公路改扩建新旧路面均衡性评价与施工控制

熊春龙， 李伟雄,， 王钊栋

(1.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司， 广东 广州 510640； 2.华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640)

高速公路改扩建将成为未来高速公路建设的新方向[1-2]，新旧路拼接施工是重难点之一[3-4]，将直接影响路面质量[5-7]。为了提高新旧路面拼接质量，新旧路面结构均衡性设计的理念被提出。唐咸远等[8]研究了玻纤格栅对路面拓宽拼接的力学影响；卞海洋等[9]分析路面各结构层受力规律，优化了路面结构设计方案。高速公路改扩建施工交叉多且路面分项的工期较短，路面精细化施工和管理的水平受限，往往存在新旧路面结构的均衡性水平与设计存在较大偏差的情况[10-12]。

FWD落锤式弯沉仪作为常用的弯沉值检测手段[13-15]，可对高速公路改建、扩建及新旧搭接区域路面结构进行快速、连续的检测，获取不同车道和新旧路面纵向搭接区域路面结构的弯沉值分布状况，从而实现对改扩建路面结构新旧路面均衡性的评价。进一步，根据对新旧路面施工过程的调查，分析影响改扩建新旧路面结构均衡性水平的因素，提出改扩建新旧路面结构均衡性施工控制措施。

1 工程概况

某高速公路由双向四车道改扩建成双向八车道，设计速度120 km/h，路基标准宽度42.0 m。原双向四车道部分旧路面病害的主要处治方案为铣刨重铺19 cm沥青面层，严重病害集中的局部段落采用铣刨19 cm沥青面层+铣刨18 cm水泥稳定碎石基层，回填18 cm C20素混凝土+重铺19 cm沥青面层方案。经病害处治完成后的旧路面顶面的标高与扩建部分的下面层标高一致，为了延长路面寿命，在改建和新建的路面上全幅加铺6 cm AC-20C +4 cm SMA-13。

综合考虑拼接缝处基层、底基层强度和避开轮迹带的原则，新旧路面结构拼接方案如下：旧路面硬路肩的铣刨宽度为1.7 m，沥青中面层、下面层与上基层间各设20 cm台阶，上基层与下基层间设105 cm台阶，下基层与底基层间设25 cm台阶，底基层铣刨后原路床部分换填20 cm厚级配碎石，连通新路基的50 cm路基改善层，并对底基层挖除后的路基进行液压夯实补强。路面结构见表1。

表1 新旧路面结构

2 弯沉检测

检测设备为PRI2100型落锤式弯沉仪，弯沉传感器的精度不大于±2%，分辨率为0.1 μm，荷载脉冲时间为20～30 ms，荷载传感器分辨率为0.1 kN， DMI距离测量精度小于0.1%，定位功能良好。

某改扩建公路右幅K3201+960～K3202+500段，在未对旧路面病害进行处治之前，对改建部分路面超车道和重车道分别进行检测，每车道5 m/点。在完成AC-20C中面层加铺施工后，对全幅路面2个改建部分车道和2个扩建部分车道进行弯沉检测，加密为每车道3 m/点。落锤弯沉仪检测旧路面及加铺后路面现场状况见图1。

图1 FWD检测现场图

该路段全幅沥青中面层的设计宽度为19.14 m，包含4个宽度为3.75 m的行车道，从路线中心往路肩的方向，依次为第1、2、3、4车道。落锤弯沉仪在每个车道的检测线位布置见图2。第1、2、3、4车道的弯沉检测线位距路线中心的距离分别为3 m、6.75 m、12.75 m、16.5 m。其中，第3车道弯沉检测线位处于新旧路面搭接区域(铣刨台阶区域)。为了对比分析新旧路面搭接区域的路面结构状况，同时对改建部分旧路面硬路肩未铣刨台阶的区域进行弯沉检测。

图2 现场检测示意图(单位：cm)

3 结果与分析

3.1 落锤弯沉与贝克曼梁弯沉值的换算模型

新建、旧路改建路面中面层交工验收弯沉(贝克曼梁)分别为21.6(0.01 mm)、23.9(0.01 mm)。构建该项目不同车道落锤弯沉值与贝克曼梁弯沉值的转换关系模型，见表2。

表2 不同车道落锤弯沉与贝克曼梁弯沉值的换算关系模型

由表2可知：不同车道的落锤弯沉值与贝克曼梁弯沉值的关系模型均较为接近，相关系数均大于0.9，模型精度较高，落锤弯沉值与贝克曼梁弯沉值的一致性较好。

3.2 落锤弯沉值转换贝克曼梁弯沉结果

根据表2中的关系模型和筛选的不同车道的有效弯沉结果，换算得到不同车道落锤弯沉值转换的贝克曼梁弯沉值。不同车道转换贝克曼梁弯沉值随桩号的分布状况如图3所示。

图3 不同车道贝克曼梁转换弯沉值分布

进一步，对不同车道的转换贝克曼梁弯沉检测结果进行统计分析。为了对比加铺AC-20C结构层前后，路面结构的整体力学性能变化，对第1车道(原路面超车道)和第2车道(原路面重车道)的弯沉检测结果也进行了统计。加铺前旧路面2个车道和加铺后4个车道的弯沉统计结果见表3。

表3 不同车道弯沉值统计

由图3、表3可知：加铺前，第1车道和第2车道的弯沉值差异较大，第1车道代表弯沉为20.2(0.01 mm)，而第2车道的代表弯沉为34.5(0.01 mm)，这与第2车道为重车道有关，第2车道的旧路面沥青结构层及水稳结构层中存在较明显的纵向裂缝、网状裂缝、松散等，而第1车道的状况相对较好。第2车道路面结构内部典型病害状况见图4。

加铺AC-20C使路面结构的整体强度得到显著的改善，第1车道弯沉代表值降低到10.1(0.01 mm)，降幅约50%，而第2车道的代表弯沉值降低约21.2(0.01 mm)，降低幅度超过61.5%。第2车道的弯沉降幅显著大于第1车道，其原因可能为加铺前对旧路面第2车道进行了较为彻底的病害处置，处治深度大多超过19 cm，而对第1车道的旧路面病害采取的多为表面浅层处治方案。

图4 第2车道路面结构内部典型病害

4 路面均衡性施工质量控制

4.1 路面结构不均衡的原因分析

由表3可知：加铺AC-20C后，第1车道和第2车道的路面结构弯沉结果差异较小，第3车道为新建路基部分路面重车道，但第3车道的检测线位处于新旧路面的搭接区域，其弯沉代表值为19.6(0.01 mm)，第4车道同样为新建路基部分路面重车道，但第4车道检测线位处路面结构为完全新建，路基路面状态相对完好，因此，其弯沉代表值仅为6.9(0.01 mm)。不同车道的弯沉代表值最小为6.9(0.01 mm)，最大为19.6(0.01 mm)，不同车道弯沉代表值的极差为12.7(0.01 mm)，变异性超过43.5%，路面结构不均衡。

不难发现，路面结构的不均衡性突出体现在第3车道，可推测路面结构的均衡性问题主要与新旧路面的搭接质量有关。比较第3车道原路面硬路肩铣刨台阶回铺搭接新路面结构区域与第3车道原路面硬路肩未铣刨台阶区域的弯沉结果，可以非常清楚的解释搭接质量对路面结构力学均衡性的影响。图5为第3车道铣刨台阶搭接区域检测线位的检测结果和第3车道原硬路肩未铣刨台阶区域检测线位的检测结果对比。

图5 第3车道弯沉检测结果

由图5可知：第3车道原路面硬路肩未铣刨台阶回铺搭接新路面结构区域的弯沉均值为4.3(0.01 mm)，标准差为2.82(0.01 mm)，弯沉代表值为8.8(0.01 mm)，明显小于原路面硬路肩铣刨台阶区域的弯沉代表值19.6(0.01 mm)，差异超过55.1%，新旧路面的搭接对路面结构均衡性存在较大的影响。

4.2 搭接施工质量控制

高速公路改扩建施工中，原路面硬路肩的台阶铣刨、台阶清理、台阶修整、拼接设计方案及回铺拼接施工质量等是导致路面弯沉大和新旧路面结构不均衡的原因。具体包括：① 原硬路肩碎石排水盲沟未处理彻底(旧路面病害处治不彻底)；② 新旧路面结构拼接位置台阶铣刨不充分，存在夹层；③ 台阶工作面清理不干净，边部存在松散碎石、杂物修整不到位；④ 拼接位置玻纤格栅未固定失效等；⑤ 新旧路面搭接缝施工质量不良，存在漏水，弱化了搭接区路面结构强度；⑥ 接缝位置为结构层施工中机械的边部，存在摊铺、碾压的困难，结构层质量相对偏低。典型的搭接施工质量缺陷见图6。

图6 拼接处质量缺陷

为解决改扩建高速公路路面结构均衡性问题，解决新旧路面搭接区域的施工质量问题是关键所在。从搭接方案设计、搭接施工质量、搭接区回铺路面结构质量、搭接缝处理等方面，提出以下控制措施：

(1) 重视旧路面的病害处治，采用三维探地雷达3D-Radar识别和定位路面内部隐藏病害(如原路面第2车道内碎石盲沟、路基沉陷、富水等)，并针对性地采取局部开挖回填、袖花管注浆、增加路基路面排水设施的方案。

(2) 在施工搭接区水泥稳定碎石结构层前，对铣刨台阶进行修整，采用光轮压路机振动碾压方式碾碎铣刨台阶的薄弱夹层，并采用山猫扫地机配合人工方式清理松散碎石，确保台阶平台和边壁的整洁和坚实。

(3) 在搭接区域回铺每个结构层前，在水稳结构层上铺设玻纤格栅，在接缝位置洒水泥净浆封缝，在沥青结构层上铺设聚酯玻纤布，并洒布乳化沥青，在沥青结构层的侧壁贴抗裂贴，回铺沥青结构层后，在接缝位置洒布乳化沥青封缝。

(4) 搭接区回铺的结构层混合料按照骨架密实型级配的标准进行设计，提高结构层本身的强度，水稳结构层混合料的4.75 mm筛孔通过率控制为27%～32%，最大干密度超过3.0 g/cm3，沥青混合料严格控制粗集料比例超过70%，采用粗集料间隙率≤捣实状态下粗集料骨架间隙率和沥青混合料70 ℃动稳定度≥3 500次/mm来控制混合料的质量。

(5)在接缝位置，受空间限制，混合料的碾压较难保证，该项目增加胶轮压路机在接缝位置的碾压遍数(1～2遍)，对水稳混合料出现边部离析的，按1.0 kg/m2用量洒布水泥净浆，对沥青混合料出现边部离析的，按0.5 kg/m2用量洒布乳化沥青。

(6) 搭接区回铺结构层时，该项目严格控制摊铺机边部挡板距螺旋布料轴端部距离10～30 cm，螺旋布料器埋料高度确保超过2/3，控制螺旋布料器连续均匀稳定运转，减少拼接位置出现离析。

(7) 增加沥青黏温曲线的测试，严格控制沥青混合料拌和温度超过160 ℃(SMA大于180 ℃)、摊铺温度超过150 ℃(SMA大于170 ℃)、初压温度超过145 ℃(SMA超过160 ℃)、复压温度超过135 ℃(SMA大于145 ℃)、终压温度超过100 ℃(SMA大于120 ℃)；该项目采用并机摊铺，摊铺机间距小于10 m，前后机碾压段落不能大于20 m，两机摊铺面温度差异低于10 ℃，严格控制热接缝的压实效果。

(8) 重视路面结构层的逐层弯沉检验，从路基开始对每一个结构层的弯沉进行检测，提前解决因下承层结构强度不足而导致的路面结构不均衡性问题，避免了下层结构问题向表面发展。

4.3 搭接施工质量控制的效果验证

落实搭接施工质量控制措施后，再次对工后第3车道新旧路面搭接缝两侧进行弯沉检测，结果见图7。

由图7可知：第3车道铣刨台阶区域与未铣刨台阶区域的弯沉值代表值分别为10.9(0.01 mm)、8.5(0.01 mm)，差异为22.2%，相比于未采取搭接施工控制措施前55.1%的弯沉差异降低了约60%。通过施工控制可降低新旧路面结构弯沉差异，提高新旧路面结构的均衡性。

图7 加强搭接施工控制后第3车道弯沉分布

5 结论

采用落锤式弯沉仪(FWD)对改扩建高速公路不同车道的路面结构均衡性进行检测和评价，结合施工过程调查，分析路面结构均衡性的影响因素，提出改扩建高速公路路面结构均衡性施工质量控制措施。主要结论如下：

(1) 旧路面进行6 cm中面层加铺后，路面结构的强度得到明显改善，路面弯沉值降低10.1～21.2(0.01 mm)，降幅为50%～61.5%。

(2) 改扩建高速公路新旧路面搭接区域的弯沉结果明显大于其他位置的弯沉结果，搭接区域所在行车道的路面结构不均衡性最为突出。

(3) 改扩建高速公路旧路面病害处治和新旧路面搭接区域的施工精细化水平对新旧路面结构均衡性的影响较大。通过施工控制，可降低新旧路面结构的弯沉差异(不均衡性)约60%。