长寿命路面结构在有轨电车与道路交叉口病害修复中应用研究

魏邦贵，殷岭，沈文豪

（1.苏州中恒通路桥股份有限公司；江苏省城市基础设施绿色建造工程技术研究中心，江苏 苏州215000；2.苏州市高新工程建设管理有限公司，江苏 苏州 215000；3.苏州高新有轨电车集团有限公司，江苏 苏州 215000）

在公共交通领域，现代有轨电车以其建设投资低、环保绿色等优势，深受一些不具备地铁建设条件的大中城市青睐［1]。现代有轨电车以地面线路为主，路权形式普遍采用混合路权。其与城镇道路的交叉口、共线段等部位的路面结构大部分都采用沥青路面结构类型。一是使得有轨电车交叉口轨行区路面与周边道路的外观协调一致，二是可以提高机动车、非机动车通过交叉口的行车舒适性。

苏州时候国内较早进行有轨电车建设、运营的地区之一，已通车的有轨电车1号线、2号线与公路、城镇道路的平交口都是采用沥青路面结构，典型的路面结构见图1。

有轨电车交叉口开放交通以后，在有轨电车和社会车辆双向荷载作用下，平交口范围内的沥青路面短期内就出现龟裂、坑槽、拥包等病害，特别是在重载交通流量大的国省道主干线交叉口，坑槽现象更严重，对社会车辆、非机动车的安全通行非常不利，同时坑坑洼洼的路面对城市形象有所损害，典型的交叉口病害见图2、图3。

针对上述病害，采用常规的维修养护，通常1-3个月后又出现同样的问题，反反复复维修产生大量的粉尘、建筑垃圾等污染物，不利于环境保护，造成资源浪费，也会导致周边居民投诉增多，不符合现代城市管理理念。

因此，苏州中恒通路桥股份有限公司作为江苏省城市基础设施绿色建造工程技术研究中心承担单位，联合苏州高新有轨电车集团有限公司成立专项课题研究小组，共同承担了苏州市科技局2018年民生科技项目《有轨电车钢轨与路面衔接部位病害处治绿色施工关键技术研究》 （项目编号SS201824），对有轨电车交叉口路面结构进行力学分析研究、交通流量调查、长寿命路面结构类型选用与工程实践等方面开展研究，同时研究基于有轨电车夜间停运窗口期（夜间23：30～次日3：30）短时间内快速施工的安全措施。

1 国内外有轨电车交叉口现状调查

课题组通过网络检索和实地调查等多种方式，对国内外的有轨电车交叉口路面结构形式、运营状况等进行了分析研究。

法国、捷克、日本等国家的有轨电车上下行轨道之间及轨道外侧一定范围内采用道板砖或石材的形式进行铺装，然后再与沥青混凝土路面相连接，也是采取更换道板砖或石材的方式进行修补。但是，这种有轨电车交叉口钢轨与路面衔接部位的路面结构不适用于国内的重载甚至超载交通流量，不符合“绿色、舒适、高品质”的城市建设理念。

澳大利亚是本课题组进行实地调查研究的国家之一。通过对悉尼和阿德莱德的实地调查，两城市的有轨电车与道路交叉口路面结构采用高模量沥青路面，紧邻钢轨边上采用刚性材料处理，效果较为显著，值得借鉴。

在国内，课题组实地调查了北京、上海、广州、深圳、南京、大连、淮安等城市的有轨电车交叉口和共线段的路面结构形式和运营状况。结果表明，国内大部分城市为了使得有轨电车交叉口路面结构与周围道路路面结构外观色泽一致，都采用沥青路面结构。钢轨与路面衔接部位都不同程度的出现啃边、开裂、松散等质量通病。

综上所述，国内在根治有轨电车和道路交叉口沥青路面质量通病方面存在技术空白。

2 有轨电车交叉口路面结构受力分析

通过对有轨电车与城镇道路交叉口轨行区路面结构进行荷载分析，此范围的路面结构沿钢轨纵向要承受有轨电车行驶时产生的振动荷载及可能产生的共振作用力，垂直于钢轨方向需要承受社会车辆动荷载、剪切应力。由于气温变化，路面结构本身在热胀冷缩的条件下产生应力应变。由于钢轨的热胀冷缩系数比水泥混凝土、沥青混凝土的都大的多，因此，与钢轨紧密衔接部位的路面结构材料由于热胀冷缩系数不一致易导致开裂。

在有限元软件ABAQUS中建立模型三维实体有限元模型，在分析填充材料线性本构模型时，轨道两侧路面结构汽车轮压荷载按照轴重换算为262.5kPa的作用力。

由计算云图可知，有轨电车交叉口路面结构主要的破坏应力是垂直于钢轨方向的汽车加速、减速产生的水平剪应力，钢轨最大应力为3.26MPa，弹缩体应力为0.485MPa且在路表面4-5cm以内应力最大，随着深度逐渐递减，钢轨左侧弹缩体顶部接触面积小，局部应力集中效应明显，是造成轨道边缘沥青路面啃边、剥离、坑槽等破坏的主要原因。有轨电车的荷载作用主要在钢轨上，对轨行区路面影响较小，可忽略不计。

3 有轨电车交叉口刚性路面结构设计研究

由前述可知，有轨电车与城镇道路交叉口路面结构的受力情况较为复杂。因此，在交叉口路面结构设计时既要考虑按重载交通下的水泥混凝土路面的荷载组合进行路面结构设计，同时也要考虑有轨电车动荷载的验算、不同热胀冷缩系数材料之间产生应力破坏的验算。

本项目是既有有轨电车和城镇道路交叉口路面结构的维修处治，在结构设计上比正常新建稍有难度。课题组根据被交道路的交通等级，不扰动有轨电车路床、轨枕基础为前提，设计了两种刚性结构方案进行现场试验路比较。

方案一：当BZZ-100累计标准轴次Ne小于1.2×107次/车道、大客车及中型以上各种货车交通小于1500辆/（d·车道）时，设计为单层钢筋骨架钢纤维混凝土结构。

方案二：当BZZ-100累计标准轴次Ne大于1.2×107次/车道、大客车及中型以上各种货车交通大于1500辆/（d·车道）时，设计为双层钢筋骨架钢纤维混凝土结构。

3.1 单层钢筋骨架钢纤维混凝土结构

根据课题组在有轨2号线和金沙江路交叉口交通流量调查，此交叉口的BZZ-100累计标准轴次Ne为9000次/车道，大客车主要为公交车约500辆/（d·车道），属于轻交通，故选择方案一。具体试验方案如下：

1）先将有轨电车上下行钢轨范围内的原有12cm厚的沥青路面挖除，然后植筋、绑扎单层网片、浇筑C40钢纤维混凝土。

2）植筋采用用φ16的HRB400钢筋弯曲成倒U字型，用冲击钻打孔进行植筋。实践表明，倒U字型钢筋植筋工艺存在人工钻孔垂直精度、横向偏位精度难以控制，U字型钢筋难以对准植筋孔，最终导致植筋深度达不到预设的8cm以上。后期采用竖向植筋，横向钢筋点焊到竖向钢筋上。

3）横向筋设置：垂直于钢轨方向，距离钢轨5cm。选用HRB400螺纹钢筋，钢筋直径φ16。植入道床钢筋砼板8cm。间距15cm。

4）纵向筋设置：平行于钢轨方向，选用HRB400螺纹钢筋，钢筋直径φ12，间距12.8cm。纵筋沿板长方向连续布设，其搭接长度至少0.5m，见图7、图8。

因该方案施工时有轨电车2号线未开放交通运营，从原路面凿除、清运、钢筋绑扎到混凝土浇筑，干扰因素较少，试验路的施工过程较为顺利。

施工结束后，课题组定期进行外观观测，该交叉口车流量不大，但是一年后试验路垂直于钢轨方向出现横向裂纹，个别也有平行于钢轨方向的纵向裂纹。

经分析，造成这种裂纹的主要原因是：①钢纤维混凝土路面结构层厚度只有12cm左右，中间只有一层钢筋网片；②钢纤维混凝土的强度等级较高，钢纤维拌和不均匀，夏季高温季节施工。

3.2 双层钢筋骨架现浇钢纤维混凝土结构

课题组在有轨1号线和S230省道交叉口交通流量调查，此交叉口的BZZ-100累计标准轴次Ne为1.253×107次/车道，大客车及中型以上货车约2860辆/（d□车道），且有超载车辆通行，属于重载交通，故选择方案二即双层钢筋骨架钢纤维混凝土结构。具体的做法为：

1）处理范围：垂直于轨道方向，自有轨电车上下行线最外侧钢轨3.5m范围内（含轨道间、上下行线之间）全部凿除进行刚性结构处理。平行于轨道方向，自两侧的人行道斑马线为起讫点。

2）将需要处理的范围分为两部分，一半全封闭围挡施工，另一半保证社会车辆通行。为保证混凝土路面板厚大于20cm，将12cm厚的沥青路面和10cm水泥混凝土底板全部凿除，见图6。

3）植筋采用φ16的HRB400钢筋，深度8cm，外露15cm，植筋间距纵横方向均为20cm*20cm，局部加密。

4）垂直钢轨方向横向钢筋布设：采用φ16的HRB400钢筋，两侧距钢轨边缘各为4-5cm，竖直方向第一层距混凝土底面5cm，第二层距顶面5cm，横向钢筋和植入的竖向钢筋采用点焊连接。

5）为加强对钢轨及钢轨边缘混凝土的保护，本方案在钢轨两侧加设类似于桥梁型钢伸缩缝的结构。该结构先在距钢轨10cm、30cm 处沿钢轨侧植筋，植筋钢筋为φ16的HRB400钢筋。然后纵向将φ16的HRB400钢筋点焊到已植好的竖向钢筋上，靠钢轨侧纵向筋为双层，横截面呈直角梯形。再讲C80型钢焊接到梯形钢筋骨架上，C80型钢与钢轨平齐，平面误差控制在2mm以内，距钢轨4cm±5mm，施工后的成品见图9。

6）沿钢轨方向布置纵向钢筋布设，采用φ12的HRB400钢筋，两层均放置在横向钢筋下面，保证混凝土的保护层厚度大于4cm。绑扎完工后的双层钢筋骨架结构见图10。

7）钢筋布设完成后，浇筑C35钢纤维混凝土，养生至少14天，待混凝土强度达到设计值的90%以上后方可开放交通。

4 钢纤维混凝土材料配方研究与性能测试

为保证维修处治后的路面结构使用寿命较常规沥青路面大幅提高，并尽可能减少混凝土干缩裂缝产生，课题组按照不同抗压强度等级、不同钢纤维掺量、不同水胶比、不同砂率几个方面进行正交试验，钢纤维采用波纹型短纤维，纤维长度5cm 左右，见图11。水泥采用浙江湖州南方建材P.O42.5水泥，集料采用浙江长兴石灰岩连续级配集料，见图12。

通过混凝土抗弯拉强度的高低选择适宜的混凝土强度等级、钢纤维掺量、水胶比和砂率等参数。有关试验结果见表1。

表1 不同抗压强度、钢纤维掺量、水胶比、砂率的混凝土试验结果

从表1可以得出结论，随着钢纤维掺量的增加、水胶比减小，混凝土的抗压强度和抗折强度都有不同程度的提高，砂率对混凝土强度影响较小。

本项目方案一采用C40标号的钢纤维混凝土，钢纤维掺配比例：50kg/m3，混凝土水胶比：0.45，砂率35.3%。试验段施工恰逢高温天气，尽管采取避开中午高温时间段，确保气温在30℃以下时间段施工，但是后期对该路段混凝土表面观测结果来看，收缩裂缝仍然较多。

根据方案一混凝土裂缝较多的情况，方案二采用C35钢纤维混凝土，钢纤维掺配比例50kg/m3，混凝土水胶比选用0.39，砂率40.5%。施工时间安排在10月～11月平均气温20±5℃的秋季。

第三方检测机构试验表明，混凝土28天抗压强度达到44.7MPa，28天抗折强度达到5.0MPa，达到课题组预期设定的技术指标要求。

方案二试验段经过一年的通车运营，未发生断板或密集裂缝，大大减少了该交叉口的养护维修频次，参见图13、图14。

5 利用有轨电车夜间停运窗口期的快速施工组织管理研究

对于新建有轨电车与城镇道路的交叉口路面结构施工按照正常的工艺流程即可完成。但是，对于已经通车运营的有轨电车，在保证电车运营不停止、社会车辆交通不中断的施工工况下进行交叉口的改造维修，施工难度非常大。

在苏州高新有轨电车集团有限公司统一协调下，课题组和有轨电车建设管理部门、运营部门、养护维修部门通力协作，制定详细的施工方案。由于该试验段的S230省道交叉路口的部分产权属于苏州市公路运管处，在编制施工方案时还要报请运管处、交警中队等相关管理部门审批。

本项目施工最关键的还是确保有轨电车安全准点运营的前提下，利用有轨电车夜间停止运营的窗口期即23：30～次日3：30共计4个小时进行老路挖除、植筋、钢筋绑扎、混凝土浇筑等全部工艺流程的施工作业。

因此，课题组研究制定了“白天充分准备、提前1小时场外等候、电车一停立即开工、提前30分钟收工、工完场清三方检查”的制度。

在施工工艺流程方面，课题组制定了“挖除一段、清运一段、植筋一段、钢筋绑扎完成一段、浇筑一段”的流水作业方案，确保每个工序在3小时内完成，提前30分钟将现场的人员、机械设备、建筑材料全部撤出现场，经课题组、有轨电车建设方、有轨电车运营管理方三方验收，确保无任何影响电车运行安全的危险源之后方可撤离施工现场。同时，课题组安排2名专职安全人员在非施工时间段指挥社会车辆按序通行。

经过方案二试验段的工程实践，严格按施工方案组织施工，并进行多方交叉检查，安全管理、质量管理都得到了有效保证。

6 结语

现阶段大部分有轨电车与城镇道路交叉口采用沥青路面结构难以保证路面不开裂、不出现坑槽等质量通病。对于已出现的坑槽等病害，采用一般的沥青路面修补方法不能从根本上解决问题。必须因地制宜，根据被交道路的等级、交通流量选择合适的维修方案。双层钢筋骨架钢纤维混凝土结构是一种长寿命路面结构，可以有效解决有轨电车与城镇道路交叉口路面结构的质量通病。

但是在社会交通不中断、电车不停运的条件下，施工双层钢筋骨架钢纤维混凝土结构需要特别注意施工安全，应该严格执行施工方案，并实行“施工、建设、运营”三方安全检查制度