公路隧道路面结构与材料研究现状及展望

摘 要 本文通过调研分析隧道内气候环境对路面结构与材料的影响，分析隧道内特殊气候环境对路面结构与材料的要求，综述目前我国公路隧道内路面结构与材料的型式，论述隧道内路面结构的施工工艺与方法，针对目前公路隧道路面结构与材料现状，提出了今后的研究方向。 关键词 公路隧道路面结构路面材料研究及展望 1. 前言 随着我国公路建设的迅速发展，公路隧道不断增多。据第二次全国公路普查统计，到’### 年底，全国已建公路隧道1684处，总长达628km。 为了贯彻党中央、国务院关于西部大开发的战略决策，改变西部地区公路建设的落后面貌，交通部确定了加快西部建设发展的总体目标，计划利用20年的时间，基本形成布局合理、功能完善的公路运输服务网络，基本适应西部地区国民经济发展的需要。要实现这一目标，西部地区要建设1.26万公里的国道主干线、1.5万公里的八条省际公路大通道和22万公里的县乡公路。 由于西部地理环境特点，待建公路将向山区发展的趋势，公路隧道无论数量、长度都会有更多的增加，而且规模将越来越大，类型（陆上、水下）将越来越多。面对这一繁重建设任务，但又经济基础薄弱、建设资金匮乏的形势，降低公路投资和维修造价（包括隧道路面）是西部地区许多省区迫切需要解决的问题。 由于各方面的原因，我国对隧道路面结构和材料的研究比较薄弱，隧道路面大多采用水泥混凝土路面，结构型式单一，由于没有针对不同隧道路面的特点进行结构与材料的研究，已建的隧道水泥路面出现了诸如：剥落、断板、接缝破坏、抗滑性能差、平整度低、噪声大等问题，严重影响了隧道通行能力和使用性能。 因此，开展隧道内路面结构与材料研究、调查、观测和分析隧道内气候环境对路面结构与材料的影响，分析隧道内特殊气候环境对路面结构与材料的要求，研究公路隧道内路面结构设计方法与材料设计方法与设计标准，研究隧道内路面的施工工艺与质量控制方法，以及隧道内路面的修复技术，是十分必要和及时的。为此，交通部在’##’ 年西部交通建设科技项目中列入了此项目的研究任务。 2. 隧道内环境对路面结构与材料的影响 隧道内是一个相对封闭、空间狭小的管状环境。隧道内没有隧道外的日晒雨淋气候，一般夏季隧道内比洞外气温低，冬季气温较洞外高，全年气温相对稳定，温度变化幅度小，温差小；但隧道内湿度大，比较潮湿，地下水丰富。隧道内空气流动性小，空气易污染；隧道内没有日照，常年处于黑暗中，能见度低。因此，隧道内路面与一般道路、桥面铺装结构在使用环境上存在较大的差别，需深入调查、观测和研究隧道内气候、环境对路面结构和材料性能的影响。 2.1 隧道内环境对路面结构的影响 隧道内没有日晒雨淋对路面结构的影响。隧道内气温，一般夏季隧道内比洞外气温低，冬季气温较洞外高，全年气温相对稳定，温度变化幅度小，温差小，气温的年周期变化、日周期变化小，水泥混凝土路面板内的温度应力也小，路面结构的收缩变形小，不易开裂。 隧道内湿度大，比较潮湿，地下水丰富，易产生水损害和基础唧泥，直接影响路面的使用性能与耐久性，尤其是沥青路面。同时也影响到路表面的抗滑性能，不利于行车安全，对路表面的抗滑性能提出了更高要求。 2.2 隧道内环境对路面材料的影响 隧道内潮湿、地下水丰富，路面材料须有较好的水稳定性，抗水损害的能力要强，同时要求材料的抗滑性能优良，一般选用水泥混凝土路面；隧道内交通噪声大，路面材料最好具有吸收噪声的功能，或者具有一定的减噪能力；隧道内基础强度不均匀，路面材料的整体强度很重要；隧道内空间小，不利于大型机械化施工，路面须具有良好的施工性能。 2.3 隧道内环境对路面施工的影响 隧道内是一个相对封闭、空间狭小的管状环境。隧道内不利于大型施工机械作业，对需要大型施工设备的路面结构不适合，同时给施工及养护造成困难，尤其养护作业时交通组织与交通安全维护问题较大。 2.4 隧道内环境对交通的影响 隧道内管状空间噪声反射率高，交通噪声严重；隧道内废气污染严重，主要是汽车所排放的一氧化碳（CO）和柴油车所排放的烟雾，直接危害乘客的健康，且烟雾、尘土等又会使隧道内能见度降低，影响行车速度与行车安全。 3. 隧道内环境对路面的要求 隧道内是一个相对封闭、空间狭小的管状环境，具有独特的气候环境，温差小、湿度大、空气污染严重、交通噪声大等特点，对隧道内路面结构与材料提出了一些特殊的要求。 公路隧道内路面由于特殊的气候与环境，要求其结构密实、路面平整、水稳定性好、强度高，并具有良好的抗滑性能、耐久性和抗磨耗性；不透水，抗水性好，有良好的排水系统；抗腐蚀能力强，漫反射率高，颜色明亮，易修补。 隧道路面材料一般按普通道路建筑材料的技术指标与标准来要求和进行材料组成设计，但隧道内其特殊的气候环境和功能要求，其材料性能指标与技术标准也应作一些调整和变动，以适应隧道路面的技术要求。 4. 隧道内路面结构类型与材料 4.1 水泥混凝土路面 目前及多年来主要采用水泥混凝土路面结构型式，其主要优点是：水稳定性好，地下水对其影响小；结构强度高，承载能力强，耐久性好；颜色浅亮对照明有利。但水泥混凝土路面洞内噪声大，路面结构接缝造成平整度相对较差，行车舒适程度不如沥青路面，一般路面抗滑性能难以满足技术要求；由于颜色浅，路面标线与路面的对比度低，路面标线的效果受到影响；水泥混凝土路面一旦损坏，养护维修困难，由于空间狭小、亮度低，不利于作业和交通组织。 隧道内路面抗滑性能不足应引起重视。山西晋城至阳城高速公路中的牛王山隧道，长1860m，双洞、路面各宽8m，路线纵坡2.2%，水泥混凝土路面，1997年底建成通车。而南线混凝土路面抗滑性能急剧下降，表面构造深度由竣工初期的0.72mm下降到1999年6月（一年半）的不足0.2mm，从外观来看，路面横向拉槽逐渐变浅或消失，表面光滑，手感油腻，呈镜面现象；而交通事故大幅上升，1999年占全线交通事故的50%。养护单位采用纵向刻槽方式进行抗滑能力的恢复，效果良好。 4.2 沥青路面 以前隧道内路面较少采用沥青路面，由于隧道内温差小、潮湿，全年保持在一个较低、较恒定的温度，如采用层铺法或路拌法施工的沥青表面处治、沥青贯入式、乳化沥青混合料等，一般不容易成型良好；潮湿的使用环境直接影响沥青路面的使用性能与耐久性，容易产生水损坏，耐久性不如水泥混凝土路面；沥青路面颜色黑，反射率低，直接影响路面的亮度（照明度），其优点是平整度好、抗滑性能易保障、噪声低，行车舒适、安全，且损坏维修方便，与路面标线颜色对比强烈，利于高速公路中的分道行驶。 因此，《公路隧道设计规范》（JTJ 026-90）中，一般情况下，建议采用水泥混凝土路面。隧道内干燥无水、施工方便时也可采用沥青路面。 近年来，随着我国公路建设的迅速发展，公路隧道越来越多，尤其是高速公路中的隧道建设，并对隧道路面的汽车行驶的安全性与舒适性、对隧道路面的表面抗滑性能和噪声要求比一般公路隧道提出了更高的要求，特别是行车安全性、舒适性和环保上的要求。因此，一般小型机具施工的水泥混凝土路面难以满足这方面的要求。 在国外大多数的公路隧道路面采用沥青路面。在我国也有专家提出，一般公路隧道采用水泥混凝土路面，但高速公路隧道宜采用沥青路面，特别是高性能的沥青混合料，如SAC、SMA、OGFC等。如福建省章龙高速公路中的东家畲隧道，长205m，路面结构为：4cmSBS改性沥青SMA-10+改性乳化沥青粘层及自粘式玻璃纤维格栅+4cm改性沥青AC-13+25cmC35水泥混凝土基础+C10贫混凝土找平层，通过年半年的通车运行，效果良好。而旁边的如山头隧道的水泥混凝土路面，抗滑性能急剧下降，短短3个月时间发生了近20起交通事故。 4.3 连续配筋混凝土路面 美国最先使用连续配筋混凝土路面，早在1921年，在华盛顿特区修建了第一条连续配筋混凝土路面，以探索其工作原理与使用效果，随后德克萨斯州、弗吉尼亚州、宾夕法尼亚州、马里兰州等地开展了大规模的工程试验，得到了比较满意的结果。现行的设计规范为1990年美国联邦公路局（FHWA）颁发的刚性路面规范。在美国全国大量修建高速公路和机场道面时（州际公路与国防公路系统）大量采用了连续配筋混凝土路面，据统计，这种路面的总里程已超过32000km。经过20多年的使用实践，绝大部分路面完好无损。在亚洲，除日本之外，泰国于1988年在南北高速公路上铺筑了150km的连续配筋混凝土路面，采用了英国交通部的设计规范进行设计。 在我国，由于连续配筋混凝土路面用钢量较大，造价较高，一般公路建设中受投资的影响极少采用，2000年以前，仅在江苏省的盐城和镇江等两地各修筑了1km的试验工程。现行《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ012—94）也只建议在高速公路与一级公路建设中使用。规范提出的连续配筋混凝土路面设计方法主要参考国外的设计方法和试验路的成果，同时，规范也指出许多问题有待深入研究。2002年湖南省耒宜高速公路建设有限公司在京珠主干线湖南耒阳至宜章段修筑了44km的连续配筋混凝土路面，通过近一年的使用，目前状况良好，行车性能舒适。 由于连续配筋混凝土路面是一种在路面的纵向配置了足够的钢筋，取消了横向接缝的路面形式，它对减少路面水损害破坏，改善隧道路面的使用品质有明显的成效。 5. 隧道内路面施工特点 隧道内空间狭小、亮度低、空气潮湿，对施工操作不利，目前隧道内水泥混凝土路面大多采用小型机具施工，无法满足平整度的要求，而且施工质量控制困难。目前迫切需要研究采用大型施工机械进行隧道内水泥混凝土路面与热拌热铺沥青混凝土路面的施工技术与质量保障措施。 6. 隧道内路面结构与材料研究展望 我国是一个多山的国家，2-3左右的国土是山地或重丘，在公路建设中，公路隧道从无到有，从短到长，从简单“土洞”到设备功能齐全的现代化隧道。近年来，随着我国高等级公路的发展，公路隧道建设的规模越来越大，通过这些隧道的实践，推动了科学技术进步，交通部门有关单位近年来围绕工程实际问题开展科学研究，取得了系列研究成果，但对隧道内路面研究不多，而隧道内路面的好坏直接影响到隧道的使用质量与使用效果。因此，有必要对隧道内路面开展更深入的研究，更好地提高隧道内路面行车舒适性、行车安全与通行能力，应在以下几个方面更好地开展研究工作。 1）采用先进的电子测试技术和无损检测技术对隧道内气候、环境和路面使用性能进行周期性观测与调查，全面掌握隧道内气候、环境的特点及其变化规律，结合平面温度场和三维温度场等理论，采用非线性有限元分析方法，在试验研究的基础上进行分析，把握其对隧道路面结构与材料的影响程度。 2）应用连续配筋混凝土路面提高高速公路隧道路面的整体强度、耐久性和行车舒适性能，以满足高速公路以及隧道路面对路面结构的功能要求。 3）采用混凝土板斜接缝、不等距刻槽、滑模摊铺施工技术提高水泥混凝土路面表面的抗滑性能、平整度与降低噪声水平；采用高性能减噪沥青混合料，提高沥青路面表面构造深度，降低行车噪声，提高行车舒适性能。 4）应用水泥混凝土、连续配筋混凝土、钢筋混凝土、贫混凝土基层提高隧道内沥青路面的整体强度，减薄路面结构总厚度，满足隧道内施工上的要求。 5）研究隧道内路面结构的综合防排水技术措施。 6）利用室内大型直道疲劳试验和先进的$%&’ 沥青及沥青混合料试验设备进行路面新材料和新结构的试验验证，结合理论分析，提出隧道内路面结构设计方法。 针对目前公路隧道路面结构与材料现状，提出今后的研究方向，供我国公路隧道尤其是西部地区公路隧道的建设及养护参考，以提高隧道路面使用性能、使用寿命及服务水平，降低行车噪声和养护成本，提高公路隧道运营的安全与综合效益。 7 结论 应在深入调查、观测和研究气候、环境对隧道内路面结构和材料的影响基础上，以实体工程为依托，通过调研、现场观测、室内外试验、工后观测和理论分析，结合新材料、新结构、新工艺、新技术等的应用研究，科学、系统地提出隧道路面结构合理型式、合理厚度和结构组合，提出隧道路面材料设计指标与技术标准，提出隧道路面结构施工工艺以及隧道旧路面的修复技术，用以指导我国公路隧道尤其是西部地区公路隧道的建设及养护，提高隧道路面使用性能、使用寿命及服务水平，降低行车噪声和养护成本，提高公路隧道运营的安全与综合效益。