（交通运输工程专业论文）大型隧道路面工作条件及使用品质调查与分析.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果。也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：限日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 ? 签名陋币 期：吵争 摘要 隧道作为公路交通的组成部分，有着无比重要的地位，隧道内路面结构有其特殊的 工作环境，目前国内外关于隧道工程的研究主要集中在隧道洞体的结构设计、施工 技术、隧道通风、照明等方面，无论是在隧道工程还是在道路工程中对隧道路面的 研究都较少涉及，更缺乏针对大型隧道路面安全方面的研究。隧道内路面结构和材 料设计没有专门的规范和指南可供参考，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，造成了目前隧道路面结构设计形式多样、使用性能千差万别的状 况。 本文依托“特大断面隧道阻燃沥青路面技术研究 课题，有针对性地进行了路 面结构设计、材料优选等研究工作。为了更全面地掌握隧道路面工作条件的特点， 组织对国内具有代表性的贵州、四川、重庆等地区近1 0 0 座隧道的路面进行了全面 调查，对隧道内路面的工作环境、路面结构形式与材料、路面病害及安全性等进行 了调查与分析，查阅了相关国内外文献，对隧道路面调研情况进行了总结，并对隧 道路面结构设计和材料选型提出了建议。 关键词：隧道路面工作条件使用品质调查分析 a b s tr a c t a sac o m p o n e n to f p u b l i ct r a n s p o r t a n t i o n ，t u n n e l sp l a yav e r yi m p o r t a n t r o l e r o a ds t r u c t u r ei nt u n n e l sw o r ki np a r t i c u l a re n v i r o n m e n t a th o m ea n d a b r o a d ，r e s e a r c h o ft h et u n n e l p r o j e c t f o c u s e do ns t r u c t u r e d e s i g n , c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , t u n n e lv e n t i l a t i o na n dl i g h t i n go ft h et u n n e lc a v e w h e t h e ri nt h et u n n e lp r o j e c to ri nr o a d w o r k s ，t h e r ea r el e s ss t u d i e so nr o a d i n s i d et u n n e l s ，e v e nl e s sf o rl a r g et u n n e lr o a ds a f e t yr e s e a r c h t h et u n n e l d e s i g no fp a v e m e n ts t r u c t u r e sa n dm a t e r i a l sh a v en os p e c i f i cn o r m sa n d g u i d e l i n e sf o rr e f e r e n c e p a v e m e n ts t r u c t u r a ld e s i g ni nt h et t m n e li su s u a l l y a p p l i e dt or o a do ru r b a nr o a dd e s i g ns t a n d a r d s ，w h i c hl e dt ot h ec u r r e n t s t r u c t u r a l d e s i g na n dp e r f o r m a n c eo ft h et u n n e lr o a ds u r f a c ei nv a r i o u s f o r m s t h ea r t i c l er e l i so nt h er e s e a r c h t o p i c s o f “f i r e - r e t a r d a n ta s p h a l t p a v e m e n tt e c h n o l o g yo fl a r g es e c t i o nt u n n e l ，c a r r yo u tt a r g e t e dr e s e a r c h w o r k ss u c ha sp a v e m e n ts t r u c t u r a ld e s i g n ，m a t e r i a l s ，o p t i m i z a t i o n ，e t c i n o r d e rt of u l l yg r a s pt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw o r k i n gc o n d i t i o n si nr o a dt u n n e l s ， ac o m p r e h e n s i v es u r v e yo nt h er o a di n s i d et h et u n n e l sw a sc a r r i e do u to n a l m o s t10 0d o m e s t i cr e p r e s e n t a t i v et u n n e l so f g u i z h o u ，s i c h u a n ，c h o n g q i n g a n do t h e rr e g i o n s s u r v e ya n da n a l y s i sw a sc a r r i e do u to nt h et u n n e lr o a d w o r k i n ge n v i r o n m e n t ，r o a ds t r u c t u r ea n dm a t e r i a l s ，r o a dd i s e a s e sa n ds a f e t y ， a c c e s st ot h er e l e v a n td o m e s t i ca n d f o r e i g nl i t e r a t u r e ，r e s e a r c ho nt u n n e lr o a d s u r f a c ec o n d i t i o n sw e r es u m m a r i z e d ，a n ds u g g e s t i o n so nt t m n e lp a v e m e n t s t r u c t u r a ld e s i g na n dm a t e r i a l sw e r em a d e k e y w o r d s ： r o a di nt u n n e l w o r k i n gc o n d i t i o n sp e r f o r m a n c e s u r v e ya n da n a l y s i s i i 第一章概述 目录 l 1 1 立题背景”l 1 2 国内外研究现状1 1 3 主要研究内容“4 第二章隧道路面工作条件调查 6 2 1 隧道内环境因素对隧道路面工作条件的影响6 2 2 隧道内外的温度和湿度调查7 2 3 隧道内外的噪音调查”1 0 2 4 本章结论1 2 第三章隧道路面结构形式及材料调查 1 3 3 1 隧道路面设计现状调查1 3 3 2 隧道内沥青混凝土复合式路面结构1 6 3 3 隧道沥青复合路面材料”1 7 3 4 隧道路面结构形式及材料调查”2 0 3 5 本章结论3 6 第四章隧道路面结构病害类型调查与分析 3 8 4 1 路面滑溜3 8 4 2 路面裂缝4 1 4 3 隧道路面水损坏4 7 4 4 表面变形5 0 4 5 本章结论5 2 第五章隧道路面安全性调查 5 1 隧道路面日常使用的安全性调查5 4 5 2 隧道路面在特殊条件下的安全性调查及分析5 7 5 3 隧道路面的耐久性调查及分析6 l 5 4 本章结论6 2 第六章结论 第七章隧道路面结构设计和材料选型的建议及展望 6 4 6 5 7 1 隧道路面结构设计和材料选型的建议“6 5 7 2 展望”6 6 参考文献 致谢 6 7 6 9 第一章概述 第一章概述 1 1 立题背景 我国是一个多山的国家，随着公路建设事业的迅速发展，公路隧道因具有提 高线路标准、缩短运营里程、保护生态环境等优点而越来越受到人们的青睐。特 别是在中国西部，其独特的地域条件决定了公路隧道建设的必要性。到2 0 0 8 年 底，全国公路隧道达5 4 2 6 处、3 1 8 6 4 万延米，其中特长隧道1 2 0 处( 5 2 5 7 万 延米) ，长隧道7 4 3 处( 1 2 2 6 2 万延米) ，中、短隧道4 5 6 3 处( 1 4 3 4 5 万延米) 。 我国已经成为世界上隧道工程最多、最复杂、发展速度最快的国家。 隧道作为道路的咽喉部位，不仅承担着普通高速公路的交通运输作用，还对 路网交通具有控制作用，而隧道路面状况对隧道内的交通舒适性和安全性影响较 大。与公路的一般路段比较，隧道内路面结构有其特殊的工作环境，隧道内路面 处于相对封闭的环境内，受阳光、雨水等因素直接影响较少，而且隧道内温度场 变化、下承层强度也与一般路段不同。因此，隧道路面的使用性能以及在行车荷 载作用下的力学响应有其自身的特点，如果按照一般路段路面结构设计方法来设 计隧道路面，不一定满足隧道路面的实际使用要求。 本文通过对贵州、四川、重庆等地区隧道的实地调研，对隧道内的温度、湿 度、噪音以及抗滑性能等进行了实地测量和分析、归纳与总结，对隧道内路面的 安全性、隧道路面损坏类型、路面结构形式和材料进行了调研，对路面结构设计 和材料优选提出了建议。 1 2 国内外研究现状 隧道内路面结构和材料设计没有专门的规范和指南可供参考，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。公路隧道设计规范( j t j 0 2 6 - - 9 0 ) 中指出，在一般情况下，建议隧道采用水泥混凝土路面，而当隧道内干燥无水、 施工方便时也可采用沥青路面。 1 2 1 国外研究现状 国外十分重视隧道路面长期使用寿命和抗滑问题，以及隧道路面的防水问 题，对隧道铺筑沥青路面的研究起步较早，使用也较多。如国外已经使用的具有 一定耐油性的半柔性路面( 即在大孔隙沥青混合料面层内灌入水泥浆) ，以减少隧 东南大学硕士学位论文 道内出现交通事故时漏油对路面的损害和沥青燃烧产生的浓烟，但这种半柔性路 面由于在施工时易导致水泥浆浮于路面使得路面抗滑性能降低，故综合使用性能 不太理想。2 0 世纪8 0 年代中期，在法国设计和施工质量都好的不需要结构改善 的隧道路面上，仅需要一种热拌沥青混合料薄层铺装用于养护重交通道路的面 层，以改善表面层粗糙度，这种混合料称为“很薄沥青混凝土刀。它与s m a 相似 但砂含量较多，稳定性较好。1 9 9 2 年，在这种很薄的沥青混凝土面层上，进行 了重车刹车实验。结果表明，在高速行车情况下“很薄的沥青混凝土 的抗滑能 力优于传统的沥青混凝土。1 9 8 8 年，法国承包商开发了厚1 5 c m 的热拌沥青混 合料面层，它被称为“超薄沥青混凝土 。这种混凝土具有较强的抗水损害能力 和耐油性，适合于隧道内铺装，但价格昂贵。 在沥青混凝土类型方面，在北欧、中欧和西欧国家，铺装下层一般采用浇注 式沥青混凝土，上层通常也采用浇注式沥青混凝土磨耗层。在南欧国家和日本， 在设置优良防水层的情况下，铺装下层一般采用密级配沥青混凝土，铺装上层都 采用改性沥青混凝土。铺装总厚度在7 0 - 9 o c m 。此外，隧道路面的防水问题在 国外引起了足够的重视，一般采用双层改性沥青防水卷材的防水结构型式，并且 在隧道路面内部设置了完善的排水系统。国外隧道路面的设计使用寿命长达3 0 年。 在隧道路面铺装方面，日本一直从事了大量的研究与创新，薄层复合式路面 为其最新研究成果。所谓薄层复合式路面，就是将传统的复合式路面的上面层和 中面层两层合为一层的结构形式，见图1 1 。与水泥混凝土铺装层相比，该路面 具有噪音低、耐久性好、行车舒适性好的特点，同时能够显著降低路面工程投资， 节约造价。 i _ ， 。”；5 - ，z ? ，“二j j ? 。i ：。：j - j ! 。? ：卜_ | ，+ ：移l p 嘲隧瓣翩酾豳 褥瑶( 箨水式嬲磁) l 酬驻屡薄缮复合式路隧) t - - 4 0 巾舞理f s 掰 弦竺4 。l连续陀戆熬爰土t - 2 1 0 建缓愆螃貔羧主；2 l 镬 求抛毪定，叠拉2 4 0 承滋稳窀屋l = 刎 图i - i 传统复合式路面与薄层复合式路面结构对比 从国外的研究和应用情况看，国外科技工作者对隧道铺装做了较多研究，开 发了一些针对隧道路面适用的结构型式和材料等，但在隧道路面铺装方面仍有一 2 1 1 第一章概述 些问题尚未解决，如复合式路面铺装的耐久性、阻燃沥青的评价指标及评价方法、 沥青混凝土与水泥混凝土的层间粘结及防水问题等。 1 2 2 我国研究现状 国内的隧道路面铺装主要采用水泥混凝土路面的铺装结构型式，水泥混凝土 面在隧道内潮湿的使用环境条件下不易发生结构性破坏，耐久性相对较好，但同 时也有很多缺点，其主要表现在：隧道内刚性路面与主线柔性路面行驶性能差 异大( 我国高等级公路路面以柔性的沥青路面为主) ；水泥混凝土路面抗滑性衰 减较快；平整性差；易扬尘。在隧道内封闭的状态下，水泥混凝土路面由于 摩擦产生较多的灰尘，不利于保持隧道内的能见度和空气质量：行车噪音大、 路面养护困难等。水泥混凝土路面使用性能的缺点在隧道内特殊的行车环境下表 现更为突出，较难保证车辆高速、安全、舒适地行驶。与水泥混凝土路面相比， 沥青路面的抗滑性、平整性、吸音性等都比较优良，且路面养护容易。然而，沥 青路面也有一些不足之处，比如它的抗水损害能力、耐油性差、亮度低、油侵蚀 发生火灾后会产生大量浓烟、以及施工环境较差。这些问题的存在长期以来一直 束缚着它在隧道内的应用。 傅智、王大鹏基于施工期间的空气污染、运营期间的水破坏、使用耐久性、 防火灾问题、行车抗滑安全问题以及照度与采光问题等方面对沥青路面与水泥路 面进行了对比分析，在综合考虑了造价因素后提出了关于隧道路面类型选择的建 议，认为在隧道较短时，为避免频繁更换施工机械、便于施工，可以沿用隧道外 的路面结构，使用沥青路面；对于长度在1 0 0 0 m 以上的中等、长和特长隧道应 使用水泥混凝土路面。 除传统水泥混凝土外，国内部分地区结合本地区气候条件和环境特点，因地 制宜的采用了钢纤维混凝土、多孔降噪水泥混凝土路面等新型混凝土路面结构。 理论分析和实践证明，在隧道路面中采用钢纤维混凝土路面，可以显著提高路面 的抗弯拉强度、抗冲击韧性、抗裂性等，大大减少路面出现龟裂、破损、断板等 病害的几率，延长路面使用寿命，节省养护和维修费用、提高行车的安全性和舒 适性等。多孔降噪水泥混凝土作为一种新型路面结构材料，具有强度高、耐久性 好、抗滑性好和噪音低等特点，对减少隧道路面病害、提高路面质量具有重要的 现实意义。钢纤维混凝土加柔性水泥混凝土组成的复合式路面兼备良好的结构性 能、防火安全性能和行车舒适性能。 东南大学硕士学位论文 除此之外，国内还有部分隧道铺装采用了水泥混凝土路面底层+ 普通密级配 沥青混凝土面层( 或微表处) 的复合式路面铺装结构。这种新型复合式路面铺装 结构形式，虽然通过加铺柔性面层的方式，部份降低了隧道内车辆行驶产生的噪 音，但由于未考虑沥青混凝土在隧道内特殊的使用条件，加之复合式路面形式容 易产生反射裂缝及脱层、坑槽等病害，耐久性较差且路面使用性能并不优良，因 此尚未在国内得到大规模的广泛应用。曹丹、吴穷在对不同类型隧道路面的噪音、 抗滑性能、高温稳定性、耐久性以及水稳定性等方面进行对比分析的基础上，提 出与水泥混凝土路面相比，以o g f c 和s m a 为代表的低噪音沥青路面可以在很 大程度上降低隧道内的噪音，且有条件时应优先选用s m a 路面。国内也有部分 专家和学者建议在隧道内铺筑s m a 和o g f c 的面层，以提高隧道路面的抗滑性。 目前国内有些隧道也铺筑了s m a 混合料，但由于种种原因，效果并不理想。 国内真正意义上的隧道沥青铺装技术研究是从1 9 9 9 年重庆市渝合高速公路 隧道铺装技术研究开始的。当时针对隧道路面的环境特点，着重开展了隧道路面 的层间粘结技术研究、隧道路面的阻燃技术研究和环氧抗滑磨耗层的材料开发与 施工工艺研究。但在实施过程中，却遇到了一些困难，如隧道沥青铺装层偏薄( 仅 4 c m ) ，以及由于对隧道沥青路面的使用环境缺乏准确的认识，导致实体隧道沥青 路面产生了不少脱层和开裂。限于当时的条件和原隧道路面设计的影响，没有对 隧道铺装的合理结构进行研究，也没有充分考虑隧道沥青路面的使用耐久性等问 题，仅对隧道沥青路面的阻燃和抗滑问题进行了考虑。另外在交通西部课题项目 中，就隧道路面的沥青铺装技术问题，也曾列了专题进行研究，并取得了一系列 科研成果，如对隧道沥青路面阻燃机理方面的研究、对隧道路面抗滑性能方面的 研究和对隧道路面沥青混合料类型方面的研究以及隧道路面的类型对行车安全 性的影响等等。但是由于隧道路面铺装问题是一个非常复杂的问题，针对不同的 地区，有不同的环境特点，如交通量、气候条件、地下水、当地筑路材料以及施 工水平的影响等等，必须把研究的成果与具体的条件结合起来才能解决实际问 题。 1 3 主要研究内容 本论文对隧道内路面的工作环境、路面结构形式和材料、损坏类型、隧道安 全等方面进行了调查、分析，以期在此基础上更全面地掌握隧道路面工作条件的 4 第一章概述 特点，有针对性地进行路面结构设计、材料优选等研究工作的开展。按照研究工 作大纲上的工作时间安排，采取实地调查和查阅国内外相关资料的方式，对国内 具有代表性贵州、四川、重庆等地区的隧道路面进行了全面调查，并查阅了相关 国内外文献，最终形成了本论文。 论文主要总结了隧道路面调研情况，包括隧道路面的工作环境调查、不同地 区隧道路面结构形式及材料调查、不同结构形式隧道路面损坏的类型调查和分 析、隧道路面安全性调查、隧道路面结构形式设计的建议及调查结论等五部分。 5 东南大学硕士学位论文 第二章隧道路面工作条件调查 隧道路面相对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。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。因此，需要对现有隧道路面的工作环境进行调查、分析和研究。 2 1 隧道内环境因素对隧道路面工作条件的影响 2 1 1 隧道内温度环境的影响特点 隧道内空气的温度场影响隧道路面的温度场。大气的温度在以年和日为单位 发生着周期性的变化，大气温度周期性的变化直接影响隧道内空气的温度( 进而 影响隧道路面的温度) 。由于隧道路面不直接接受太阳的直射，因此，隧道路面 的温度场与直接受阳光直射的隧道外路面的温度场不同，其温度梯度及极端气温 都相对缓和。调查数据显示，隧道内温度比隧道外温度偏低，并且隧道越长，天 气越炎热，隧道内外温度差异越明显。因而隧道路面所受的温度应力就不同，路 面设计时考虑的侧重点也就不同。 2 1 2 隧道内噪音环境的影响特点 噪音影响到隧道的运行环境。就噪声源的产生类型可以分为气体噪声和固体 噪声。气体噪声主要来源于汽车与路面作用产生的泵气效应。固体噪声主要来源 于路面不平整而引起的轮胎和车体的震动。噪声大小与汽车发动机类型、车速、 隧道内空气、路面的表面构造、路面材料及汽车轮胎有关。隧道内的噪音要远高 于隧道外的噪声，而且隧道内噪声持续时间长，不易消散。实际上，汽车进入隧 道后通常车速降低，噪声理应减小，但是由于隧道的封闭作用，噪声在隧道内会 产生共振、叠加现象，使得隧道内噪声更大。为了减少噪音对周围环境的影响而 采用多空隙的低噪音路面，低噪音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，而且增大了车辆荷载对隧道路面冲击力，使得隧道路面的受力 趋于复杂。 2 1 3 隧道内湿度环境的影响特点 隧道内的湿度影响了隧道路面的工作安全性。由于隧道的封闭作用，隧道内 一般阴冷潮湿，空气的湿度对于路面材料的性能有一定的影响。隧道内湿度的大 6 第二章隧道路面工作条件调查 小，一方面影响隧道路面的抗滑性，隧道内湿度越大，路面的抗滑性能越差，越 容易导致行车安全问题；另一方面能影响火灾发生的可能性，隧道是一个封闭结 构，一旦发生火灾，里面的人不易逃走而外面的人不易进入，所以相对一般路面 上发生的火灾，隧道火灾后果比较严重。而路面结构作为公路隧道的一个组成部 分，它不但要为人们提供逃离隧道和进入隧道救火的通道，还要具有一定的阻燃 作用，以降低火灾引起的损失。 研究表明，晴天隧道内的湿度通常比隧道外湿度大，雨天的湿度大于晴天的 湿度。长隧道内部，湿度就成为影响隧道路面抗滑性能的主要环境因素，同一湿 度条件下，不同路面结构类型与抗滑系数的关系如图2 - 1 所示。 d e n s e g r a d e d d e n s e g a pp o r o u sc e m e n tc o 密级配密实间断级配排水性沥青路面水泥混凝土 图2 - 1 不l 司路面结构的与抗滑系数的关系 2 2 隧道内外的温度和湿度调查 为了调查隧道内的温度和湿度变化情况，于2 0 0 9 年7 月份组织对四川省2 1 3 国道和成渝高速公路上的四座隧道进行了实地调研。用温度计、湿度计和噪音计 在隧道入口处、z 4 处、1 2 处、3 4 处、隧道出口处以及隧道出m # f s o 米处测量 空气温度。调查数据见表2 - 1 。 表2 - 1 隧道内空气温度调查表单位： 测量位置 隧道名称 入口处 1 4 隧道处1 2 隧道处3 4 隧道处出口处出口外5 0 m 五指山隧道2 7 52 5 52 5 32 5 62 7 42 7 5 永福隧道 2 6 7 2 5 82 5 52 5 82 6 62 6 8 龙泉山隧道 2 8 6 2 5 62 5 52 5 72 5 72 8 7 松林坡隧道 2 6 52 6 3 2 6 22 6 22 6 52 6 5 7 东南大学硕士学位论文 图2 - 2 调查所用温度计、湿度计和噪音计 图2 - 3 五指山隧道 图2 4 永福隧道 8 第二章隧道路面工作条件调查 图2 - 5 龙泉山隧道 图2 - 6 松林坡隧道 调查数据显示，隧道内温度比隧道外温度偏低，并且隧道越长，天气越炎热， 隧道内外温度差异越明显。例如五指山隧道7 月份隧道内、外温差高达2 2 。而 对于长度不大的隧道( 如松林坡隧道) ，内外温差不是很明显。 用湿度计测量空气湿度，测量位置同空气温度测量位置。调查数据见表2 - 2 。 不难看出，隧道内外湿度变化不大，变化值通常在3 4 以内。晴天隧道内的湿 度通常比隧道外湿度更大，雨天的湿度大于晴天的湿度。隧道由于其相对封闭的 环境，进入隧道内的水分将不易挥发干燥。同时由于洞体的渗水会进一步加大洞 9 1 东南大学硕士学位论文 内的湿度，所以隧道内会保持长期湿润，这对路面材料的耐久性和防滑性能就提 出了较高的要求。 表2 - 2隧道内空气湿度调查表单位： 测量位置 隧道名称 入口处1 4 隧道处1 2 隧道处3 4 隧道处出口处出口j l 5 0 m 五指山隧道 8 0 28 3 38 3 58 3 28 0 o8 0 5 永福隧道 7 1 27 4 57 5 57 4 57 1 o7 0 8 龙泉山隧道 6 5 56 8 26 8 66 8 26 5 36 5 2 松林坡隧道 6 8 57 2 27 2 37 1 66 8 66 8 5 2 3 隧道内外的噪音调查 噪音影响到隧道的运行环境。就噪声源的产生类型可以分为气体噪声和固体 噪声。气体噪声主要来源于汽车与路面作用产生的泵气效应。固体噪声主要来源 于路面不平整而引起的轮胎和车体的震动。噪声大小与汽车发动机类型、车速、 隧道内空气、路面的表面构造、路面材料及汽车轮胎相关。 用噪音计测量汽车驶过隧道时的噪声，测量位置与空气温度测量相同。测量 数据见表2 3 。 表2 - 3隧道内空气噪音调查表单位：d b 测量位置 隧道名称 入口处 1 4 隧道处1 2 隧道处3 4 隧道处出口处出n # l - 5 0 m 五指山隧道 8 2 8 99 29 08 38 0 永福隧道 8 18 5 8 48 38 07 8 龙泉山隧道 8 38 89 18 6 8 2 8 0 松林坡隧道 8 28 28 38 28 18 1 由于隧道洞体是相对封闭的环境，声音在其中难以消散，因此隧道内的噪音 通常较大。由图2 7 可以看出，洞口段的噪音是距洞口处逐渐向洞内前进的过程， 接近洞口噪音越高。隧道洞体内的噪音更远高于洞外的噪音，即使在没有车辆经 过时，洞内的环境噪音仍在8 0 分贝以上，远高于洞外的环境噪音，而车辆经过时 洞内噪音可超过9 0 分贝。研究表明，在洞内车辆经过时，噪音的提高幅度明显低 于洞外，但持续的时间却由洞外的2 s - 5 s 延长到近3 0 s ，表明隧道内噪音不易消减。 1 0 第二章隧道路面工作条件调查 相对于水泥路面来讲，车辆行驶在沥青路面上时，车内噪音的变化幅度较小，噪 音水平更为平稳。另外在隧道内，混响时间( 噪声源发音瞬间的声能衰减到1 1 0 6 时所需的时间，即衰减6 0 d b 所需的时间) 比洞外高的多，在噪声级相当高的隧道 内，震耳欲聋，使司乘人员难以忍受。高等级公路的迅速发展、车速提高和流量 增加，使得交通噪声的影响日趋突出，并己成为对环境造成噪声危害的四大源头 之一。据国外资料介绍，城市环境噪声的7 0 是来自交通噪声，为保护环境，尽 可能给人们以安静的生活空间，世界上许多国家都在努力控制噪声。 i u u 洞外洞口融食洞内k 9 0 ! 飞、 一7 1 8 0 - 。 d b 鼻汀 7 0 扪 ； 6 0 h 切 0 u 图2 - 7 洞内外环境噪音 在隧道内，不同的路面产生的噪音在波形上有很大的区别，图2 8 和图2 9 给 出了两种不同的路面类型的噪音波形图。 从波形图可知，隧道内水泥混凝土路面的噪音波形为矩形波，其特点是在 一个周期内，高分贝的时间为整个周期，对人的听觉系统干扰相当大。这些矩 形波的成分为隧道内的混响声。 1 东南大学硕士学位论文 图2 8 水泥路面的噪音波形 相对于水泥混凝土路面隧道噪音的矩形波，沥青路面隧道内噪音的波形为 不太规则的谐波，说明这种噪音的主要成分为一次直达声，混响声的成分很少， 这与人们经常接触到的其它声音波形特征相似，人的听觉系统较容易适应这样 的噪音场，谐波在一个周期内分贝最大值出现两次，而不是持续整个周期，对 人的听觉系统的刺激不大。 图2 - 9 沥青路面的噪音波形 2 4 本章结论 由以上的调查数据可知： ( 1 ) 隧道内温度变化相对稳定，温度应力对路面结构影响较小，有利于减少 横向温缩裂缝出现。 ( 2 ) 隧道相对封闭，洞内湿度相对较大，对隧道路面的抗滑性能影响较大， 更适合采用粗糙的低空隙率的沥青混凝土路面。 ( 3 ) 对于封闭性能较好车辆，噪音对于车内人员来讲并不会引起明显的不适。 考虑到降噪路面本身耐久性低、水稳定性差、施工养护难度较大等因素，因此 隧道路面的降噪不应作为路面结构设计和材料设计时考虑的主要因素。 1 2 第三章隧道路面结构形式及材料调查 第三章隧道路面结构形式及材料调查 3 1 隧道路面设计现状调查 由于隧道路面结构的设计没有专门的设计规范与指南，通常都套用公路或城 市道路的设计规范或指南。在现行的公路隧道设计规范中，对于隧道内路面 结构设计未作针对性规定，对于路面材料仅提到应符合现行公路路面设计规范的 规定。现行沥青路面施工技术规范中也仅有寥寥数十字的原则性规定，而没 有具体的设计原则和方法。大部分隧道内路面结构都是根据以往的经验直接给出 的，未经过专门的计算与设计。所以，在不同的地区，由于隧道设计单位不同， 应用经验和历史不同，就有不同的隧道路面结构形式，或虽然地区不同、气候条 件不同、行车条件不同却采用了相同的结构形式。 早期修建的公路隧道一般都采用水泥混凝土路面( 图3 1 ) ，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。在隧道内修建水泥混凝 土路面有很多优点： 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 机械，因此水泥混凝土的施工简单性适合公路隧道。 2 、稳定性好。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。 3 、耐久性好。隧道环境封闭，因此也给路面的维修带来了麻烦，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。 4 、有利于行车。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。 5 、耐热性好。水泥混凝土的耐热性比沥青混凝土好，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。 近年来，很多高速公路隧道都开始修建沥青混凝土路面( 图3 - 2 ) 、沥青复 合式路面( 图3 3 ) ，主要是因为水泥混凝土路面也有很多不足之处： 1 、不利于行车安全。高速公路的车速较快，水泥混凝土在雨天的抗滑性能 东南大学硕士学位论文 不足严重威胁到了行车的安全。在雨天水泥混凝土的抗滑系数明显降低，经检测， 隧道水泥混凝土路面在潮湿状态下，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。如福建漳龙高速公路自2 0 0 2 年1 月 2 0 日开通运营的三个月内，在如山头隧道已连续发生近2 0 起交通事故。 2 、不利于行车舒适性。首先由于车速较快，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，在隧道封闭的环境下这个问题就显得更突出。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。 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。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： 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 1 4 第三章隧道路面结构形式及材料调查 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，迸一步破坏 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，同时要做好隧道的防排水工作，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 、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， 沥青的粘滞度降低，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。 图3 1水泥混凝土隧道路面 调查结果表明，上述三种隧道路面结构型式在受力及使用状态上与普通路面 存在显著差异，其基层状况与一般道路不同。一般路面结构基层通常为二灰土或 无机结合料稳定土或碎石，而隧道内的基层则远远强于一般的路面结构，隧道内 部的找平层通常采用c 1 0 或c 1 5 的素混凝土，且找平层下的围岩强度也较高， 东南大学硕士学位论文 一般围岩模量均高于5 0 0 0 0 m p a ，隧道路面因而具有很强的基层。 图3 - 2 沥青混凝土隧道路面 图3 - 3 复合式隧道路面 不同的地区由于气候条件、交通量、交通组成等情况不同而对结构形式的选 择存在一定的倾向，如挪威因其国家气候寒冷，冬季大部分隧道中都会出现全长 的冰冻现象，所以，其规范中要求在隧道工程中应优先使用水泥混凝土路面，但 是，对于低交通的隧道一般采用沥青混凝土路面，而在美国沥青路面则应用相对 较多。近年来，我国隧道内的路面型式也开始较多采用沥青混凝土路面，有的在 水泥混凝土找平层上直接铺筑沥青混凝土，有的在原有水泥混凝土路面上加铺沥 青混凝土或进行微表处，以提高路面的抗滑性。 3 2 隧道内沥青混凝土复合式路面结构 目前国内公路隧道内修建的沥青混凝土复合式路面没有固定的结构形式，一 1 6 第三章隧道路面结构形式及材料调查 般都是参照隧道外的沥青混凝士复合式路面修建，只是在路面结构中以各种方式 加入防水措施。总的来看主要有以下几种结构形式： 1 、沥青层+ 碾压混凝土基层+ 碎石垫层。 我国在“九五 期间对碾压混凝土加铺沥青层复合式路面结构设计理论和方 法进行了系统深入的研究，提出了完整的路面结构设计方法，并应用于实际工程。 这种路面结构的特点首先是采用碎石作为垫层，在碎石层中设置盲沟排水。由于 碎石层必须要及时排除进入垫层的地下水，因此要保证足够的空隙率，采用开级 配。同时，为了达到一定的强度，碎石层必须要达到一定的压实度，这与碎石层 要有一定的空隙率相冲突。因此碎石层的强度设计和级配设计非常关键。如在隧 道应用方面，深圳盐( 田) 坝( 岗) 高速公路的大梅沙隧道，左洞长1 5 2 1 米，右洞长 1 5 4 0 米。单洞为三车道标准，洞宽1 3 2 5 米，其中行车道1 2 米。路面结构采用碾 压混凝土和沥青混凝土复合式路面，由碎石排水垫层、碾压混凝土基层和沥青混 凝士面层组成。其洞内路面设计为：8 c m 碎石排水垫层，2 4 c m 碾压混凝上基层， 5 c m 中粒式沥青混凝上中面层，4 c m 沥青混凝上抗滑表层。其中，在沥青混凝土与 碾压混凝土基层之间设乳化沥青粘结层。 2 、沥青层+ 普通混凝士基层+ 素混凝土垫层。这种路面结构相当于在水泥混 凝土路面上加铺了一层沥青层，主要受力层为混凝土基层，沥青层对混凝土基 层的厚度影响有限。通过分析，增力h 4 0 m m 沥青上面层仅减少约l o m m 混凝土下面层 厚度。 3 3 隧道沥青复合路面材料 3 3 1 基层 水泥稳定碎石基层作为高速公路沥青路面的基层现在应用越来越多，具有较 高的强度，抗渗度和抗冻性较好，已广泛应用于隧道沥青路面基层。 部分地区在使用时，还加入粉煤灰，成为水泥粉煤灰碎石基层。它的主要特 点是施工和易性好，后期强度高，而且可以节约投资，并有效利用工业废渣。 除水泥稳定碎石外，混凝土基层也是隧道复合式路面中广泛应用的基层形式 之一。混凝土基层分为素水泥混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土、预应力混 凝土、装配式混凝土、钢纤维混凝土、碾压混凝土等。在复合式路面中承重层依 然是混凝土基层，一般均采用素混凝土层。 1 7 东南大学硕士学位论文 素水泥混凝土板就地浇注，施工工艺成熟，施工程序简单。但是水泥混凝土 板有纵横缝，毛细水容易上升到沥青面层，而且还会产生反射裂缝。因此采用素 水泥混凝土时防水和防反射裂缝要认真考虑。 钢纤维混凝土就是在一般普通混凝土中掺配一定数量的短而细的钢纤维所 组成的一种新型高强复合材料。由于钢纤维阻滞基体混凝土裂缝的产生，不但具 有普通混凝土的优良性能，而且具有良好的抗折、抗冲击、抗疲劳以及收缩率小、 韧性好、耐磨耗能力强等特性，可使路面厚度减薄5 0 以上。钢纤维混凝土用 作隧道复合式路面的混凝土层，可以充分发挥其弯拉强度高，抗裂、抗疲劳、耐 磨，抗冲击性能好的特点，可取代钢筋，减薄混凝土层厚度，加大缩缝问距，缩 短施工周期，提高工程质量，降低工程维修费用，延长工程使用寿命。但是钢纤 维混凝土在隧道潮湿环境下耐久性较差，而且造价较高，目前在路面补强上应用 较多。 连续配筋混凝土( c r c p ) 常用在高速公路的面层，由于在路面纵向配有足够数 量的钢筋，以控制混凝土路面板纵向收缩产生的裂缝宽度和数量，在施工时完全 不设胀、缩缝( 施工缝及构造所需的胀缝除外) ，为道路使用者提供了一条完整而 平坦的行车表面，既改善了汽车行驶的平稳性，同时又增加了路面板的整体强度。 美国最早使用连续配筋混凝土，早在1 9 2 1 年，华盛顿特区修建了第一条连续配 筋混凝土路面。美国在高速公路和机场上大量使用连续配筋混凝土路面，据统计， 这种路面有3 2 0 0 0 公里。在我国由于经济原因，很少采用这种路面，2 0 0 0 年以 前只有江苏省盐城和镇江各修建了1 公里的实验路。公路水泥混凝土路面设计规 范( j t j 0 4 0 - 2 0 0 2 ) 建议在一级公路和高速公路中使用，设计方法也是参考国外的 设计规范。2 0 0 2 年湖南省耒宜高速公路建设有限公司在京珠主干线湖南耒阳至 宣章段修筑了4 0 公里的连续配筋混凝土路面，目前状况良好，行车性能舒适。 在隧道内的沥青复合式路面中采用连续配筋混凝土作为沥青面层下的承重层非 常理想，因为它没有了纵横缝，阻止了毛细水上升，有利于路面结构的稳定性。 但是连续配筋混凝土层施工时，面板配筋与端部施工繁琐，整幅施工进料困难( 需 侧向布料) ，对施工技术要求较高，而且投资很大，相对于我国国情暂时不适宜 大量推广。 1 9 9 1 年在国家“八五 重点科技项目( 攻关) 高等级公路水泥混凝土路面 1 8 第三章隧道路面结构形式及材料调查 材料及应用开发研究中，交通部组织交通部公路科学研究所、山西省交通厅和 广西壮族自治区交通厅等单位进行了碾压混凝土路面成套技术的研究，以应用于 高等级公路为目标，从材料、施工技术，抗滑技术、接缝技术等方面进行了系统 研究，在路面平整度、抗滑及接缝等方面取得了突破性进展，并取得了一系列配 套成果，初