山區(qū)特長隧道水泥混凝土路面施工關(guān)鍵技術(shù)研究

王 濤，劉艷軍，李 亮，李偉雄

(1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027；2.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司，廣東 廣州 510641)

1 引 言

截至2018年底，我國公路隧道增長率迅猛提升，隧道路面的路用性能越來越受重視。隧道屬于半封閉式構(gòu)造物，尤其是長隧道，存在空氣流通性差、濕度大、內(nèi)部涌水或洞壁滲水等問題。由于熱拌瀝青混合料的隧道施工環(huán)境惡劣，洞內(nèi)路面質(zhì)量亦難以保證，潮濕環(huán)境下的瀝青路面易出現(xiàn)水損害，影響其耐久性。水泥混凝土路面具有水穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)強度高、耐久性好的特點，其顏色特征適用于隧道照明環(huán)境。但是水泥路面平整度差、抗滑性能不足一直是隧道路面施工亟需解決的問題。

本文依托新建高速特長隧道路面，從混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計、拌和、攤鋪與布料、構(gòu)造施工等環(huán)節(jié)開展關(guān)鍵技術(shù)研究工作。

2 試驗段概況

連英高速是汕(頭)昆(明)高速公路的連平至英德段，經(jīng)過粵西山區(qū)，橋隧比較高。依托項目金門隧道為特長隧道，其中左線K194+490～K201+588全長7 098 m(含進出口606 m)，右線K194+497-K201+585.626(含進出口606 m)，全長7 088.626 m；路面采用C40水泥混凝土。

3 水泥混凝土配合比設(shè)計優(yōu)化

3.1 原材料

(1)水泥：選用廣東英德市海螺水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥，其技術(shù)指標均符合規(guī)范與設(shè)計文件要求。

(2)粗集料：選用廣東省英德市茶果示范場石場生產(chǎn)的5～10 mm、10～20 mm、16～25 mm三檔規(guī)格的碎石，各項指標符合設(shè)計要求。

(3)細集料：選用礤下砂場的天然砂，細度模數(shù)實測值為2.66，潔凈度、密度、空隙率等各項指標符合設(shè)計要求。

(4)水：采用人或牲畜的潔凈飲用水。

(5)外加劑：采用聚羧酸JB-ZSC型。

3.2 正交設(shè)計法

采用正交法進行混凝土配比試驗，選擇L9(34)正交設(shè)計表對水泥用量、用水量、砂率、外加劑四個因素進行分析，探索各因素對混凝土坍落度與彎拉強度的影響，見表1。其中，試配抗彎拉強度為5.75 MPa，混凝土坍落度為10～30 mm。

表1 L9(34)因素水平表

試驗結(jié)果(表2)可得，影響坍落度的因素依次為：用水量>水泥用量>外加劑>砂率；影響彎拉強度的因素依次為：水泥用量>用水量>砂率>外加劑。綜合考慮設(shè)計要求、運輸距離及氣候溫度等，選用坍落度大且滿足彎拉強度設(shè)計要求的配合比作為優(yōu)選方案。最終確定試驗組合方案為：A3B2C1D3。即水泥∶河砂∶碎石∶水∶減水劑=395∶658∶1 222∶145∶4.07(kg/m3)，其中，在配合比正交試驗過程中，初定各檔碎石的比例為16～25 mm∶10～20 mm∶5～10 mm=4∶4∶2。過去的研究往往忽略了混凝土中粗集料級配的影響。本文從粗集料級配入手，進一步對上述配合比進行優(yōu)化設(shè)計，以期提高水泥混凝土彎拉強度可靠度及其耐磨性能。

3.3 分級摻配法

混凝土的致密狀態(tài)直接決定了其強度與水穩(wěn)定性。1970年，美國Lees提出一種礦物分級摻配方法，旨在通過混合適當(dāng)比例的粗細集料提高混合料的填充密實度。當(dāng)混合物密度最大時，可獲得最密實的粗細集料級配比例。

采用下振型振動試驗臺對粗集料進行振動充填試驗(頻率為50 Hz，振幅為1 mm)。具體試驗過程如下：

表2 正交試驗結(jié)果直觀分析

(1)先將16～25 mm和10～20 mm兩檔集料按16～25∶10～20=5∶5、4∶6、6∶4、3∶7、7∶3、8∶2、2∶8進行調(diào)配并拌合均勻，倒入搗實筒進行振動，計算其緊裝密度，見表3。

表3 集料(16～25 mm和

試驗結(jié)果表明：當(dāng)粗集料密實度最大時，16～25 mm∶10～20 mm規(guī)格料比例在6∶4和7∶3之間，插值確定16～25 mm和10～20 mm的比例為6.5∶3.5。

(2)取樣步驟(1)的(16～25 mm+10～20 mm)混合集料，按(16～25 mm+10～20 mm)∶5～10 mm=6∶1、5∶1、4∶1、3∶1、2∶1，調(diào)配混合均勻，進行第二階段的振動填充試驗，其緊裝密度見表4。

表4 集料(16～25mm+10～20 mm和

該組試驗結(jié)果表明：當(dāng)粗集料密實度最大時，(16～25+10～20)∶5～10的比例在4∶1。

根據(jù)換算，結(jié)合工程實際確定粗集料16～25 mm∶10～20 mm∶5～10 mm的比例為5∶3∶2。

3.4 水泥混凝土性能評價

由表5可知，分級摻配法對混凝土的坍落度影響不大，能夠保證施工和易性。相比原級配，優(yōu)化級配的7 d與28 d彎拉強度提高10%以上。采用水泥膠砂耐磨試驗機開展養(yǎng)生完成后的水泥試件耐磨性試驗，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化級配的混凝土磨耗值明顯低于原級配。說明調(diào)整混凝土內(nèi)部粗集料的級配可以使水泥混凝土內(nèi)部形成的致密填充結(jié)構(gòu)，也可以很好地改善混凝土的力學(xué)強度和磨耗性能。

表5 不同設(shè)計法的混凝土性能對比

4 施工過程關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工后場的控制

優(yōu)選清潔高質(zhì)量粗細集料，嚴格控制粗集料含泥量和細集料模數(shù)。每天分3次(早、中、晚)抽檢各檔集料含水率。確保水泥混凝土充分攪拌，要求水泥混凝土總拌和時間不小于80 s，控制各類原材料的進料次序，水泥進料完成后方能加水，純拌和時間至少40 s。隨著水泥溫度的升高，混凝土的初凝與終凝時間均縮短，導(dǎo)致混凝土缺少足夠的運輸、攤鋪和整平、拉毛時間，應(yīng)嚴格控制投放的水泥溫度低于70 ℃。

4.2 施工前場的控制技術(shù)

定期對組裝的滑模攤鋪機進行調(diào)試，并保持攤鋪機使用過程的整體穩(wěn)固。此外，還要定期檢查與調(diào)整攤鋪機底板、搓平梁、超級抹平器等關(guān)鍵部件。振搗棒設(shè)置要合理，排列均勻，間距適宜，高度一致。

布料均勻性與連續(xù)性控制。在水泥混凝土施工過程中，要求挖掘機在卸料后及時分料，嚴禁挖掘機直接碾壓混凝土或滑模攤鋪機直接頂推高大堆料，且要求攤鋪機的螺旋布料器應(yīng)保持連續(xù)工作狀態(tài)，保證混凝土的橫向松鋪厚度均勻一致(厚度以擋料板中間高度為宜)。確保攪拌設(shè)備、運輸設(shè)備、攤鋪設(shè)備有序運行，拌和樓產(chǎn)量與攤鋪機行走速度的需求量匹配，攤鋪速度控制在0.6～2.0 m/min，確保攤鋪連續(xù)性。

基準線架設(shè)的穩(wěn)定性控制。確?；；鶞示€的穩(wěn)定性，樁間距在直線段10 m，曲線段建議加密為5 m。緩和曲線段或縱斷面豎曲線段可在5～10 m范圍選取。每10 m撓度值不應(yīng)大于1 mm。基準線材料優(yōu)先選鋼絲，在保證強度的前提下越細越好，但不能小于3 mm。切實減少各種外界因素對基準線的干擾。

人工作業(yè)的控制。通過抹平板難以完全消除的麻面、骨料裸露等缺陷，可由人工適當(dāng)處理。局部浮漿較厚較濃稠部位，建議取樣測試標準稠度，表面浮漿稠度宜小于9，標準稠度過大的部分應(yīng)人工刮除，控制表面浮漿稠度與厚度有助減少表面干縮變化，提高平整度。人工修整應(yīng)使用技術(shù)熟練的工人并加強培訓(xùn)。

5 路面抗滑構(gòu)造施工控制要點

5.1 拉毛施工

對于濕軟狀態(tài)下的路面微觀紋理主要采用拉毛方式制作，麻絮布片接觸路面的長度宜為0.7～1.5 m。使用過程應(yīng)對拉毛工具破損率和清潔程度進行定期檢查，及時清理更換。

硬化后的路面拉毛不到位或者施工車輛磨光區(qū)域，實測摩擦系數(shù)不足，可使用二次硬拉毛方式恢復(fù)路面微觀紋理，如鋼刷刷毛、噴丸打毛等方式。

5.2 刻槽施工

研究表明，橫向刻槽的縱向制動摩擦力比縱向刻槽的高約25～35%，有助于縮短剎車制動距離。依托項目路面為單坡路段，平均縱坡坡度為1.95%，坡長約6.5 km，尚未達到路線設(shè)計規(guī)范中的長、陡縱坡的定義，但也應(yīng)重視重載貨車的制動距離。因此本項目以橫向刻槽為主。

混凝土完成養(yǎng)生，且強度達到設(shè)計強度的70%以上，即可安排刻槽作業(yè)。根據(jù)刻槽參數(shù)與施工進度要求，選擇匹配的刻槽機械，并安裝好相應(yīng)尺寸的刀片。為了保證刻槽的順直與貫通，先進性掛線再配合人工進行機械刻槽。施工過程中安排專項技術(shù)人員噴水冷卻刀具?？滩弁瓿珊?，使用高壓水槍沖洗路面，防止砂漿積聚固結(jié)，堵塞溝槽。

6 質(zhì)量檢測結(jié)果

6.1 路面平整度評價

采用三米直尺對金門隧道水泥混凝土面層試驗段進行平整度檢測，共160個點，最大值8.2 mm，最小值1.0 mm，合格率達到91.9%，達到預(yù)期目標與交驗要求。

6.2 路面抗滑性能評價

經(jīng)過拉毛與刻槽處理后的水泥混凝土路面， 采

用構(gòu)造深度檢測，路段構(gòu)造深度均值為0.92～1.14 mm范圍，滿足設(shè)計的0.8～1.2 mm要求。使用橫向力系數(shù)車在標準速度下進行摩擦系數(shù)測定，車道橫向力代表值為59.7，滿足交驗要求。

7 結(jié) 論

以金門隧道水泥混凝土路面施工為依托，從原材料控制、混合料級配優(yōu)化、攤鋪、抗滑構(gòu)造施工等各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，以改善隧道水泥混凝土路面施工質(zhì)量。

在傳統(tǒng)正交試驗法基礎(chǔ)上，基于分級摻配法進行粗集料級配優(yōu)化，可以明顯提升水泥混凝土的密實程度，改善混凝土力學(xué)強度與耐磨性。通過原材料控制、混合料設(shè)計、攤鋪工藝的控制，充分發(fā)揮滑模攤鋪機的抹平效果，減少人工的干擾，有利于提高水泥路面整體平整度和抗滑性能。