高纬度季冻地区高速公路改扩建工程路面设计方案

陈连海

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

1 概述

高速公路改扩建工程路面设计方案主要包括新建路面设计、旧路面改善设计、新旧路面拼接设计、旧路铣刨料利用、新旧路面结构的排水系统完善五部分。而且路面改扩建设计方案应考虑施工组织安排，设计方案应与保通方案相辅相成，满足保通需求。其中旧路面改善设计和新旧路面拼接设计是改扩建路面设计方案的重中之重。

旧路面的改善设计主要针对改扩建后的1、2车道，由于多为小型车辆通行，在交通量计算时应考虑设计当量轴次的折减，以达到旧路的充分利用，确保设计方案合理、经济。旧路改善设计前应综合原路面设计、使用和养护情况，以及旧路现状调查，充分利用旧路，对旧路采取对应的病害处理和补强设计，设计中应采用动态设计理念，考虑旧路状况的发展变化[1]。

新旧路面拼接设计是体现高速公路改扩建设计精细化程度的关键所在，它本身是改扩建后路面最薄弱的部分，设计是否合理直接影响路面的使用寿命。由于高纬度季冻地区的气候特点[2]，拼接缝设计应考虑温缩、冻胀、不均匀沉降等因素，注意拼接缝位置等，设计中应增加精细化施工的要求，保证路面拼接处路面施工质量。

作者结合工程项目实例，对旧路改善设计和新旧路面拼接设计中需要注意的环节进行总结，并对该工程的路面设计方案进行介绍。

2 旧路情况以及现场问题分析

旧路设计情况收集是在进行路面改扩建设计前，首先应掌握的重要资料，案例项目的旧路面设计情况如下：

原路面结构：面层4cmSMA-16+5cm AC-20+6cmAC-25；基层28/25cm石灰粉煤灰粒料；底基层20/30cm石灰粉煤灰土。原设计的基层和底基层为二灰结合料稳定基层，与目前惯用的水泥结合料稳定基层相比有所差别，在抗疲劳破坏和抗冻胀方面表现较差，二灰结合料稳定基层对环境影响比较敏感。

旧路面现状调查主要包括旧路弯沉检测、旧路病害调查以及旧路养护情况等，本项目设计阶段对旧路进行了全面调查，但在施工前对路面复查发现旧路状况进一步发展变化，具体情况如下：

(1)旧路弯沉检测。旧路弯沉代值是旧路结构验算的重要参数，是旧路改善设计的关键数据。根据研究[3]，沥青路面弯沉值随通车时间先减小至最小值，之后逐渐加大。弯沉值在前期变化明显，后期增加相对缓慢。本项目施工期间，通过现场检测发现弯沉值普遍大于设计阶段调查数值，并且弯沉值离散性较大，测量数值的可复现性差，这与之前研究提出的弯沉变化规律也基本一致。经分析本项目通车已17年，已经超出了沥青路面的设计使用年限，其路面材料已经老化。在改扩建设计和施工过程中旧路一直处于通车状态，同时旧路面也未进行有效养护，造成路面强度急剧降低。另外，原路运营时间长，期间进行过多次维修和病害处理，原路结构和强度均存在一定的不均匀性，导致了弯沉值复现性差和离散性较大。

(2)旧路病害调查。该项目路面病害主要以纵横缝、龟裂、沉陷及坑槽为主，施工过程中发现旧路纵向裂缝发展较快，裂缝变大并出现不同程度新增纵向裂缝。路面纵缝成因复杂，经分析主要原因是旧路老化且缺乏养护，季冻地区路面受冻胀、温缩影响，以及旧路基层既有裂缝或维修施工缝反射，加之施工重载车辆等，多重因素相互作用的结果。

(3)旧路养护情况调查。根据养护资料，本项目于2014年和2015年对路面进行过维修养护，维修方案均以罩面为主，双层维修和三层维修为辅。本项目设计时间为2016年，与维修养护完成时间非常接近，调查期间的路面相对完好，很多旧路病害被掩盖无法发现。

(4)新旧路面拼接缝施工过程中出现的问题。由于本项目基层为二灰碎石和二灰土稳定基层，设计拼接位置台阶宽度为50cm，且按原路结构层厚度铣刨台阶(见图1)。

图1 路面拼接台阶

该方案拼接位置台阶处于行车道轮迹带区域，不符合规范要求[4]，影响后期路面使用寿命。而且因为台阶过宽，施工机械容易对已完成的台阶造成破坏，另外由于旧路床需要紧贴台阶垂直下挖1.2m再重新填筑，施工时极易扰动台阶下的原有路床从而出现坍塌脱空问题，造成该位置路床压实度不足，在之后碾压台阶上的新铺基层时会因不均匀变形而出现开裂现象。同时二灰粒料基层长期暴露受水溶冻胀影响，也容易发生破损现象(见图2)，以上这些问题都会影响后续拼接施工。

图2 台阶现场情况

而且新旧路面拼接处始终无法避免施工缝的存在，多处新旧路面拼接位置出现施工缝开裂问题(见图3)。经分析主要原因是，该工程地处高纬度季冻地区，冻胀、温缩影响较大，且本项目为重要运输大通道，保通压力大，施工工期较短，大部分路段的路基和路面均为当年施工，也很难完全消除不均匀沉降影响。

图3 新旧路面拼接缝开裂

结合以上对旧路变化情况和影响因素的分析，作者认为旧路改善设计和新旧路面拼接设计应根据旧路情况采取动态设计理念，保证设计方案的合理性。

3 旧路改善设计方案介绍

结合旧路现状，应对原旧路改善设计进行调整。旧路改善设计包括旧路补强设计和旧路病害处理，调整后采用动态设计理论，其关键是施工前对旧路状况进行逐段调查分析。路面动态设计是基于施工时路面情况进行判断，此时路线平纵设计和桥涵构造物已基本完成，故不宜采取继续加铺路面、抬高纵断的方式调整设计，动态设计主要采取逐段进行分层调查、分层处理的方案。

动态设计主要分以下几步，首先设计时应根据当量设计轴载累计作用次数，计算路面结构，确定路面结构组合和路面加铺层厚；另外旧路加铺方案要结合旧路弯沉和病害检测情况，按旧路弯沉值和病害分别设计路面加铺方案；然后分析旧路弯沉值，设置弯沉控制值，将旧路加铺方案按旧路弯沉值归类，并结合旧路病害情况对旧路逐段设计补强方案；最后施工期对旧路弯沉和病害情况逐段重新检测，根据复测弯沉代表值和病害情况核查路面加铺方案，形成最终的加铺方案。

根据以上原则本项目的旧路改善设计方案如下。

3.1 当原路面层顶弯沉代表值L0(1/100mm)≤29时(图4)

图4 原设计L0(1/100mm)≤29的动态设计方案图

(1)设计阶段采用I-1结构，在旧路面层顶加铺7cm AC-20+4cmSMA-13。施工期进行复测后，满足原设计要求或直接施工即可。如果旧路沥青面层弯沉代表值L0(1/100mm)>29，或存在纵缝、龟裂、块裂等较重病害，应铣刨面层，结合基层顶面弯沉、病害进一步分类处理。

(2)旧路面层铣刨后对旧路基层进行复测，当旧路基层顶弯沉代表值L0(1/100mm)≤50时，采用I-1-a结构，在原路二灰粒料基层顶加铺15cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。如果旧路基层弯沉代表值L0(1/100mm)>50，或存在纵缝、龟裂、块裂等较重病害，应铣刨基层，结合底基层顶面弯沉、病害进一步分类处理。

(3)旧路基层铣刨后对旧路底基层进行复测，当旧路底基层顶弯沉代表值L0(1/100mm)≤80时，采用I-1-b结构，在原路二灰土底基层顶加铺28～31cm水泥稳定碎石+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。当原路二灰土顶代表弯沉值L0(1/100mm)>80时，原路按挖除新建设计。

3.2 当原路面层顶弯沉代表值29

图5 原设计29

(1)设计阶段采用I-2结构，在原路沥青层上加铺12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。施工期进行复测后，如果旧路沥青面层弯沉代表值L0(1/100mm)>50，或存在纵缝、龟裂、块裂等较重病害，应铣刨面层，结合基层顶面弯沉、病害进一步分类处理。

(2)旧路面层铣刨后对旧路基层进行复测，当旧路基层顶弯沉代表值L0(1/100mm)≤60时，采用I-2-a结构，在原路二灰粒料基层顶加铺15cm水泥稳定碎石+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。如果旧路基层弯沉代表值L0(1/100mm)>60，或存在纵缝、龟裂、块裂等较重病害，应铣刨基层，结合底基层顶面弯沉、病害进一步分类处理。

(3)旧路基层铣刨后对旧路底基层进行复测，当旧路底基层顶弯沉代表值L0(1/100mm)≤90时，采用I-2-b结构，在原路二灰土底基层顶加铺40～43cm水泥稳定碎石+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。当原路二灰土顶代表弯沉值L0(1/100mm)>80时，原路按挖除新建设计。

3.3 当原路面层顶弯沉代表值50

图6 原设计50

(1)设计阶段采用I-5结构，在原路沥青面层上加铺20cm 水稳基层+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。施工期进行复测后，如果旧路沥青面层弯沉代表值L0(1/100mm)>80，或存在纵缝、龟裂、块裂等较重病害，应铣刨面层，结合基层顶面弯沉、病害进一步分类处理。

(2)旧路面层铣刨后对旧路基层进行复测，当旧路基层顶弯沉代表值L0(1/100mm)≤100时，采用I-5-a结构，在原路二灰粒料基层顶加铺35cm水泥稳定碎石+12cm ATB-25+7cm AC-20+4cm SMA-13。如果旧路基层弯沉代表值L0(1/100mm)>100，或存在纵缝、龟裂、块裂等较重病害，原路按挖除新建设计。

该设计方案可尽量提供水稳基层全断面摊铺条件，同时根据旧路弯沉值控制分层调整路面结构，更加符合动态设计理念，也更加贴近于实际。施工阶段要求施工单位逐层进行弯沉验收，以确保每层弯沉代表值满足加铺上层的要求。

4 新旧路面拼接设计调整及施工精细化

针对施工过程中拼接缝出现的问题，对拼接缝设计方案进行了调整优化，主要设计方案如下：

(1)调整台阶尺寸，拼接缝台阶位置尽量靠近2、3车道分界线处，基层台阶尺寸减小至25cm，满足施工要求即可。调整拼接缝位置基本避开车辆轮迹分布范围，具体见图7所示。

图7 调整后台阶方案图

(2)旧路路床设置40cm深、65cm宽台阶，以减少旧路床受扰动影响，并降低新旧路床不均匀沉降，二灰土底基层与新建部分底基层拼接时，水稳底基层预留25cm，待底基层水稳施工前，再将旧路预留部分凿至新建底基层底标高，避免前期施工和水溶冻胀影响。为了保证路堤边坡台阶开挖的质量，应使用小型机具，必要时可以采用人工开挖。

(3)在拼接缝处设置自粘式贴缝带，在旧路沥青面层与新建沥青柔性基层拼接处侧面设置自粘式贴缝带，待摊铺高温沥青时，贴缝带受高温作用软化从而粘性增强，软化的贴缝带能充分地与新旧沥青融合，此方式不仅可以确保侧面沥青饱满度和均匀性，而且施工方便耗时少，可有效避免侧面污染，粘结和防水效果较好，提高了新旧拼接处的联接强度。

(4)设置自粘式玻纤格栅，在全断面摊铺沥青面层前，于新旧路拼接处设置自粘式玻纤格栅，增强拼接缝的抗拉能力，为保证玻纤格栅搭接宽度，面层台阶宽度调整为45cm，要求自粘式玻纤格栅抗裂能力应大于80kN，玻纤格栅层间联接好，施工易控制，可减少和延缓拼接缝纵向裂缝的出现。

(5)为保证基层拼接缝满足强度要求，应加强基层拼接缝处压实和联接质量。采取措施避免摊铺过程中竖向离析现象。基层搭接处施工过程中采用撒水泥浆方案，浓度控制在1∶1，主要工序为：撒水泥浆→摊铺→三角区人工布料→小型压路机初压→接缝处回灌水泥浆→小型压路机压实、冲击夯死角补压→回灌水泥浆→三钢轮压路机终压。同时注意降低动载对拼接处的扰动，增加静载压实使其达到设计要求。

5 结论

本项目结合旧路现状和发展变化，采用动态设计的理念，综合考虑高纬度季冻地区公路路面改扩建的影响因素，提出了比较贴合实际的设计方案。旧路改善设计，对旧路采用分层检验分层处理的方式，为路面各结构层全断面摊铺提供了条件，尽量减少了各结构层拼接缝的存在。新旧路面拼接设计，台阶尽量避开车辆轮迹影响范围，减弱了拼缝受荷载影响产生疲劳破坏的程度，设置必要的抗裂措施，可减少和延缓纵向裂缝的出现，有利于提高路面结构耐久性。从现场施工后路面使用情况看，该方案符合季冻地区高速公路路面改建的实际情况，施工效果较好。