唐旻、欧阳路明
(江西省赣南公路勘察设计院,江西赣州341000)
在公路路面结构设计阶段,分车道设计方法是一种常用的方法,主要是将路面结构划分为多种行车道。在分车道设计的阶段中,要考虑到车辆通行的安全性及舒适性,所以要综合实际情况对设计方法进行优化,才能够达到设计效果。
当前,我国的沥青路面设计以国家发布的标准为准则,其设计中应用的是双圆垂直均匀荷载作用下的多层弹性连续理论,以保证沥青路面结构的性能符合要求,满足交通运行的标准。为了保证沥青路面结构的总变形处于合理的范围,避免发生沉降、车辙等严重的结构损坏问题,在设计中需要进行弯沉设计指标的控制。在路基路面结构的表面上,应用双圆均匀荷载作用下轮隙中心位置的实际完成值为Ld,将其作为沥青结构厚度设计的根据,即L≤Ld;为了有效预防沥青混凝土或者半刚性基层、底层结构发生疲劳开裂的问题,在实际设计中要进行拉应力参数的设计确定,沥青混凝土面或半刚性基层材料底面计算点的拉应力6m,需要小于或等于整个结构层的容许拉应力参数6R,即6m≤6R。
对于建成并投入运营的高速公路路面来说,不同结构层之间的组合形式差异比较明显,不同单位设计的相同道路结构也存在很大不同。比如,设计方案中选择使用的路面结构或者材料方面有差异,表面选择应用的沥青混凝土密实度有差异,或者表面选择应用的是多碎石沥青混凝土材料,而底面层结构施工材料则为沥青碎石和沥青混凝土等;表面结构的厚度相差很大,在10~20cm 之间,最大可以达到32cm,路面结构的纵厚度相差更大,在49~85cm 之间,甚至可以达到110cm。
高速公路在长期运营下,受到车辆冲击的影响,对于结构性能的要求不断提高,同时它也在不断检验着我国设定的结构设计理论、设计原则及设计方案,如果这些设计条件本身存在着明显的缺陷,就会对结构性能造成巨大的影响,导致工程的运行效果无法满足要求。在设计中,不同的高速公路的交通法规以及车辆荷载方面也存在很大不同,导致不同道路运行后表现出的效果也存在差异。我国目前建成通车的高速公路项目总长约4 万km,经过一定时间的运营之后,高速公路结构的病害问题暴露得较为严重,虽然造成高速公路病害发生的原因比较多,但是这些病害问题都与结构的设计存在着一定的关系。高速公路交通研究不深入、设计标准不达标等问题,都会导致路面结构发生早期病害,给交通运行的效果和质量带来不利影响。有些地区的高速公路在出现早期的病害问题后,高速公路管理部门或设计人员往往会出于保险考虑,使用过于保守的设计思想,导致高速公路路面结构厚度过大、基层结构强度过高,各个道路并未做区分设计,有些路段还存在设计形式浪费的情况,资金消耗量大,由此还会导致一定程度的环境污染问题。
高速公路建设完成之后要进行竣工验收,各项指标应达到设计标准或者超出设计标准,但是在投入运营的较长时间内,受车辆荷载的持续性作用,以及自然环境的侵蚀与影响,路面结构的形式会发生很大变化,性能也会受到较大的影响,平整度、弯沉值、横向力系数等方面都会随着运营时间的延长而不断降低,导致高速公路发生病害问题。研究人员通过对于沈大、京石等运营10年左右的高速公路项目情况开展调查、分析发现,上述几项指标在该高速公路项目中下降速度较快,同时高速公路表面发生病害的问题也比较集中、明显,尤其是坑槽、车辙、泛油等病害问题,在投入运营的前1~2年时间内就已经出现。而在高速公路的超车道上,这些指标的下降却并不明显,病害问题的发生也不严重,硬路肩结构也没有出现明显变化。再持续性观察3~4年的时间后,发现情况基本相似,行车道出现了车辙、泛油等病害问题,而超车道、硬路肩等位置的性能则比较高。结合我国的交通法律法规的要求,了解到高速公路上车辆行驶的特点,不难发现,绝大多数的车辆都是在行车道上行驶,而超车道并不允许长时间被占用,车辆只有在超车的情况下才会进入超车道,且一般都是小型客车进入超车道超车,而大型客车则一般不会进入超车道行驶,小型车辆的自重小,对车辆的影响也比较轻微,而大型载货汽车的自重较大,对车辆的影响也比较大,这样就会导致行车道出现比较严重的车辙、泛油、坑槽等病害问题,这就是高速公路发生病害问题的规律。高速公路的路面出现较为严重的病害问题时,需要多次、反复进行病害的维修与处理,甚至会花费数亿元进行罩面处理。但是,经过罩面处理之后仍然还会出现车辙、泛油等病害问题,使得资金投入后并不能长期保持良好的效果。经过反复总结与分析发现,目前的高速公路在设计时,对于车道划分及每个车道运行情况的考虑并不全面,也没有按照实事求是的基本原则,而是照搬、照抄传统的高速公路设计理念和方法,并未根据高速公路交通运行的实际情况展开专门设计,导致运行效果较差。经过大量的实际经验总结可以了解到,超车道、硬路肩上车辆通行数量比较少,使用率低,却与其他部分使用相同的结构设计方案,设计人员应该结合实际情况做出必要的调整,对于行车道进行加强设计,而对硬路肩、超车道则应减弱设计,从而可以保证行车道、超车道、硬路肩的寿命达到一致,然后再进行罩面统一维修处理,从而提高整体运行效果,切实解决不同结构损坏严重的问题,同时还能节约项目建设与维护的成本。因此,在未来高速公路设计中,应该遵循这一设计原则和标准。本文以此展开研究,并查阅相关资料,以期能够切实提升设计水平和效果[1]。
在高速公路的路面结构设计中,分析了解了具体的理论设计方法,通过对高速公路路面结构设计条件分析可以发现,高速公路的路面结构对于交通通行质量和效果会产生直接影响,所以,在设计环节应该综合分析交通量的作用次数。在设计使用年限内,某个车道内累计当量轴次Ne,其计算见式(1)和式(2)。
式(1)和式(2)中:n1为路面完工后双向日平均当量轴次(次/日);Ne 为设计年限末年双向日平均当量轴次(次/日);Y 为设计年限内交通量的平均年增长率(%);η 为车道系数,表1 为车道系数η[2]。
表1 车道系数(η)
如果上行交通和下行交通的比例存在过大差异,就要结合实际情况开展有针对性的设计。如果高速公路运行中,车流超载运行的情况比较常见,设计人员需要考虑到设计运行的情况,做好累计当量轴次参数的调整。根据上述两式分析可以发现四车道值为0.3~0.4,六车道值为0.3~0.4,通常来说,实际设计参数值相对较高,才能满足运行的要求。但是,从车辆荷载横向分布不均匀的情况进行分析,在路面的理论计算参数按照高值设定的情况下,也需要考虑到整体参数的变化情况。当前我国在高速公路的设计中,厚度都有所增加,但却没有考虑到单独设计的要求。就目前已经运行的高速公路项目而言,相比超车道,行车道上的病害问题较多,也较严重。由于行车道发生的病害问题比较严重,和高速公路的设计使用寿命存在着很大的差异,所以必须通过罩面修补的方式来满足运行要求。由于行车道处于超负荷运行状态,所以为了能够达到运行要求,一般都会进行全部罩面施工,而行车道的面积只占四车道高速公路的1/3,全面罩面施工容易导致材料浪费,修路需要的资金量也比较大,这都是缘于设计时考虑不全面所致。此类设计方案要综合分析每个车道的使用情况,了解各个车道的交通状况,然后计算、确定各个车道的实际参数值,同时根据以往的设计方案来确定车道路面的结构形式,然后再选择最佳的设计方案,促进道路工程运行质量和效率的全面提升[3]。
通过分析研究车道系数应用情况发现,我国很多地区所选择的高速公路设计方式中,采用分车道设计是能够达到使用要求的,这对于提高高速公路运行效果、降低成本有着积极作用。如果行车道的病害问题比较严重,应该分析、了解形成原因,有目的地展开补强处理,并总结经验教训,了解其中的不足。以某省的A 高速公路病害问题为例进行分析,通过总结建设与运营中的工作经验,使用了新型的面层结构形式,解决了行车道损坏过于严重的问题。因此,应从多个角度出发完善设计方案和标准,同时对于结构设计提出一些先进的思想和理念,明确分车道设计的要求,满足不同车道的运行需求,从而提高高速公路运行质量。
针对我国高速公路运营的实际情况展开调查与分析,了解横向分部各项数据信息后发现,四车道高速公路中超车道的车道系数约为0.08,而六车道只有0.014,且通过的车辆中小型车辆占据主导,因此对超车道的性能要求比较高。经过深入研究、分析发现,沥青面层结构的厚度设定为12cm 可以满足要求,且使用的材料与行车道是相同的,在这种情况下,超车道的运行效果更好,总体运行质量更高。
行车道两侧硬路肩,容易因为车道的碾压而发生损坏,因此,要将硬路肩的宽度增大至约3.8m,这样就能使高速公路的路面结构融入硬路肩的结构上来。我国国家标准规定,高速公路与一级公路的硬路肩、路缘带等都要和行车道使用相同的材质,设计人员应进行综合分析与研究,结合未来运行情况做出合理的规划设计,使得硬路肩的宽度和行车道的宽度达到一致。具体情况见表2。
表2 路面结构设计表(某工程)
对于某些建设较早的高速公路来说,不仅行车道与公路硬路肩采用的是相同的路面结构,有些六车道上也使用了相同的结构,以满足规范的标准和要求。但是要想有效降低运营成本,还要从多方面进行考虑、分析。从未来规划设计中发现,要想将高速公路扩建为八车道的形式,还要深入研究和分析,并且需要在八车道高速公路设定的分隔带上预留足够的空间,所以一般不会在六车道高速公路的基础上进行扩建。但是要设计比较好的车道结构,应该综合多方面要素进行分析。以某省的A 高速公路为例,该高速公路省略了硬路肩上的SMA 面层,各个行车道的组成结构形式一致,从而缩短了施工工期,降低了建设成本,还能够达到排水的效果要求。对于四车道的高速公路项目来说,要从长远运营的要求出发,行车道与硬路肩在设计时应选择相同的结构形式,但是上层结构在设计中要综合分析结构成本,提高结构的质量水平。总体来说,我国的高速公路运输生产效率比较低,能源消耗较为严重,在建设、技术方面还有很大的提升空间,所以要从多方面出发,认识到目前高速公路设计上的不足,进而优化设计方案,提高高速公路路面结构设计水平,提升交通运行质量。
综上所述,较之发达国家,我国的高速公路总体来说还不是很成熟,但是随着我国对于高速公路设计与施工方面的逐步重视,国内高速公路建设水平也在全面提高。高速公路关系到一个国家的经济发展和社会进步,而设计方法是重要的指导理念,必须组织专业技术水平高的人员展开设计,总结经验教训,提高设计水平,保证高速公路质量合格,达到交通运行标准,这对社会发展和进步具有积极意义。