高速公路隧道路面典型結構研究

1、交通運輸部公路科學研究院1背景研究內(nèi)容技術路線預期成果2隧道建設里程不斷增加。改善線形 縮短里程克服高差 提高行車速度改善運營條件 保護生態(tài)環(huán)境 公路隧道建設已由重丘走向深山、由陸域走向水下、由山區(qū)走向城市，在交通基礎設施的建設中起到越來越重要的作用。32004年以前我國對隧道路面結構和材料的研究比較薄弱,隧道路面大多采用水泥混凝土路面。剝落 斷板 接縫破壞 抗滑性能差 平整度差 噪聲大4我國公路隧道設計規(guī)范（JTG D702004）在原公路隧道設計規(guī)范（TJT 026-90）第6章第5節(jié)“行車道路面”基礎上作較大篇幅的修編。隧道“剛性路面系統(tǒng)包括面層為水泥混凝土路面（含鋼纖維混凝土路面、連續(xù)

2、配筋混凝土路面）、瀝青混合料上面層與水泥混凝土路面（含鋼纖維混凝土路面、連續(xù)配筋混凝土路面）下面層組成的復合路面兩大類型?！薄拔覈淼纼?nèi)路面系統(tǒng)采用半剛性和柔性路面系統(tǒng)較少，故本規(guī)范不推薦使用。但經(jīng)論證亦可采用半剛性和柔性路面系統(tǒng)”。54cm4cm改性瀝青混凝土改性瀝青混凝土6cm6cm中粒式改性瀝青混凝土中粒式改性瀝青混凝土24cm24cm水泥混凝土水泥混凝土20cm20cm水泥穩(wěn)定碎石水泥穩(wěn)定碎石6忻州忻州 阜平方向（特重交通）阜平方向（特重交通）阜平阜平 忻州方向（重交通）忻州方向（重交通）4cm4cmAC-13改性瀝青改性瀝青混凝土混凝土4cm4cmAC-13改性瀝青改性瀝青混凝土混凝

3、土6cm6cmAC-20型瀝青混凝型瀝青混凝土土6cm6cmAC-20瀝青瀝青混凝土混凝土28cm28cm水泥混凝土水泥混凝土26cm26cm水泥混凝土水泥混凝土15cm15cm貧混凝土貧混凝土15cm15cm貧混凝土貧混凝土10cm10cm貧混凝土貧混凝土10cm10cm貧混凝土貧混凝土總厚度總厚度63cm63cm總厚度總厚度61cm61cm74cm 4cm 溫拌溫拌OGFC-13OGFC-13（SBSSBS改性瀝青）改性瀝青）6cm6cm溫拌溫拌AC-20AC-20（SBSSBS改性瀝青改性瀝青) )改性瀝青下封層改性瀝青下封層進口聚酯玻纖布進口聚酯玻纖布水泥混凝土水泥混凝土84cmSBS

4、 4cmSBS 溫拌溫拌AC-13AC-136cmSBS6cmSBS溫拌溫拌 AC-20AC-20水泥混凝土水泥混凝土9強度高、穩(wěn)定性好、耐久性好、耐高溫、耐磨耗以及養(yǎng)護費用少。缺陷是脆性大、易開裂、抗溫性差，路面板塊容易受彎折而產(chǎn)生斷裂，養(yǎng)護和修復困難。水泥混凝土表面未刻槽部分細觀紋理較差、隧道粉塵油污的附著、長下坡隧道貨車灑水降溫都容易使得水泥混凝土路面抗滑不足。10充分發(fā)揮不同路面材料的特性，揚長避短；高強度的剛性基礎提高了路面結構的承載能力，滿足重載、超載、大交通量等荷載條件要求；混凝土板的施工技術與質(zhì)量標準可適當降低，如抗滑、耐磨及平整度等指標，可通過瀝青面層來保證；最大限度地利用地

5、方性材料，包括非規(guī)格材料和工業(yè)廢品及副產(chǎn)品，降低工程造價；11瀝青面層降低了混凝土板的荷載應力與溫度應力(溫度梯度)，對車輛沖擊荷載起到緩沖作用，并加強了結構的防水作用，減少了雨水對混凝土板的影響；瀝青面層改善和提高混凝土路面表面使用品質(zhì)，滿足汽車高速行駛性能要求，并且方便養(yǎng)護維修；不足之處是水泥面板接縫處可能產(chǎn)生反射裂縫，進而影響瀝青面層的使用壽命。12瀝青混合料l級配類型：ACSMAOGFCl結合料類型：普通瀝青結合料、SBS改性瀝青結合料、橡膠瀝青結料、高模量瀝青l(xiāng)雙層改性越來越多l(xiāng)施工溫度：傳統(tǒng)方式/溫拌方式水泥混凝土l接縫水泥混凝土（JPCP）l鋼纖維水泥混凝土(SFCP)l連續(xù)配筋

6、水泥混凝土（CRCP）13為了使隧道路面結構具有足夠的強度(即承載能力)、穩(wěn)定性(耐久性)和良好的使用性能，以便在行車荷載和自然因素的共同作用下保證公路運輸快速、安全、舒適，同時考慮到路面結構在技術上的先進性、經(jīng)濟上的合理性和環(huán)境資源上的可持續(xù)發(fā)展等各種要求，有必要探索比較多種隧道路面結構和材料。14隧道路面文獻調(diào)研和現(xiàn)場調(diào)研隧道路面有其獨特的工作環(huán)境和使用性能要求。因此，首先需要對現(xiàn)有隧道路面的工作環(huán)境和損壞狀況進行調(diào)查、分析和研究。并通過已有文獻資料的調(diào)查分析，選擇合理的路面結構類型和路面結構材料進行有針對性的分析和研究，并提出具體的實施方案。15隧道路面結構力學分析與設計方法研究在現(xiàn)場調(diào)

7、研和文獻調(diào)研的基礎上，對隧道路面結構包括水泥混凝土路面、瀝青混凝土路面以及復合式瀝青路面在設計中的影響因素進行了全面的分析，建立了隧道路面力學分析模型，并提出了隧道路面的結構設計指標體系以及設計方法。16基于加速加載設施（ALF）的隧道路面結構性能驗證在上述調(diào)研和理論分析的基礎上，選擇幾種代表性典型隧道路面結構進行加速加載試驗，對比不同路面結構的長期性能。17隧道路面養(yǎng)護與改造方案及技術措施參考國內(nèi)外隧道外道路路面養(yǎng)護修復方面成熟的工程技術經(jīng)驗，分析我國公路隧道路面工作環(huán)境和公路隧道路面病害的特點，通過室內(nèi)試驗比較和實際修復工程驗證，探索適合于公路隧道路面養(yǎng)護與修復的有效工程技術措施，重點針對

8、隧道路面的預防性養(yǎng)護措施、應急性修補技術措施以及結構性修復技術進行研究。1819隧道路面文獻調(diào)研和現(xiàn)場調(diào)研l(wèi)現(xiàn)場調(diào)研主要集中在我國東南（如福建?。⑽髂希ㄈ缢拇ㄊ?、貴州省、重慶市）、西北（如甘肅省、青海?。└咚俟匪淼垒^多的地區(qū)。根據(jù)氣候特征、地質(zhì)構造、隧道結構選擇典型隧道進行調(diào)研。調(diào)研內(nèi)容包括：隧道路面的工作環(huán)境調(diào)查，隧道路面的表面性能調(diào)查，現(xiàn)有隧道路面結構與材料類型調(diào)查，隧道路面病害調(diào)查以及隧道排水系統(tǒng)調(diào)查。l文獻的調(diào)研分為三個部分：一是國內(nèi)外隧道路面的研究發(fā)展狀況；二是對現(xiàn)有路面材料的調(diào)研分析，從而初步確定隧道路面的材料；三是對現(xiàn)有路面設計方法的調(diào)研分析，從而選擇合理的隧道路面結構設計方

9、法。20隧道路面結構力學分析與設計方法研究l主要考慮四種路面結構：A）水泥混凝土面板+貧混凝土基層+整平層；B）瀝青上面層+瀝青下面層+水泥混凝土板+貧混凝土基層+整平層；C) 瀝青上面層+瀝青下面層+ATB基層+整平層；D）瀝青上面層+瀝青下面層+半剛性基層+整平層。21基于加速加載設施（ALF）的隧道路面結構性能驗證通過對修建的4種路面結構試驗段的加速加載試驗，對比4種路面結構在一定試驗條件下的使用性能，建立累計交通荷載與路面結構損壞之間的關系。包括：路面結構的整體強度評定建立路面表面彎沉與累計加載次數(shù)的關系；瀝青層與各結構層內(nèi)應變與累計加載次數(shù)的關系；路面結構內(nèi)各層層間位移與累計加載次數(shù)

10、的關系；路面表面車轍與累計加載次數(shù)的關系；路面表面破損與累計加載次數(shù)的關系。22加速加載設備 (Accelerated Loading Facility，簡稱ALF )可用于實際路網(wǎng)中路面結構的試驗，也可以用于特殊修建試驗路路面結構的試驗研究。其特點是通過可控制的試驗軸載對足尺路面結構進行加速加載試驗，模擬實際交通荷載對路面結構的破壞作用，其可移動性能滿足不同自然區(qū)域的試驗研究工作。23線性加載系統(tǒng)，加載帶長12米可控制的試驗軸載從 80kN200kN 以 20kN為 一等級每9秒對路面表面施加一次單向選定的輪載加載速度為 020km/h適用于不同的輪胎類型加載時可設置不同的橫向分布形式。24

11、全天候運行、平均每月可加載軸載20萬次自動控制系統(tǒng)和安全防護裝置移動性實現(xiàn)本地和異地之間的便捷移動寬度：4米（工作狀態(tài)），3.2米（運輸狀態(tài)）高度：5.7米（工作狀態(tài)），4.4米（運輸狀態(tài)）長度：26.3米； 重量：45噸25ALF 的設計始于1983年，1984年由澳大利亞新南威爾士州公路局設計制造交通部公路科學研究所于1986年購置了加速加載設備，并于1990年應用于我國公路路面結構設計研究 經(jīng)過20年的運行，設備進行了不斷的改進和發(fā)展，改造和增加了路面加熱系統(tǒng)、路面表面模擬降雨系統(tǒng)，環(huán)境模擬控制系統(tǒng)、荷載實時測定系統(tǒng)以及包括路表彎沉、車轍，路面結構應力、應變和層間位移在內(nèi)的數(shù)據(jù)采集測定系

12、統(tǒng)。26加速加載試驗的荷載橫向分布型式有寬分布和窄分布兩種標準正態(tài)分布，輪載的分布寬度分別為0.8m和0.5m。還可進行均勻分布、矩形分布和自編程序設定的分布模型。 加速加載試驗軸載橫向分布圖0100200300400500-400-300-200 -1000100200300400橫向分布距離(mm)加載次數(shù)（次）寬分布窄分布27紅外輻射加熱，路面表面溫度控制在70以內(nèi)，路面表面以下5厘米處的溫度為4060 22829當試驗在自然條件下進行，為了對試驗環(huán)境進行監(jiān)測和記錄，在收集當?shù)貧庀筚Y料的基礎上，用自動氣象采集系統(tǒng)全天24小時對氣溫、降水量、風速、氣壓等環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集和記錄。30路面性能路面性能計算分析儀器測量儀器測量31車轍測量彎沉測量3233壓力盒應變計34351.3m0.7m 0.8m 0.8m 0.7m 加載方向 中心線 標記點輪組間距3mSN-A3mSN-B3mSN-C3mSN-D加載測試點位置示意圖車轍36彎沉37 荷載環(huán)境38 溫 度 場39隧道路面養(yǎng)護與改造方案及技術