新型紋理化處治技術在江羅高速公路隧道水泥混凝土路面中的應用

      特長隧道由于其特殊環(huán)境，一般采用水泥混凝土路面，并通常采用硬刻槽的方式進行表面紋理化施工，但通車后不久抗滑性能衰減明顯，造成交通事故多發(fā)，另外特長隧道內的養(yǎng)護維修較困難且常規(guī)處理造價較高。為解決特長隧道路面抗滑性能及其耐久性不足的問題，在對比其技術原理、施工技術特點的基礎上，提出一種新型路面紋理化的施工技術，并在江羅高速公路水泥混凝土路面中推廣應用并對其施工平整度、構造深度以及噪音等相關指標進行了檢測，結果表明效果較好，且有較高的經(jīng)濟和社會效益。

關鍵詞

特長隧道 | 水泥混凝土路面 | 新型紋理化施工

隨著高速公路建設逐漸向山區(qū)和丘陵地區(qū)延伸，隧道在高速公路所占的比例越來越高。當前公路隧道內多采用水泥混凝土路面，現(xiàn)行公路隧道施工技術規(guī)范亦只談水泥混凝土路面［1］，目前大多隧道內水泥混凝土路面采用硬刻槽的方式進行路面紋理化處理，然而長、特長隧道水泥混凝土路面在使用過程中，由于隧道內環(huán)境相對封閉，空氣流動性小，濕度大，地下水豐富;隧道內車速慢、制動會加速路表磨損;隧道內水泥路面施工質量控制難度大，其表面砂漿的強度和耐磨性較低;普通的水泥、外加劑等原材料可能難以適應長、特長隧道的特殊環(huán)境等原因［4］，路面存在平整度差、抗滑性能衰減較快等突出問題，導致交通事故多發(fā)，隧道內發(fā)生交通事故后處理困難，易引發(fā)二次事故［2］。

廣東省部分隧道路面調查結果顯示，交通事故的發(fā)生頻率隨著混凝土路面抗滑能力的變差而升高，隧道水泥路面抗滑等級由良到差時，事故發(fā)生頻率由1.40次/km·年增加到6.29次/km·年，增加率約為349%［3］。盡管調查樣本數(shù)量受限，但也都說明了水泥混凝土路面抗滑性能對行車安全至關重要。

路面抗滑措施

為了增加水泥混凝土路面的抗滑性能，主要采用表面刻槽的方式，2006年以前多采用橫向刻槽的方式，之后多采用縱向刻槽的方式，但采用上述2種方式處理后的水泥混凝土路面在高速行駛車輛的長期作用下，抗滑性能衰減較快，抗滑性能不滿足安全行車的要求，易引發(fā)交通事故［5］。這與長、特長隧道內的陰暗潮濕、溫差小、汽車尾氣濃度高等特殊環(huán)境也有一定的關系。

目前恢復抗滑性能的處理方式主要為重做防滑構造和加鋪罩面。

重造路面抗滑構造的措施

(1)精銑刨。精銑刨技術采用低轉速球型硬質合金刀頭對水泥混凝土表面進行“掘挖”后，路面形成不規(guī)則質地紋理，在增加路面宏觀構造的同時溝槽之間還形成鋸齒狀構造，通過縱向紋理提高路面抗滑性能，降低輪胎與路面接觸噪聲［6］。

(2)拋丸。該技術是工業(yè)金屬類加工過程中用于除銹的一種表面處理技術，拋丸處理后的路面是一種類似砂紙表面不規(guī)則的微觀質理，抗滑耐久性較差。

(3)酸蝕。采用稀鹽酸對水泥路面表面清洗，施工速度慢，抗滑提升不大，難以控制施工質量，且耐久性還未得到驗證［7］。

(4) 重新硬刻槽。對混凝土路面進行重新縱、橫向硬刻槽，但并未從根本上解決抗滑耐久性不足的問題。

加鋪罩面

加鋪罩面就是在水泥混凝土路面上再鋪一層結構層。目前采用比較多的是Novachip超薄磨耗層罩面、加鋪瀝青混凝土(AC、SMA、OGFC等)，它們雖然可以使抗滑性能明顯改善，但是其中加鋪瀝青混凝土的抗滑耐久性與集料的性質緊密相關，且所有的薄層罩面技術成本較高，且會減小隧道凈高，攤鋪需要采用專用設備進行，其施工難度和造價都相對較高［8］。

依托項目情況

廣東省江門至羅定高速公路項目是廣東省高速公路網(wǎng)布局規(guī)劃中的第四橫線(福建漳州至廣西玉林)的一部分，編號為S26，呈東西走向。本項目起點為鶴山市共和鎮(zhèn)，接佛開高速，終點為羅定華石鎮(zhèn)莫村，接云岑高速和羅陽高速。江羅高速公路路面工程中包含王北凹隧道(左線長3751m，右線長3713m)、三岔頂隧道(左線長3191m，右線長3192m)2座特長隧道的水泥混凝土路面施工。針對特長隧道水泥混凝土路面抗滑衰減問題突出、而目前此類問題處理技術尚不成熟的現(xiàn)狀，為在特長隧道水泥混凝土路面新建的過程中解決其抗滑性能和耐久性問題，在王北凹隧道和三岔頂隧道的水泥混凝土路面上進行新型紋理化處治技術試驗研究，以取代常規(guī)的特長隧道混凝土路面硬刻槽施工技術。

新型紋理化施工技術

原理

HOG水泥混凝土路面新型紋理化施工技術是采用高強度刃具和獨特的等壓無沖擊方式在水泥混凝土路面淺表層沿順車道方向切削出致密的高仿形波浪形紋理，原是索朗機工坊引入加拿大HOG型飛機跑道高仿形紋理化處理機車，再根據(jù)國內實踐改裝而成。HOG在水泥混凝土路面紋理化施工中具有高仿形、高效率、高質量、低污染等技術特點。近幾年該技術才用于舊路面抗滑性能恢復，但在新建路面上是首次使用。

特點

(1)HOG水泥混凝土路面新型紋理化施工技術處理后路面呈現(xiàn)良好鑲嵌性的連續(xù)波浪形淺紋理，大大增加了輪胎與路面的接觸面積，因此抗滑性能相對原路面明顯改善，如圖1(a)、(c)所示。普通鋸片硬刻槽紋理路面的紋理深度較大，輪胎無法與路面紋理吻合，接觸面積減少，如圖1(b)、(d)所示。因此，與波浪形淺紋理路面相比，抗滑性能較差。

(2)當路表面有水存在時，HOG水泥混凝土路面新型紋理化施工技術處理后路面因其豐富的路面紋理能夠及時將輪胎與路面間的積水順利排走，從而保持輪胎與路面之間處于“干燥接觸”狀態(tài)，提供較好的摩擦力;矩形硬刻槽由于輪胎與矩形紋理無法吻合，路面矩形紋理中容易積水，降低了路面的摩擦力;精銑刨的刨機刀具無法根據(jù)路面高低作出自我調整，造成了路面較高處由于銑刨過度出現(xiàn)的“脫皮露骨”現(xiàn)象，而相對低洼處呈現(xiàn)漏刻留白現(xiàn)象。由于銑刨后的紋理不能形成順直的縱向排水通道，在洞內漏水及因雨雪天氣帶入洞內的水路面都不能順利排出，因此在其眾多不規(guī)則的凹陷構造中形成積水，從而降低路面的抗滑性能。

而新型紋理化處理后的水泥混凝土路面呈現(xiàn)條縱向帶狀拉槽，橫向呈現(xiàn)淺溝壑狀，呈U字型，可控深度1mm～3mm，紋理間距5mm～9mm，解決了路面排水問題，提高了路面抗滑性能。

(3)HOG水泥混凝土路面新型紋理化施工技術處理后的波浪形淺紋理的水泥混凝土路面，可對路面的噪聲形成一種漫反射，降低車輛通過時的車內、車外噪聲，減小了噪聲污染，增加了行車舒適性。而精銑刨后的紋理周圍組織受到刃具沖擊后出現(xiàn)“骨料松動”現(xiàn)象較為普遍，路面突出紋理較多，車輛經(jīng)過時會產(chǎn)生高頻低幅震動，從而導致較大的車內、車外噪聲和較差的行車舒適性，特別是在隧道這樣密封空間內這種震動和噪音尤為突出。

(4)HOG新型紋理化施工技術處理后路面形成豐富的宏觀、微觀紋理，在提供良好抗滑性能的同時增加了光線的漫反射，減少了路面炫光，進一步提高了行車安全性。

(5)采用精銑刨機刻紋的過程中，路面高出部位由于銑刨深度過大出現(xiàn)“脫皮露骨”現(xiàn)象，而低洼處則出現(xiàn)“漏刻留白”現(xiàn)象，其主要原因是旋轉式的作業(yè)方式造成，因此紋理深度無法達到一致，輪胎花紋與紋理路面之間不能夠形成相對封閉的空間［9］。HOG水泥混凝土路面紋理化技術將切削刀具設計改為非旋轉式的，并能夠在每個刀頭接觸點隨路面高低不同做出相應變化。通過作用在刀頭上的壓力恒定這一特有的作業(yè)方式實現(xiàn)紋理深度一致，同時也避免了旋轉刀具的作業(yè)方式對路面造成的沖擊導致路面出現(xiàn)肉眼難以觀察的小裂痕，從而影響路面耐久性，如圖2所示。

施工流程

封閉交通?清洗路面?施工前檢測?紋理化施工?清掃?施工過程中跟蹤檢測構造深度、平整度和外觀質量?清洗當天完成的紋理化施工工作面?更換全部刀頭?紋理化施工?單洞完成施工后全面清掃和沖洗?施工完成后檢測平整度、外觀和噪聲?開放交通。

施工組織

(1)施工機械與人員配置。混凝土路面紋理化采用全機械化施工，2套臺車為一個組合，分別是紋理化施工車和帶有掃路裝置的小型運輸車，如圖3、圖4所示。施工人員共4人，其中紋理化施工車3人，工作內容分別為施工車駕駛員、紋理化裝置操作員和路面施工指揮員;掃路運輸車1人，工作內容為駕駛運輸車并控制清掃裝置。

(2)施工效能分析。紋理化施工機車作業(yè)過程中，以車載激光標線為準點勻速前進，施工線型標準。全程使用計算機控制切削刃具的下刀深度，紋理化刻槽深度均勻。

紋理化設備左右各0.5m為作業(yè)寬度，間隔1.4m，車道寬度3.75m，需4次往復作業(yè)。常規(guī)施工作業(yè)段長度200m，日施工面積可達7000㎡。以3車道隧道為例，施工長度約為620m/d，一個3km左右的3車道隧道，施工時間為5d～6d。較矩形硬刻槽施工效率高。

紋理化施工車自帶水箱，每段施工后立即對表面殘留浮渣進行沖洗，確保施工作業(yè)面干凈，紋理化施工后，帶有掃路裝置的運輸車即刻清掃浮渣并運輸出作業(yè)面。因此，HOG水泥混凝土路面新型紋理化施工能夠做到零污染。而矩形硬刻槽受施工功效和工序安排的原因，其施工產(chǎn)生的漿粉常常得不到及時的沖洗，常遺留漿粉在矩形槽中，影響填縫質量，污染施工現(xiàn)場。

新型紋理化施工成果檢測

抗滑性能

摩擦系數(shù)與構造深度作為路面抗滑性能的宏觀和微觀指標，是路面抗滑性能2種結果的表征，但橫向力系數(shù)表征路面抗滑性能最為直接［10］。

(1)橫向力系數(shù)。橫向力系數(shù)檢測采用單輪式橫向力測試車進行測試，結果如表1所示。

由表1可知，紋理化施工后，SFC測試數(shù)據(jù)范圍57～81，代表值范圍64～72，相對矩形硬刻槽路面提高18%～33%，且合格率100%。測試結果說明HOG新型紋理化施工能夠大幅度提高隧道混凝土路面抗滑性能。

(2)路面構造深度。路面構造深度采用手工鋪砂法，測試結果如表2所示。

由表2可知，構造深度設計值0.7mm～1.0mm，測試結果雖然能夠滿足設計指標，但測試數(shù)據(jù)靠近下限，相對于傳統(tǒng)的矩形硬刻槽方法，在HOG新型紋理化工藝條件下，構造深度檢測值偏下限，無法準確表征水泥混凝土路面的抗滑性能。

行駛性能

(1)平整度。水泥混凝土路面進行矩形刻槽或紋理化施工后，表面形成凹凸不平的紋理，試驗證明，連續(xù)式八輪平整度儀已不適合測試紋理化施工水泥混凝土路面平整度。本文平整度測試采用車載激光平整度儀進行測試，測試結果如表3所示。

由表3可知，HOG新型紋理化施工基本不改變原有路面的平整度。HOG新型紋理化施工不影響原平整度的原因主要在于切削刃具以等壓無沖擊方式在切削過程中沿原路形前進，不改變原有表面高程。

(2)行車噪音。高速公路車速高、交通量大、大中型車及重車比例大，所產(chǎn)生的交通噪音不僅對沿線居民和環(huán)境造成污染，也會影響駕乘舒適性和駕駛人員的敏感性。有資料表明，公路周圍土地價值噪聲每升高1dB，土地價值會下降0.8%～1.26%［11］，較低的噪音不僅有利于行車安全性，也有一定的經(jīng)濟價值。本文在HOG新型紋理化施工完畢路段進行噪音測試，測試時將噪音計放置在駕駛位旁的中央扶手箱上，噪音計麥克朝前方向，分別以60km/h、80km/h、100km/h、120km/h的行車速度，不間斷連續(xù)分別測試瀝青路面、紋理化前隧道路面和紋理化后隧道路面的噪音，測試結果如表4所示。

由表4可知，紋理化施工前、后瀝青路面和矩形刻槽隧道路面行車噪音均隨車速增加而增加;紋理化施工后噪音相比施工前行車噪音有所減小;隧道內紋理化路面行車噪音與隧道外瀝青路面行車噪音基本接近;矩形刻槽路面噪音遠大于紋理化施工路面。紋理化路面行車噪音較小緣于輪胎與地面的緊密貼合。

通過改善水泥混凝土路面常用紋理，可達到降低路面噪聲且提高路面抗滑能力的目的。多孔水泥混凝土路面、露石水泥混凝土路面和縱向刻槽路面噪聲值與瀝青路面相當［12］。

紋理化施工經(jīng)濟性分析

功效提高的經(jīng)濟效益分析

紋理化設備日施工面積可達7000㎡，而硬刻槽的施工工藝單機每日施工面積約1000㎡，功效提高了約7倍，減少了人員、設備等的投入，同時提高了施工效率，縮短了紋理化施工工期，使后續(xù)工序可以提前施工，提高了社會及經(jīng)濟效益。

成本經(jīng)濟效益分析

經(jīng)現(xiàn)場實際測算，紋理化施工工藝的價格約為19元/㎡，而硬刻槽施工工藝約4元/㎡，增加了約15元/㎡，但該施工工藝大大提升了紋理化的質量和耐久性，從全壽命周期的角度考慮，硬刻槽的壽命周期約為1y～2y，一旦失效其處理措施的成本將遠遠大于19元/㎡，而新型紋理化處理工藝在養(yǎng)護維修項目上經(jīng)過實踐證明其壽命周期大于5y，其在新建水泥混凝土路面的最終壽命周期還有待實踐考量，但從目前來看其經(jīng)濟性也遠遠優(yōu)于矩形硬刻槽施工工藝。

HOG新型紋理化技術存在的問題

HOG新型紋理化施工工藝，較此前的紋理化工藝在摩擦力系數(shù)、路面平整度、行車噪音和抗滑性能及其耐久性上都有著突出的優(yōu)勢，但它仍存在以下問題:1)它是一種新型的技術，并且在新建高速公路上是首次使用，其真正的壽命周期有多長還需待時間的驗證;2)雖然其價格遠遠低于目前流行的各種抗滑衰減處理技術的成本，且從全壽命周期的角度而言其成本也優(yōu)于傳統(tǒng)的矩形硬刻槽施工工藝，但其成本高于矩形硬刻槽施工工藝實施期的成本。

針對以上問題，一是在項目中逐漸推廣、積累實踐數(shù)據(jù);二是由于HOG新型紋理化施工工藝的易耗件都是靠進口，大部分的成本在于刀頭等易耗件的損耗，一旦國產(chǎn)化，成本將會得到一定的降低，另外隨著該技術的推廣使用，設備攤銷的成本也會隨之降低，相信只要持續(xù)改進該工藝各個環(huán)節(jié)，成本逐步降低，該技術的應用市場將更加廣泛。

結束語

新型的紋理化施工工藝機械化程度較高，施工后構造深度及橫向力系數(shù)指標較高，不但提升了紋理化的施工質量和耐久性，對既有路面的平整度及噪音影響很小，具有較高的經(jīng)濟社會效益，隨著相關配件的國產(chǎn)化和施工技術的大面積推廣應用，其經(jīng)濟效益將進一步增大，是一種值得大力推廣的施工工藝。

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作者楊磊，首發(fā)于《公路交通技術》2018年8月。