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新型纹理化处治技术在江罗高速公路隧道水泥混凝土路面中的应用

发布日期:2019/6/20 4:26:02 来源: 互联网 浏览量:

      特长隧道由于其特殊环境,一般采用水泥混凝土路面,并通常采用硬刻槽的方式进行表面纹理化施工,但通车后不久抗滑性能衰减明显,造成交通事故多发,另外特长隧道内的养护维修较困难且常规处理造价较高。为解决特长隧道路面抗滑性能及其耐久性不足的问题,在对比其技术原理、施工技术特点的基础上,提出一种新型路面纹理化的施工技术,并在江罗高速公路水泥混凝土路面中推广应用并对其施工平整度、构造深度以及噪音等相关指标进行了检测,结果表明效果较好,且有较高的经济和社会效益。

关键词

特长隧道 | 水泥混凝土路面 | 新型纹理化施工

 

随着高速公路建设逐渐向山区和丘陵地区延伸,隧道在高速公路所占的比例越来越高。当前公路隧道内多采用水泥混凝土路面,现行公路隧道施工技术规范亦只谈水泥混凝土路面[1],目前大多隧道内水泥混凝土路面采用硬刻槽的方式进行路面纹理化处理,然而长、特长隧道水泥混凝土路面在使用过程中,由于隧道内环境相对封闭,空气流动性小,湿度大,地下水丰富;隧道内车速慢、制动会加速路表磨损;隧道内水泥路面施工质量控制难度大,其表面砂浆的强度和耐磨性较低;普通的水泥、外加剂等原材料可能难以适应长、特长隧道的特殊环境等原因[4],路面存在平整度差、抗滑性能衰减较快等突出问题,导致交通事故多发,隧道内发生交通事故后处理困难,易引发二次事故[2]。

广东省部分隧道路面调查结果显示,交通事故的发生频率随着混凝土路面抗滑能力的变差而升高,隧道水泥路面抗滑等级由良到差时,事故发生频率由1.40/km·年增加到6.29/km·年,增加率约为349%3]。尽管调查样本数量受限,但也都说明了水泥混凝土路面抗滑性能对行车安全至关重要。

 

路面抗滑措施

为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年以前多采用横向刻槽的方式,之后多采用纵向刻槽的方式,但采用上述2种方式处理后的水泥混凝土路面在高速行驶车辆的长期作用下,抗滑性能衰减较快,抗滑性能不满足安全行车的要求,易引发交通事故[5]。这与长、特长隧道内的阴暗潮湿、温差小、汽车尾气浓度高等特殊环境也有一定的关系。

目前恢复抗滑性能的处理方式主要为重做防滑构造和加铺罩面。

 

重造路面抗滑构造的措施

(1)精铣刨。精铣刨技术采用低转速球型硬质合金刀头对水泥混凝土表面进行掘挖后,路面形成不规则质地纹理,在增加路面宏观构造的同时沟槽之间还形成锯齿状构造,通过纵向纹理提高路面抗滑性能,降低轮胎与路面接触噪声[6]。

 

(2)抛丸。该技术是工业金属类加工过程中用于除锈的一种表面处理技术,抛丸处理后的路面是一种类似砂纸表面不规则的微观质理,抗滑耐久性较差。

 

(3)酸蚀。采用稀盐酸对水泥路面表面清洗,施工速度慢,抗滑提升不大,难以控制施工质量,且耐久性还未得到验证[7]。

 

(4) 重新硬刻槽。对混凝土路面进行重新纵、横向硬刻槽,但并未从根本上解决抗滑耐久性不足的问题。

 

 

加铺罩面

加铺罩面就是在水泥混凝土路面上再铺一层结构层。目前采用比较多的是Novachip超薄磨耗层罩面、加铺沥青混凝土(ACSMAOGFC),它们虽然可以使抗滑性能明显改善,但是其中加铺沥青混凝土的抗滑耐久性与集料的性质紧密相关,且所有的薄层罩面技术成本较高,且会减小隧道净高,摊铺需要采用专用设备进行,其施工难度和造价都相对较高[8]。

 

依托项目情况

广东省江门至罗定高速公路项目是广东省高速公路网布局规划中的第四横线(福建漳州至广西玉林)的一部分,编号为S26,呈东西走向。本项目起点为鹤山市共和镇,接佛开高速,终点为罗定华石镇莫村,接云岑高速和罗阳高速。江罗高速公路路面工程中包含王北凹隧道(左线长3751m,右线长3713m)、三岔顶隧道(左线长3191m,右线长3192m)2座特长隧道的水泥混凝土路面施工。针对特长隧道水泥混凝土路面抗滑衰减问题突出、而目前此类问题处理技术尚不成熟的现状,为在特长隧道水泥混凝土路面新建的过程中解决其抗滑性能和耐久性问题,在王北凹隧道和三岔顶隧道的水泥混凝土路面上进行新型纹理化处治技术试验研究,以取代常规的特长隧道混凝土路面硬刻槽施工技术。

 

新型纹理化施工技术

 

原理

HOG水泥混凝土路面新型纹理化施工技术是采用高强度刃具和独特的等压无冲击方式在水泥混凝土路面浅表层沿顺车道方向切削出致密的高仿形波浪形纹理,原是索朗机工坊引入加拿大HOG型飞机跑道高仿形纹理化处理机车,再根据国内实践改装而成。HOG在水泥混凝土路面纹理化施工中具有高仿形、高效率、高质量、低污染等技术特点。近几年该技术才用于旧路面抗滑性能恢复,但在新建路面上是首次使用。

特点

(1)HOG水泥混凝土路面新型纹理化施工技术处理后路面呈现良好镶嵌性的连续波浪形浅纹理,大大增加了轮胎与路面的接触面积,因此抗滑性能相对原路面明显改善,如图1(a)(c)所示。普通锯片硬刻槽纹理路面的纹理深度较大,轮胎无法与路面纹理吻合,接触面积减少,如图1(b)(d)所示。因此,与波浪形浅纹理路面相比,抗滑性能较差。

 

(2)当路表面有水存在时,HOG水泥混凝土路面新型纹理化施工技术处理后路面因其丰富的路面纹理能够及时将轮胎与路面间的积水顺利排走,从而保持轮胎与路面之间处于干燥接触状态,提供较好的摩擦力;矩形硬刻槽由于轮胎与矩形纹理无法吻合,路面矩形纹理中容易积水,降低了路面的摩擦力;精铣刨的刨机刀具无法根据路面高低作出自我调整,造成了路面较高处由于铣刨过度出现的脱皮露骨现象,而相对低洼处呈现漏刻留白现象。由于铣刨后的纹理不能形成顺直的纵向排水通道,在洞内漏水及因雨雪天气带入洞内的水路面都不能顺利排出,因此在其众多不规则的凹陷构造中形成积水,从而降低路面的抗滑性能。

 

而新型纹理化处理后的水泥混凝土路面呈现条纵向带状拉槽,横向呈现浅沟壑状,呈U字型,可控深度1mm3mm,纹理间距5mm9mm,解决了路面排水问题,提高了路面抗滑性能。

 

(3)HOG水泥混凝土路面新型纹理化施工技术处理后的波浪形浅纹理的水泥混凝土路面,可对路面的噪声形成一种漫反射,降低车辆通过时的车内、车外噪声,减小了噪声污染,增加了行车舒适性。而精铣刨后的纹理周围组织受到刃具冲击后出现骨料松动现象较为普遍,路面突出纹理较多,车辆经过时会产生高频低幅震动,从而导致较大的车内、车外噪声和较差的行车舒适性,特别是在隧道这样密封空间内这种震动和噪音尤为突出。

 

(4)HOG新型纹理化施工技术处理后路面形成丰富的宏观、微观纹理,在提供良好抗滑性能的同时增加了光线的漫反射,减少了路面炫光,进一步提高了行车安全性。

 

(5)采用精铣刨机刻纹的过程中,路面高出部位由于铣刨深度过大出现脱皮露骨现象,而低洼处则出现漏刻留白现象,其主要原因是旋转式的作业方式造成,因此纹理深度无法达到一致,轮胎花纹与纹理路面之间不能够形成相对封闭的空间[9]。HOG水泥混凝土路面纹理化技术将切削刀具设计改为非旋转式的,并能够在每个刀头接触点随路面高低不同做出相应变化。通过作用在刀头上的压力恒定这一特有的作业方式实现纹理深度一致,同时也避免了旋转刀具的作业方式对路面造成的冲击导致路面出现肉眼难以观察的小裂痕,从而影响路面耐久性,如图2所示。

 

施工流程

封闭交通清洗路面施工前检测纹理化施清扫施工过程中跟踪检测构造深度、平整度和外观质量清洗当天完成的纹理化施工工作面更换全部刀头纹理化施工单洞完成施工后全面清扫和冲洗施工完成后检测平整度、外观和噪声开放交通。

 

施工组织

(1)施工机械与人员配置。混凝土路面纹理化采用全机械化施工,2套台车为一个组合,分别是纹理化施工车和带有扫路装置的小型运输车,如图3、图4所示。施工人员共4人,其中纹理化施工车3人,工作内容分别为施工车驾驶员、纹理化装置操作员和路面施工指挥员;扫路运输车1人,工作内容为驾驶运输车并控制清扫装置。

(2)施工效能分析。纹理化施工机车作业过程中,以车载激光标线为准点匀速前进,施工线型标准。全程使用计算机控制切削刃具的下刀深度,纹理化刻槽深度均匀。

纹理化设备左右各0.5m为作业宽度,间隔1.4m,车道宽度3.75m,需4次往复作业。常规施工作业段长度200m,日施工面积可达7000㎡。以3车道隧道为例,施工长度约为620m/d,一个3km左右的3车道隧道,施工时间为5d6d。较矩形硬刻槽施工效率高。

纹理化施工车自带水箱,每段施工后立即对表面残留浮渣进行冲洗,确保施工作业面干净,纹理化施工后,带有扫路装置的运输车即刻清扫浮渣并运输出作业面。因此,HOG水泥混凝土路面新型纹理化施工能够做到零污染。而矩形硬刻槽受施工功效和工序安排的原因,其施工产生的浆粉常常得不到及时的冲洗,常遗留浆粉在矩形槽中,影响填缝质量,污染施工现场。

 

新型纹理化施工成果检测

抗滑性能

摩擦系数与构造深度作为路面抗滑性能的宏观和微观指标,是路面抗滑性能2种结果的表征,但横向力系数表征路面抗滑性能最为直接[10]。

(1)横向力系数。横向力系数检测采用单轮式横向力测试车进行测试,结果如表1所示。

 

由表1可知,纹理化施工后,SFC测试数据范围5781,代表值范围6472,相对矩形硬刻槽路面提高18%33%,且合格率100%。测试结果说明HOG新型纹理化施工能够大幅度提高隧道混凝土路面抗滑性能。

 

(2)路面构造深度。路面构造深度采用手工铺砂法,测试结果如表2所示。

 

由表2可知,构造深度设计值0.7mm1.0mm,测试结果虽然能够满足设计指标,但测试数据靠近下限,相对于传统的矩形硬刻槽方法,在HOG新型纹理化工艺条件下,构造深度检测值偏下限,无法准确表征水泥混凝土路面的抗滑性能。

 

 

行驶性能

(1)平整度。水泥混凝土路面进行矩形刻槽或纹理化施工后,表面形成凹凸不平的纹理,试验证明,连续式八轮平整度仪已不适合测试纹理化施工水泥混凝土路面平整度。本文平整度测试采用车载激光平整度仪进行测试,测试结果如表3所示。

 

由表3可知,HOG新型纹理化施工基本不改变原有路面的平整度。HOG新型纹理化施工不影响原平整度的原因主要在于切削刃具以等压无冲击方式在切削过程中沿原路形前进,不改变原有表面高程。

 

(2)行车噪音。高速公路车速高、交通量大、大中型车及重车比例大,所产生的交通噪音不仅对沿线居民和环境造成污染,也会影响驾乘舒适性和驾驶人员的敏感性。有资料表明,公路周围土地价值噪声每升高1dB,土地价值会下降0.8%1.26%11],较低的噪音不仅有利于行车安全性,也有一定的经济价值。本文在HOG新型纹理化施工完毕路段进行噪音测试,测试时将噪音计放置在驾驶位旁的中央扶手箱上,噪音计麦克朝前方向,分别以60km/h80km/h100km/h120km/h的行车速度,不间断连续分别测试沥青路面、纹理化前隧道路面和纹理化后隧道路面的噪音,测试结果如表4所示。

 

由表4可知,纹理化施工前、后沥青路面和矩形刻槽隧道路面行车噪音均随车速增加而增加;纹理化施工后噪音相比施工前行车噪音有所减小;隧道内纹理化路面行车噪音与隧道外沥青路面行车噪音基本接近;矩形刻槽路面噪音远大于纹理化施工路面。纹理化路面行车噪音较小缘于轮胎与地面的紧密贴合。

 

通过改善水泥混凝土路面常用纹理,可达到降低路面噪声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纵向刻槽路面噪声值与沥青路面相当[12]。

 

纹理化施工经济性分析

 

功效提高的经济效益分析

纹理化设备日施工面积可达7000㎡,而硬刻槽的施工工艺单机每日施工面积约1000㎡,功效提高了约7倍,减少了人员、设备等的投入,同时提高了施工效率,缩短了纹理化施工工期,使后续工序可以提前施工,提高了社会及经济效益。

成本经济效益分析

经现场实际测算,纹理化施工工艺的价格约为19/㎡,而硬刻槽施工工艺约4/㎡,增加了约15/㎡,但该施工工艺大大提升了纹理化的质量和耐久性,从全寿命周期的角度考虑,硬刻槽的寿命周期约为1y2y,一旦失效其处理措施的成本将远远大于19/㎡,而新型纹理化处理工艺在养护维修项目上经过实践证明其寿命周期大于5y,其在新建水泥混凝土路面的最终寿命周期还有待实践考量,但从目前来看其经济性也远远优于矩形硬刻槽施工工艺。

 

HOG新型纹理化技术存在的问题

HOG新型纹理化施工工艺,较此前的纹理化工艺在摩擦力系数、路面平整度、行车噪音和抗滑性能及其耐久性上都有着突出的优势,但它仍存在以下问题:1)它是一种新型的技术,并且在新建高速公路上是首次使用,其真正的寿命周期有多长还需待时间的验证;2)虽然其价格远远低于目前流行的各种抗滑衰减处理技术的成本,且从全寿命周期的角度而言其成本也优于传统的矩形硬刻槽施工工艺,但其成本高于矩形硬刻槽施工工艺实施期的成本。

 

针对以上问题,一是在项目中逐渐推广、积累实践数据;二是由于HOG新型纹理化施工工艺的易耗件都是靠进口,大部分的成本在于刀头等易耗件的损耗,一旦国产化,成本将会得到一定的降低,另外随着该技术的推广使用,设备摊销的成本也会随之降低,相信只要持续改进该工艺各个环节,成本逐步降低,该技术的应用市场将更加广泛。

 

结束语

新型的纹理化施工工艺机械化程度较高,施工后构造深度及横向力系数指标较高,不但提升了纹理化的施工质量和耐久性,对既有路面的平整度及噪音影响很小,具有较高的经济社会效益,随着相关配件的国产化和施工技术的大面积推广应用,其经济效益将进一步增大,是一种值得大力推广的施工工艺。

 

参考文献

1]中交第一公路工程局有限公司.公路隧道施工技术规范:JTGF60—2009S].北京:人民交通出版社,2009

2]杨轸,郭忠印.隧道路面抗滑性能测定及其对行车安全影响分析[J].重庆交通学院学报,200625(6):3844

3]许新权,吴传海,李善强,等.基于大样本数据的广东省公路隧道路面安全性能调查研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2016(6):11161119

4]李国良.福建高速公路隧道交通事故分析与研究[J].中国科技信息,2009(3):270272

5]李波,韩森,康宏伟,等.隧道混凝土道面纹理刻槽改善后的抗滑与噪声特性[J].公路交通科技(应用技术版)2014(4):210212

6]王鹏,陈亚杰,韩森,等.水泥混凝土路面及其宏观细观纹理再造施工方法[P].CN101914885A2010

7]张补才,张俊,王战兵.牛王山隧道混凝土路面防滑处治技术[J].山西交通科技,2001(2):3536

8]饶志勇,吴传海.基于路面抗滑性能的隧道行车安全分析[J].广东公路交通,2013(3):4346

9]刘世伟,冉宝山,孙佩芳,等.浅谈铣刨机的精铣刨工艺[J].建筑机械化,2014(2):9799

10]交通运输部公路科学研究院.公路工程质量检验评定标准第一册:土建工程:JTGF80/1—2017S].北京:人民交通出版社,2017

11]崔亚萍,蔡玉斌.道路交通噪音及其控制措施[J].河北建筑工程学院学报,200523(3):101102

12]刘英,田波,牛开明.不同纹理水泥混凝路面降噪与抗滑特性[J.公路交通技术,2012(1):2833

作者杨磊,首发于《公路交通技术》20188月。



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