廣東省佛山市一環(huán)高速公路改造路面大修方案探討

易紅晟

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)廣東有限公司，廣東 佛山 528200）

0 引言

廣東省佛山市一環(huán)高速公路自2006年11月通車以來，一直實(shí)施全線免費(fèi)通行，這也是國(guó)內(nèi)首條全線免費(fèi)的高速公路。不過免費(fèi)通行也讓佛山市一環(huán)高速公路成為了路網(wǎng)中的“漩渦”或“黑洞”，吸引了周邊路網(wǎng)大量的車流，路況日趨擁堵。根據(jù)《廣東省2013年至2017年廣東省高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)“一張網(wǎng)”系統(tǒng)，對(duì)一環(huán)高速公路建設(shè)計(jì)劃》，廣明、廣佛肇、佛江、佛清從、佛珠共計(jì)5條高速公路將與佛山一環(huán)高速公路共用，這意味佛山市一環(huán)高速公路將由免費(fèi)通行轉(zhuǎn)為收費(fèi)，成為廣東省高速公路路網(wǎng)的一部分，使用收費(fèi)杠桿來平衡車流，緩解交通擁堵。

本文旨在通過對(duì)佛山市一環(huán)高速公路（廣明高速二期佛山一環(huán)利用段）改造的契機(jī)，探討對(duì)佛山市一環(huán)高速公路路面大修方案的設(shè)計(jì)研究工作。

1 改造段原有公路路基、路面設(shè)計(jì)、使用狀況及調(diào)查

1.1 改造段原有公路路基橫斷面組成及使用狀況

原項(xiàng)目主線路基、路面寬度滿足改造為高速公路相應(yīng)的規(guī)范[1]要求，可直接利用。輔道路基、路面寬度滿足規(guī)范[2]要求，非改造路段可直接利用。原項(xiàng)目主線養(yǎng)護(hù)情況良好，公路使用狀況良好。

1.2 歷年養(yǎng)護(hù)與維修情況

（1）根據(jù)收集到的軟基路段不均勻沉降病害處理資料，佛山市一環(huán)高速公路通車近10 a以來，針對(duì)不均勻沉陷路段的處治措施主要是加鋪調(diào)平層或銑刨后加鋪調(diào)平層，分析原因可能為：軟土地基路段處理方法如排水固結(jié)堆載預(yù)壓法等都需要一定的處治時(shí)間，但由于一環(huán)高速公路工期緊張，處理時(shí)間不足，2006年年底通車后，除了受面層、基層及土體自重的影響，還要受到車輛荷載重復(fù)作用的影響，使土體產(chǎn)生進(jìn)一步的壓縮變形。但隨使用年限的增加，這種壓縮變形越來越小直至消失，由此導(dǎo)致的路面病害越來越少。

（2）佛山市一環(huán)高速公路通車近10 a以來，整體運(yùn)營(yíng)狀況良好，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，部分路段存在少量病害，營(yíng)運(yùn)以來，全線實(shí)施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)（薄層罩面）處治路段全長(zhǎng)約 27.0 km（單幅），其中主路內(nèi)環(huán)約9.9 km，外環(huán)約16.9 km。

1.3 公路區(qū)間交通量分布狀況

綜合考慮本項(xiàng)目趨勢(shì)交通量、誘增交通量和轉(zhuǎn)移交通量，得到本項(xiàng)目推薦方案交通量預(yù)測(cè)結(jié)果：廣明高速二期建設(shè)改造完成后，全線平均日交通量從2018年的7.4萬pcu/h增長(zhǎng)到2037年的10.7萬pcu/h，總增長(zhǎng)率約為45%。

1.4 改造段原有路面狀況及檢測(cè)的主要結(jié)論

原有路面狀況：原項(xiàng)目主線及輔道均采用瀝青混凝土路面，瀝青路面破損主要為橫向裂縫，裂縫數(shù)量較少；車轍出現(xiàn)較少；局部路段橋頭路基出現(xiàn)輕微跳車。路面PCI（路面狀況指數(shù)）總體評(píng)價(jià)為良。內(nèi)側(cè)兩車道和外側(cè)兩車道優(yōu)良比率分別為98.5%和76.4%。

調(diào)查主要結(jié)論：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況顯示，部分路段在近年內(nèi)進(jìn)行過老路加鋪罩面等養(yǎng)護(hù)措施主線路面狀況良好；輔道路面整體情況較好，部分與低等級(jí)路交叉路段路面狀況較差。

2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 加鋪厚度初擬計(jì)算

從現(xiàn)場(chǎng)病害情況以及交通量數(shù)據(jù)分析來看，本項(xiàng)目大部分路段尤其是重車道已經(jīng)出現(xiàn)了疲勞破壞情況。但根據(jù)實(shí)測(cè)彎沉數(shù)據(jù)，各路段承載能力狀況較好，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)評(píng)價(jià)為“優(yōu)”，這表明彎沉指標(biāo)在反映瀝青路面強(qiáng)度方面存在著一定的局限性。

為此，本工程路面結(jié)構(gòu)采用以下4種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)算，計(jì)算不同加鋪厚度的頂面設(shè)計(jì)彎沉值和層底拉應(yīng)力，找出適宜加鋪厚度。

方法1：參考國(guó)內(nèi)其他高速公路瀝青路面改建設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[3]，統(tǒng)一將舊瀝青路面上基層視為級(jí)配碎石（500 MPa），舊瀝青路面其余各層的模量均被認(rèn)為衰減至材料參數(shù)取值下限，重新進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

方法2：按新建瀝青路面設(shè)計(jì)進(jìn)行，但對(duì)于舊路面各結(jié)構(gòu)層在材料設(shè)計(jì)參數(shù)的取值上采用規(guī)范[4]推薦范圍的下限值（考慮承受巨大交通量后材料的損傷）。

方法3：按瀝青層模量衰減至規(guī)范[4]推薦值的下限值、半剛性基層模量衰減了30%后計(jì)算。

方法4：按規(guī)范[4]改建路面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。

根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)計(jì)算得出的各路段主路適宜加鋪厚度結(jié)果見表1。

表1 各路段主路適宜加鋪厚度 cm

從表1可知：（1）根據(jù)以上路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算方案，在考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷折減的基礎(chǔ)上，宜加鋪的厚度為7~11 cm；（2）由于現(xiàn)狀路面實(shí)測(cè)彎沉值較小，若以實(shí)測(cè)彎沉值反算舊路表面的回彈模量為基礎(chǔ)，按規(guī)范[5]改建路面的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前的路面厚度仍可滿足改建后交通量的設(shè)計(jì)要求，無需進(jìn)行加鋪補(bǔ)強(qiáng)層設(shè)計(jì)，說明方法4存在一定的局限性。

2.2 路面結(jié)構(gòu)選擇

老路原路面面層為AC-13，本項(xiàng)目從全壽命周期成本出發(fā)，上面層采用綜合性能優(yōu)秀的SMA-13面層。主線老路改造路面采用直接加鋪薄層熱瀝青罩面或銑刨面層一定厚度后加鋪，擬定路面補(bǔ)強(qiáng)加鋪處治方案見表2。

在選擇路面改造方案時(shí)，還應(yīng)考慮以下因素：

（1）根據(jù)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，在考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷折減的基礎(chǔ)上，宜加鋪的厚度為7~11 cm。

（2）渠化交通影響：制定舊路病害處治方案時(shí)，還應(yīng)考慮路面改造階段渠化交通的影響，渠化交通后，車道承載的交通壓力翻倍，路面病害存在迅速破壞的過程，因此，制定方案時(shí)應(yīng)考慮處治方案的前瞻性。

（3）路況檢測(cè)時(shí)間與大修改造時(shí)間差的影響：通常情況下，設(shè)計(jì)普遍采用檢測(cè)單位提供的檢測(cè)數(shù)據(jù)，而本項(xiàng)目檢測(cè)時(shí)間是2016年7～9月，距離實(shí)際施工還有2 a時(shí)間差，因此，制定設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)考慮此時(shí)間段內(nèi)路面病害的發(fā)展預(yù)期。

綜上所述，從保證路面改造后使用耐久性的角度出發(fā)，總體上推薦采用方案2（直接加鋪10 cm），個(gè)別路段可以結(jié)合縱斷面設(shè)計(jì)、路面狀況等實(shí)際情況，靈活選用方案1（直接加鋪4 cm）和方案3。

3 路面加鋪后路基“二次”沉降預(yù)估研究

3.1 原有軟基處理方式調(diào)查及路基沉降分類

原有路基處理采用了袋裝砂井、CFG樁和水泥攪拌樁進(jìn)行軟基處理。其中，袋裝砂井處理占比為72.8%。根據(jù)對(duì)路基累計(jì)沉降量與軟基處理工況以及路面損壞（裂縫出現(xiàn)頻率、路面修補(bǔ)次數(shù)）之間的關(guān)聯(lián)程度，對(duì)軟基路段再次進(jìn)行了劃分，劃分情況如表3所示。

其中第一類、第二類路面沉降已趨于穩(wěn)定，路面大修方案以路面面層處治維修為主；第三類的路基沉降仍未穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)路面大修方案時(shí)通常需增設(shè)較厚的基層或調(diào)平層等措施，路面加鋪所帶來的附加荷載對(duì)原有路基存在一定擾動(dòng)，需考慮加鋪所帶來的路基二次沉降的影響。

3.2 加鋪層二次沉降影響分析

為對(duì)二次沉降的影響進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，選取了較為典型的路段進(jìn)行鉆孔取樣，獲得路基的土樣資料。土層分布至上而下為：路面結(jié)構(gòu)層、路基填土、砂墊層、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土和全風(fēng)化花崗巖。

沉降計(jì)算采用以有限元計(jì)算為主、分層總和法計(jì)算為輔的總體思路，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，提高計(jì)算效率，模型按平面應(yīng)變問題進(jìn)行數(shù)值分析，采用半對(duì)稱計(jì)算模型。分別計(jì)算了10 cm、20 cm、30 cm、40 cm以及50 cm不同加鋪厚度下的路基二次沉降情況見表4。

表2 方案處治信息表

表3 軟土路基“二次”分類情況

表4 不同加鋪厚度下路基沉降計(jì)算值 cm

由表4可知：項(xiàng)目改造施工對(duì)路基土體擾動(dòng)后，加鋪厚度在10 cm左右時(shí)，軟土路基二次沉降量均在13 cm以內(nèi)，部分路段加鋪厚度較大（30~50 cm）時(shí)，沉降均能控制在20 cm以內(nèi)，均滿足高速公路允許沉降標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)佛山市一環(huán)高速公路改造路面方案的研究，探討了在檢測(cè)中實(shí)測(cè)彎沉數(shù)據(jù)、路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)評(píng)價(jià)與路況調(diào)查結(jié)果相悖情況下的路面結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，指出了彎沉指標(biāo)在反映瀝青路面強(qiáng)度方面存在著一定的局限性。

（2）分析了路面加鋪厚度對(duì)原有軟基沉降未穩(wěn)定路段的二次沉降影響，在加鋪方式設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分對(duì)原有軟基沉降狀況進(jìn)行調(diào)查分析，重視加鋪對(duì)路基所帶來的二次沉降影響。