高速公路长大隧道路面类型选择分析及建议

1 关于隧道路面类型选用分析关于隧道路面类型选用分析 作者 作者 rblfluo 2016 11 14 公路路面的技术状况 行车性能直接关系到隧道交通安全 由于公路隧道 洞内空间狭窄 通风困难 视线差 汽车尾气污染 隧道内路面维修较洞外困 难 往往容易造成交通阻断 相对更容易引发交通事故 影响整条公路的正常 通行 因此 对隧道内的路面要求不仅有良好的平整度 抗滑性 低噪音 而 且要有长期的稳定性和耐久性 并且要便于维护 这是对隧道路面功能的要求 也是我们努力的方向 长期以来 国内外研究人员从提高隧道路面的行车安全性目的出发 在路 面的耐久性 抗滑性 排水机理 以及施工工艺 维修技术等方面展开大量研 究 取得很多研究成果 国内外目前对隧道采用水泥混凝土路面还是采用沥青 混凝土路面存在两种不同的观点 事实上 这两种路面在隧道中使用仍然各有 优缺点 有不同的适应条件和使用范围 就我国来讲 水泥混凝土路面还是占 绝大多数 接近 90 一 水泥混凝土路面 水泥混凝土路面属于刚性路面 其特点是整体刚度大 路面板强度高 水 泥混凝土相对沥青路面黑色路面属于 白色路面 在隧道内照度高 同时水泥 混凝土路面使用寿命长 现行水泥混凝土路面设计年限一般为 30 年 属于 长 寿命路面 水泥混凝土路面在实际使用过程 考虑道路使用环境条件 超载等不利因 素影响 正常情况下一般可以达到十年左右不用大修 维护间隔时间长 因而 养护费用少 然而 根据国内外近些年大量调查和研究表明 对行车速度较快的公路特 别是高速公路隧道 采用水泥混凝土路面存在行车安全性问题 导致容易产生 交通事故 主要表现为以下几点不足 1 行车视觉亮度差异 高速公路隧道外道路路面一般采用沥青混 合料路面 当隧道内采用水泥混凝土路面时 由于两种路面的 颜色反差很大 在长隧道进出口和中短隧道多的路段 道路显 著的亮度差异对驾驶员的眼睛刺激很大 2 2 噪音大 研究表明 隧道内采用水泥混凝土路面噪音比采用沥 青混凝土路面要高 6 7 个分贝 加上隧道周边空间封闭性 加 剧噪音对人的刺激 噪音分布性的差异性容易导致驾驶员操作 反应产生偏差 3 震动大 水泥混凝土路面与沥青混凝土路面路面刚度相差较大 加上水泥混凝土路面存在短距离 约 3 5 米 横向缩缝 所以 使得进出隧道时的车辆产生明显的振动 路感显著不同 驾驶 员在方向盘操控感觉差别较大 对安全行车不利 4 抗滑性能差 由于水泥混凝土路面与沥青混凝土路面路表的磨 擦系数存在着明显差异 尤其有雨时 洞外路面雨水被汽车轮 胎带进隧道路面 造成洞内水泥混凝土路面的表面摩擦系数明 显减低 有资料表明 隧道水泥混凝土路面受潮后 其摆值摩 擦系数由 80 减少到 32 是原来的 40 是沥青混凝土路面结 构的 25 同时 长期交通运营积累在洞内路面汽车尾气沉淀 物也迅速降低路面的抗滑性能 容易导致汽车侧向滑溜 带来 很大的交通事故隐患 5 行驶条件变化不利行车 对于洞外采用沥青混凝土路面的隧道 进入隧道段由于道路亮度变化 路面刚度突然增大 存在横向 缩缝振动 汽车行驶路感差别大 加上在雨天不利环境条件下 高速行驶进入隧道轮胎带进隧道的雨水 水泥混凝土路面抗滑 性明显减低 轮胎抓地性能减低 容易导致车轮打滑 加上隧 道内视觉空间大大小于洞外 以至容易导致驾驶员精神紧张而 方向盘操作失控引起车祸 有调查表明 设计车速较高的公路隧道采用水泥混凝土路 面的交通事故率要比采用沥青路面高得多 为了提高公路隧道 内水泥混凝土路面抗滑性能 目前我国许多地方采用对水泥混 凝土路面表面进行刻痕 凿毛等增糙措施 同时 加强路面的 排水 取得一定效果 但是 水泥混凝土路面经过增糙措施后 一般使用一年后由于高速行车的车轮磨耗 很快增糙层就会磨 3 损掉 需要继续增糙处理 大大增加养护成本 同时 连续的 增糙处理都会削减水泥混凝土路面的有效厚度 给路面结构厚 度处理带来难题 在这种情况下提出了用露石水泥混凝土进行 长大隧道道面的铺装 目前该技术仍在进一步研究中 露石水 泥混凝土在长大隧道路面铺装上的应用 有效的弥补了普通混 凝土在长大隧道路面铺装上的不足 尤其是在降噪和抗滑方面 改善比较明显 从而提高公路隧道水泥混凝土路面抗滑性能和 行车安全性 但在其他方面如行车视觉亮度差异 震动大和行 驶条件变化不利行车等方面仍未有改善 二 沥青路面 沥青路面结构层属于柔性路面 其特点是路面结构层抗压弹性模量约为水 泥混凝土一半 具有一定的吸收汽车动荷载产生的振动 无伸缩缝 故行车相 对平稳 噪音小 设计年限一般为 15 年 从实际使用情况来看 正常情况下一 般可以达到 3 5 年左右不用大修 维护工作方便 沥青路面的不足之处是属于 黑色路面 其路面有较强的吸收光线作用 降低隧道的的光照度 使用寿命 比水泥混凝土路面短 需要经常维护 在多水路段 需要做好路面抗水技术处 理 由于沥青路面中的沥青存在易燃的可能性 近些年来国内外对隧道是采用 水泥混凝土路面或沥青路面一直存在争议 对隧道沥青路面火灾过程的安全性 问题是争议最大的问题 同时为了降低沥青的可燃性 开发出了阻燃剂 从而 大大降低了沥青燃烧的可能性 提高了沥青混凝土在长大隧道铺装中的安全性 下表是一些使用沥青混凝土铺装的隧道 隧道名称长度路面铺装结构所在地区 东京湾海底隧道 9KM 16cm 半柔性路面 刚性基层日本 挪威莱尔多隧道 24 51KM 5cm 沥青磨耗层 6cm 沥青混凝土结构挪威 武汉长江隧道 3 3KM 4cmAFNA 5cmHMAC 20 刚性基层湖北 渝合高速公路北培隧道 4KM 4cm 阻燃 6cmAC 刚性基层重庆 杭瑞鸡口山隧道 2 98KM 沥青混凝土复合式路面湖北 沪蓉西把水寺隧道 5cm 阻燃 SMA 6cmAC 刚性基层 4 三 复合路面 随着研究的深入 人们从趋利避害的思路出发 研究能否将两者结合起来 形成复合式路面 这种路面应该是发挥两种路面各自的优势 弥补各自的缺点 并利用对两种路面研究的新技术和新成果 形成优势互补 确保隧道路面功能 最大化的路面结构 具体结构形式为 阻燃反光沥青混凝土 8 10cm 水泥 混凝土 25 30cm 基层 这种结构可满足隧道路面的要求 有良好的平整度 抗滑性 低噪音 而且有长期的稳定性和耐久性 并且要便 于维护 笔者认为是当下比较合适的选择 设计思路是发挥了两种路面各自的 优点 当水泥混凝土路面铺筑在下层时 其缺点如抗滑衰减快 噪音大等缺点 被位于其上的沥青混凝土面层 掩埋了 缺点没了 全剩优点了 而位于其上 的沥青混凝土 由于主要承担功能性作用 厚度减小了 8 10cm 所以燃烧的 量减少了 进而为了不让它燃烧 确保安全 要求加入阻燃剂 进一步降低了 燃烧的可能性 提升了安全等级 细则 为了进一步克服沥青混凝土路面在隧 道铺装上亮度的不足 要求 应提高路面的反射率 选择隧道路面类型时 宜 选用光反射率较大的材料及结构 在隧道施工技术较发达的日本 主要采用半柔性路面铺装技术 它结合了 沥青混凝土和水泥混凝土两方面工艺的半柔性铺装 具有耐油性和阻燃性好的 特点 也较适应于隧道的湿润环境 但施工控制不好 易造成抗滑性能低 半 柔性路面铺装与其下的水泥混凝土调平层间必须使用界面剂 同时仍然存在灰 尘大的问题 四 有关规范要求 公路隧道设计细则 中华人民共和国行业推荐标准 JTG T D70 2010 19 3 条 表 19 3 2 常用路面面层类型及适用条件 水泥混凝土路面复合式路面使用条件 横缝设传力杆的普通混凝土 连续配筋混凝土 沥青混合料上面层 连续配筋混凝土 沥青混合料上面层 横缝设传力杆的普通混凝土高速高速 一级公路 5 钢纤维混凝土 钢钎维混凝土 连续配筋混凝土 沥青混合料上面层 连续配筋混凝土 沥青混合料上面层 横缝设传力杆的普通混凝土 特重交通的高速公路 普通混凝土 碾压混凝土 沥青混合料上面层 普通混凝土 沥青混合料上面层 碾压混凝土 二级及二级一下公路 隧道路面设计宜符合以下规定 1 各级公路隧道可采用水泥混凝土路面 但应采取措施 提高其抗滑和降噪性 能 2 当设计速度大于 80KM h 时 宜采用沥青混合料上面层与水泥混凝土下面层组 成复合式路面 宜削减沥青路面在隧道着火情况下参与燃烧并释放浓烟 对营 运安全和救援工作的不利影响 其面层应加入阻燃剂的复合改性沥青 沥青阻 燃剂应具有良好的热稳定性和耐久性 且不应影响沥青及沥青混合料的使用性 能 应重视采用沥青路面降低隧道内整体亮度 且进出口段 尤其是进口段 亮度变化较大的特点 应提高路面的反射率 选择隧道路面类型时 宜选用光 反射率较大的材料及结构 我国现行的 公路隧道设计规范 中华人民共和国行业标准 JTG D70 2004 15 3 1 各级公路隧道可采用水泥混凝土路面 有条件时 可采用上面层沥青混 合料与下面层水泥混凝土路面组成的复合式路面 正在审查中的新的 公路隧道设计规范 15 3 隧道路面 15 3 1 高速公路 一级公路隧道宜采用沥青混合料上面层与水泥混凝土下面层 组成复合式路面 其他等级公路隧道可采用复合式路面或水泥混凝土路面 15 隧道路基与路面 15 1 一般规定 15 1 1 隧道路面结构应根据交通量 设计速度 平纵线形指标 当地环境条件 6 材料供 应情况 全寿命周期费用分析等因素 进行经济 技术比较后确定 15 1 2 隧道路基应为稳定 密实 匀质路基 为路面结构提供均匀的支承 15 1 3 隧道路面应具有足够的强度 平整 耐久 抗滑 耐磨等性能 15 1 4 隧道路面结构下应有完善的排水系统 15 2 隧道路基 15 2 1 设置仰拱的隧道 仰拱填充层可为路基层 其填充材料和填充要求应符 合本规范 第 5 章 第 8 章的相关规定 15 2 2 不设仰拱的隧道 路基应为稳定的石质地基 15 3 隧道路面 15 3 1 高速公路 一级公路隧道宜采用沥青混合料上面层与混凝土下面层组成 的复合式 路面 其他等级公路隧道可采用复合式路面或水泥混凝土路面 15 3 2 应根据隧道结构和地质条件确定隧道路面结构 无仰拱隧道路面应设置 基层和面 层 可根据需要增设整平层 设仰拱的隧道可只设基层和面层 15 3 3 路面基层设计应符合下列规定 1 无仰拱隧道路面基层应置于坚实的 地基上 2 基层宜采用素混凝土 厚度宜为 120mm 200mm 抗压强度不应 低于 C20 或弯拉 强度不应低于 1 8MPa 且应设置与混凝土面层相对应的横向 缩缝 3 一次摊铺宽度大于 7 5m 时 应设纵向缩缝 4 增设整平层时 整平层平均厚度不宜小于 150mm 15 3 4 隧道采用水泥混凝土路面面层时设计应符合下列规定 1 二 三 四 级公路宜采用设接缝的普通水泥混凝土面层 水泥混凝土面层厚度 三 四级 公路隧道宜为 200 220mm 混凝土强度等级宜为 C35 C40 抗折强度宜为 4 0 4 5MPa 二级公路隧道厚度宜为 220 240mm 混凝土强度等级不宜小 于 C40 抗折强度 宜为 4 5 5 0MPa 2 高速公路 一级公路应采用连续配 筋混凝土面层或钢纤维混凝土面层 水泥混凝 土面层厚度宜为 240 260mm 混凝土强度等级宜为 C40 C50 抗折强度不宜小于 5 0MPa 3 面层厚度 接缝构造与布设间距 钢纤维混凝土钢纤维掺量 面层特殊部位的配 筋均应符 合现行 水泥混凝土路面设计规范 JTG D40 的有关规定 洞口段应设胀 7 缝 衬砌结构变化处应结合衬砌变形缝统一设置横向接缝 4 各级水泥混凝 土路面结构可靠度设计标准 材料性能和结构参数及变异水平 设 计方法 标 准轴载 材料组成和性质参数均应符合现行 公路水泥混凝土路面设计规范 JTG D40 的有关规定 高速公路 一级公路隧道水泥混凝土路面粗 细集料 的级别均 宜采用 级 5 路面表面构造应采用刻槽 压槽 拉毛或拉槽等方 法制作 构造深度在使用初期 应满足表 15 3 4 要求 表面构造采用刻槽时 宜采用纵向刻槽 进洞口段及坡度较大的隧 道宜同时采用纵向和横向刻槽 表 15 3 4 各级公路水泥混凝土路面面层的表面构造深度要求 6 混凝土路面加铺层应根据使用要求及旧混凝土路面状况 经技术经济比较后 选用 水泥混凝土加铺结构或沥青混凝土加铺结构 加铺层结构设计应符合现行 公路水泥混凝 土路面设计规范 JTG D40 公路沥青路面设计规范 JTG D50 的有关规定 15 3 5 连续配筋混凝土面层配筋宜符合下列要求 2 纵向和横向钢筋设在面层上部时 均应采用单层布置 纵向钢筋的净保护层 厚度 不应小于 50mm 横向钢筋应位于纵向钢筋以下 8 3 纵向和横向钢筋宜采用相同或相近的直径 直径差不应大于 4mm 纵向钢 筋的间 距不应大于 200mm 横向钢筋的间距不应大于 800mm 且不应小于 100mm 或集料最大 粒径的 2 5 倍 边缘钢筋至纵缝或自由边的距离宜为 100 150mm 4 纵向钢筋的焊接长度不宜小于 10 倍 单面焊 或 5 倍 双 面焊 钢筋直径 相邻 钢筋焊接位置应错开 各焊接端连线与纵向钢筋的夹角 应小于 60 15 3 6 复合式路面沥青上面层应符合下列规定 1 沥青面层应具有与混凝土 面板黏结牢固 防水渗入 抗滑耐磨 低温抗开裂 高 温抗车辙 抗剥离的良 好性能 2 应由黏结层和沥青面层组成 沥青面层厚度宜为 80 100mm 宜 采用双层式沥青 面层 3 沥青表面层的厚度 混合料类型宜与洞外路段相 同 表面层应采用抗滑表层 沥青混合料配合比设计 高低温性能 水稳性 等要求应符合 公路沥青路面设计规范 JTG D50 的有关规定 4 特重交 通 重交通 重要公路 或温差较大 气候严酷地区 或铺筑特殊结构层 以 及连续长 陡纵坡段隧道 应选用改性沥青 5 沥青面层应选用密级配沥青 混合料 纤维稳定剂宜选用矿物纤维 特长隧道宜采 用温拌沥青混合料 各种 外加剂的掺入应不影响混合料的路用性能 6 在黏结层上应设置防水层 防 水层和黏结层宜配合使用 宜采用改性乳化沥青加 热喷 SBS 改性沥青 预拌沥 青碎石粘结层 7 隧道结构变形缝 非连续配筋且无拉杆的混凝土面层接缝 和胀缝处 以及存在后 期不均匀沉降的软弱地层的隧道段 应在水泥混凝土面 板相应位置铺设长纤维无纺聚酯类 土工织物 15 3 7 沥青上面层在调平层上铺装时 混凝土调平层厚度不宜小于 80mm 并 应设钢筋 网 纤维混凝土调平层厚度不宜小于 60mm 调平层混凝土强度应与 下层钢筋混凝土结构 路面板一致 并应结合紧密 15 3 8 微表处和稀浆封层用于各等级公路隧道旧路面的罩面时 其厚度 矿料 级配 稀 浆混合料技术指标等应符合现行 公路沥青路面设计规范 JTG D50 的有关规定 15 3 9 洞内采用水泥混凝土路面而洞外采用沥青路面时 应设置与洞外路段保 持一致的 洞内过渡段 并应符合下列规定 1 高速公路和一级公路的长隧道 和特长隧道 进口洞内过渡段长度不应小于隧道照 明