平朔線病害分析及大修方案

黨彥榮

（山西省公路局 朔州分局勘測(cè)設(shè)計(jì)所，山西 朔州 036002）

平朔線是省道212線，起點(diǎn)位于平魯區(qū)鄭家營(yíng)村，向南經(jīng)井坪至朔城區(qū)鋪上村，全長(zhǎng)54 km，K0+000—K28+680 為二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，K28+680—K54+000段為一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，是一條以運(yùn)煤為主的混合交通路線，同時(shí)也是國(guó)家重點(diǎn)工程平朔露天煤礦專用公路，是平魯、朔城區(qū)煤炭運(yùn)往神頭發(fā)電廠和其他各地的必經(jīng)通道，也是朔州這座新興城市市郊連接的主要干線。平魯區(qū)、朔城區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源。近年來(lái)隨著沿線經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量不斷增長(zhǎng)，一些大噸位車輛的增加，致使路線上的路面均有不同程度的病害，特別K32+000—K41+200段，長(zhǎng)9.2 km路段車轍病害相當(dāng)嚴(yán)重，路況差。

1 現(xiàn)有路面狀況檢測(cè)與評(píng)價(jià)

1.1 檢測(cè)內(nèi)容

路況檢測(cè)主要分為3個(gè)主要階段：

a）首先組織專業(yè)人員進(jìn)行實(shí)地踏勘，初步掌握項(xiàng)目路段線型特點(diǎn)、路況條件，并與沿線養(yǎng)護(hù)工區(qū)進(jìn)行座談，收集道路基礎(chǔ)資料。

b）然后對(duì)項(xiàng)目路段進(jìn)行全面的檢測(cè)，包括道路破損狀況、平整度狀況、車轍深度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度狀況等。

c）針對(duì)項(xiàng)目路段進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，包括鉆芯取樣、材料試驗(yàn)等，為病害原因診斷及養(yǎng)護(hù)方案制定提供數(shù)據(jù)支撐。

本項(xiàng)目路況檢測(cè)的指標(biāo)及檢測(cè)里程見(jiàn)表1。

1.2 路面損壞狀況評(píng)價(jià)

根據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG H20—2007）中的相關(guān)規(guī)定對(duì)項(xiàng)目路段的路面破損狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，本項(xiàng)目采用的評(píng)價(jià)單元為1 000 m。項(xiàng)目路段全線破損較多，PCI均值為75.9，評(píng)價(jià)等級(jí)為中，上行方向PCI均值為74.0，下行方向PCI均值為77.9。其路面破損狀況縱向分布情況如圖1所示。

表1 路面技術(shù)狀況檢測(cè)與評(píng)價(jià)內(nèi)容

圖1 路面破損狀況（PCI）縱向分布圖

1.3 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)

本路段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度采用PSSI指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)單元長(zhǎng)度為1 000 m。根據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG H20-2007）中規(guī)定路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算方法，利用各路段單元實(shí)測(cè)代表彎沉值與設(shè)計(jì)彎沉值進(jìn)行計(jì)算，得出各路段單元的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI并做出等級(jí)評(píng)價(jià)，其回彈彎沉及路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI縱向分布情況如圖2及圖3所示。

圖2 路面回彈彎沉縱向分布圖

圖3 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（PSSI）縱向分布圖

項(xiàng)目路段回彈彎沉較大，平均值為77（0.1 mm），遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)彎沉25（0.1 mm）。PSSI全線均值為25.6，評(píng)價(jià)等級(jí)為差，上行方向PSSI均值為25.4，下行方向PSSI均值25.9。由彎沉檢測(cè)結(jié)果及PSSI評(píng)價(jià)結(jié)果可知，項(xiàng)目路段的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯不足，處在結(jié)構(gòu)使用壽命末期。

1.4 路面平整度狀況

利用《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG H20—2007）中提供的換算方程，將國(guó)際平整度指數(shù)IRI值換算為路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI，評(píng)價(jià)的路段單元長(zhǎng)度為1 000 m。評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示。

圖4 路面行駛質(zhì)量（RQI）縱向分布圖

項(xiàng)目路段全線RQI均值為84.3，評(píng)價(jià)結(jié)果為良，上行方向RQI均值82.3，下行方向RQI均值為86.3。

1.5 路面車轍狀況

1.5.1 路面車轍深度

由現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目路段在重車荷載的長(zhǎng)期作用下，全線已出現(xiàn)了不同程度的車轍病害，且部分轍槽位置伴有裂縫產(chǎn)生，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變形，對(duì)行車安全形成了極大的隱患。

由檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，項(xiàng)目路段全線車轍深度較大，其中上行方向車轍深度最大值為14.52 mm，下行方向車轍深度最大為24.07 mm。全線車轍深度分布情況如圖5路面車轍病害所示。

圖5 路面車轍病害

1.5.2 車轍深度指數(shù)

利用《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG H20—2007）中提供的計(jì)算公式，計(jì)算路面車轍深度指數(shù)RDI，評(píng)價(jià)的路段單元長(zhǎng)度為1 000 m。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖6路面車轍深度（RDI）縱向分布狀況[1]。

由評(píng)價(jià)結(jié)果可知，項(xiàng)目路段車轍深度指數(shù)RDI全線均值為72.8，評(píng)價(jià)結(jié)果為中，上行方向RDI均值為79.1，下行方向RDI均值為66.1。

圖6 路面車轍深度指數(shù)（RDI）縱向分布狀況

由現(xiàn)場(chǎng)踏勘及路況評(píng)價(jià)結(jié)果可知，項(xiàng)目路段的主要病害為車轍、橫向裂縫、縱向裂縫及龜裂等。目前路況水平衰減嚴(yán)重，不僅影響了行駛舒適性，并且對(duì)行車安全造成了隱患。

項(xiàng)目路段各路況指標(biāo)均值及評(píng)價(jià)結(jié)果如表2路面技術(shù)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果所示。項(xiàng)目路段路面使用性能指數(shù)PQI全線均值為80.4，評(píng)價(jià)等級(jí)均為良等；路面損壞狀況指數(shù)PCI全線均值為76.0，評(píng)價(jià)等級(jí)均為中等；路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI全線均值為84.3，評(píng)價(jià)等級(jí)均為良等；路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI全線均值為25.7，評(píng)價(jià)等級(jí)為差等；路面車轍深度指數(shù)RDI全線均值為72.9，評(píng)價(jià)等級(jí)均為中等。

表2 路面技術(shù)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果

2 病害原因診斷

2.1 專項(xiàng)檢測(cè)

2.1.1 鉆芯取樣

針對(duì)典型病害位置進(jìn)行鉆芯取樣，主要觀測(cè)的內(nèi)容包括：瀝青結(jié)構(gòu)層厚度、瀝青層結(jié)構(gòu)完整性、基層結(jié)構(gòu)厚度、基層結(jié)構(gòu)狀況、結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)狀況等。通過(guò)鉆芯取樣檢測(cè)，可得出以下結(jié)論：

a）車轍病害 (a)大部分車轍處面層、基層結(jié)構(gòu)完整，其中車轍較為嚴(yán)重的K36+900處面層及基層出現(xiàn)了松散破碎現(xiàn)象；(b)轍槽處瀝青面層厚度明顯小于隆起處及路肩處面層厚度，路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形；(c)部分芯樣出現(xiàn)了層間黏結(jié)不良的現(xiàn)象。

b）裂縫類病害 (a)項(xiàng)目路段路面厚度分布不均勻，瀝青面層最薄處為5 cm，最厚為11.7 cm；(b)面層均已沿裂縫處開(kāi)裂，基層大多松散破碎；(c)裂縫位置芯樣基層由于松散破碎大多未取出，取出的芯樣大部分存在層間黏結(jié)不良現(xiàn)象。

2.1.2 室內(nèi)材料試驗(yàn)

瀝青混合料的級(jí)配和瀝青含量等因素對(duì)路面的使用性能影響較大，因此項(xiàng)目組利用鉆取的芯樣試件進(jìn)行了室內(nèi)材料試驗(yàn)，瀝青含量試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，上下面層混合料級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，級(jí)配曲線如圖7、圖8所示。

表3 混合料瀝青含量試驗(yàn)結(jié)果

表4 礦料篩分結(jié)果

圖7 瀝青上面層AC-16級(jí)配曲線

圖8 瀝青下面層AC-25級(jí)配曲線

由室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a）項(xiàng)目路段上面層及下面層混合料瀝青含量均符合規(guī)范要求。

b）上面層混合料級(jí)配曲線不符合規(guī)范要求，9.5 mm以上篩孔通過(guò)量偏小，在規(guī)范要求范圍以外，級(jí)配曲線不夠平滑。

c）下面層混合料級(jí)配曲線雖然在規(guī)范要求內(nèi)，但級(jí)配曲線非常不平滑，級(jí)配組合不佳。

項(xiàng)目路段上下面層級(jí)配曲線均不合理，這是導(dǎo)致混合料性能達(dá)不到技術(shù)要求的關(guān)鍵因素，從而引發(fā)路面的損壞。

2.2 病害原因診斷

基于路況檢評(píng)結(jié)果及鉆芯取樣、材料試驗(yàn)結(jié)果，項(xiàng)目組針對(duì)項(xiàng)目路段車轍、橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂等病害展開(kāi)了病害原因診斷，分析結(jié)果如下。

2.2.1 車轍病害

造成項(xiàng)目路段車轍病害的主要原因包括：a）由于沿線有礦場(chǎng)，導(dǎo)致項(xiàng)目路段交通量大，且以重載車為主，2012年的交通量調(diào)查結(jié)果17 591輛/d，貨車比例占到32%以上，重型車輛占45%左右，客車比例為23%，路面在重載車輛的長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生變形；b）項(xiàng)目路段基層強(qiáng)度不足，由鉆芯結(jié)果可知，大部分基層已出現(xiàn)了松散破碎現(xiàn)象；c）層間黏結(jié)不良，導(dǎo)致輪跡帶處向兩邊擠壓；d）此外，由設(shè)計(jì)文件可知，項(xiàng)目路段表面層使用的是90號(hào)瀝青，瀝青標(biāo)號(hào)較高，也是產(chǎn)生車轍的原因之一。

2.2.2 橫向裂縫

項(xiàng)目路段所在地朔州市，夏季炎熱，最高氣溫可達(dá)38℃以上，冬季寒冷，最低溫度-15℃左右。四季溫差較大，溫度變化會(huì)使路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，若溫度變化較大或溫度變化頻率較快，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力將不斷增大，直至其大于路面結(jié)構(gòu)層材料的極限抗拉強(qiáng)度，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)層開(kāi)裂，產(chǎn)生橫向裂縫。此外，項(xiàng)目路段還存在大量橫向貫穿裂縫，經(jīng)鉆芯取樣結(jié)果可知，面層已沿裂縫斷裂，基層出現(xiàn)了松散破碎的現(xiàn)象，判斷此類裂縫為半剛性基層的反射裂縫，裂縫是由下至上發(fā)展的。

2.2.3 縱向裂縫

由病害分析結(jié)果可知，項(xiàng)目路段存在部分縱向裂縫，這是由于平朔線長(zhǎng)期承受重車反復(fù)碾壓，這些車輛行駛速度緩慢、接地壓強(qiáng)高，會(huì)在半剛性基層的底部產(chǎn)生極大的拉應(yīng)力，在行車荷載的反復(fù)作用下，當(dāng)半剛性基層底部的疲勞拉應(yīng)力超過(guò)半剛性材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，半剛性基層的底部就會(huì)出現(xiàn)裂縫并逐漸在裂縫兩側(cè)形成板塊，相鄰板塊端部之間會(huì)產(chǎn)生豎向位移差，引起面層的剪切疲勞而導(dǎo)致開(kāi)裂。

2.2.4 龜裂

由項(xiàng)目路段龜裂處的鉆芯結(jié)果可以看出，龜裂處基層已破碎，且面層已出現(xiàn)裂縫，層間黏結(jié)不良，因此判斷項(xiàng)目路段產(chǎn)生龜裂的原因主要是由于瀝青混合料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)偏低，瀝青面層結(jié)合料老化、力學(xué)性能降低，在重載、超載車輛的反復(fù)作用下路面出現(xiàn)裂縫。裂縫封堵效果不佳，雨水下滲后在輪胎泵吸作用下，半剛性基層的灰漿被吸出，導(dǎo)致基層破碎松散，基層強(qiáng)度損失誘發(fā)沉陷，沉陷變形過(guò)大會(huì)進(jìn)一步加劇瀝青面層的開(kāi)裂。此外，由于層間黏結(jié)不良、上下層脫開(kāi)，導(dǎo)致表面層的瀝青混合料單獨(dú)承受荷載和溫度的作用，從而加速龜裂產(chǎn)生和發(fā)展。

3 大修方案設(shè)計(jì)

3.1 方案選擇

本項(xiàng)目使用性質(zhì)是運(yùn)煤專線，且大噸位運(yùn)煤車輛較多，對(duì)路面有較大的破壞作用。針對(duì)本項(xiàng)目大噸位車輛多而導(dǎo)致路面使用周期縮短這一現(xiàn)象。項(xiàng)目組采用全壽命周期成本理念確定路面結(jié)構(gòu)，根據(jù)交通組成，并針對(duì)舊路路況的不同，對(duì)該項(xiàng)目路段的路面各層的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了精確的計(jì)算，最終確定了設(shè)計(jì)方案及路面結(jié)構(gòu)。

3.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)養(yǎng)護(hù)對(duì)策的選擇結(jié)果，項(xiàng)目組提出了大修養(yǎng)護(hù)方案。首先銑刨回收現(xiàn)有瀝青面層結(jié)構(gòu)，對(duì)原基層進(jìn)行17 cm水泥就地冷再生作為新結(jié)構(gòu)層的底基層，在其上加鋪20 cm水泥穩(wěn)定碎石上基層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，然后依次設(shè)置乳化瀝青透層、改性瀝青封層，加鋪8 cm半柔性廠拌冷再生瀝青混合料下面層，噴灑黏層油后鋪筑5 cm改性瀝青AC-16瀝青混凝土上面層，大修方案如圖9所示。

本方案充分利用了原路面材料，同時(shí)半柔性廠拌冷再生瀝青混合料具有較好的抗車轍性能。

圖9 大修養(yǎng)護(hù)方案

3.3 方案說(shuō)明

半柔性廠拌冷再生混合料作為基層與面層之間的過(guò)渡層（或直接作為下面層），是我國(guó)近年來(lái)在舊料回收和循環(huán)利用領(lǐng)域的最新科技成果。該項(xiàng)技術(shù)的核心是冷再生結(jié)合料，它是由完全剛性的水硬性膠結(jié)料和完全柔性的特種乳化瀝青組成的雙膠結(jié)料，其中完全柔性的特種乳化瀝青是一種裂解滯后早強(qiáng)乳化瀝青與多種化學(xué)劑的復(fù)合多相膠結(jié)劑。多種化學(xué)劑的作用是調(diào)節(jié)復(fù)合多相膠結(jié)劑的性能，主要包括早強(qiáng)劑（2 h開(kāi)放交通）、快干劑（24 h）、修復(fù)劑、膨脹劑、抗裂劑[2]。

該項(xiàng)技術(shù)通過(guò)利用冷再生結(jié)合料，將一定比例的瀝青路面銑刨料與新集料、水進(jìn)行常溫拌和，常溫鋪筑，形成一種新瀝青路面結(jié)構(gòu)層[2]。與一般的再生技術(shù)相比，半柔性廠拌冷再生技術(shù)具有以下幾項(xiàng)特點(diǎn)：

a）舊料回收利用率高達(dá)70%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于廠拌熱再生的舊料摻配率（最高僅能達(dá)到30%）。

b）采用冷拌和、冷攤鋪，完全避免了熱拌瀝青混合料生產(chǎn)及攤鋪過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣污染和資源消耗，拌和1 t冷再生混合料節(jié)約燃油消耗6～8 kg，可節(jié)約資源60%以上，降低能耗與排放75%以上。

c）成本遠(yuǎn)小于其他類型的再生技術(shù)，造價(jià)與同樣厚度的瀝青下面層相比，至少可節(jié)約5%～10%。

d）抗車轍能力強(qiáng)，60℃車轍動(dòng)穩(wěn)定度高達(dá)9 000次/mm，極大地提高了路面下面層的抗車轍能力。

e）在-10℃時(shí)低溫彎曲應(yīng)變可達(dá)到2 740με，與熱拌瀝青混合料的低溫抗裂及柔韌性相當(dāng)，作為過(guò)渡層在防止反射裂縫方面效果顯著。

f）劈裂強(qiáng)度為0.66 MPa，干濕劈裂強(qiáng)度比為85.1%，馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到5.8 kN（流值為4.4 mm），凍融劈裂強(qiáng)度比為85.1%，動(dòng)態(tài)彈性模量為5 000 MPa，即強(qiáng)度與彈性模量高，承載能力大。

g）施工工藝簡(jiǎn)單，僅需對(duì)普通瀝青混凝土拌和樓增添加水系統(tǒng)，利用普通的攤鋪機(jī)和壓路機(jī)施工，不需專用設(shè)備，養(yǎng)生4 h后即可開(kāi)放輕交通。

近幾年來(lái)，我國(guó)公路發(fā)展非常迅速，隨著交通量的日益增加，大量公路已接近設(shè)計(jì)使用年限，需要進(jìn)行大修或改造，現(xiàn)場(chǎng)冷再生技術(shù)是最適宜的維修或改造方式?，F(xiàn)場(chǎng)冷再生技術(shù)，可充分利用舊路面面層和基層材料，不僅可以節(jié)約能源，降低施工成本，更有益于環(huán)境保護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合省道平朔線K32+000—K41+200段瀝青混凝土路面產(chǎn)生的車轍病害，通過(guò)路面狀況檢測(cè)與評(píng)價(jià)，闡述了車轍形成的原因，并提出了此路段相應(yīng)的半柔性廠拌冷再生瀝青混合料大修方案。傳統(tǒng)的基于“強(qiáng)基薄面”設(shè)計(jì)理念的半剛性基層瀝青路面是我國(guó)公路路面的主要結(jié)構(gòu)形式，這種路面雖然減少了初期投資，但是由此也帶來(lái)了早期損壞嚴(yán)重的弊端。隨著使用年限的增加，有越來(lái)越多的公路面臨大修或改建工程，一方面需要大量的新基層和面層材料，另一方面還有因翻新而廢棄的渣料需要環(huán)保處理。運(yùn)用“全壽命瀝青路面”設(shè)計(jì)理念及節(jié)能環(huán)保的冷再生技術(shù)，可有效治理路面病害，提高路面耐久性。在此希望和從事公路路面設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)進(jìn)行交流，共同探討。