高速公路隧道路面典型结构研究

交通运输部公路科学研究院1背景研究内容技术路线预期成果2隧道建设里程不断增加。改善线形缩短里程克服高差提高行车速度改善运营条件保护生态环境公路隧道建设已由重丘走向深山、由陆域走向水下、由山区走向城市，在交通基础设施的建设中起到越来越重要的作用。32004年以前我国对隧道路面结构和材料的研究比较薄弱,隧道路面大多采用水泥混凝土路面。剥落断板接缝破坏抗滑性能差平整度差噪声大4我国《公路隧道设计规范》（JTGD70—2004）在原《公路隧道设计规范》（TJT026-90）第6章第5节“行车道路面”基础上作较大篇幅的修编。隧道“刚性路面系统包括面层为水泥混凝土路面（含钢纤维混凝土路面、连续配筋混凝土路面）、沥青混合料上面层与水泥混凝土路面（含钢纤维混凝土路面、连续配筋混凝土路面）下面层组成的复合路面两大类型。”“我国隧道内路面系统采用半刚性和柔性路面系统较少，故本规范不推荐使用。但经论证亦可采用半刚性和柔性路面系统”。54cm改性沥青混凝土6cm中粒式改性沥青混凝土24cm水泥混凝土20cm水泥稳定碎石6忻州~阜平方向（特重交通）阜平~忻州方向（重交通）4cmAC-13改性沥青混凝土4cmAC-13改性沥青混凝土6cmAC-20型沥青混凝土6cmAC-20沥青混凝土28cm水泥混凝土26cm水泥混凝土15cm贫混凝土15cm贫混凝土10cm贫混凝土10cm贫混凝土总厚度63cm总厚度61cm74cm温拌OGFC-13（SBS改性沥青）6cm温拌AC-20（SBS改性沥青)改性沥青下封层进口聚酯玻纤布水泥混凝土84cmSBS温拌AC-136cmSBS温拌AC-20水泥混凝土9强度高、稳定性好、耐久性好、耐高温、耐磨耗以及养护费用少。缺陷是脆性大、易开裂、抗温性差，路面板块容易受弯折而产生断裂，养护和修复困难。水泥混凝土表面未刻槽部分细观纹理较差、隧道粉尘油污的附着、长下坡隧道货车洒水降温都容易使得水泥混凝土路面抗滑不足。10充分发挥不同路面材料的特性，扬长避短；高强度的刚性基础提高了路面结构的承载能力，满足重载、超载、大交通量等荷载条件要求；混凝土板的施工技术与质量标准可适当降低，如抗滑、耐磨及平整度等指标，可通过沥青面层来保证；最大限度地利用地方性材料，包括非规格材料和工业废品及副产品，降低工程造价；11沥青面层降低了混凝土板的荷载应力与温度应力(温度梯度)，对车辆冲击荷载起到缓冲作用，并加强了结构的防水作用，减少了雨水对混凝土板的影响；沥青面层改善和提高混凝土路面表面使用品质，满足汽车高速行驶性能要求，并且方便养护维修；不足之处是水泥面板接缝处可能产生反射裂缝，进而影响沥青面层的使用寿命。12沥青混合料级配类型：AC\SMA\OGFC结合料类型：普通沥青结合料、SBS改性沥青结合料、橡胶沥青结料、高模量沥青双层改性越来越多施工温度：传统方式/温拌方式水泥混凝土接缝水泥混凝土（JPCP）钢纤维水泥混凝土(SFCP)连续配筋水泥混凝土（CRCP）13为了使隧道路面结构具有足够的强度(即承载能力)、稳定性(耐久性)和良好的使用性能，以便在行车荷载和自然因素的共同作用下保证公路运输快速、安全、舒适，同时考虑到路面结构在技术上的先进性、经济上的合理性和环境资源上的可持续发展等各种要求，有必要探索比较多种隧道路面结构和材料。14隧道路面文献调研和现场调研隧道路面有其独特的工作环境和使用性能要求。因此，首先需要对现有隧道路面的工作环境和损坏状况进行调查、分析和研究。并通过已有文献资料的调查分析，选择合理的路面结构类型和路面结构材料进行有针对性的分析和研究，并提出具体的实施方案。15隧道路面结构力学分析与设计方法研究在现场调研和文献调研的基础上，对隧道路面结构包括水泥混凝土路面、沥青混凝土路面以及复合式沥青路面在设计中的影响因素进行了全面的分析，建立了隧道路面力学分析模型，并提出了隧道路面的结构设计指标体系以及设计方法。16基于加速加载设施（ALF）的隧道路面结构性能验证在上述调研和理论分析的基础上，选择几种代表性典型隧道路面结构进行加速加载试验，对比不同路面结构的长期性能。17隧道路面养护与改造方案及技术措施参考国内外隧道外道路路面养护修复方面成熟的工程技术经验，分析我国公路隧道路面工作环境和公路隧道路面病害的特点，通过室内试验比较和实际修复工程验证，探索适合于公路隧道路面养护与修复的有效工程技术措施，重点针对隧道路面的预防性养护措施、应急性修补技术措施以及结构性修复技术进行研究。18隧道路面调研文献调研应用现状工作环境结构分析养护决策养护技术设计指标设计方法技术指标设计标准试验段实体工程研究结构设计指南施工工艺指南ALF验证19隧道路面文献调研和现场调研现场调研主要集中在我国东南（如福建省）、西南（如四川省、贵州省、重庆市）、西北（如甘肃省、青海省）高速公路隧道较多的地区。根据气候特征、地质构造、隧道结构选择典型隧道进行调研。调研内容包括：隧道路面的工作环境调查，隧道路面的表面性能调查，现有隧道路面结构与材料类型调查，隧道路面病害调查以及隧道排水系统调查。文献的调研分为三个部分：一是国内外隧道路面的研究发展状况；二是对现有路面材料的调研分析，从而初步确定隧道路面的材料；三是对现有路面设计方法的调研分析，从而选择合理的隧道路面结构设计方法。20隧道路面结构力学分析与设计方法研究主要考虑四种路面结构：A）水泥混凝土面板+贫混凝土基层+整平层；B）沥青上面层+沥青下面层+水泥混凝土板+贫混凝土基层+整平层；C)沥青上面层+沥青下面层+ATB基层+整平层；D）沥青上面层+沥青下面层+半刚性基层+整平层。21基于加速加载设施（ALF）的隧道路面结构性能验证通过对修建的4种路面结构试验段的加速加载试验，对比4种路面结构在一定试验条件下的使用性能，建立累计交通荷载与路面结构损坏之间的关系。包括：★路面结构的整体强度评定—建立路面表面弯沉与累计加载次数的关系；★沥青层与各结构层内应变与累计加载次数的关系；★路面结构内各层层间位移与累计加载次数的关系；★路面表面车辙与累计加载次数的关系；★路面表面破损与累计加载次数的关系。22加速加载设备(AcceleratedLoadingFacility，简称ALF)可用于实际路网中路面结构的试验，也可以用于特殊修建试验路路面结构的试验研究。其特点是通过可控制的试验轴载对足尺路面结构进行加速加载试验，模拟实际交通荷载对路面结构的破坏作用，其可移动性能满足不同自然区域的试验研究工作。23线性加载系统，加载带长12米可控制的试验轴载从80kN~200kN以20kN为一等级每9秒对路面表面施加一次单向选定的轮载加载速度为0~20km/h适用于不同的轮胎类型加载时可设置不同的横向分布形式。24全天候运行、平均每月可加载轴载20万次自动控制系统和安全防护装置移动性－实现本地和异地之间的便捷移动宽度：4米（工作状态），3.2米（运输状态）高度：5.7米（工作状态），4.4米（运输状态）长度：26.3米；重量：45吨25ALF的设计始于1983年，1984年由澳大利亚新南威尔士州公路局设计制造交通部公路科学研究所于1986年购置了加速加载设备，并于1990年应用于我国公路路面结构设计研究经过20年的运行，设备进行了不断的改进和发展，改造和增加了路面加热系统、路面表面模拟降雨系统，环境模拟控制系统、荷载实时测定系统以及包括路表弯沉、车辙，路面结构应力、应变和层间位移在内的数据采集测定系统。26加速加载试验的荷载横向分布型式有宽分布和窄分布两种标准正态分布，轮载的分布宽度分别为0.8m和0.5m。还可进行均匀分布、矩形分布和自编程序设定的分布模型。加速加载试验轴载横向分布图0100200300400500-400-300-200-1000100200300400横向分布距离(mm)加载次数（次）宽分布窄分布27红外辐射加热，路面表面温度控制在70℃以内，路面表面以下5厘米处的温度为40~60℃±2℃2829当试验在自然条件下进行，为了对试验环境进行监测和记录，在收集当地气象资料的基础上，用自动气象采集系统全天24小时对气温、降水量、风速、气压等环境数据进行采集和记录。30路面性能计算分析仪器测量FR31车辙测量弯沉测量3233压力盒应变计3435-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.005.0010.0015.0000.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.8距离（m）变形（mm）1.3m0.7m0.8m0.8m0.7m加载方向中心线标记点轮组间距3mSN-A3mSN-B3mSN-C3mSN-D加载测试点位置示意图车辙36-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-505101500.511.522.533.544.555.566.57距离（m）弯沉（0.01mm）弯沉37加速加载试验轴载横向分布图0100200300400500-400-300-200-1000100200300400横向分布距离(mm)加载次数（次）宽分布窄分布荷载环境38温度场39隧道路面养护与改造方案及技术措施主要考虑隧道路面养护修补材料和技术措施的因素，以及方案决策的定性化分析。主要研究内容如下：A、隧道路面工作环境以及养护修复特点；B、隧道路面病害类型、破损模式及成因分析；C、隧道路面养护与修复技术措施；D、隧道路面养护与修复方案决策。40《高速公路隧道路面典型结构研究》研究报告；《加速加载系统作用下的隧道路面使用性能研究》研究报告；《高速公路隧道结构设计指南》；《高速公路隧道路面施工工艺指南》。4142