王 民， 常 城， 肖 麗， 盧子豪

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 400067； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

已建成運(yùn)營沉管隧道隨著服役期的延長，路面鋪裝出現(xiàn)了不同程度的開裂及抗滑性不足等問題。目前長大海底沉管隧道數(shù)量少，除港珠澳大橋開展了鋪裝結(jié)構(gòu)與材料等方面的應(yīng)用技術(shù)研究外，其他可借鑒經(jīng)驗(yàn)較少。海底沉管隧道因所處地域及環(huán)境特點(diǎn)不同，隧道瀝青路面的使用溫度、結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律、管節(jié)/段搭接處變形、基面環(huán)境等使用條件與陸上隧道存在較大差異[1-2]。綜合考慮結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度、局部構(gòu)造型式，確定海底沉管隧道瀝青路面材料與結(jié)構(gòu)，方可解決路面耐久性的關(guān)鍵技術(shù)難題。

針對港珠澳大橋沉管隧道路面問題，林鳴、王民、劉經(jīng)國等[3-5]從路面方案初步設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料要求、細(xì)節(jié)構(gòu)造處治措施等角度進(jìn)行了研究，提出瀝青調(diào)平層+雙層改性瀝青SMA鋪裝方案。王滔等[6]通過國內(nèi)外10余座沉管隧道路面結(jié)構(gòu)及服役狀況調(diào)研，對其使用條件差異、典型病害及成因等進(jìn)行了全面分析。趙國云等[7]根據(jù)沉管隧道路面的特殊要求對3種瀝青保護(hù)層結(jié)構(gòu)的綜合性能進(jìn)行試驗(yàn)，提出了一種綜合性能最優(yōu)瀝青保護(hù)層方案。李香玲[8]針對沉管隧道復(fù)合式路面既有設(shè)計(jì)指標(biāo)存在的不足，提出設(shè)計(jì)中需對管節(jié)及節(jié)段接縫處進(jìn)行專門處治，并采用管節(jié)接縫位置瀝青層拉應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

本文以珠江口岸某沉管隧道為依托，在有限元分析基礎(chǔ)上，對典型鋪裝結(jié)構(gòu)適用性進(jìn)行對比分析，提出可較好適應(yīng)長大海底沉管隧道設(shè)計(jì)需求的鋪裝方案。

1 基本條件參數(shù)

1.1 路面結(jié)構(gòu)與材料

考慮沉管隧道壓艙混凝土基面的平整性與經(jīng)濟(jì)性，綜合復(fù)合式路面實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用的鋪裝方案為：40 mm改性瀝青SMA13上面層+黏層+60 mm改性瀝青AC20下面層+防水黏結(jié)層+C30基層混凝土。以此方案為基準(zhǔn)，對100 mm厚的雙層路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與方案細(xì)化分析。

1.2 路面使用條件

沉管隧道由長度100 m～200 m的管節(jié)拼接而成，每個(gè)管節(jié)由多個(gè)管段組裝而成。受地基或自然回填海床的影響，管節(jié)或管段搭接處在較長的服役期允許發(fā)生小位移量的橫縱向變形。路面為雙向8車道，汽車荷載等級為公路Ⅰ級，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km，設(shè)計(jì)使用壽命為100年，最大縱坡3.0%，橫坡1.5%。

依托項(xiàng)目年平均氣溫為22.4 ℃， 7月—8月平均氣溫大于28 ℃，極端高溫可達(dá)38.7 ℃；1月—2月平均氣溫在11.4 ℃～13.0 ℃，極端低溫為-1.3 ℃。區(qū)域年平均相對濕度77%～81%，濕度的季節(jié)變化明顯，春夏季相對濕度時(shí)?？蛇_(dá)100%。

根據(jù)規(guī)范[9]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行軸載換算，計(jì)年限內(nèi)1個(gè)車道上的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載(100 kN)作用次數(shù)為次，屬于特重交通等級，設(shè)計(jì)彎沉為21.3(0.01 mm)。

1.3 有限元模型

為避免荷載作用下應(yīng)力集中效應(yīng)，根據(jù)圣維南原理及以往計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，選取長度3.2 m，寬度3.5 m的計(jì)算模型。

1) 荷載條件

采用載重汽車為設(shè)計(jì)車輛[10]，軸重140 kN，單輪重35 kN，輪壓0.81 MPa，單輪接地面積432 cm2，寬度20 cm，長度21.6 cm，兩輪間距10 cm，見圖1(a)。為加載方便，將雙輪荷載簡化為矩形，見圖1(b)。為分析在剎車作用力下層間剪切力，在行車方向施加了0.6倍接地壓力的制動力[11]。

(a) 雙輪加載

(b) 加載等效單位：cm圖1 路面荷載加載示意Fig.1 Diagram of pavement load

沉管隧道處于海床底部，溫度變化小，根據(jù)工程可行性研究報(bào)告，底板溫差僅5 ℃，考慮到瀝青混凝土的蠕變效應(yīng)，對實(shí)際計(jì)算結(jié)果影響偏小[12]，因此，本次分析不考慮溫度荷載影響。

2) 單元選擇

為解決水泥混凝土與瀝青混凝土剛度相差過大導(dǎo)致計(jì)算不收斂的問題，在水泥混凝土基層-瀝青面層間設(shè)置多點(diǎn)約束，通過targe170目標(biāo)單元及conta174接觸單元形成接觸對。路面結(jié)構(gòu)采用solid45實(shí)體單元，通過surf154表面效應(yīng)單元施加車輛荷載豎向壓力及水平制動力[9]。

3) 邊界條件

為避免應(yīng)力集中及尺寸效應(yīng)影響，采用了大尺度有限元模型，為正確模擬瀝青面層在車輛荷載作用下受周圍側(cè)向壓力作用，在模型四周采用法向位移約束、底部固結(jié)的邊界條件。

2 路面結(jié)構(gòu)厚度優(yōu)化分析

采用有限元進(jìn)行厚度優(yōu)化分析時(shí)，上面層初始模量取6.0 GPa，下面層取6.5 GPa，保持總厚度100 mm不變，厚度組合方案見表1。

表1 路面上下面層厚度組合 mmTable 1 Thickness combination of upper and lower layers of pavement

2.1 上面層力學(xué)指標(biāo)

1) 縱向拉應(yīng)變

對8個(gè)厚度組合方案的上面層最大縱向拉應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，厚度-拉應(yīng)變曲線見圖2。

圖2 上面層最大拉應(yīng)變與厚度組合變化Fig.2 Combined variation diagram of maximum tensile strain and thickness of upper layer

2) 頂面豎向壓應(yīng)力

從圖2可知，上面層最大拉應(yīng)變與厚度不是單一的線性關(guān)系，在上面層厚度為45 mm、65 mm處出現(xiàn)極大值。在8個(gè)厚度組合方案中，上面層最小拉應(yīng)變?yōu)?14，最優(yōu)厚度為60 mm，其次是40 mm。

對8個(gè)厚度組合方案的上面層頂面豎向壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，壓應(yīng)力-厚度曲線見圖3。

圖3 上面層頂面豎向壓應(yīng)力與厚度組合變化Fig.3 Variation of vertical compressive stress and thickness combination of upper layer top

從圖3可知，當(dāng)上面層厚度在45 mm～60 mm，上面層頂面豎向壓應(yīng)力較大，厚度過薄或過厚，壓應(yīng)力減小，但壓應(yīng)力變化幅度較小，在1%以內(nèi)，可不作為重點(diǎn)考慮指標(biāo)。

2.2 下面層力學(xué)指標(biāo)

1) 最大縱向拉應(yīng)變

對8個(gè)厚度組合方案的下面層最大拉應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，拉應(yīng)變-厚度曲線見圖4。

圖4 下面層最大拉應(yīng)變與厚度組合變化Fig.4 Combined variation of maximum tensile strain and thickness of lower layer

從圖4可知，下面層最大拉應(yīng)變隨下面層厚度增加而增加，增幅達(dá)到57.41%，下面層厚度增加對該指標(biāo)不利，但對比圖2可見，下面層最大拉應(yīng)變遠(yuǎn)小于上面層最大拉應(yīng)變，最大值僅34，因此下面層拉應(yīng)變不作為重點(diǎn)考慮指標(biāo)。

2) 豎向壓應(yīng)力

對8個(gè)厚度組合方案的下面層頂面豎向壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，壓應(yīng)力-厚度曲線見圖5。

圖5 下面層頂面豎向壓應(yīng)力與下面層厚度關(guān)系Fig.5 Vertical compressive stress at the top of the lower layer and the thickness of the lower layer

從圖5可知，下面層頂面最大豎向壓應(yīng)力隨下面層厚度增加而增加，平均增幅為1.8%，可認(rèn)為對厚度不敏感，重點(diǎn)應(yīng)結(jié)合其他指標(biāo)進(jìn)行分析。

2.3 層間剪應(yīng)力

對8個(gè)厚度組合方案的混凝土基面與瀝青鋪裝層層間剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，剪應(yīng)力-厚度曲線見圖6。

圖6 基層-鋪裝層間剪應(yīng)力與下面層厚度關(guān)系Fig.6 Relationship between shear stress of base course and pavement layer and thickness of lower layer

從圖6可知，當(dāng)下面層厚度為50 mm～55 mm時(shí)趨于最小值，下面層厚度從25 mm～50 mm，剪應(yīng)力降低，降幅2.82%；隨后剪應(yīng)力開始增加，增幅1.58%，剪應(yīng)力波動較小，與下面層厚度敏感度較弱。

2.4 厚度優(yōu)化

對8個(gè)厚度組合方案的各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)最優(yōu)厚度及敏感度進(jìn)行匯總，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及前文分析結(jié)論，對不同結(jié)構(gòu)、不同力學(xué)指標(biāo)在鋪裝質(zhì)量中所占權(quán)重予以賦值，結(jié)果見表2。

表2 不同指標(biāo)下厚度及敏感度Table 2 Thickness and sensitivity under different indexes

從表2可以看出，雖然有些指標(biāo)相差很大，但敏感度小，可弱化或忽略其影響，而部分指標(biāo)敏感度較大，但如前文分析結(jié)論，對鋪裝質(zhì)量影響有限，僅為數(shù)值波動較大，可賦予較小權(quán)重。根據(jù)最優(yōu)化理論中加權(quán)最小理論，考慮權(quán)重的下面層最優(yōu)厚度為38.29 mm，取40 mm。

隧道路面設(shè)計(jì)中引用路面中上面層的厚度組合，結(jié)果往往為一定值，而根據(jù)表2，當(dāng)考慮上面層最大拉應(yīng)變指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)厚組合為上面層60 mm+下面層40 mm，當(dāng)考慮層底最大剪應(yīng)力時(shí)，最優(yōu)厚度組合為上面層50 mm+下面層50 mm。實(shí)際設(shè)計(jì)中，尚應(yīng)根據(jù)隧道具體特性，采用針對性的鋪裝設(shè)計(jì)方案。本項(xiàng)目優(yōu)化后的厚度組合為上面層40 mm+下面層60 mm，此時(shí)，鋪裝結(jié)構(gòu)綜合性能指標(biāo)最優(yōu)。

3 路面材料模量分析

采用初擬的厚度組合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(上面層40 mm+下面層60 mm)，考慮沉管隧道瀝青路面抗裂性能特殊要求，上面層混合料動態(tài)模量取5 GPa～11 GPa，下面層動態(tài)模量取6 GPa～12 GPa，對49組模量組合方案的最大拉應(yīng)變、豎向壓應(yīng)力等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

3.1 上面層力學(xué)指標(biāo)

1) 最大縱向拉應(yīng)變

瀝青路面上面層最大縱向拉應(yīng)變與厚度變化云圖見圖7，上面層頂面豎向壓應(yīng)力與厚度變化云圖見圖8。

圖7 上面層最大縱向拉應(yīng)變與模量組合變化云圖Fig.7 Cloud chart of maximum longitudinal tensile strain and modulus combination change of upper layer

圖8 上面層頂面豎向壓應(yīng)力與模量組合變化云圖Fig.8 Cloud diagram of the combination change of vertical compressive stress and modulus on the top surface of the upper layer

從圖7可知，上面層最大拉應(yīng)變隨上面層模量增大而降低，最大降幅46.98%，與上面層模量有較高敏感度；隨下面層模量增加而降低，最大降幅7.44%，為低敏感度，僅考慮上面層最大拉應(yīng)變，推薦模量組合為12 GPa(上面層)+11 GPa(下面層)，即采用高模量組合。實(shí)際材料的選擇，尚應(yīng)根據(jù)材料其他性能指標(biāo)綜合確定。

2) 頂面豎向壓應(yīng)力

從圖8可知，上面層頂面豎向壓應(yīng)力隨上面層模量增加而降低，最大降幅為1.07%，為低敏感度；隨下面層模量增加而略有增加，最大增幅0.96%，可認(rèn)為無敏感度，可不作為主要考慮因素。

3.2 下面層力學(xué)指標(biāo)

1) 最大縱向拉應(yīng)變

瀝青路面下面層最大拉應(yīng)變與厚度變化云圖見圖9。

圖9 下面層最大縱向拉應(yīng)變與模量組合變化云圖Fig.9 Cloud diagram of combined change of maximum longitudinal tensile strain and modulus of lower layer

從圖9可知，下面層最大拉應(yīng)變變化規(guī)律與上面層變化規(guī)律相同，隨上面層模量增加最大降幅為21.24%，隨下面層模量增加最大降幅達(dá)到41.45%，均為高敏感度，但下面層最大拉應(yīng)變遠(yuǎn)小于上面層，應(yīng)以上面層拉應(yīng)變?yōu)橹饕刂浦笜?biāo)。

2) 頂面豎向壓應(yīng)力

下面層頂面豎向壓應(yīng)力與厚度變化云圖見圖10。

圖10 下面層頂面豎向壓應(yīng)力與模量組合變化云圖Fig.10 Cloud chart of combined change of vertical compressive stress and modulus on the top surface of the lower layer

從圖10可知，下面層頂面豎向壓應(yīng)力變化規(guī)律與上面層相同，且與模量敏感性低，因此，在設(shè)計(jì)厚度40 mm(上面層)+60 mm(下面層)情況下，上面層宜選用高模量，下面層宜選用低模量材料。

3.3 層間剪應(yīng)力

瀝青路面與基層的層間剪應(yīng)力與厚度變化云圖見圖11。

圖11 混凝土基面與瀝青層層間剪應(yīng)力與模量組合變化云圖Fig.11 Cloud chart of combined change of shear stress and modulus between concrete base surface and asphalt layer

從圖11可知，混凝土基面-下面層層間剪應(yīng)力隨上面層模量增加而降低，最大降幅為6.12%；隨下面層模量增加而略有增加，最大增幅為4.65%；最優(yōu)模量組合為12 GPa(上面層)+ 5 GPa(下面層)。

由于長大隧道溫度變化小，交通小，重載少，層間剪應(yīng)力及鋪裝層壓應(yīng)力可不作為主控指標(biāo)，應(yīng)以上面層拉應(yīng)力為主控指標(biāo)，此時(shí)上面層模量宜選較大值，下面層模量可不作要求。

4 路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證

4.1 路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1) 優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)方案

現(xiàn)有隧道瀝青類路面濕度較隧道外路面高10%，多數(shù)為水損致使耐久性降低[13]。動水壓力所產(chǎn)生的水損是影響鋪裝耐久性的重要原因。相關(guān)文獻(xiàn)研究表明[14]，當(dāng)瀝青混合料空隙率小于4%時(shí)，路面中的水以毛細(xì)水及流動水形式存在，不會產(chǎn)生動水壓力。設(shè)計(jì)上面層采用的SMA13空隙率一般為4%左右，動水壓力造成水損可不予考慮。若下面層采用SMA16，上面層施工質(zhì)量不均勻?qū)е麻_裂后，下面層在封閉狀態(tài)下動水壓力可導(dǎo)致鋪裝層鼓包、開裂及破損。因此，提出下面層為SMA13的補(bǔ)充方案。

方案1(SMA16+SMA13)：水泥混凝土橋面板+水性環(huán)氧乳化瀝青+60 mm改性SMA16(下面層)+改性乳化瀝青黏層+40 mm改性SMA13(上面層)，具體結(jié)構(gòu)方案見圖12(a)。

(a) 方案1(SMA16+SMA13)

(b) 方案2(雙層SMA13)圖12 隧道路面結(jié)構(gòu)鋪裝Fig.12 Pavement structure of tunnel pavement

方案2(雙層SMA13)：水泥混凝土橋面板+水性環(huán)氧乳化瀝青+50 mm改性SMA13(下面層)+改性乳化瀝青黏層+50 mm改性SMA13(上面層)，具體結(jié)構(gòu)方案見圖12(b)。

2) 參數(shù)條件

根據(jù)依托項(xiàng)目工可報(bào)告，經(jīng)計(jì)算隧道路面設(shè)計(jì)年限內(nèi)1個(gè)車道上的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載(100 kN)作用次數(shù)為2.84×107。路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算所需的SMA13、SMA16材料參數(shù)見表3。

表3 瀝青混合料材料參數(shù)Table 3 Material parameters of asphalt mixture

根據(jù)依托項(xiàng)目毗鄰區(qū)域已通車沉管隧道路面的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，依據(jù)規(guī)范[9]進(jìn)行基準(zhǔn)等效溫度及其系數(shù)計(jì)算。參考毗鄰區(qū)域沉管隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算得到瀝青層永久基準(zhǔn)等效溫度為26.5 ℃和基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)為1.66。

4.2 路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范[9]中的路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算方法，對2種路面結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行驗(yàn)算。

1) 瀝青混合料層永久變形量驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算，瀝青混合料層永久變形等效溫度為28.10 ℃。按現(xiàn)行規(guī)范[9]對瀝青層進(jìn)行分層計(jì)算，2種結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)瀝青層永久變形量計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 瀝青路面結(jié)構(gòu)永久變形計(jì)算Table 4 Permanent deformation calculation of asphalt pavement structure

從表4可知，2種路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)瀝青層總的永久變形量分別為8.553 mm和9.098 mm，均遠(yuǎn)小于永久變形設(shè)計(jì)值15 mm，滿足路面永久變形設(shè)計(jì)要求。

按照規(guī)范[15]中的要求進(jìn)行60 ℃雙層混合料車轍試驗(yàn)，結(jié)果見表5。從表5可以看出，2種組合結(jié)構(gòu)方案高溫穩(wěn)定度接近，60 ℃車轍動穩(wěn)定度均大于5 000次/mm。

表5 組合結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Rutting test results of composite structure

2) 瀝青混合料疲勞開裂驗(yàn)算

根據(jù)已有研究及文獻(xiàn)[9],采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)儀測試控制下的疲勞壽命，結(jié)果見表6。

表6 組合結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)結(jié)果 萬次Table 6 Rutting test results of composite structure

4.3 路面結(jié)構(gòu)方案推薦

根據(jù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)論，2種路面結(jié)構(gòu)方案均能滿足依托工程隧道路面結(jié)構(gòu)性能要求，2種方案均具有較優(yōu)的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性、疲勞耐久性等性能指標(biāo)。

當(dāng)隧道鋪裝以抗裂為主時(shí)，方案1具有更好的耐疲勞性能和耐高溫穩(wěn)定性能；當(dāng)隧道內(nèi)鋪裝更注重水損時(shí)，方案2可靠性更高。由于依托工程沉管連接形式較為穩(wěn)固，壓艙混凝土厚度大，綜合評估認(rèn)為鋪裝開裂風(fēng)險(xiǎn)較小，更應(yīng)注重路面水損所致的耐久性問題，因此，推薦更具安全保證的方案2作為沉管隧道瀝青路面結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

對初擬的隧道路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)有限元關(guān)鍵指標(biāo)分析及路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，得出以下結(jié)論：

1) 根據(jù)不同指標(biāo)下鋪裝層的最優(yōu)厚度及敏感度分析，并結(jié)合路面力學(xué)控制指標(biāo)及上面層最大拉應(yīng)變指標(biāo)時(shí)，下面層最優(yōu)厚度為40 mm，其次為60 mm；若考慮層間最大剪應(yīng)力情況，下面層最優(yōu)厚度為50 mm。綜合各力學(xué)指標(biāo)，鋪裝層最優(yōu)厚度組合為：下面層60 mm +上面層40 mm。

2) 在下面層60 mm +上面層40 mm設(shè)計(jì)厚度下，上面層最大拉應(yīng)變隨上下面層模量增大而降低，最大降幅46.98%。上下面層頂面豎向壓應(yīng)力和層底剪應(yīng)力隨模量的變化較??；層底剪應(yīng)力隨上面層模量增加而減小，隨下面層模量增加而增大，變化幅度在4%～7%。

3) 按照現(xiàn)行規(guī)范，對40 mm改性SMA13(上面層+60 mm改性SMA16(下面層)、50 mm SMA13 +50 mm SMA13雙層改性結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)度性和疲勞開裂性能進(jìn)行驗(yàn)證，2種方案結(jié)果相差不大，均滿足工程設(shè)計(jì)要求。

4) 結(jié)合隧道路面病害分析表明，考慮動水壓力所致病害時(shí)，下面層采用SMA13情況下鋪裝方案更具耐久性，若考慮隧道路面鋪裝以抗裂為主，下面層采用SMA16更優(yōu)。