电子导向胶轮系统廊道路面抗车辙结构研究

夏秀江, 张学欣, 张洪剑, 王金鹏, 王丽君, 洪锦祥

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100045； 2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103；3.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 211103)

智能轨道快运系统[1](简称“智轨”)作为我国自主创新研发设计的一种新型城市轨道交通系统[2]，是一种集自主导向、轨迹跟随、全电驱动、智能驾驶等功能为一体，安全、高效、绿色的中低运量轨道交通新制式[3-4]。智轨基于虚拟轨道跟随控制技术，采用胶轮承载在普通路面上行驶，无需铺设专用轨道[6-7]，具有建设审批易、投资小、周期短、路权共享等优点[5]。因其路面行驶轨迹固定，轮迹完全渠化，且胎压是公交车的1.5倍，导致在普通沥青路面行驶时车辙问题非常严重，株洲智轨体验线在普通沥青路面行驶一个月，车辙深度就达4 cm；宜宾体验线运营不到半年，沥青路面就出现8 cm的车辙。因此，车辙问题已严重制约了城市智轨的应用。

已有工程经验证明传统沥青路面抗车辙技术难以适应智轨廊道的抗车辙需求，迫切需要寻找新型抗车辙技术。半柔性路面材料作为一种通过往大空隙沥青混合料中灌注浆体而形成的“刚柔并济”的水泥-沥青复合材料[8]，可以通过柔性沥青混合料骨架和刚性浆体的协同作用，从根本上解决沥青路面的严重车辙问题。半柔性路面材料SFP-13在60 ℃时的动稳定度可达20 000次/min[9]，远高于常规沥青混合料SMA-13的4 000～8 000次/min。同时半柔性路面材料优异的抗车辙性能也已在市政、国省干道的工程应用获得了验证[10]。

然而，目前针对半柔性路面的研究主要围绕材料开发与性能评价，对于其结构设计的研究较少，尤其是针对智轨廊道路面的结构设计研究尚属空白。传统沥青路面车辙主要发生在中面层，而半柔性路面应用于中面层时，由于半柔性路面材料与上面层常规沥青混合料模量差异较大，导致上面层常发生推挤[11]。研究还发现半柔性路面在工程应用中存在的主要问题是反射裂缝引起的开裂[12]。这些问题制约着半柔性路面在智轨廊道中的应用。因此，本文依托株洲市智能轨道交通一期工程，通过工程调研、力学计算和室内实验，研究层位、层厚、基层承载力对路面结构的影响；检测原有路面结构状况，分析其结构承载力和病害成因，并提出针对性结构；最后通过工程调研评价抗车辙结构应用效果。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

试验所采用混合料类型包括半柔性路面材料(SFP-13)、悬浮密实型密级配沥青混合料(AC-20)和高模量沥青混合料(GAC-20)。其中，半柔性路面材料包括大空隙沥青混合料基体和水泥基灌浆材料。高模量沥青混合料是在AC-20的基础上添加高模量剂制备而成。

1.1.1集料和矿粉

沥青混合料采用玄武岩粗集料、石灰岩细集料和灰岩矿粉，其性能如表1～3所示，指标值均满足《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)的技术要求。

表1 粗集料技术指标及检测结果类别压碎值/%洛杉矶磨耗损失表观相对密度毛体积相对密度针片状颗粒含量/%水洗法<0.075 mm颗粒含量/%坚固性/%软石含量/%磨光值16～25 mm14.112.62.7462.7325.00.24.21.85110～16 mm13.111.52.7392.7225.60.24.41.9475～10 mm11.39.62.7322.7086.10.34.52.344技术要求≤26≤28≥2.6实测≤12≤1≤12≤3≥42

表2 细集料技术指标及检测结果类别表观相对密度毛体积相对密度砂当量/%0～3 mm2.6462.47169技术要求≥2.5实测≥60

表3 矿粉技术指标及检测结果类别表观相对密度含水率/%亲水系数塑性指数/%粒度范围<0.6mm<0.15mm<0.075mm矿粉2.6510.30.632.210099.597.7技术要求≥2.5≤1<1<410090～10075～100

1.1.2沥青

大空隙沥青混合料使用高黏高弹改性沥青，AC-20使用SBS改性沥青，GAC-20使用基质沥青，各沥青性能指标如表4～6所示。

表4 高黏高弹改性沥青技术指标及检测结果类别60 ℃动力黏度/(Pa·s)针入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)软化点(环球法)/℃延度(5 ℃)/cm弹性恢复/%规范要求≥200 00030～60≥60≥30≥95检测结果430 0003410352.698试验方法T 0620T 0604T 0606T 0605T 0605

表5 SBS改性沥青技术指标及检测结果检测项目135 ℃运动黏度/(Pa·s)针入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)软化点(环球法)/℃延度(5 cm/min,5 ℃)/cm弹性恢复(25 ℃)/%规范要求≤3.040～70≥70≥30≥9检测结果2.355733299.8试验方法T 0619T 0604T 0606T 0605T 0605

表6 基质沥青技术指标及检测结果类别60 ℃动力黏度/(Pa·s)针入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)软化点(环球法)/℃延度(10 ℃)/cm规范要求≥16060～80≥43≥10检测结果192794926试验方法T 0620T 0604T 0606T 0605

1.1.3灌浆料

采用JGM-301半柔性路面专用灌浆料，最终确定水料比m水∶m灌浆料=0.35∶1。各项性能指标如表7所示，技术指标符合《抗车辙半柔性路面应用技术规程》(DB32/T 4074-2021)的规范要求。

表7 灌浆材料性能指标及测试结果测试项目 流动度/s 初始 30 min 24 h自由泌水率/% 干缩率/% 抗压强度/MPa3 d28 d3 h1 d28 d技术要求10～14 10～18 ≤1 -≤0.3≥10≥15≥25试验结果11.312.90.10.010.1715.524.935.2

1.1.4高模量改性剂

高模量改性剂为颗粒状，具体技术指标如表8所示，GAC-20中其用量占矿料质量的0.5%。

表8 高模量剂主要技术性质尺寸/mm15 ℃密度/(g·cm-3)熔点/%190 ℃熔融指数/(0.1 g·min-1)2～60.92～0.97<140>2

1.1.5沥青混合料级配

SFP-13、AC-20、GAC-20的级配及纤维、沥青等用量如表9所示。

表9 3种沥青混合料的级配及纤维、沥青用量%混合料类型以下筛孔(mm)的筛孔通过率26.519.016.013.29.54.752.361.180.600.300.15<0.075 mm木质素纤维含量沥青含量SFP-13100.00100.00100.0084.0041.7617.7811.378.706.635.414.814.730.304.80AC-20100.0094.3187.7077.7263.0337.8922.2515.3910.187.005.495.44-4.50GAC-20100.0094.3187.7077.7263.0337.8922.2515.3910.187.005.495.44-4.60

1.2 力学计算模型

使用有限元仿真软件建立廊道路面结构受力分析模型。在此模型中把材料视为各向同性的均质材料，认为路面结构层间为完全连续状态。其中，为了模拟水泥稳定碎石的损伤程度，设定其模量在80～8 500 MPa范围内变化，其余材料的模量为常量，具体材料参数见表10。

表10 有限元计算涉及到的材料参数材料抗压回弹模量或动态模量/MPa泊松比材料抗压回弹模量或动态模量/MPa泊松比沥青混凝土 AC8 5450.25水泥稳定碎石80～8 5000.3半柔性路面材料 SFP8 6540.25碎石基层3000.3水泥混凝土31 0000.15压实土500.4应力吸收层4000.25

1.3 原道路状况检测

依托项目，对原路面的路表病害、路表弯沉、抗滑性能、平整度、车辙进行了调研与检测，并通过取芯检测路面厚度和面层劈裂强度。在智轨车道选取典型病害的位置进行钻芯取样，取芯直径为10 cm，逐点记录和描述芯样的完整、黏接情况，测量沥青混凝土加铺层及其下各结构层厚度。面层芯样按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0716沥青混合料劈裂试验方法完成强度试验。检测依据主要参考道路领域现行规范，主要检测仪器设备如表11所示。

表11 主要仪器设备及用途序号仪器设备名称规格型号数量/个1贝克曼梁5.4 m12百分表(0～30)mm23摆式摩擦仪BM-Ⅲ14钢卷尺5 m15钢直尺30 cm16微机控制液压万能试验机WDW-2017多功能检测车CICS LP-Ⅱ1

2 半柔性廊道路面抗车辙结构研究

2.1 半柔性路面材料层位

在普通行驶路段沥青路面层主要承受车辆的竖向荷载，路面的最大剪应力一般发生在中面层。而在车辆刹车启动频繁的路段，沥青路面除了承受车辆的竖向荷载，还受到极大的水平荷载，根据沥青路面设计规范采用的弹性层状连续体系理论，使用有限元方法模拟车辆刹车启动情况下沥青路面的力学响应(见图1)，发现沥青路面的最大剪应力发生在上面层，就这个角度而言半柔性路面更适合用于上面层。

图1 刹车启动频繁路段道路剪应力沿深度分布

此外，成型10 cm(5 cm+5 cm)的双层沥青混凝土试件并进行车辙试验，试验结果表明，将半柔性路面材料用作上面层，高模量沥青混合料用在下面层，所得结构的抗车辙能力最强。当半柔性路面材料应用于下面层，AC沥青混合料应用于上面层时，上面层的沥青混合料仍然会出现一定深度的车辙。在工程应用中还发现，当半柔性路面材料应用于下面层时，上面层的沥青混合料易发生推挤、拥包、滑移等严重病害(见图2)。

图2 双层混合料车辙试验

2.2 半柔性路面材料层位层厚

此外，已有研究发现标准轴载的接地压强为0.7 MPa，而智轨电车的接地压强为0.876 MPa，约为标准轴载的1.25倍，具有明显的重载、渠化特征。根据既有半柔性路面工程调研数据，发现半柔性路面开裂率与其厚度和交通等级成正比，如图3所示。根据《抗车辙半柔性路面应用技术规程》(DB32/T 4074-2021)的规范要求，针对重载交通荷载等级，推荐使用8～10 cm的SFP-13。因此综合考虑智轨的渠化重载特征、半柔性路面开裂风险以及工程经济效益，建议半柔性路面厚度采用8cm。

图3 实际工程调研开裂率影响因素

2.3 下承层承载力

半刚性基层模量与路表弯沉关系见图4，由图可知，随着水泥稳定碎石基层模量衰减，路表弯沉呈现出指数增大的趋势。进一步说明，即使路表弯沉值处于临界状态，基层模量也可能已经发生了较大程度的损伤。考虑到智轨车辆轴载比标准轴载更大，需要对路表弯沉处于临界状态或结构强度不足路段的基层进行补强处理。当原基层模量为300MPa时，半柔层底的最大拉应力达到了0.87 MPa，当基层经过修复；模量达到4 250 MPa时，半柔层底的最大拉应力可降低至0.19 MPa。

3 株洲智轨廊道路面结构设计

3.1 工程概况

株洲市智能轨道交通系统一期工程线路走向为湖南工大站-株洲站-向阳广场站，线路沿泰山路、长江南路、株洲大桥、新华西路、新华东路、人民路、车站路、建设路敷设，总长 11.5 km。全线均为已建道路，其中泰山路至人民路道路等级为城市主干路，车站路和人民南路道路等级为次干路，设计车速分别为40 km/h和60 km/h，智轨廊道路面将在既有道路基础上改建中间两车道。

3.2 原路面服役性能检测

3.2.1路面损害

路面破损调查主要采用人工徒步调查。现有路面病害包括横向反射裂缝、纵向裂缝、块状裂缝、龟裂、车辙、松散等，其中反射裂缝较多且尤为严重，如图5所示。全线沥青路面技术状况指数PQI为81.62～94.97 。

图5 廊道路面典型病害

3.2.2路表弯沉

对智轨车道进行弯沉检测，平均每1 km设置1个检测点，泰山路(K0+000～K3+515)设检测点1#～4#，长江南路(K0+000～K0+790)设检测点5#、天台路(K0+000～K0+410)设检测点6#、建设南路(K0+000～K0+394)设检测点7#、车站路(K0+000～K0+162)设检测点8#、人民南路(K0+000～K0+490)设检测点9#、新华西路(K0+000～K2+760)设检测点10#～12#、新华东路(K0+000～K1+770)设检测点13#～14#。路面弯沉检测采用5.4 m 贝克曼梁。实测代表弯沉值为9.26～25.46(0.01 mm)，β值取1.04。评定结果见图6。路面结构设计应针对不同路段进行考虑。

图6 廊道路面全线对应弯沉状况

3.2.3路面表面功能

对智轨车道进行路面抗滑性能检测、平整度及车辙检测、实测抗滑值BPN20为51～57。实测平整度IRI为1.14～9.98 m/km，实测车辙为0.3～23.9mm。

3.2.4路面厚度和面层劈裂强度

全线共完成路面钻芯29处，实测沥青路面上面层厚度为2.2～5.5 cm，中面层厚度为1.8～7.0cm，下面层厚度为3.0～13.5 cm，基层厚度为13.0～30.0 cm。基层包括水泥混凝土基层和水泥稳定基层，以水泥混凝土为主。大部分路段的水泥混凝土基层取芯状态为断裂未取出，全部水稳基层状态为破碎或松散。全线共完成87个芯样的劈裂强度试验，劈裂强度试验上面层结果为1.25～1.46 MPa，中面层结果为0.87～1.12 MPa，下面层结果为0.66～0.89 MPa。

3.3 分析及建议

根据《城镇道路养护技术规范》(CJJ36-2016)，现有路面的PCI和RQI主要为“A级”和“B级”，结构强度足够，可采取小修。但是现行道路通行车辆主要以轿车、公交车为主，荷载相对智轨较轻。考虑到智轨具有重载、渠化特征，在智轨体验线中按常规沥青路面设计标准设计的廊道仅通车1月就出现了较大的车辙，此外智轨对路面平整度要求较高，因此原沥青路面无法满足智轨通行要求，需要铣刨重铺。

对于路面弯沉，部分路段弯沉值较高，说明基础情况不良，需要考虑基础承载力不足可能引起的面层开裂风险。对于天台路和长江南路，虽然弯沉值不高，但是与相邻路面最大弯沉差达到了8.49(0.01 mm)。根据已有研究成果[10]，不同路段间的弯沉差相差较大时，需要考虑加铺层的反射裂缝风险，进行针对性防治。

总体来看，面层厚度不一，基础复杂，在后续结构设计时需要考虑反射裂缝防治风险。根据廊道路面全线病害成因分析及处置对策，在后续结构设计时需要重点考虑廊道路面所需的材料与结构的抗裂能力、承载能力、抗松散能力和抗剪能力的力学要求。

3.4 抗反射裂缝设计

根据株洲智轨前期调研发现，K1+600附近路段80 m内共计出现15条反射裂缝，因此需要针对基层裂缝进行特殊设计。如表12所示，通过综合比较常见反射裂缝处治措施，发现橡胶/高黏高弹沥青应力吸收层具有更好的防治反射裂缝效果[13-16]。武汉雄楚大街BRT项目，在连续配筋混凝土和沥青面层之间设置了应力吸收层，工程应用效果至今良好。因此，在半柔性路面和旧沥青路面之间建议设置1～2 cm的应力吸收层作为抗反射裂缝设计。对于反射裂缝风险较高的路段，在设计时可以进一步考虑增设AC-10富油层[11]，提高结构整体抗裂能力，降低开裂风险。

表12 常见反射裂缝处治措施对比分析项目厚度/cm施工方案优点缺点沥青碎石柔性基层12满铺全方位预防基层反射裂缝造价高,施工要求高,需要调整路面标高,且柔性基层承载力较低,不适合作为半柔性路面的基层聚酯土工布-满铺无需调整纵断面,全方位预测基层反射裂缝在面层和基层之间设置夹层,根据施工质量可能影响沥青路面变形受力连续性橡胶/高黏高弹应力吸收层1～2满铺无需调整纵断面,全方位预测基层反射裂缝,工艺成熟、机械化同步施工对施工要求较高玻纤格栅-裂缝处设置无需调整,造价略低,施工简便作用范围有限,效果较差

3.5 结构组合方案

根据对廊道结构状况的调研，发现既有道路的结构状况差异化程度高，基层和面层的类型、结构强度、厚度、组合均有差异，反映出的路表弯沉、病害种类及严重程度也不同。结合上述分析以及已有的工程经验，提出株洲智轨一期工程廊道路面抗车辙改造结构组合方案(见图7)。

(a)方案一

(b)方案二图7 结构组合方案

1)新华西路、新华东路、建设南路、人民南路、车站路等路段，既有沥青面层厚，出现的反射裂缝较少。方案一：平均铣刨10 cm原沥青路面，对剩余混凝土基层、水泥稳定基层或剩余旧沥青路面进行病害处治后，先铺筑1～2 cm应力吸收层，然后摊铺8 cm(平均厚度)半柔性路面SFP-13。

2)天泰路、泰山路、长江南路等路段，既有沥青路面层薄，出现的反射裂缝多。方案二：平均铣刨13 cm原沥青路面，对剩余混凝土基层、水泥稳定基层或剩余旧沥青路面进行病害处治后，先铺筑1～2 cm应力吸收层，然后摊铺3 cm的AC-10富油层和8 cm半柔性路面SFP-13。

4 工程评价

株洲智轨于2021年2月开始试运营，通车时间长达19个月。根据调研发现，采用本文提出的廊道路面设计方案，至今路面未出现任何车辙，经检测实际车辙深度不大于5 mm，应用效果如图8所示。株洲大桥和铁东路-新华桥段的廊道路面未采用本文建议的设计方案，而采用常规的沥青路面抗车辙处治技术，其即使用了改性沥青、掺加抗车辙剂的AC沥青混合料，在通车运营后仍频繁出现严重车辙，新华桥站翻修通车仅1～2个月，即出现严重车辙，经实际检测智轨轮迹带处的车辙深度普遍大于25 mm。应用对比证明所提出的廊道路面抗车辙设计方案能有效解决智轨面临的车辙难题。

图8 本文设计廊道路面方案实际运行状况

5 结语

针对电子导向胶轮系统(智轨)廊道路面抗车辙结构研究缺失的现状，通过室内实验、力学计算、工程调研与应用，研究了层位、层厚、基层承载状况对廊道路面结构的影响，依托株洲智轨一期工程，在对现有廊道路面结构状况和病害情况进行全面检测和调研基础上，分析病害成因，提出针对性处治措施，对不同区段廊道路面提出差异化的结构方案。

研究试验与工程实践表明，在解决重载、起制动频繁路段的抗车辙问题上，半柔性沥青路面更适合应用于上面层；半柔性路面开裂、变形风险随着厚度和基层模量增加而降低；基于既有路面检测评估结果，提出2种半柔性廊道路面抗车辙结构设计方案，即“上面层使用8 cm半柔性路面SFP13+3cmAC10富油层+1～2 cm应力吸收层+足够承载力的基层”以及“8 cm半柔性路面SFP13+1～2 cm应力吸收层+足够承载力的基层”。工程实践表明，该方案能够满足株洲智能轨道交通一期工程在重载、渠化交通条件下的抗车辙需求。本文为电子导向胶轮系统廊道路面提供了一种有效的抗车辙方案设计，可为后续智轨廊道路面设计与具有重载、渠化交通特征的路面设计提供参考。