南宁至北海高速公路路面改建方案探讨

易宗石，张红日

(广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



南宁至北海高速公路路面改建方案探讨

易宗石，张红日

(广西交通科学研究院，广西南宁530007)

文章以南宁至北海高速公路旧水泥路面工程为例，针对该路路线方案、路面改建方案、旧路病害处治等方面存在的问题进行了分析，并提出了相应的解决方案，有效提高了旧路的通行能力和服务水平，为今后的路面改建项目提供参考经验。

高速公路；改建；路面；加铺；病害

0　引言

南宁至北海高速公路是兰海高速公路的重要组成部分，于1996年开工建设，1998年12月8日建成通车，全线设计行车速度120 km/h，南宁至钦州(磨刀水互通)段为双向6车道，钦州至北海为双向4车道。通车十余年来，作为西南地区通往广东沿海地区的主要通道，交通量日益增大，尤其是拖挂车和集装箱车等重载交通车型的逐渐增多，对原有公路的不利影响也逐步显现出来，由于地区发展速度远远超出建设时期的预测，因而使得原有的旧水泥路面出现了刚性路面的常见病害，如错台、断板、板底脱空等，严重影响了行车安全，降低了通行能力和服务水平，从而影响到西南地区的经济发展，因此南宁至北海高速公路改建成为急需解决的重要问题。

2013年，广西交通科学研究院作为中标单位对钦州至北海段开始勘察设计，设计任务包含主线钦州至石湾互通和北海支线石湾互通至合浦收费站。作为旧路改建项目，以可持续发展为出发点，减少资源浪费，合理利用现有的公路资源，以提高旧路的通行能力和服务水平为目标，本文主要论述了在项目实施过程中如何确定路线方案；在确定采用路面大修的方案后论证了具有经济合理和良好的路用性能的路面加铺结构；最后着重论述了提高加铺层使用寿命的旧路处治方案。

1　路线方案

1.1平面方案

由于本项目所处地区的地形较为平缓，大部分路段是填方路段，全线的平纵面指标能达到规范要求的120 km/h标准，因此从合理利用土地资源和现有公路资源为出发点，本项目的路线方案确定采用原旧路方案，不对路线的走向和平面指标进行调整，即完全采用原旧路的路线。

1.2路线测量

新建高速公路的设计标高通常是指中间带的路缘带标高，但是本项目是正在运营的旧高速公路，无法测量到路中线两侧路缘带的地面标高，为了解决这一难题，外业测量时采取测量上下行线两侧行车道边缘标高，然后根据横坡反算路中心标高。但是由于本项目已建成通车近20年，路基路面均产生了不同程度的变形，因此反算出来的标高只能是理论标高，可以直接体现的仍只是纵断面曲线，这对于调整局部路面凹陷已经足够。

1.3纵段面

本项目主要解决的是行车安全舒适和通行水平的问题，项目所在地地形较好，属于平原微丘区，全线的路线平纵面指标较好，均能达到规范要求，自项目开始运营以来，路基已基本处于稳定状态，因此没有对平纵面进行重大调整，仅仅从行车安全舒适和通行能力的角度出发，致力于提升现有公路的服务水平。

通过施工图外业测量发现，全线的纵断面发生了不同程度的变形，但没有出现重大变形，没有对行车的安全和舒适度产生较大影响，仅在局部的路段发生了小的沉陷，长度不超过百米，因此可以判断路基本身并没有出现大的病害，通过纬地设计软件对纵断面进行拟合后，可以得出局部路段的下陷深度，采用加铺路面结构的下面层对下沉区域进行调平处理，消除高速行车时的跳车现象，其余路段则采用各结构层等厚度加铺。如要使得全线的纵断面均能达到规范要求的平顺度，则会产生两个问题：(1)加铺结构层须要分多层加铺，否则不能消除现有水泥路面产生的轻微变形；(2)须要增加加铺层厚度，这势必会增加不必要的造价，造成资源浪费。而这些轻微变形并没有对行车产生不良反应，尤其是在加铺沥青面层以后，整个路面的平顺度可以得到更大的改善，在设计时速下行驶时乘客的感官感应不出这些变形所造成的影响，因此并不对纵断面提出过于严格的要求，仅对影响到行车安全和舒适性的地方进行局部处置。

1.4总体方案

既然全线的平纵面均采用原旧路，那么总体方案就可以简述为对南宁至北海高速公路进行路面大修。采用何种路面大修方案既能避免不必要的浪费又能提高旧路的通行能力和服务水平就成为了关键点。

2　路面改建方案

2.1路面调查

由于是在保证高速公路正常运营的情况下进行外业勘察，因此不能全线封闭交通进行详细的旧路病害调查，为了得到旧路病害处治工程量，采用车载智能路面自动检测系统对全线进行检测分析，得出各路段每百米及每公里路面损坏状况指数(CPI)，分为优良中次四级，然后选取典型病害路段(单幅4 km，上下行线各2 km)临时封闭交通进行详细调查，统计旧路病害数量，将各种病害的百分比对应至PCI等级，就可以得出各PCI等级相应的旧路病害数量，从而计算出全线各路段的旧路处治工程量。旧路病害处治中最主要的分项工程在于更换破碎板，根据检测结果计算得出全线的面板断板率约为17%。

2.2路面改建方案的确定

路面改建方案的论证主要是根据旧路的现状，选取经济合理技术可行的改建方案。美国沥青协会的弯沉法提出，在旧水泥混凝土面板上铺筑沥青加铺层，可以降低旧面层接缝或裂缝处的弯沉量，1 cm厚的密级配沥青混凝土加铺层约可降低2%的弯沉量(最高可达4%～5%)，当需要降低的弯沉量过大(超过50%)时，采用厚加铺层是不经济的。国内目前还没有明确的针对旧水泥路面改造的指导性意见，主要还是依靠各地区的工程经验，根据不同地区的工程条件和交通量水平等因素选择合理的方案。

旧水泥路面改建主要有两大类方案，即加铺水泥混凝土加铺层和加铺沥青混凝土加铺层，此外还有破除原有路面结构并新建路面。经过外业勘测发现，本项目旧路面板断板率约为17%，为了降低造价避免造成不必要的浪费和响应绿色环保可持续发展，在设计初期，为了使旧路能够更好地延迟使用寿命，我们提高了对旧路检测的要求，评定板角弯沉差>0.06 mm的水泥面板即属于需要进行稳固的范围，然而检测结果表面仅有约30%的板块在此范围内，而对于需要进行破碎挖除的弯沉差>0.14 mm的板块，数量<1%，据此可以判断旧路水泥面板大部分处于稳固状态，且本项目旧路面板断板率较低，因此否定了破除旧路面并新建路面的方案。而水泥路面错台造成的跳车现象和较大噪音对行车舒适度极为不利，刚性路面上部加铺刚性路面随着时间的推移仍然避免不了出现刚性路面的常见病害，而刚性路面上加铺柔性路面却能很好地发挥两者之间的优良性能，既能增加行车舒适度又能延长路面的使用年限，全寿命周期的成本相对较低，这种方法不仅能修复、提高路面的承载能力，消除原有接缝处易产生唧泥、断裂、脱空等多种病害的不利影响，同时也能有效提高路面平整度和抗滑能力，从而改善路用性能，提高路面服务水平。广西区内对此已经做了十余年的试验，参照柳南高速和坛百高速的改建经验，综合考虑各影响因素后，本项目采用了对旧路面进行病害处治后加铺沥青混凝土面层的方案。

2.3路面加铺厚度的确定

根据工可报告中的交通量预测，旧路已使用了13年，剩余设计基准期17年，设计轴载采用标准轴载100 kN，经现场钻芯取样发现旧混凝土面层平均厚度为240 mm，设计过程中采用HPDS路面计算软件计算得到旧路面剩余设计基准期内设计车道上设计轴载累计作用次数为1.301 158E+08，对照《公路水泥混凝土路面设计规范》表3.0.7得到路面承受的交通荷载等级属于特重交通荷载等级，经HPDS计算得出满足路面结构极限状态要求的沥青混凝土加铺层设计厚度为100 mm。对于沥青加铺层厚度，国内外均没有规范给出具体的规定，主要是根据各地区的工程经验确定，《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)8.6.4中仅仅给出指导性规定，即“沥青加铺层厚度应兼顾混合料的公称最大粒径相匹配和减缓反射裂缝的要求确定，高速公路和一级公路的最小厚度宜为100 mm，其他等级公路的最小厚度宜为80 mm”。反射裂缝是“白+黑”路面常见的病害，而增加加铺层厚度是延缓反射裂缝出现的主要手段之一，但是太厚的路面结构势必会增加造价，造成资源浪费。因此，本项目主要依靠各地区的工程经验，与本项目处于同一线路的柳南高速公路采用的加铺层厚度为13.5 cm，根据广西交通科学院每年对柳南高速公路加铺后的检测发现，反射裂缝的出现时间均较晚，数量不超过十分之一，考虑本项目所处沿海地区的长日照、多雨水、强辐射、高气温等不利气候条件，以及沿海地区雨热同季、出海货运重载等综合因素，最终设计采用了15 cm厚的路面结构。

2.4路面加铺结构的确定

反射裂缝是加铺层常见的病害，为了延缓反射裂缝的出现，国内外常见的措施是设置应力吸收层、增加加铺层厚度和采用大粒径沥青碎石做下面层。已经通车近10年的柳南高速公路采用的路面结构为：4 cm SMA-13型SBS改性沥青混凝土表面层+8 cm AC-25(改进型)SBS改性沥青混凝土下面层+1.5 cm AC-5型SBS改性沥青混凝土调平层。柳南高速公路与本项目主线处于同一路线，它的成功实施对本项目具有一定的参考价值，但是两个项目所处区域不同，地质、气候、交通等条件存在差异，因此不能照搬柳南高速的路面结构，只能将各种因素进行综合分析，最后决定在旧水泥路面上设置3 cm厚SMA-10改性沥青混凝土防反射裂缝应力吸收层。为了形成良好的行车效果，采用了常见的4 cm厚SMA-13改性沥青混凝土做上面层，它能够有效降低行车噪音，提高路面表面的平整度和平顺度，降低白天行车的反光度，同时也可以很好地反映晚上行车的道路轮廓。对于下面层的设计，主要考虑到结构层的高温稳定性，根据广西区内的经验，车辙一般在通车后两个夏季时间出现，只要能抵抗住两个雨热同季的考验，车辙现象就可以减少到最低，设计采用8 cm厚AC-20C改性沥青混凝土做下面层，因为较粗的混合料能达到抵抗车辙和延缓反射裂缝的效果。

2.5特殊部位路面结构

根据对柳南高速公路通车后的观察发现，部分桥梁两端的加铺层出现破损的重复率较高，分析后认为这是因为在改建的过程中没有对全线重新进行路线纵断面设计，而一般路基路段的加铺结构层厚度是13.5 cm，桥梁的加铺层厚度是5 cm，在桥梁两端就出现了高程差，因此在桥头位置需要进行局部调坡处理，沥青路面摊铺时存在松铺系数。AC类沥青混合料的松铺系数在1.2～1.25之间，如果简单地进行混合料摊铺，那么很难在桥头位置处得到平顺的过渡，在加铺层越厚的位置也就是远离桥头一侧，进行压实后标高下降越大，那么势必会产生纵面标高的突然下降，也就是出现了类似反抛物线的纵断面线形，高速行车时在桥头会产生失重现象，而在桥尾处会产生跳车现象，严重时会出现车辆紧急制动，这不但影响到行车安全，还会对桥梁产生附加荷载和纵向水平制动力，对结构安全也会造成不利影响，因此必须对桥梁两端的路面过渡给予足够的重视。本项目路基路段加铺层厚度为15 cm，桥梁加铺层厚度为5 cm，因此对桥梁前后的过渡部位，进行了专门的设计，要保证表面的平顺，就要为上面层4 cm厚SMA-13一次成型提供条件，因此在加铺层的下部要完成从11 cm至1 cm的过渡。然而AC-20C的适应摊铺厚度为5～10 cm，SMA-13的适应加铺厚度为3～6 cm，因此决定在11 cm至6 cm的范围内采用AC-20C进行调平，其余则采用SMA-13进行调平。在加铺沥青面层之前，首先要测量桥梁前后路段旧路面标高，然后对桥梁两端的旧水泥路面进行2 cm厚度的精铣刨，施工过程中采用分层多次摊铺找平的方法，逐渐消除沥青混凝土压实后的标高变化，使纵面标高的变化趋于平顺，提高行车安全。

3　旧路病害处治

要提高加铺层的使用寿命，加铺层结构本身是非常重要的，但是也不能忽略对旧路处治的重视，因为旧水泥混凝土路面在经过10余年的使用后，由于路基变形、路面结构受损、不利的地质水文条件、重载车辆荷载等不利因素的作用，其本身已处于不完全稳定的状态，如果直接在现有的混凝土路面上进行路面加铺，势必会造成加铺层处于不利的受力状态，从而导致早期破坏的出现。旧水泥路面的病害处治主要有更换破碎板块、板底脱空灌浆、打磨错台、更换失效的缩缝材料等，对旧路病害进行处治的根本原因是为了延缓或减少加铺层反射裂缝的出现，提高加铺层的使用寿命。沥青加铺层出现反射裂缝无非是旧水泥面板出现了开裂位移或缩缝出现了损坏造成的，而与之有关的最主要问题就在于更换旧路破碎板时如何保持原有面板的缩缝不至于被损伤或扩缝，因为不规则的缩缝会加重应力集中，加快反射裂缝的出现，因此如何在不损伤临近板块和缩缝的情况下更换破碎板是旧路处治过程中尤其重要的问题。

水泥面板的破除采用的机械是挖土机换装破碎锤，在破碎面板和装车的过程中，现场出现机械对临近面板、路面基层产生了不同程度的损伤，表现为基层被锤头击碎，临近板块被挤压破裂等，经观察分析发现，其原因为：锤头破碎深度过大，锤头击中二灰基层，将基层锤击破碎；装运时挖斗没有安装平铲，铲斗对基层造成齿状条形划伤；破碎面板前没有对面板进行切割，破碎锤锤击面板时应力不能及时分散，对临近板块造成挤压；部分旧的面板横缝之间存在直径28 mm的传力杆，破碎之前没有切断，破碎临近板缝的混凝土块时对临近板块的连接部位造成损伤。这些问题如果得不到解决，那么在加铺沥青层后将会首先在这些部位出现反射裂缝。为解决这一问题，除了减少锤击深度和安装平铲之外，最主要的是对面板进行切割，采取的具体措施为破板时采用回字形“两刀切板法”。在切板时，先沿板边四周缩缝切割，然后对板块四周距板边缘10～15 cm处进行二次切割，即将水泥面板切割成“回”字，切割深度要达基层，即破板前用切割机把所破板块与周围板块分割开，尽量减少所破板块对周围板块的影响。在所破板块中间按“井字”图形再切四刀，切割深度达到基层，破板机械从中间向四周破碎，减少破板对基层的破坏。

4　结语

目前南宁至北海高速公路路面改建工程已经施工完成，并且顺利通过广西壮族自治区交通运输厅以及广西壮族自治区质监站等多个部门组成的专家组验收，已顺利通车。通车一年来，沥青加铺层顺利经受住了第一个夏季的考验，目前没有出现任何一处的车辙，也没有任何水损坏的表现，路面结构稳定，表面情况完好，行车的舒适性和安全性得到了大幅度提升，提高了旧路的服务水平，有效促进了北部湾地区及周边城市的经济发展，给周边省份提供了一条快速的出海通道。

[1]JTG D50-2006，公路沥青路面设计规范[S].

[2]JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[3]JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[4]陈栓发，杨斌.水泥混凝土路面沥青加铺层设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5]李嘉.旧水泥混凝土路面加铺罩面层设计[J].中南公路工程，1995(3)：7-11，12.

Discussions on Pavement Reconstruction Program of Nanning-Beihai Expressway

YI Zong-shi，ZHANG Hong-ri

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

With the old cement pavement project of Nanning-Beihai Expressway as the example，this ar-ticle analyzed the problems existing in this road route plan，pavement reconstruction program，and old road disease treatment etc.，and proposed the corresponding solutions，which effectively improved traf-fic capacity and service levels of old road，thereby providing the reference experience for future pave-ment reconstruction project.

Expressway；Reconstruction；Pavement；Overlay；Disease

2016-05-20

U418.8

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.005

1673-4874(2016)06-0016-04

易宗石(1988—)，工程师，研究方向：路基路面设计、旧路路面处治及施工现场方案；

张红日(1983—)，博士研究生，注册土木(岩土)工程师，研究方向：地质路基研究与勘察设计。

广西科学研究与技术开发计划项目(桂科攻1598009-4)；广西交通科学研究院科技项目(KJ2014-014)