京沪高速扩建路面结构优化设计及材料应用研究

侯 爵

（江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210004）

我国早期建设的高速公路以双向四车道为主，随着国民经济的发展，交通运营车辆数量与日俱增，原有高速公路的通行能力与快速增长的交通需求之间的矛盾日益突出，对原有高速进行改扩建已成为交通建设发展新常态[1]。当前，我国一大批高速公路已经实施了拓宽改建工程，众多学者对扩建工程中的路面工程关键技术做了一系列研究。曲向进[2]对沈大高速公路现状、病害原因及目前我国旧路改造利用工程中存在的问题进行了评价和分析，扩建方案采用了以两侧拼接为主，单侧分离为辅的组合形式。刘建兰、李海军等人[3-4]以沪宁高速扩建为依托，研究了路面拼接的施工技术，包括老路的处理、基层拼接施工、面层拼接施工等，同时提出了适用于沪宁高速公路重载交通的几种耐久性路面结构。刘甲荣等人[5]针对济青高速改扩建工程建设中路面拼宽遇到的技术难题，创新提出了改扩建路面拼宽结构设计与材料应用、旧路面材料与固体工业废弃物再生利用，以及路面拼宽施工新工艺等一系列新技术。鉴于此，文章以京沪高速公路新沂至江都段扩建工程为依托，充分贯彻全寿命周期设计理念，着重研究了扩建工程路面拼宽技术和旧路面材料再生利用技术。

1 工程概况

京沪高速公路新沂至江都段扩建工程路线起自京沪高速公路苏鲁省界，止于扬州正谊枢纽，路线全长约259.565km。项目现状按《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）中平微区高速公路标准建设，双向四车道，设计速度为120km/h，标准路基宽度为28m[6]。

老路项目于2000年12月建成通车，已运营近20年，有力地带动了沿线经济的全方位发展。随着沿线社会经济的快速发展，京沪高速公路的交通量迅猛增长，高峰时段的服务水平已明显降低，其中淮安以南路段特别是高邮段道路通行状况已基本接近饱和，原双向四车道高速公路服务水平急剧下降。为适应日益增长的交通发展需要，现按“两侧拼接加宽为主，局部分离”的方案将原双向四车道扩建为双向八车道高速公路。拓宽后整体式路基宽度为42m，其中，中间带4.5m（左侧路缘带宽2×0.75m，中央分隔带3.0m）、行车道2×4×3.75m、右侧硬路肩2×3.0m（含右侧路缘带0.5m）、土路肩2×0.75m。

2 京沪高速扩建路面性能提升需求分析及设计原则

2.1 京沪高速扩建路面性能提升需求分析

随着通车年限的不断增加，路基天然地基受力变形，加之路面在车辆的长期荷载及环境变化的循环作用下，出现车辙、开裂、抗滑不足等问题，服务性能下降。鉴于此，改扩建工程中，开展既有路基路面检测评价是制定路基、路面改扩建方案，控制工程规模的重要基础。京沪高速公路路基、路面现状质量对扩建方案的选择有明显的制约作用。

在总结与借鉴国内外对高速公路既有道路分析评价以及高速公路养护分析的基础上，该项目收集了京沪高速公路通车以来的路面破损、平整度、车辙检测数据，针对性开展了京沪高速公路路基路面检测评价，统计了路面破损、平整度和车辙等变化情况，结合京沪高速的养护历史，分析了京沪高速的路面性能发展规律。养护历史表明，京沪高速在运营20年期间，历年都进行了大范围的专项养护，主要专项养护类型为铣刨重铺和罩面，两项占比合计超过70%。老路各项检测数据分析结果显示，车辙和裂缝是其路面主要病害，其中路面车辙在开始4～5年内发展较快，后逐渐趋于稳定，车辙深度不超过8mm。相关研究表明，沥青层剪应力主要集中在4～10cm，对车辙深度影响较大的主要在于中面层模量。路面裂缝方面，现状18～22cm路面在通车初期基本无裂缝，营运3～5年后反射裂缝开始出现，经过数年的稳定发展在9～10年开始加速发展。基于一系列研究成果，路面结构组合优化，同时提升路面材料性能在京沪高速扩建设计时显得尤为重要。

2.2 京沪高速扩建路面拼宽方案设计原则

（1）分车道设计原则。京沪高速公路扩建工程采用双向八车道标准，客货分离的分车道设计理念，考虑不同路况，不同交通量，结合2017版《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017），进行相应路段或车道的路面结构设计。第三、第四车道以大型车为主，第一、第二车道以小型车为主[7]。

（2）既有第一、第二车道路面改造设计原则。①尽可能利用原有路面结构剩余强度，避免大面积和深层次开挖路面结构，降低施工干扰因素；②设计方案既要能解决实际问题，保证路面功能满足要求，并具备较好的耐久性能，同时又要经济合理、施工方便，全寿命周期经济。

（3）拼宽新建第三、第四车道设计原则。①新建第三、第四车道设计寿命期限内需满足京沪高速公路重载交通荷载的承载能力要求。通过对交通量及轴载组成的分析，确定新建第三、第四车道设计交通荷载等级属于特重交通。②新建路面结构层需考虑拼接的需求，考虑新旧路面横向拼接的层位匹配，以及路面结构层内横向排水要求，原则上拼宽部分的沥青层厚度与改造后第一、第二车道沥青层的厚度保持一致。③第三、第四车道及硬路肩上面层厚度与第一、第二车道加铺罩面层的厚度保持一致。④在满足路面功能要求的同时具备较好的经济、耐久性，符合全寿命周期要求。

3 拼宽路面结构优化设计及材料应用

3.1 拼宽路面结构优化设计

（1）路面结构方案比选。既有公路第一、二车道整体路况较好，路面结构承载能力满足要求，仅需进行功能性修复。第一、二车道采用直接加铺和铣刨加铺两种比选方案，再结合第三、第四车道沥青面层采用同层等厚的原则对路面结构层进行综合比选，同时，对于第一、二车道直接加铺面层方案，增加拼宽车道沥青面层不同层等厚的比选方案。

方案一：第一、第二车道加铺4cm SMA-13；对应第三、第四车道铺筑4cm SMA-13+6cm Sup-20+6cm Sup-20+10cm Sup-25=26cm。该方案可充分利用既有路面结构强度，避免损伤既有路面；沥青层相对较厚，有效延缓反射裂缝的产生，提高沥青路面结构使用寿命，充分满足重载条件下沥青路面耐久性使用要求；新老沥青路面同层，结构受力特性保持一致，对基层顶面横向排水有利，纵向拼接效果好；施工时间短，对交通干扰小，容易进行施工组织。但是该方案需要在桥头两侧进行铣刨重铺顺接过渡；初期建设费用高；且资源消耗大。该方案每公里总造价约1335万元。

方案二：第一、第二车道加铺4cm SMA-13；对应第三、第四车道铺筑4cm SMA-13+8cm Sup-20+10cm Sup-25=22cm。该方案可充分利用既有路面结构强度，避免损伤既有路面；纵向拼接效果好；养护间隔周期长；施工时间短，对交通干扰小，容易进行施工组织；资源消耗相对较少，工程造价相对较低。但是存在新老沥青路面不同层，结构受力特性存在一定差异，对基层顶面横向排水不利，需要在桥头两侧进行铣刨重铺顺接过渡等缺点。该方案每公里总造价约1240万元。

方案三：第一、第二车道铣刨重铺4cm SMA-13；对应第三、第四车道铺筑4cm SMA-13+8cm Sup-20+10cm Sup-25=22cm。该方案纵断面高程不抬高，不存在桥梁顺接过渡，纵断面线形好；铣刨料可再生利用，资源消耗少；新老沥青路面同层，结构受力特性保持一致，对基层顶面横向排水有利，纵向拼接效果好。但是此方案对既有路面产生扰动，降低了既有路面性能的利用；增加了既有路面的病害风险，病害处治工程规模不易控制；且增加了施工工序，施工组织相对复杂。该方案每公里总造价约1357万元。

（2）路面结构优化设计。根据京沪高速公路路面设计原则和路面各结构层类型的比选，该项目优选采用了方案一，即既有路面采用直接加铺4cm SMA-13面层的改造方案，拼宽路面采用沥青混凝土路面结构，面层为4cm改性沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA-13）+6cm中粒式改性沥青混合料（Sup-20）+6cm中粒式改性沥青混合料（Sup-20）+10cm粗粒式沥青混合料（Sup-25），基层为38cm水泥稳定碎石，底基层为20cm厂拌冷再生水泥稳定碎石或低剂量水泥稳定碎石，总厚度为84cm。主线一般路段路面结构组合如表1所示。硬路肩路面结构与行车道同厚度同结构。基层顶部设置SBS改性乳化沥青封层，并局部设置聚酯玻纤布作为技术处理措施，以保护基层及防止雨水下渗和可能出现的收缩裂缝向上反射。各沥青面层之间均应洒布SBS改性乳化沥青黏层油。

表1 主线一般路段路面结构组合

3.2 新型路面材料的应用

基于对新型路面材料的调研，高模量沥青混合料和岩沥青混合料在高速公路养护工程和改扩建工程中均有试验性应用，可较好地提高沥青路面抗车辙性能。因此，该项目基于调研基础对高模量沥青混合料和岩沥青混合料进行了试验研究。

（1）高模量沥青混合料。高模量沥青混合料主要通过硬质沥青的高黏度来增加胶结料与集料间的黏结力，配合比设计采用高沥青含量和低空隙率确保矿料形成密实结构，进而增加沥青混合料的强度和高温稳定性，并保证其抗疲劳性能。EME-14高模量沥青混合料与Sup-20（SBS改性沥青）性能对比如表2所示。由表2可以看出，EME-14高模量沥青混合料车辙动稳定度和20℃动态模量均优于Sup-20改性沥青混合料，具有优异的抗车辙性能。

表2 EME-14高模量沥青混合料与Sup-20（SBS改性沥青）性能对比

（2）岩沥青混合料。高灰分岩沥青是指灰分含量达到70%以上的岩沥青，其不仅具有岩沥青的一般特性，而且其中的沥青与灰分通过亿万年的相互作用，形成了较为稳定的作用界面。将其用于沥青混合料，不仅能起到对沥青改性的作用，也能改善沥青胶浆的性能，从而提升沥青混合料的综合性能。岩沥青混合料在江广扩建工程以及养护工程中得到应用。考虑到Sup-20混合料级配对于岩沥青来说较难压实，因此，岩沥青混合料一般采用AC-20级配。不同种类的AC-20混合料高温性能比较如表3所示。由表3可知，使用高灰分岩沥青制备的BRAC-20混合料动稳定度可提高20%～40%，在抗车辙性能方面具有明显的优势。

表3 不同种类的AC-20混合料高温性能比较

根据新材料的研究成果，在项目实施过程中计划通过路面试验段加以验证。

3.3 旧路面材料再生利用

该项目为老路扩建工程，原有沥青面层铣刨后将会产生大量的铣刨料，这些铣刨料如果直接废弃，将会对环境造成极大的污染。同时，江苏省石料资源日益匮乏，如果全部采用远运，将会大幅度增加成本。如果将铣刨料进行加工再利用，既有利于环保，也能节省资源，符合“品质工程、绿色公路”的环保理念，是可持续发展战略在公路建设中的具体体现。因此，有必要在路面结构中采用部分再生混合料结构层。

根据对国内部分高速公路扩建工程再生利用方案的调研，基层混合料再生方式主要以掺加水泥结合料的厂拌冷再生底基层为主，使用情况良好。因此，该项目主线底基层采用了低剂量厂拌冷再生水泥稳定碎石结构，同时，为提高沥青面层铣刨料的再生利用率，厂拌冷再生水泥稳定碎石底基层中掺入一定比例的沥青面层铣刨料。此外，厂拌冷再生水泥稳定碎石还可用在既有路面硬路肩下的路床补强结构中。

结合以上分析，将沥青铣刨料用于乳化沥青厂拌冷再生基层的组合式基层结构与沥青铣刨料、二灰碎石铣刨料用于厂拌冷再生水稳碎石底基层的两种方案进行比较，如表4所示。

通过铣刨料基层再生与铣刨料底基层再生利用方案比选可知，铣刨料厂拌冷再生水稳碎石底基层再生方案有较大的优势。

表4 铣刨料基层再生与铣刨料底基层再生利用方案比选

4 结束语

文章以京沪高速新沂至江都段扩建工程为依托，采用双向八车道标准、客货分离的分车道设计理念，进行相应路段或车道的路面设计。研究成果如下：

（1）通过对不同路面结构进行比选，针对该项目特点推荐了路面最优结构组合，一二车道直接加铺4cm SMA-13，拼宽路面面层铺筑4cm SMA-13+6cm Sup-20+6cm Sup-20+10cm Sup-25=26cm，基层为38cm水泥稳定碎石，底基层为20cm厂拌冷再生水泥稳定碎石或低剂量水泥稳定碎石。

（2）基于调研对高模量沥青混合料和岩沥青混合料进行了试验研究，研究结果表明，两者均可较好地提高沥青路面抗车辙性能，在项目实施过程中将通过试验段加以验证。

（3）贯彻“品质工程、绿色公路”的环保理念，再生利用老路路面铣刨料，应用于厂拌冷再生水稳碎石底基层，实现绿色、可持续发展。