陳一虎，張溫庭，黃民如

(1.廣東省政府還貸高速公路管理中心,廣東 廣州 510623;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;3.廣東交科檢測有限公司,廣東 廣州 510550)

0 引言

隨著高速公路建設(shè)逐步朝著“村村通高速”的目標(biāo)前進,同時為了縮短路線里程,隧道工程在高速公路中的占比越來越高。由于隧道內(nèi)外路面的光照度、溫濕度不同,隧道內(nèi)部空氣流通差,長時間行車油污、尾氣污染及車輪沾水導(dǎo)致路面濕滑等情況的存在,隧道水泥混凝土路面在使用過程中普遍存在抗滑衰減較快的問題。加之瀝青混凝土路面具有較好的平整度、良好耐久的抗滑性能,且易修復(fù)、養(yǎng)護后開放通車時間短,瀝青混凝土路面在高速公路隧道路面結(jié)構(gòu)中得到了更廣泛的應(yīng)用[1-3]。

由于隧道空間窄小、密閉,空氣流通受限,加上灰塵及汽車尾氣污染物的影響,隧道瀝青路面抗滑性能逐年衰減。通過調(diào)查廣東省11條高速公路的60余座隧道,對其中代表性路段的交通量、工作環(huán)境、使用性能、養(yǎng)護措施等進行詳細分析,總結(jié)出影響隧道路面抗滑性能的主要因素[4-7]:

(1)交通量的影響。重載車輛不僅會加速路面的磨耗,且隧道內(nèi)車速慢、制動多,也加速路面抗滑性能的衰減,容易引發(fā)高速行駛下的剎車失靈,導(dǎo)致嚴重的交通安全事故。

(2)水的作用。隧道由于密閉的使用環(huán)境,導(dǎo)致水的來源途徑較多。無論在濕潤還是潤滑的狀態(tài)下,路表碎石構(gòu)造在車輪荷載的磨耗作用下,導(dǎo)致耐久性衰減過快。此外,瀝青膠漿膜磨光后,裸露的集料頂部也容易形成微水膜的“鏡面”效應(yīng)。

(3)隧道密閉環(huán)境中污染物的積聚作用。汽車尾氣等污染物在隧道內(nèi)部匯集并逐漸積聚在路面構(gòu)造上,形成一層油膜,導(dǎo)致隧道內(nèi)部路面抗滑構(gòu)造處于一個不利的環(huán)境中。

(4)施工工藝的缺陷。對于隧道瀝青路面施工工藝而言,由于施工工作空間的限制,以及建設(shè)初期隧道通風(fēng)不良,使得施工期間壓實度、布料均勻性、碾壓均勻性等施工質(zhì)量也達不到洞外路面的施工質(zhì)量,最終導(dǎo)致路面施工過程中的宏觀構(gòu)造、微觀紋理未能滿足使用條件。

某高速公路已通車運營三年,隧道瀝青路面橫向力系數(shù)SFC平均值從通車時的65.4下降至43.0,下降幅度達到34.3%,后續(xù)存在較大的行車安全風(fēng)險。隧道瀝青路面抗滑性能的課題需引起重視,但目前國內(nèi)對隧道瀝青路面抗滑性能的研究以及處治修復(fù)措施的應(yīng)用偏少,因此,本文對隧道瀝青路面抗滑性能處治技術(shù)進行探究。

1 工程概況

某高速公路牛塘隧道全長3.8km,雙向四車道,屬特長隧道,洞內(nèi)為瀝青混凝土路面,于2018年底建成通車。隧道路面結(jié)構(gòu)形式見表1。

表1 隧道路面結(jié)構(gòu)

2020年底對瀝青路面橫向力系數(shù)進行了全面檢測,發(fā)現(xiàn)瀝青路面SFC值在遇到隧道時突變降低。通車運營2年后路面抗滑指標(biāo)下降較快,均值由交工驗收時的69下降至43,且離散性較大。

將隧道按長度進行劃分,其中中、長隧道內(nèi)外部的濕度、溫度、有害氣體濃度均有較大差異。對××高速公路全線隧道內(nèi)外的空氣溫度、路面溫度及空氣濕度進行采集,采集結(jié)果如圖1所示。

圖1 隧道不同位置的空氣溫度、路表溫度及濕度

由采集結(jié)果可知,對于隧道內(nèi)外路面其溫度主要受天氣情況影響。晴天下采集的路面溫度遠高于空氣溫度,最高差值為24.4℃;多云天氣下采集的路面溫度與空氣溫度相差減小,差值在3.9℃～8.0℃之間。隧道內(nèi)空氣溫度和路面溫度接近,路面溫度略低于空氣溫度,最大差值為3.9℃,并且越接近隧道中部,溫差越小。由于隧道內(nèi)部紫外線無法直接照射,同時揮發(fā)的水汽難以散發(fā),導(dǎo)致內(nèi)部氣溫通常略低于外部的空氣溫度,采集結(jié)果顯示比隧道外部平均低2℃～7℃。

隧道洞口內(nèi)50m處的濕度普遍大于隧道洞口外50m的濕度,差值為3℃～9℃。對于不超過500m的短隧道,隧道內(nèi)外的濕度差較小,為3%左右,濕度差隨著隧道長度的增加而越大,最大相差9℃。對于1 000m～3 000m的長隧道,隧道內(nèi)外的濕度差較大,尤其是桔子嶺2#隧道,濕度差達到29%。而對于3 000m以上的特長隧道,濕度差高達31%。由此可見,隨著隧道深度的增加,隧道內(nèi)空氣流通速度相比路基段緩慢,滲入孔隙的流動水或路表水膜揮發(fā)后難以散發(fā),濕氣聚而不散,導(dǎo)致中、長隧道長期處于潮濕狀態(tài)。

由于濕度、溫度的差異化,導(dǎo)致隧道內(nèi)部有害氣體的濃度也相比外部高,其中一氧化碳、二氧化碳、氧化氮的濃度相對較高[8-9]。與此同時,隧道內(nèi)部路面上由于車輛通行存在一定量被磨損的橡膠顆粒、碎石、砂子及油污等。

2 隧道抗滑功能恢復(fù)措施研究

2.1 常用的隧道抗滑功能恢復(fù)措施

對于長大隧道瀝青路面舊路養(yǎng)護,通常采用磨耗層加鋪的方式處理,可以明顯提高路面抗滑摩擦系數(shù),但是市場上不管是加鋪罩面、還是超薄磨耗層,單價均在60元/m2以上。對于竣工期出現(xiàn)摩擦系數(shù)偏低的長大隧道路面來說,直接采用加鋪方案可以快速恢復(fù),但是由于隧道路面長期潮濕、密閉的使用條件,一段時間后路面抗滑性能同樣會較快衰減,同時對隧道內(nèi)空氣造成污染。長時間的封閉對道路營運產(chǎn)生較大的安全風(fēng)險,導(dǎo)致工程經(jīng)濟性較低,也會造成一定的資源浪費。

廣東省近幾年的主要措施包括增加刻槽(橫向、縱向、菱形)、精銑刨、薄層罩面、改性瀝青混凝土加鋪等。廣東華路交通科技有限公司對典型路段隧道水泥混凝土路面抗滑性能改善前后的SFC進行了檢測和對比分析,評價不同處治措施對于抗滑修復(fù)的應(yīng)用效果。就整體情況來看,經(jīng)過水洗、銑刨、加鋪薄層罩面、改性瀝青混凝土加鋪等處治后,路面橫向力系數(shù)SFC均有不同程度的改善,加鋪罩面(超薄瀝青磨耗層)改善效果優(yōu)于復(fù)做防滑構(gòu)造(拉毛與精銑刨)的效果(表2)[10]。

表2 不同抗滑改善措施的效果對比

2.2 隧道路面沉積物分析

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)表面均存在一層油膩性薄膜。對隧道內(nèi)瀝青路面摩擦系數(shù)不足的路段進行取樣實驗,通過燃燒、酶法分析針對集料頂部污染物進行成分確定,如圖2和圖3所示。

圖2 隧道瀝青路面集料樣品

圖3 樣品表面物質(zhì)分析

經(jīng)分析,隧道內(nèi)取得碎石樣品中的無機物,油含量在5%左右,初步判定污染物為汽車尾氣、油污、粉塵污染所形成的。這些粘附在路面及孔隙中的含油性的粉塵顆粒和油污等污染物,是造成瀝青路面抗滑性能大幅降低的主要原因。

2.3 隧道路面抗滑測試與處治方案設(shè)計

2.3.1 方案一

清水清洗:采用灑水車水槍高壓沖洗路面。沖洗后用山貓掃地車(未帶鋼刷)進行清掃,清掃速度5km/h,清除表面的殘余垃圾。

處治路段為K524+500～K525+100,長度600m。

2.3.2 方案二

鋼刷處理:采用帶鋼刷(50%)的山貓掃地車,直接對隧道瀝青路面進行處理,清掃速度5km/h,旨在增加路面微觀紋理,還原瀝青表面的抗滑紋理(圖4)。

圖4 山貓掃地車(鋼刷)處理瀝青路面

處治路段為K525+100～K525+600,長度500m。

2.3.3 方案三

拋丸處理:采用億龍機械品牌水平移動式拋丸機,對隧道瀝青路面進行拋丸處理(圖5)。轉(zhuǎn)速為2 910r/min(恒定),檔數(shù)共10檔,通過改變檔位來調(diào)整拋丸強度?，F(xiàn)場試驗為了確保瀝青路面破壞程度最低,選用最高檔第10擋,速度為0.76m/s。拋丸機的相關(guān)性能參數(shù)見表3。

圖5 移動式拋丸機處理

表3 拋丸機性能參數(shù)

處治路段為K525+600～K526+100,長度500m。

2.3.4 方案四

洗潔精清洗:按照濃縮洗潔精的使用方案進行洗潔精制備,由2名工人將洗潔精均勻灑布至待洗路段的路面。灑布完成后,保持洗潔精混合物4h反應(yīng)時間,采用山貓掃地車對灑布區(qū)域進行清掃,清掃速度5km/h。最后采用高壓水槍對路面進行沖洗。

處治路段為K526+100～K526+600,長度500m。

2.3.5 方案五

CAP抗滑封層處治:在試驗段鋪設(shè)一層5mm厚的CAP抗滑封層,CAP抗滑封層結(jié)構(gòu)為CAP還原劑+抗滑砂+CAP封固層。CAP瀝青還原劑是一種含活化物的冷混合產(chǎn)品,主要由改性乳化瀝青、活化材料、滲透材料、樹脂粘結(jié)材料等組成,相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表4?？够盀樾鋷r機制砂,粒徑1～4mm,相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表5。

表4 CAP性能技術(shù)指標(biāo)

表5 抗滑砂技術(shù)指標(biāo)

處治路段為K502+523～K504+913,長度2 390m。

3 隧道抗滑功能恢復(fù)效果分析

3.1 構(gòu)造深度

采用鋪砂法對4種試驗方案對應(yīng)的路段處理前和處理后路面的構(gòu)造深度進行檢測。每隔50m在輪跡帶和非輪跡帶處進行數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 路面處治前后宏觀趨勢

由檢測結(jié)果可知,清洗前隧道瀝青路面的構(gòu)造深度在1.13～1.50之間,相比2018年剛通車時的構(gòu)造深度大。主要原因是經(jīng)過2年的營運,瀝青混合料的油膜及開口孔隙中細集料在行車荷載的作用下剝離了路表,導(dǎo)致構(gòu)造深度增大?；瘜W(xué)清洗和物理涂刷方案處理路面后,宏觀構(gòu)造相比清洗前呈現(xiàn)不同程度的增大。主要原因是經(jīng)過清洗或處理后路表粘粘和開口孔隙內(nèi)的雜質(zhì)污染物被沖洗,而部分區(qū)域清洗后路表宏觀構(gòu)造深度略有下降,這與污染物在沖洗過程出現(xiàn)沉積堵塞有關(guān)。加鋪罩面方案處理后構(gòu)造深度下降,主要原因是采用1～4mm抗滑砂經(jīng)過壓路機碾壓后,裸露的開口孔隙較小,導(dǎo)致宏觀構(gòu)造深度下降。

3.2 處治后的SFC

路面SFC抗滑系數(shù)檢測采用橫向力系數(shù)車。車輛配備光面天然橡膠充氣輪胎,測試輪胎規(guī)格為3.00-20-4PR,測試輪胎標(biāo)準氣壓為(3.5+0.2)kg/cm2,測試輪靜態(tài)垂直標(biāo)準荷載為(2000+20)N,測試輪偏置角為19.5°,距離標(biāo)定誤差為<2%。其余的相關(guān)參數(shù)均滿足《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG 3450-2019)中T 0965-2008的技術(shù)要求。

對5種試驗方案對應(yīng)路段清洗前和清洗后的路面SFC進行檢測。采用相同的橫向力系統(tǒng)檢測車,以相同的參數(shù)及方法,對試驗路段隧道路面橫向力進行試驗后檢測,相關(guān)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 5種方案路面處治前后SFC趨勢

圖8 水洗及山貓掃地車清洗后的效果

圖9 拋丸處理與洗潔精清洗后的效果

圖10 CAP抗滑翻新封層處治后的效果

(1)采用清水清洗路面后SFC提高了4.8。清洗前SFC均值為38.2,清洗后均值為43,SFC提高了12.5%。表明采用清水高壓清洗能夠沖洗路表孔隙堆積物,清掃后使得路表紋理重新裸露,一定程度上增加了粗糙度。但效果相對較差,加之隧道瀝青路面密閉的使用條件,清洗后3個月內(nèi)快速恢復(fù)至原有狀況。

(2)采用山貓掃地車處理路面后SFC提高了0.4。處理前SFC均值為38.0,處理后均值為38.4,SFC提高了1.0%。山貓掃地車(帶鋼刷)處理后的隧道瀝青路面抗滑性能基本未發(fā)生改善,主要是由于山貓掃地車鋼刷中的鋼絲韌性不足,且外表包有橡膠層,無法改變路面原有的微觀構(gòu)造,以致不能提升瀝青路面的抗滑性能。

(3)采用拋丸處理路面后SFC提高了22.6。處理前SFC均值為39.2,處理后均值為61.8,SFC提高了57.6%,表明拋丸處理方式雖然無法恢復(fù)路面宏觀構(gòu)造,但可以剝離碎石表面附著物,改變路面原有微觀構(gòu)造,增加輪胎與集料的接觸面,從而提升隧道瀝青路面的抗滑性能。但拋丸處理可能對瀝青路面的表面整體性造成破壞,處治過程中存在脫粒的現(xiàn)象,拋丸后仍會有鋼丸殘留在路表孔隙內(nèi),無法清掃干凈。

(4)采用洗潔精清洗路面后SFC降低了3.0。清洗前SFC均值為39.8,清洗后均值為36.8,SFC降低了7.5%。主要原因是洗潔精清洗完路面之后進行沖洗會產(chǎn)生大量泡沫,水車無法做到充分沖洗干凈,泡沫水附著在路面表面,較濕滑,導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)下降。

(5)采用鋪設(shè)5mm厚CAP抗滑封層后,SFC值提高了38.9。處治前SFC值為37.9,處治后均值為76.8,SFC值提升了103%,表明CAP抗滑封層處治隧道路面能夠明顯改善及提升路表的抗滑性能。主要原因是表面抗滑砂提供了新鮮的輪胎接觸面,微觀紋理較豐富。CAP抗滑封層施工后的SFC抗滑系數(shù)變化規(guī)律與構(gòu)造深度變化規(guī)律相反,也表明導(dǎo)致瀝青路面抗滑能力的衰減與構(gòu)造深度沒有正比關(guān)系。

3.3 路用性能

試驗段施工后對路面使用性能進行跟蹤檢測,采用滲水儀和八輪儀評價路面滲水系數(shù)及平整度。檢測結(jié)果表明:CAP抗滑翻新封層有效封閉了路面開口孔隙,基本不滲水,外觀平整密實,無松散脫粒,整體路用性能良好。

4 效益分析

將CAP再生抗滑封層與廣東省瀝青路面已實施的其他類型路面的養(yǎng)護技術(shù)進行經(jīng)濟性對比分析,各瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)的效益對比見表6。

表6 瀝青路面不同養(yǎng)護技術(shù)效益對比

4.1 經(jīng)濟效益

由表6可知,CAP抗滑封層的單價最低,綜合單價約24元/m2。按預(yù)計使用年限計算,其年平均費用也是最低的,僅為6.0～8.0元/m2,全壽命周期內(nèi)養(yǎng)護費用較低。

4.2 社會效益

CAP抗滑翻新封層施工為直接加鋪,不銑刨原路面,不產(chǎn)生廢料;抗磨砂使用1～4 mm玄武巖集料;常溫施工,能耗較低,同時施工周期短,占道施工時間短,對交通影響相對最小,社會效益顯著。

5 結(jié)論

(1)采用清水清洗的方式對瀝青路面抗滑恢復(fù)沒有長期作用。作為日常養(yǎng)護措施沖洗路表孔隙堆積物,可短時間提高一定的抗滑能力。

(2)拋丸方式能夠快速、有效地剝離碎石表面的附著物,增加路面集料微觀紋理,增加了輪胎與路面的有效接觸面積,提升路面摩擦力的阻滯力與附著力分量,進而達到提高隧道瀝青路面抗滑性能的效果。其中采用億龍機械水平移動式拋丸機,選用10檔,速度為0.76m/s,通過該方式處治路面后抗滑性能得到顯著改善(提升57.6%)。但拋丸處理對路表整體性存在破壞風(fēng)險。

(3)化學(xué)清洗方式(洗潔精)清洗路面后存在清洗不到位的問題,清洗后初期抗滑性能反而降低。

(4)CAP抗滑封層,增加了胎路接觸點,有效增加輪胎與路面的摩擦力,達到改善路面抗滑性能的效果。其抗滑性能提升高達103%,抗滑性能衰減速度較慢,適用于長大隧道瀝青路面養(yǎng)護,且經(jīng)濟效益較好。