a n a l y z i n gt h em o s tc r i t i c a l l o a dp o s i t i o no fc r cp a n e la n da l s o a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c ei n f o r m a t i o no fp a v e m e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e rt ot h el o a ds t r e s s o fc r cp a n e l ，d e s i g n i n go nt h ec r c p a v e m e n t ，r e i n f o r c e m e n ta n d e n dp a r t s e c o n d l y ，i ti sa c c o r d i n gt ol a r g ed i v e r s i t yo ft h em o d u l u sb e t w e e nc r c a n da c ， t h ed i f f e r e n c eo ft h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t i ti s e a s i l yo c c u r r e dl a r g er e l a t i v e d i s p l a c e m e n ta st h ed i f f e r e n t i a ld e f o r m a t i o nc o m p a t i b i l i t y ，d e c r e a s e dt h ec o m b i n e d s t a t eb e t w e e nl a y e r s ，a tt h es a m et i m e ，a cp a r ti st h i n ，i n t e r l a m i n a rs h e a rs t r e s si s l a r g e ，c r ca n da cp a r t se a s i l yh a v es h e a r i n gs l i pd a m a g e t h et h e s i sb a s e do nt h e t h e o r yo fe l a s t i cl a y e r e ds y s t e m ，a p p l y i n gb i s a r 3 0p r o g r a mt oa n a l y z et h el a r g e s t s h e e rs t r e s sa n di t sc h a n g er u l e i ti st h et h e o r e t i c a lg u i d a n c eo fi m p r o v i n gt h es h e a r i i i 隧道连续配筋混凝十与沥青混凝十复合式路面结构研究 c a p a b i l i t yo fc r ca n da cc o m p o s i t ep a v e m e n tt u n n e l ，e x t e n d i n gi t sn o r m a ls e r v i c e l i f ea n dr e d u c i n gm a i n t e n a n c e k e yw o r d s ：t u n n e l ；c o m p o s i t ep a v e m e n t ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；l o a ds t r e s s ； s t r u c t u r a ld e s i g n ；s h e a rs t r e s s i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 日期：冲年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名 日期：沙7 年乡月吕日 日期： 。夕年6 月9 日 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 在我国公路建设初期，资金严重短缺，在山区或半山区修筑公路，多以盘山 公路为主。这种公路不仅等级低，绕行里程长，占用可耕地多，而且能耗高，安 全隐患多，生态环境破坏大。随着经济的迅速发展，公路交通建设规模日益扩大， 逐渐转向追求“安全、舒适、便利、快捷、经济、耐久”的品质建设，公路隧道 正以其可提高线路标准、缩短运营里程、保护环境、不破坏森林植被等优点而越 来越得到人们的青睐。此外，在城市江河桥隧跨越方案比选时也日益采用隧道。 据统计，截止到2 0 0 5 年底，除港、澳、台外，我国公路隧道达28 8 9 处，单 洞总长1 5 2 7 万延米。按照规划，我国十年内还将新建成4 1 0 4 k m 新路，“五纵 七横国道主干线将贯通，最新规划“7 9 1 8 高速公路网将全面开始建设，公路 隧道将再建设1 5 5 k m 以上。近1 0 年来，我国已修建了不少长隧道、特长隧道以 及隧道群，隧道占公路里程比重不断增大。目前，我国已成为世界上隧道最多、 最复杂、发展最快的国家，特别是国家西部大开发战略的实施，西部多山地区的 公路建设将保持较大的建设规模和较快的发展速度，隧道的里程将大大增加【1 l 。 可见，随着我国公路网的进一步完善，道路等级的提高和公路环保意识的日 益增强，公路隧道的修建量越来越多，里程逐渐增长。但是到目前为止，国内关 于隧道工程的研究主要集中在隧道洞体本身的结构设计和施工技术，以及隧道通 风、照明等方面，对隧道内路面结构的研究相对比较薄弱，公路隧道设计规范 ( j t gd 7 卜2 0 0 4 ) 中虽对隧道路面形式【2 】做了规定，但仍然比较粗略，在隧道 路面结构设计时通常套用公路或城市道路设计规范。隧道路面相对处于封闭的环 境内，受阳光、雨水等因素影响较少，而且隧道内水温变化、基础状况也与一般 路段不同。因此，隧道路面的使用性能以及在汽车荷载作用下的力学响应有其自 身的特点。简单按照一般路段路面结构设计方法进行隧道路面结构设计不一定适 应隧道路面的实际情况，可能导致设计保守或不安全。 道路路面结构一般可分为四种主要类型，即刚性路面、半刚性路面、柔性路 面、复合式路面【3 一。而复合式路面又包括水泥混凝土复合式路面和水泥混凝土+ 沥青混凝土复合式路面。目前公路隧道多采用水泥混凝土路面( 刚性路面) ，它在 隧道潮湿的使用条件下不易发生结构性破坏，路面耐久性、反光度相对较好，但 与沥青混凝土柔性路面相比具有行驶性能差异较大、抗滑性能衰减快、平整性差、 灰尘大、行车噪声大等缺点，不利于隧道内车辆高速、安全、舒适地行驶。同时 隧道连续配筋混凝土与沥青混凝土复合式路面结构研究 公路隧道内路面处于一个相对封闭的环境中，但隧道内封闭潮湿的环境又对路面 提出了其它特殊要求，因此，隧道道路要求具有优良的抗滑、降噪、防水和耐久 性。连续配筋混凝土与沥青混凝土( c r c + a c ) 复合式路面是将连续配筋混凝土 ( c r c ：c o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t e ) 的高强度与沥青混凝土( a c ) 的行车 舒适性相结合的一种新型复合式路面结构，c r c 作为刚性基础，主要起承重作用， 表面a c 层主要起功能作用，结合了刚性路面和柔性路面的特点，柔中有刚，刚 柔相剂。用连续配筋混凝土作基础，刚性部分作为路面的主要承载结构，为面层 提供了可靠的支持，使板底应力、弯沉、车辙减少，并能相应减少柔性面层所需 厚度。应用在隧道可以提高隧道路面的整体强度、耐久性和行车舒适性能，还可 以提高路基的抗水性，以满足高速公路以及隧道对路面结构的功能要求，是一种 结构强度高、使用寿命长、经济性和耐久性好的重载、长寿命路面结构。 长寿命路面或者永久性路面是国际道路工程界提出的新概念。国外研究认为 长寿命路面的结构特点是沥青混凝土面层厚度大于传统的沥青混凝土路面，基本 消除了传统上普遍存在的疲劳损坏，在设计寿命期间，不发生结构性破坏，路面 的损坏只发生在表面功能层。由于隧道是一个相对封闭、空间狭小的管状环境， 隧道内没有隧道外的日晒雨淋气候，一般夏季隧道内比洞外气温低，冬季气温相 对稳定，温度变化幅度小，但隧道内湿度大，比较潮湿，地下水丰富。隧道内空 气流动小，空气易污染；隧道内没有日照，常年处于黑暗中，能见度低。隧道内 路面与一般道路、桥面铺装结构在使用环境上存在较大差别。隧道内采用连续配 筋混凝土与沥青混凝土复合式路面由于在路面的纵向配置了足够的钢筋，取消了 横向接缝，它减少路面水损害，改善隧道路面的使用品质，研究和推广隧道连续 配筋混凝土与沥青混凝土复合式路面结构，不仅具有重要的社会经济和环保意义， 而且具有很好的工程应用价值。 1 2 国内外隧道路面的研究现状 1 1 2 - 1 国外研究现状 目前，国际上关于隧道的研究主要集中在两方面，一方面是隧道洞体本身的 结构设计和施工技术，主要涉及地下工程和岩土工程；另一方面是隧道自身的环 境，包括隧道通风和照明等方面。对隧道运输的安全性有较多的关注，自从1 9 5 7 年，世界道路委员会( p i a r c ) 成立之初，就设立了“公路隧道组”( c s ) ，开始 考虑隧道交通的安全性。在第十八届世界道路会议上，重点介绍了隧道安全性、 安全设备、救火设施和设备及施工的安全性标志。1 9 9 2 年，p i a r c 成立危险货物 运输小组，来检查隧道中危险货物运输方面的状况。在隧道的防灾方面，针对隧 道中出现的浓烟、火灾等事故，国际上对隧道的设计标准，比如通风设备的安装、 硕士学位论文 出入口的设置位置和数量等进行了研究，提出了一些设计上的推荐值【司。 对于隧道内部环境，主要考虑了噪音、污染性气体和照明三个方面。对噪音 的研究报道始见于1 9 7 6 年维也纳世界道路会议，专门讨论了轮胎与道路噪音问 题，研究说明轻型、重型车辆的噪音来源，但却未能阐述噪音的主要机理及路表 特性与所产生的噪音之间的关系。在1 9 8 3 年悉尼会议上，对轮胎道路的噪音予以 了较多关注，肯定了噪音与路面结构的明确关系，机理也更为明确。对降低噪音 的研究主要集中在公路、高速公路及城市道路上，常用的降噪方法是采用绿化林 带、声屏障、低噪音路面等。真正针对现代交通噪音开展低噪音路面的研究，开 始于2 0 世纪七十年代，美国是开展低噪音路面研究最早的国家。后来比利时、奥 地利、荷兰、意大利等国家也做了大量的研究和应用。遗憾的是，对隧道内噪音 的传播和影响及与空旷公路上噪音的不同关注得较少。低噪音水泥路面由于表面 变得不平整而使得驾驶的舒适性受到很大的影响，在各国未得到大量的应用，但 对此的研究一直在进行【5 l 。 对于水泥混凝土+ 沥青混凝土复合式路面，在国外研究和应用较早，而且大 多应用在旧路加铺上，国外的隧道内一般采用沥青路面，而不是沥青复合式路面。 以下为国外一般公路水泥混凝土+ 沥青混凝土复合式路面的研究现状。 2 0 世纪3 0 年代，英国修筑了连续配筋混凝土( c r c ) 层上加铺沥青层的路 面结构，4 0 - 5 0 年代用于一些城市道路上，1 9 5 7 年在伦敦和丹地附近延长了试验 路，1 9 8 5 年修筑了长达8 k m ( 双车道) 的路面【6 】。 近年还发展起来了碾压混凝土( r c c ) ) j n 沥青混凝土( a c ) 复合式路面结构。 1 9 8 5 年西班牙某高速公路拓宽车道的施工，在基层为1 5 c m 厚的水泥稳定基层上 铺筑了厚2 3 c m 厚的碾压混凝土层，碾压混凝土上加铺了5 c m 厚的热拌沥青混合 料。安达卢西亚高速公路上，设置了2 0 c m 的水泥稳定层，其上铺设了2 5 c m 厚的 碾压混凝土，为了养生和兼作粘结层，洒布了沥青乳液，上层铺设了6 c m 沥青混 合料联结层和4 c m 沥青混凝土。为了防止反射裂缝的产生，在联结层和表层的沥 青混凝土之间，使用了起加固作用的土工材料。1 9 8 4 1 9 8 6 年间，西班牙在高等 级干线公路上，将r c c 作为路面下层，上层铺筑沥青层，铺设面积已达3 0 x1 0 5 m 2 。 1 9 8 9 - 1 9 9 1 年西班牙在马德里通往法国边界的高速公路上，修筑了r c c + a c 复合 式路面，其沥青层采用双层式a c 层，厚达1 2 c m 。1 9 8 9 年1 月澳大利亚p e n i t h 市在水泥稳定基层上修筑了r c c + a c 复合式路面。巴西一些城市在市区承受中等 交通和重交通的道路上成功修筑了复合式路面【7 l 。 1 9 8 8 年日本在某停车场对r c c 作为沥青混凝土下层的适应性进行了研究， 并将这种结构形式写进了1 9 9 0 年6 月出版的碾压混凝土路面技术指南( 草案) 中，根据日本铺装杂志1 9 9 3 年报导，在山阳高速公路河内至西条段修筑了 9 k m 的水泥混凝土( c c ) 4 - 沥青混凝土( a c ) 复合式路面试验路，共1 1 种结构 隧道连续配筋混凝十与沥青混凝上复合式路面结构研究 类型，路面下层为不同厚度的连续配筋混凝土( c r c ) 或碾压混凝土( r c c ) ，上层 为1 0 c m 双层式沥青混凝土或5 c m 单层式沥青棍凝土【7 】。 英国关于c r c + a c 的设计己载入道路指示2 9 号，这是目前唯一由国家机 关颁布关于此类路面的设计方法【6 】。道路指示2 9 号指出，当应用最小的沥青 面层厚度9 c m 时，等效于有缝混凝土板厚2 5 c m ，g r e g o r y 建议的相关计算法偏 于保守，对于厚度为1 0 c m 的沥青面层，c r c 的板厚比c r c p 路面厚度减少 1 7 c m 一2 c m 。英国道路学者认为，在结构上保持薄的面层更为有利，因为混凝土 板的刚度远大于沥青面层，而且承担较大比例的汽车荷载。另一方面，他们认为 应用小于1 0 c m 的沥青面层在实践上比较困难，因而此时要省去联结层或用较小 粒径的集料，这对层间结合是不利的。薄的沥青面层减少了隔热作用，而当面层 厚度小于4 c m 时，其隔热作用则可能完全没有。在c r c + a c 结构中，较单一c r c p 路面可节省约3 0 的钢筋量，并减少板的温度位移，从而使板的自由边位移减少， 可不需锚固，极大的减少了经费。 在美国，c r c + a c 复合式路面结构形式较多用于l e l 路维护，5 0 年代就用沥青 加铺层来修复p c c 、c r c p 路面，用以改善承受能力，提高路面的表面性性能。 另外有许多针对层间结合状态的研究，2 0 0 2 年- 2 0 0 3 年，美国威斯康星州交通部 进行了一项研究课题，评估热拌沥青混凝土界面粘结性能【8 】。 对于连续配筋混凝土( c r c ) 复合式路面的设计理论与设计方法，国外一些公 路工作者进行了一些有益的探索性计算与分析。英国g r e g o r y 曾建议将c r c + a c 复合式路面的c r c 层厚与a c 作相关计算，用弹性理论分析计算沥青表层复合结 构的作用【6 l 。日本将沥青层表面作用的荷载按4 5 。角扩散到混凝土板上，按阿灵顿 半经验公式计算板底应力。前苏联则按应力扩散角考虑沥青层的影响之后，用弹 性地基板上无限大板计算板的荷载应力【7 】。l u t h e r 等人运用线弹性断裂理论对这 一问题进行计算和分析，并进行室内试验验证，提出反射裂缝增长速率的计算模 型 9 1 。m a j i d z a d e h 等人运用二维有限元法对沥青加铺层内的应力进行了分析，认 为这种路面的裂缝主要是由于温度变化而引起混凝土板水平位移和翘曲产生的， 并提出了计算面层拉应力的方法【7 】。 b f r a n c k 等人分析研究了因温度变化罩面层底部引起拉应变及车辆荷载通过 接缝时，两块板产生挠度而引起罩面层剪应变【1 0 1 。n a n j i m c h e n 等人应用三层弹 性理论对此进行求解，并考虑了应力消解层的效应【1 1 1 。c c i a u w a o r t 利用有限差 分法对沥青加铺层进行荷载和温度综合作用下的力学分析【7 】。1 9 8 8 年， t k r a u t h a m m e r 等人用二维有限元计算了p c c + a c 复合式路面结构接缝的传荷能 力，分析了沥青层中垂直与水平的拉、压应力、最大弯沉和最大剪应力，接缝处 引入杆单元和梁单元【12 1 。1 9 9 0 年，m a h m o u d 等人对水泥混凝土基层上的沥青层 利用八面体进行了分析研究，提出了沥青层的临界厚度【1 3 1 。 - 4 - 硕上学位论文 1 - 2 2 国内研究现状 国内关于隧道工程的研究也主要集中在隧道洞体的结构设计和施工技术，以 及隧道通风、照明等方面，隧道路面的研究对隧道工程和道路工程来说都较少涉 及。隧道内路面结构和材料设计没有对应的规范和指南，在隧道路面结构设计时 通常套用公路或城市道路设计规范【5 】。 由于隧道工程在使用环境和地质条件方面与道路工程存在着一定的差异，隧 道内路面结构的受力状况、服务要求和工作环境与一般的填挖路段的路面结构有 较大的区别，尤其在服务功能方面，对隧道内路面的技术要求更高。隧道路面结 构设计和铺装材料选择的盲目性可能会导致路面结构服务功能水平较低，特别在 路面排水、防眩光、降噪音、抗滑方面设计不合理可造成一定的浪费和严重的道 路安全社会问题。 当前公路隧道内多采用水泥混凝土路面，现行公路隧道施工规范亦只谈及水 泥混凝土路面，仅从洞内路面亮度而言，这无疑是正确的。但是这种路面的抗滑 性能并不好。隧道内路面虽不直接经受雨水的作用，似乎抗滑并不成为问题。但 当雨天汽车车轮将水带入隧道，可引起隧道内数十米段落路面湿滑，如果隧道处 于下坡地段，或有一定的纵坡，则路面表面水可流入隧道内。因此必须从根本上 改善路面抗滑性能。在水泥混凝土路面板上加铺抗滑性能优良的两层沥青罩面形 成复合式路面，是改进隧道路面抗滑性能的有效措施，在这方面已有一些工程实 践。沥青罩面的厚度可考虑为4 0 5 0 m m 。建议采用的沥青罩面有两种，一种为沥 青玛蹄脂碎石混合料s m a ，另一种为多孔开级配抗滑层o g f c ，这两种沥青面层 都具有粗糙均匀的表面，不仅抗滑性能很好，而且不同程度地具有降低交通噪声 的作用，行车的明视性也不错【5 】。 在我国“七五”期间，开展了我国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术研 究( 国家科技引导性项目n o 0 2 5 ) 的研究，其中对水泥混凝土( 双层板) 复合 式路面设计理论与方法进行了研究；“八五”期间交通部科技立项，长安大学( 原 西安公路交通大学) 、全国水泥混凝土路面技术委员会、河南省交通厅、安徽省高 速公路管理局、江苏省公路管理局、西安公路科学研究所等单位承担了碾压混 凝土与沥青混凝土复合式路面修筑技术研究【7 】，对r c c + a c 复合式路面从设计 理论、设计方法与参数选用到施工技术进行了深入的研究，取得了一定的成果； 同时长安大学承担的碾压混凝土加铺沥青混凝土复合式路面结构设计理论与方 法研究1 9 9 3 年被列为国家自然科学基金资助项目。东南大学的俞建荣等对碾压 水泥混凝土+ 沥青混凝土复合式路面的温度梯度进行了较详细的研究。国内近年 来对r c c + a c 复合式路面研究较多，并在全国修筑了较多的工程实体，但这些实 体工程的使用情况并不理想，最近应用的工程较少。 辱 隧道连续配筋混凝土与沥青混凝土复合式路面结构研究 对于复合式路面的理论计算，我国也分为弹性层状体系法和有限元法。长安 大学的王秉纲、胡长顺等对碾压水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面结构设计理 论与方法进行了系统研究，采用八节点等参元f 1 4 j 对复合式路面的荷载应力与温度 应力进行了计算与分析，研制了临界荷位时板底最大应力计算诺漠图，结合室内 试验、试验路及实体工程的研究，提出了复合式路面结构设计方法。长沙理工大 学的李宇峙、张起森等用线弹性断裂力学理论【1 5 】进行沥青加铺层厚度设计。同济 大学、空军工程学院等应用空间等参元、层状体系理论、断裂力学等对p c c + a c 复合式路面结构进行了初步分析。 对于粘结层抗剪强度，长安大学的胡长顺教授【16 】和北京建筑工程学院的高金 歧【1 7 】等先后进行过粘结层的层间剪切试验，原理大体一致，只是试验的仪器，材 料和试验条件有所区别。 目前国内水泥混凝土路面使用情况并不理想，很多工程出现了早期损害现象， 在重交通、雨水等因素的综合作用下，水泥混凝土板损坏严重，许多地方正在进 行旧混凝土路面的改造，其中直接加铺沥青面层是国内外的一种常用的加铺方式， 对其设计理论与设计方法也不完善。长沙交通学院与湖南省高速公路管理局于 2 0 0 2 年1 2 月完成的“旧水泥混凝土路面上沥青混凝土加铺设计及应用研究”2 0 0 2 年通过湖南省科技厅组织的课题鉴定，提出一套设计方法与修筑技术，对全国的 旧水泥混凝土路面改造具有指导意义。 1 3 主要研究内容 连续配筋混凝土与沥青混凝土复合式路面是弹性半空间地基上的连续配筋混 凝土弹性板上覆盖沥青混合料弹性层的复杂结构体系，并承受交通荷载和气候等 多种因素作用，隧道中由于其地质条件、水文条件、环境交通条件及交通状况的 特殊性使得隧道路面结构的受力、变形等特性与隧道外路面结构存在差别，为了 使当前隧道在重载交通条件下的结构设计进一步完善，本文对隧道内c r c + a c 复 合式路面结构主要进行以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 系统论述隧道内路面结构型式，隧道内环境对路面结构的影响及路面结构 工作条件： ( 2 ) 隧道内复合式路面结构的破坏模式，结构计算理论； ( 3 ) 建立隧道c r c + a c 复合式路面三维有限元模型，开展隧道c r c + a c 复合 式路面结构的荷载应力分析，分析路面结构参数对c r c 板荷载应力的影响规律。 对连续配筋混凝土板端部、端部锚固进行研究； ( 4 ) 采用多层弹性层状体系理论与基本假设，建立层间界面剪应力分析模型， 采用壳版公司的b i s a r 3 0 程序，计算层间剪应力及分布状态，以及沥青层厚度 对剪应力的影响关系。 - 6 - 第2 章隧道复合式路面结构及计算理论 隧道路面处于较为封闭的环境内，受阳光、雨水等因素影响较少，而且隧道 内水温变化、基础状况也与一般路段不同。因此，隧道路面的使用性能以及在汽 车荷载作用下的力学响应有其自身的特点。因此，为了保证隧道内路面的使用品 质，以及足够的耐久性，需要对现有隧道路面类型及工作环境进行调查、分析和 研究。 2 1 国内外隧道路面型式 表2 1 给出了国内外部分隧道的路面型式【1 8 1 。 表2 1 国内外部分隧道路面型式 受技术、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 隧道连续配筋混凝土与沥青混凝上复合式路面结构研究 式也存在差别。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 经济的发展、路面施工技术及道路使用者对路面要求的不断提高，有必要对隧道 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。于 2 0 0 4 年1 1 月开始实施的交通部行业标准公路隧道设计规范( j t gd 7 0 - - 2 0 0 4 ) 已将隧道内的路基与路面单独做为一章，且其中首次纳入了沥青混合料作上面层 的复合式路面的有关内容。 2 2 隧道内路面分类 隧道内空间有限，优先考虑采用强度较高的路面结构材料。基层材料也可考 虑采用强度较高的半刚性基层甚至采用强度更大的贫混凝土基层。为了获得平整 的路面结构平台，往往还要在隧道基岩上采用垫层，一般可以采用素混凝土垫层。 目前我国公路隧道内的路面主要有两类：水泥混凝土路面和复合式路面。早期修 建的公路隧道一般都采用水泥混凝土路面，主要包括素混凝土路面、钢筋混凝土 路面、连续配筋混凝土路面、预应力混凝土路面和钢纤维混凝土路面。其中应用 最广的是就地浇筑的素混凝土路面。 2 2 - 1 隧道内水泥混凝土路面的优点 2 2 - 1 1 施工方便 由于隧道内环境封闭，特别是长大隧道，空气流通不畅，光线不好，环境潮 湿，水泥混凝土的施工一般都是现场浇筑，操作方便，没有大型器械，因此水泥 混凝土的施工简单性适合公路隧道。 2 2 - 1 2 稳定性好 隧道内部的湿度大于隧道外的湿度，而且以隧道中部的湿度比隧道两端的湿 度要高。由调查数据的分析可以得出一个初步结论：隧道路面常年处于一种相对 湿度较高的状态。水泥混凝土路面的水稳定性好，隧道潮湿的环境不影响其强度， 适合在隧道内修建。 2 2 1 3 耐久性好 隧道中由于空间有限，大型的维修器械无法进入，这样就给维修工作带来了 一定的困难，使得维修作业的耗时较长且质量较差，而水泥混凝土路面的耐久性 好，一般能使用2 0 - 4 0 年，能减少隧道路面的维修。 - & 硕士学位论文 2 2 1 4 有利于行车 隧道处于一种管状环境，日照不足，水泥混凝土路面色泽鲜明，能见度好， 很适合隧道内光线暗淡的环境。 2 2 1 5 耐热性 水泥混凝土的耐热性好，因此在出现交通事故或发生火灾时能避免发生更大 的损失。 2 2 - 2 隧道内水泥混凝土路面的不足之处 但是近期很多高速公路隧道都开始修建沥青复合式路面，主要是因为水泥混 凝土路面也有很多不足之处。 2 _ 2 - 2 1 不利于安全 随着高速公路的车速越来越快，水泥混凝土在雨天的抗滑性能不足严重威胁 到了行车的安全。在雨天水泥混凝土的抗滑细数明显降低，经检测，隧道水泥混 凝土路面受潮后，其磨擦系数由8 0 减少到3 2 ，是原来的4 0 ，是沥青混凝土路 面结构的2 5 ，所以，汽车在高速行驶状态下，很容易在刚进入隧道时打滑，因 方向盘失去控制而引起车祸。 2 2 - 2 2 不利于行车舒适性 首先随着车速越来越快，水泥混凝土的接缝对行车舒适性的影响也越来越显 著，不仅如此，它还降低了行车速度，因此也降低了公路的交通量，影响了公路 的服务水平。其次，车辆在水泥混凝土路面上高速行驶噪音较沥青路面要大的多， 在隧道的环境下这个问题就显得更突出了。最后，水泥混凝土灰尘大，在车辆高 速行驶下更容易扬尘，这些灰尘在隧道内不宜散去，不仅影响隧道的空气环境， 同时也大大的降低了隧道的能见度，给车辆的安全行驶带来了隐患。 2 2 - 3 隧道复合式路面存在问题 复合式路面包括水泥混凝土复合式路面和沥青混凝土复合式路面。目前在公 路隧道内应用的复合式路面主要是沥青混凝土复合式路面。 水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面是以水泥混凝土为下面层，沥青混凝土 为上面层，即在水泥混凝土上加铺沥青层的路面。一般来说，下层的水泥混凝土 可采用普通混凝土、贫混凝土、碾压混凝土、钢纤维混凝土及连续配筋混凝土等。 这种路面应用在隧道内可以弥补混凝土路面的不足，刚柔相济，大大改善隧道路 面的使用性能。但是同时也要解决其在隧道内应用可能带来的问题： 隧道连续配筋混凝土与沥青混凝土复合式路面结构研究 2 1 2 1 3 1 防水问题 首先，当水渗入沥青混合料本身存在的空隙以及刚性基层收缩变形产生的反 射裂缝时，如果路面结构内部排水不畅，水便存留在路面内部，使沥青粘附性减 小，导致混合料强度和刚度降低。 其次，水能进入沥青薄膜和集料之间，阻断沥青和集料的相互粘结，由于集 料表面对水有比对沥青更强的吸附力，致使沥青与集料表面的接触面逐渐减小， 最终沥青从集料表面剥落。剥落破坏包括两种形态，其一是自身的剥落破坏，其 二是在交通荷载作用下路面的破坏，剥落破坏最终可导致坑洞、裂缝、啃边等。 当面层中存在多余的自由水时，路面上车轮轮迹附近的点在行车荷载经过的 瞬间，该点产生的孔隙水压力达到峰值，与临近各点形成水压力差。该压力差对 混合料产生剪力，从而影响其强度和变形。在局部强度和整体性不足的裂缝处， 若存在较多自由水，高的孔隙水压力会产生高速水流。大小和方向不断变化的水 流对沥青混合料产生直接的冲刷作用，一旦其中的细料被带走，冲刷的反复作用 会使路面逐渐形成空洞和凹陷，进一步破坏结构的整体性，使破损范围不断扩大。 因此隧道内修建沥青混凝土复合式路面一般采用防水沥青，同时要做好路基 的防排水工作，及时排除进入地基的地下水，防止地下水以压力水或者毛细水的 形式上升到沥青层。 2 2 3 2 防火问题 公路隧道火灾的发生与液体燃料泄漏的相关性较大，并且液体燃料泄漏后可 能会沿着隧道路线方向流淌，引燃其他车辆。由于车辆在隧道狭长封闭的空间内 疏散十分困难，火灾后果非常严重，对于大交通量的隧道来说更是如此。 因此沥青面层的防火性主要注重两个方面：首先是沥青本身的防火性。沥青 混合料的特点是强度和抗变形能力随温度的升降而产生变化。温度升高时，力求 的粘滞度降低，矿料之间的粘结力削弱，导致强度降低。强度随温度的变化幅度 很大，相差几倍甚至几十倍。因此，当隧道内发生火灾时，若沥青混合料的高温 稳定性不足，路面就会产生较大的剪切变形，只有提高沥青混合料在高温下的抗 剪切能力，才能提高其温度稳定性。 其次是沥青混合料的排油能力。如前所述，隧道内车辆发生火灾时，漏出来 的燃油会随着隧道路线方向流淌，如果沥青面层不能及时将燃油排走，则会加重 火灾的蔓延，从而造成更大的损失。 2 3 隧道内路面的工作条件 隧道路面的工作条件主要包括隧道中的环境条件、基层支撑条件及隧道路面 所承受的交通条件，而环境条件主要为隧道内的温度及湿度状况。 硕士学位论文 2 3 1 隧道内环境对路面结构的影响 隧道中由于存在岩体的遮蔽作用，使其不会受到阳光的直接照射，另外其通 风状况也与隧道外不同，因此隧道内的温度与湿度状况与隧道外存在一定的差别。 2 3 1 1 隧道中的温度条件 隧道内没有日晒雨淋对路面结构的影响。隧道内气温，一般夏季隧道内比洞 外气温低，冬季气温较洞外高，全年气温相对稳定，温度变化幅度小，温差小， 气温的年周期变化、日周期变化小。 隧道内外平均气温差与洞。外气温及隧道长度密切相关，洞外温度越高或越低， 洞内外温差越大，隧道长度越长，洞内外温差越大。有关研究表明【1 9 1 ，当洞外温 度在1 5 一2 5 时，洞内外平均温差在士2 范围内，大于1 0 0 0 m 的长隧道一般平 均洞内外温差在2 以上，而小于3 0 0 m 的隧道在1 以内。且一年之中，隧道内 温差变化小于洞外温差变化，一般隧道的洞内温差比洞外温差变化小3 - 5 ， 长大隧道的年温差变化幅度更小。 同济大学的调查资料也表明，隧道具有良好的保温作用，外界温度低时，隧 道内温度不低，外界温度高时，隧道内温度不高。这样的恒温环境将有利于沥青 路面的工作【1 争2 1 1 。 2 3 1 2 隧道内的湿度条件 隧道内温度大，比较潮湿，地下水丰富，易产生水损坏和基础唧泥，直接影 响路面的使用性能与耐久性，尤其是沥青路面，同时也影响路表面的抗滑性能， 不利于行车安全，对路表面的抗滑性能提出了更高要求。 己有研究表明【1g l ，路面潮湿状况对其抗滑性能影响较大。潮湿状况下的路表 面的抗滑能力显著低于干燥状态时，特别是在高速行驶时，潮湿路面的抗滑能力 急剧下降。当行车速度为4 0 k m h 时，干燥状况的路表面摩阻系数为0 7 5 0 9 ，而 潮湿状态的路表面摩阻系数就只有0 5 - , 0 8 。在车速恒定的情况下，隧道路面的抗 滑能力随路表面潮湿程度增大而降低。在车速1 0 0 k m h 时，构造深度为住o 7 m m 的粗糙混凝土路面上，水膜厚度为0 5 m m 时，路表摩阻系数为0 4 3 ，与0 5 m m 水膜厚度相比，当水膜厚度为2 m m 时，该系数下降了3 7 ；当路表水膜厚度为 5 m m 时，该系数仅为0 5 m m 水膜厚度时的2 7 ，下降幅度非常显著。 隧道由于其相对封闭的环境，进入隧道内的水分不易挥发干燥，特别是雨季： 同时由于洞体的渗水会进一步加大洞内的湿度，所以隧道内会长期的比较湿润， 这对路面材料的耐久性和防滑性能就提出了较高的要求。 2 3 2 隧道路面的基层支撑条件 隧道的路面结构根据隧道所在位置的围岩等级分为两种：一种是围岩级数较 隧道连续配筋混凝土与沥青混凝上复合式路面结构研究 高时( i v 类或以上级的围岩) ，此时的隧道结构需要设置仰拱，而仰拱的素水泥 混凝土回填层则作为隧道路面的基层，一般情况下采用c 1 0 的素混凝土做仰拱回 填材料；另一种是围岩级数较低时( i ii 类或以下级的围岩) ，此时由于围岩强度 较高，故不需要设置仰拱，但是为了保证路面的平整度，仍需要在围岩上浇注一 层厚1 0 1 5 c m 的抗压强度不低于c 1 0 的素混凝土。所以说隧道内路面结构的基层 要远远强于隧道外路面的基层，在这种条件下有利于路面结构的受力及变形。 2 3 3 隧道内路面的交通条件 2 3 3 1 隧道交通集中、量大 当前的公路建设速度不断加快，我国一年要修建几千公里的