浅谈高速公路隧道水泥混凝土路面刻槽方向

钟少川 潘昊宇 洪灶明

（1．广西交通科学研究院 南宁 530007；2．中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

隧道内是一个相对封闭、空间狭小的管状环境，具有独特的气候环境，温差小、湿度大、空气污染严重、交通噪声大等特点。虽然针对水泥混凝土路面作为隧道路面的利弊有了共识，并通过水泥混凝土路面与沥青混凝土路面不同结构结合的设计方法取得了良好的效果，但是我国目前公路隧道路面特别是中、长隧道的路面主要是水泥混凝土路面，所以存在以下问题：

（1）隧道内为水泥混凝土路面，而隧道外基本又是沥青混凝土路面，这就造成了洞内和洞外2种路面的摩擦系数的巨大差异，即车辆从隧道外驶入隧道内时，由于路面抗滑性能发生巨大差异，对行车的适应性带来巨大影响，从而容易造成车辆侧滑发生事故。

（2）国内隧道基本都存在渗水现象，且隧道处于较为封闭环境，加上路面雨雪经汽车轮胎被带进隧道路面，尤其在隧道中段，与车辆废气、尘埃混合完全沉积在路面上，形成一层较滑的薄膜层，从而使隧道中间段的摩擦系数降低。

（3）在即将出口处，由于光线明亮变化，容易造成驾驶员的心理变化，车辆开始加速，但洞内的水泥路面依然是较低抗滑摩擦性能的情况，从而增加了车辆在隧道出口的事故率。

为了改善隧道水泥混凝土路面抗滑性能和降噪问题，本文对在水泥混凝土路面上刻槽的问题进行探讨分析。

1 水泥混凝土路面刻槽方向

按与行车方向的位置关系，刻槽分为横向、纵向、斜向三类，见图1。由于施工难易的问题，日常较少使用斜向刻槽，所以我们主要关注的横向及纵向刻槽造成的问题。

图1 刻槽方向示意图

为改善水泥混凝土路面抗滑问题，由之前的压槽、拉槽到现在通行的刻槽，刻槽路面的摩擦性能明显高于非刻槽路面，这对于保证轮胎与路面间的接触，提高抗滑性能，降低交通事故效果显著。与此同时随着环保概念的加入，采用横向不等间距纹理、纵向纹理的方式，在保证路面使用品质的情况下，对降低水泥混凝土路面噪声也有重要作用。由于横向等间距刻槽路面的噪声主要是振动作用噪声、空气泵吸噪声以及两者发生频率之间相互干扰产生的，噪声频谱曲线存在明显的间断峰值频率，导致轮胎／路面噪声较大。纵向刻槽路面与横向刻槽路面相比具有较低的轮胎／路面噪声，降噪效果明显［1］。所以目前隧道水泥混凝土路面较为倾向采用纵向刻槽形式。

2 水泥混凝土路面纵向、横向刻槽噪声分析

（1）横向刻槽与纵向刻槽降噪性能比较。①横向刻槽纹理轮胎路面噪声最大，受不同刻槽参数的影响。当车速为80km／h时，轮胎／路面噪声在101～103dB之间；②当车速为100km／h时，轮胎／路面噪声在106～108dB之间。纵向刻槽和露石水泥混凝土路面噪声水平明显低于横向刻槽水泥混凝土路面。在80km／h时，轮胎／路面噪声在99～100dB之间；当车速为100km／h时，轮胎／路面噪声在104～105dB之间［2］。在一定的交通流量下，相比于横向刻槽水泥混凝土路面，纵向刻槽降低噪声2．7～3．9dB。

（2）影响高速公路隧道内噪声的关键因素。统计通过法测试表明：车速为影响轮胎／路面噪声的关键因素，随着车速的增加，轮胎／路面噪声逐渐增加。对于小汽车当达到一定速度（大于40 km／h）时，轮胎／路面噪声占据主导地位，而载重车在40～60km／h范围内车辆动力装置噪声仍占据主导地位。隧道内噪声比隧道外噪声大，隧道中部噪声最大。隧道内噪声持续时间长，不易消散。在隧道内部噪声从90dB衰减到80dB约30s左右，而隧道外部仅需2～3s。隧道越长其噪声越大，持续时间越长。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。在隧道内，噪声对司乘人员影响不大，一是车辆通过隧道时间短，二是车辆通过隧道时可将车窗关闭，可使车内噪声降低，但对人车混合交通隧道的行人和隧道维修养护人员影响较大［3］。高速公路隧道大多处于山岭地区，对于周边环境噪声污染程度较小。

3 刻槽方向对隧道路面抗滑性能影响分析

（1）水泥混凝土路面构造特性。路面构造分为细观构造、宏观构造、大构造和平整度4类。其中对路面抗滑性能影响最为显著的是细观构造和宏观构造2种，见图2。

图2 路面抗滑性示意图

细观构造是指波长小于或等于0．5的构造，水泥混凝土路面的细观构造取决于混凝土摊铺完成后对路面的表面饰面工艺。《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG F30－2003）要求摊铺完毕或者精整平表面后，宜使用支架拖挂1～3层叠合麻布、帆布或棉布，洒水湿润后做拉毛处理，布片接触路面长度以0．7～1．5m为宜，细度模数偏大的粗砂，拖行长度取小值；砂较细，取大值。人工修正表面时，宜使用木抹。用钢抹修正过的光面，必须再拉毛处理，以恢复细观抗滑构造［4］。拉毛处理后构造深度平均提高约10%～20%，摆值提高6%～30%，摩擦系数提高26．7%～43．8%，说明细观构造提供的粘着摩擦力为路面提供最基本的抗滑力，即轮胎与路面之间的附着力，是路面摩擦系数的主要来源。但是由于隧道的特殊条件，细观构造会迅速消失造成路面手感油腻并呈镜面现象，而且当洞内积水致使路面水膜过大就会造成轮胎与路面完全接触区变小出现滑水现象［5］，所以宏观构造使轮胎变形嵌挤提供的滞阻摩擦力对路面抗滑力长期的、稳定的贡献作用更为重要。

（2）不同刻槽方向形成的构造抗滑特性。根据轮胎与刻槽水泥路面接触的具体情况，分析不同刻槽方向时不同的抗滑特性，见图3。

图3 轮胎与刻槽水泥混凝土路面接触放大图

①纵向刻槽。纵向刻槽在纵向（行车方向）是连续的，使路面与轮胎存在犁沟效应而产生纵向摩擦力，但是该效应模型并不能完全适用，主要原因是轮胎不可能完全进入沟槽内形成三面完全接触，而仅仅只与沟槽上两边形成冰刀式的滑行，形成的摩擦力要大大小于模型预想，所以轮胎上同时作用纵向力和横向力时，轮胎与纵向刻槽路面间的摩擦偏向于横向，即纵向刻槽有较好的横向防滑能力。

②横向刻槽。与纵向刻槽相反，横向刻槽在横向上是连续的，纵向上是按一定距离（槽间距）间断分布的。轮胎在横向刻槽路面上滚动时，出现轮胎与横向刻槽的周期性重复碰撞，由此产生的轮胎橡胶变形能量损失转化为摩擦力的一部分。当轮胎上同时作用有纵向力和横向力时，轮胎和路面间的摩擦力方向将主要偏向于纵向，即横向刻槽有较好的纵向抗滑能力。

③对于斜向刻槽而言，轮胎在横向力和纵向力共同作用下，其表面的横向和纵向反作用力都会产生。

4 工程实例分析

某山岭重丘区高速公路隧道全长约2．7km，隧道外为沥青混凝土路面，进、出口段300m采用沥青混凝土面层作为过渡段，内接水泥混凝土路面采用纵向刻槽防滑设计。在开通运行之后的10d内发生了9起交通事故，多发点位于下行隧道的下坡中后段。事故发生的主要原因如下：

（1）隧道所处环境的原因。隧道处于典型喀斯特地貌分布区，所在的区域内地质构造发育强烈，围岩内水系发达，致使隧道内多处渗水；所处山岭区气候湿润，常年水汽凝重，行车通过轮胎将降雨带入洞内。在隧道长度较大的情况下，隧道通风不良造成洞内水汽凝聚在隧道路面上，且纵向刻槽较横向刻槽排水效率低，导致路面湿滑形成抗滑性能降低的极限不利条件。

（2）隧道纵坡及路面类型设计的原因。由于进入隧道后的300m为沥青混凝土路面，其抗滑性能较为良好，车辆在高速行驶过程中驾驶员不会感到车辆失控降低车速，反而由于驶入隧道的心理变化保持甚至提高车速。当行驶至水泥混凝土路面时，由于前期车辆的惯性及处于下坡段，车速过快加之路面湿滑，最终造成事故。所以事故多发于下行线下坡中后段水泥混凝土路面。

（3）水泥混凝土路面刻槽方向的原因。通过前面刻槽方向对路面抗滑性能的影响分析，该隧道内水泥混凝土路面纵向刻槽设计存在不足：

①纵向刻槽的水泥混凝土路面与沥青混凝土路面纵向抗滑性能差异大，在两种类型的路面变化时降低车辆行进方向的行驶制动力，反而更容易使车辆随惯性形成侧滑。

②由于前期车速过快可能导致车辆失控时，纵向刻槽的水泥混凝土路面在湿润的条件下又无法提供足够的刹车制动力。

③作为现行水泥混凝土路面的施工规范及评定标准，对水泥混凝土路面的抗滑性能检测项目仅要求做抗滑构造深度一项，但实际检测构造深度符合规定值的纵向刻槽段落并不代表其抗滑性能一定满足车辆行驶的要求，相反采用横向刻槽的水泥混凝土路面在构造深度较差的情况下，其摩擦系数却能达到较高水平。

④隧道内空间狭小、亮度低、空气潮湿，对施工操作不利，目前隧道内水泥混凝土路面大多采用小型机具施工，隧道内水泥混凝土路面施工水平较一般水泥混凝土路面及桥面铺装要低，无法满足平整度的要求，从而导致刻槽深度不均匀、表面水泥浮浆多导致刻槽后的沟槽破坏在纵向刻槽路面表现更为明显。

综上所述，该隧道路面未达到原先设计纵向刻槽的预期效果，在地质条件、气候环境、线性走向一定的条件下，纵向刻槽路面却成为该隧道事故频发的主要原因之一。

5 不同刻槽方向适用水泥混凝土路面的条件

（1）纵向刻槽由于其良好的降噪性能、行驶导向性能，适用于平缓、围岩渗水不严重或需要防止车辆侧滑的隧道内水泥混凝土路段。

（2）横向刻槽由于路面路拱横坡度的存在，可很好地辅助路面排水，由此降低行车水膜厚度，且能够较好地提高纵向抗滑能力，适用于围岩渗水严重而可能导致洞内积水路段、路面类型变化过渡段、隧道进、出口照明变化段及长下坡路段需要考虑刹车减速路段。

（3）斜向刻槽在曲线弯道路段上应用效果较好，但是由于其不易施工，所以可以采用纵、横向沟槽结合的方式提高抗滑性能，减少高速行车事故发生几率。

6 结语

从国内隧道的交通事故分析可知，发生在隧道的交通事故在隧道的入口、出口及中间段占事故的较大比例。并且目前隧道路面多采用沥青混泥土上面层和水泥混泥土下面层组成的复合式路面，或者采用露石水泥混凝土路面来解决由于洞口内外采用不同结构形式路面附着系数的差异问题，以及洞内采用水泥混泥土路面长期使用后路面附着系数急剧降低的问题。当采用传统水泥混凝土路面时，应在不同的路段采用不同的设计，注意水泥混凝土路面刻槽方向的问题，对于常用的横向与纵向刻槽两者的优缺点应有充分的认识，避免出现一味追求降噪性能及舒适性而忽视抗滑性能，更应注意一种刻槽方式一用到底的设计给隧道内车辆行驶带来的不良影响。应该依据实际道路状况设计刻槽方向，从抗滑安全性、降噪环保性2个方面综合考虑，从而取得良好的综合路面性能。

［1］ 郭知涛．刻槽水泥混凝土路面抗滑降噪特性研究［D］．西安：长安大学，2009．

［2］ 陶志金．水泥混凝土路面轮胎／路面噪声与交通噪声评价方法研究［D］．西安：长安大学，2009．

［3］ 张 瑞，黄晓明，赵永利，等．隧道噪声的调查与分析［J］．公路交通科技，2006，23（10）：29－32．

［4］ JTG F30－2003公路水泥混凝土路面施工技术规范［S］．北京：人民交通出版社，2008．

［5］ 交通部公路科学研究院．低噪声水泥混凝土路面研究［R］．北京：交通部公路科学研究院，2007．