上海越江隧道路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)

鄭曉光

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

上海越江隧道路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)

鄭曉光

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

針對上海地區(qū)越江隧道的實(shí)況，分析隧道路面的功能要求與技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)行隧道路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)，將溫拌技術(shù)、瀝青阻燃技術(shù)與高模量瀝青混合料技術(shù)集成應(yīng)用到隧道路面中，確定防水粘結(jié)層材料組成和水泥混凝土界面處理標(biāo)準(zhǔn)，提出了隧道路面推薦技術(shù)方案。

隧道路面；鋪裝結(jié)構(gòu)；鋪裝材料；上海市

0　引言

近年來，我國隧道建設(shè)取得了輝煌的成就，上海地區(qū)的越江隧道也不斷增加。目前，上海建成了20 多座越江交通隧道，根據(jù)上海城市總體規(guī)劃，到2020年黃浦江上越江通道總體上規(guī)模將達(dá)到99個(gè)車道，其中外環(huán)線以內(nèi)的越江通道設(shè)施中，隧道車道數(shù)將占到70%。

隧道路面是隧道工程的重要組成部分，其性能直接決定了隧道的通行能力和服務(wù)水平，也很大程度地影響了公眾對隧道質(zhì)量的評判。

1　隧道路面要求

與普通路面相比，隧道路面結(jié)構(gòu)、材料等設(shè)計(jì)方面有其特殊要求，目前上海越江隧道主要有以下特點(diǎn)。

1.1全天候客運(yùn)專線隧道，對路面耐久、安全和舒適性要求高

越江隧道是上海市區(qū)浦東與浦西交通骨干網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要組成部分。作為全天候客運(yùn)專線，對隧道路面提出了更高是要求：隧道路面耐久性好，以滿足全天候、不間斷運(yùn)營的需要，盡可能減少養(yǎng)護(hù)維修；路面抗滑、降噪、防火安全性能要求高，以最大程度上保障司乘人員交通安全。

1.2長大縱坡隧道，路面應(yīng)具有良好的抗剪切、耐疲勞特性

越江隧道深居黃浦江之下，大大縮短了運(yùn)輸距離，有效地保護(hù)生態(tài)環(huán)境。但是由于地形關(guān)系，隧道內(nèi)外路面高差懸殊，其設(shè)計(jì)坡度高于一般隧道路面，在隧道出入口形成大縱坡結(jié)構(gòu)。我國公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：“一般情況下最大坡度為3%，高速公路和一級公路的中、短隧道在條件受限制時(shí)，最大縱坡可適當(dāng)加大，但不宜大于4%”。越江隧道很多工程起坡段約5%左右，連續(xù)上下坡經(jīng)常長達(dá)1 km左右，是典型的隧道長大縱坡路面。

隧道內(nèi)設(shè)計(jì)車速較低，車輛集中，交通流量大，渠化交通嚴(yán)重。尤其當(dāng)車輛經(jīng)由大縱坡出入隧道時(shí)，受洞內(nèi)外最大限速差異及光線明暗度變化影響，駕駛?cè)藛T常采取變速行駛甚至緊急剎車以適應(yīng)環(huán)境變化或突發(fā)事件的發(fā)生。即隧道大縱坡路面長期承受車輛變速率行駛及制動(dòng)行為所產(chǎn)生的水平荷載作用，其路面結(jié)構(gòu)受力特征和變形行為不同于平坡路段或一般隧道路面。

1.3路面結(jié)構(gòu)防排水和材料抗水損壞能力要求高

盡管隧道內(nèi)無降水，但因隧道內(nèi)部常年陰暗潮濕，使路面水分不易揮發(fā)干燥。同時(shí)，隧道內(nèi)地下水豐富，以及“十洞九漏”等問題，造成路面結(jié)構(gòu)長期處于濕潤狀態(tài)下工作，容易引起路面結(jié)構(gòu)與材料的損壞。

隧道路面在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮完善的防排水系統(tǒng)，一方面要阻斷地下水和路表水向路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲透，另一方面要適當(dāng)考慮路面內(nèi)部排水。由于路表水相對很少，因而應(yīng)重點(diǎn)考慮阻斷、隔離地下水。在材料設(shè)計(jì)方法，要考慮水對鋪裝材料耐久性的影響。

1.4鋪裝材料綜合性能要求高，施工難度大

隧道路面特殊的工作環(huán)境，對鋪面材料性能提出了較高要求。在鋪面材料設(shè)計(jì)上，必須在滿足結(jié)構(gòu)受力要求的基礎(chǔ)上綜合考慮耐久、抗滑、防火、降噪，以及施工和易性等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)由于新技術(shù)和新材料的應(yīng)用也使施工難度增加。另外，在狹長封閉有限空間內(nèi)施工，必須進(jìn)行合理施工組織設(shè)計(jì)，以保障施工進(jìn)度和質(zhì)量。

2　隧道路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)

以往隧道路面多采用水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)型式，存在較多問題：（1）隧道內(nèi)剛性路面與主線柔性路面行駛性能差異較大（高等級公路路面以柔性的瀝青路面為主）。（2）水泥混凝土路面抗滑性能衰減快。（3）平整性差。（4）易揚(yáng)塵。在隧道內(nèi)封閉的狀態(tài)下，水泥混凝土路面磨耗層本身產(chǎn)生較多的灰塵，不利于保持隧道內(nèi)的能見度和空氣質(zhì)量。（5）行車噪音大。（6）路面養(yǎng)護(hù)維修困難等。因此，近年來，隧道路面鋪裝多為水泥混凝土板上加鋪兩層瀝青鋪裝的復(fù)合結(jié)構(gòu)，兩層瀝青層分別稱為上面層與下面層，瀝青層與水泥混凝土板之間設(shè)置防水粘結(jié)層，隧道路面各層功能不同，其結(jié)構(gòu)與材料要求也不同。

2.1隧道路面上面層

對于隧道路面上面層的設(shè)計(jì)主要基于抗滑、耐久、阻燃、降噪和施工和易性等性能要求進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。

2.1.1瀝青混合料級配選擇

為保障抗滑及在長期運(yùn)營過程中抗滑性能的保持能力，可考慮采用SMA或OGFC骨架類型的瀝青混合料。

2.1.2瀝青混合料阻燃抑煙技術(shù)應(yīng)用

在隧道瀝青路面的使用過程中，瀝青混凝土路面的防火安全問題也越來越引起人們的重視。瀝青是易燃材料，如果發(fā)生交通事故可能引起瀝青路面著火。如火勢發(fā)展迅猛，人員來不及疏散導(dǎo)致較大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因而，降低或避免隧道火災(zāi)引發(fā)路面參與燃燒的幾率，保證運(yùn)行安全避免造成隧道的更大破壞，需要采用瀝青混合料阻燃抑煙技術(shù)。

瀝青阻燃是指降低瀝青材料在火焰中的可燃性，減慢火焰蔓延速度，當(dāng)火焰移去后能很快自熄，不再陰燃。常通過摻加阻燃劑改變?yōu)r青的燃燒性能達(dá)到阻燃效果。所以瀝青阻燃劑是能使瀝青不易著火燃燒和能減慢著火燃燒速度的外摻改性劑。

阻燃劑的品種繁多，性能各異。按使用方法和在聚合物中的存在形態(tài)可分為反應(yīng)型和添加型兩大類。按照化學(xué)組成的不同，又分為無機(jī)系列和有機(jī)系列。按照阻燃劑中是否含有鹵原子，又可分為鹵系阻燃劑和無鹵系阻燃劑。鹵系阻燃劑是目前世界上產(chǎn)量最大的有機(jī)阻燃劑之一，添加量少、阻燃效果顯著。

對于阻燃瀝青材料的阻燃性能的評價(jià)方法，目前國內(nèi)外使用最多的是通過測定材料的氧指數(shù)。要求阻燃瀝青的氧指數(shù)應(yīng)不小于23%，同時(shí)建議安全等級較高的項(xiàng)目，其阻燃瀝青的氧指數(shù)不宜小于27%。

研究表明，在隧道火災(zāi)中，80%的死亡人員是由于燃燒釋放出的煙和有毒氣體引起的窒息所造成的。規(guī)定對特殊場合使用的阻燃瀝青的煙密度等級（SDR）≤75。煙密度等級（SDR）的要求建議限于長度大于2 km的長大隧道、重要通道、較為封閉或安全級別要求較高的特殊場合，一般場合可不作要求，而上海越江隧道安全性不言而喻，應(yīng)要求煙密度等級（SDR）不大于75。

2.1.3瀝青混合料溫拌技術(shù)應(yīng)用

溫拌瀝青混合料（WMA）是指相對于同類熱拌瀝青混合料（HMA），通過不同技術(shù)手段，拌和溫度降低30℃左右，且路用性能不降低的瀝青混合料。

在長隧道施工中，溫拌技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是通過降低瀝青混合料溫度來減少瀝青混合料攤鋪壓實(shí)過程中煙氣排放，這對于改善施工環(huán)境、提高施工質(zhì)量具有積極意義。國內(nèi)相關(guān)的研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)混合料的拌和溫度減低30℃時(shí)，每噸瀝青混合料可節(jié)約燃料油2.4kg，節(jié)能30%左右，并可減少30%CO2排放量和40%的粉塵排放量。溫拌瀝青混合料施工時(shí)，瀝青煙與多環(huán)芳香族碳?xì)浠衔锱欧艤p少30%～50%，大大降低了對施工工人的傷害。同時(shí)，如果在溫度較低的季節(jié)開展施工，采用溫拌技術(shù)可有利于保障路面壓實(shí)度等關(guān)鍵技術(shù)要求。另外，由于瀝青混合料拌合溫度較低，可有效防止瀝青老化，對于延長隧道路面壽命具有積極作用。

溫拌瀝青混合料制備可以通過瀝青發(fā)泡技術(shù)、.化學(xué)類表面活性劑、膠結(jié)料降粘劑或軟硬瀝青復(fù)配技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。目前上海地區(qū)多采用化學(xué)類表面活性劑來實(shí)現(xiàn)溫拌。

2.2道路面下面層

下面層瀝青混合料設(shè)計(jì)主要考慮抗車轍和抗剪切能力，以及水穩(wěn)定性、耐疲勞、抗開裂等性能。在隧道路面剛性和柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)中，下面層處于高剪應(yīng)力區(qū)。為此，在瀝青混合料設(shè)計(jì)中主要考慮抗慮抗車轍和抗剪切能力，設(shè)計(jì)方面，可采用在高模量瀝青混合料，級配采用AC-16或AC-20級配。同時(shí)，下面層直接鋪裝在剛性水泥混凝土板上，這就要求其具有良好的耐疲勞、抗開裂等性能。由于隧道內(nèi)部濕度、地下水豐富等原因，中面層應(yīng)具備良好的抗水損壞能力。同樣考慮到施工和易性與工程質(zhì)量，采用溫拌技術(shù)。

推薦高模量混合料設(shè)計(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)要求（見表1）。高模量瀝青混合料路用性能評價(jià)與要求見表2所列。

表1　高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)指標(biāo)表

表2　高模量瀝青混合料路用性能評價(jià)指標(biāo)表

2.3防水粘結(jié)層

防水粘結(jié)層是隧道路面中重要的功能層，要求在使用服務(wù)期內(nèi)保持不透水性，提高瀝青層與下面混凝土面板的粘結(jié)性，避免車輛運(yùn)行的切向力導(dǎo)致剪切破壞，同時(shí)還要防止或減緩下部水泥混凝土板切縫或裂縫發(fā)展產(chǎn)生的反射裂縫。

橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，采用碎石封層模式：用熱橡膠瀝青噴灑在現(xiàn)有的路表面，然后立即撒布單一粒級（9～12 mm）的封層集料，再進(jìn)行碾壓，將集料嵌入瀝青膜。橡膠瀝青應(yīng)力吸收層封水和抗?jié)B性能好；層間的粘結(jié)效果好，增強(qiáng)路面的整體性；抗裂性能優(yōu)良，顯著減少反射裂縫，是一種較好的選擇。橡膠瀝青技術(shù)要求見表3所列，橡膠瀝青用量為2.0 kg/m2～2.4 kg/m2。集料采用單一粒徑（13.2 mm）石料，集料撒布率為70%～90%，集料用量為12 kg/m2～14 kg/m2。

表3　橡膠瀝青技術(shù)要求一覽表

2.4界面處理

水泥混凝土板表面狀況直接影響防水粘結(jié)層的質(zhì)量，進(jìn)而影響鋪裝的整體結(jié)合效果，因此要求水泥混凝土面板必須堅(jiān)固、平整、不起砂、無毛刺，不得有疏松；對尖銳棱角等凸起物和凹坑，必須打鑿或用砂漿填補(bǔ)平整，必須在混凝土表面達(dá)到平整、干燥（含水率不大于10%）的情況下，再將水泥混凝土層上的浮漿處理干凈，通過打砂處理將浮漿處理掉，形成粗糙、潔凈、干燥的表面。打砂前后的比對見圖1與圖2所示。

圖1　水泥混凝土板打砂處理前狀態(tài)實(shí)景

圖2　水泥混凝土板打砂處理后狀態(tài)實(shí)景

3　隧道路面推薦方案

通過一系列分析，針對上海地區(qū)越江隧道，提出了兩種推薦方案（見表4）。

表4　隧道路面推薦方案一覽表

其中隧道路面上面層采用SMA瀝青混合料，粗集料、瀝青和礦粉含量較高，且摻加纖維材料，使得SMA具有良好的抗車轍、耐疲勞、抗松散、抗滑能力，以及較好的降噪聲性能。同時(shí)S`MA為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，可防止表面聚集的水分下滲。OGFC瀝青混合料具有20%左右的空隙率，其抗滑和降低噪聲能力優(yōu)異。同時(shí)，當(dāng)交通事故引起泄露的汽油可進(jìn)入路面內(nèi)部，對于抑制延燒具有積極作用。當(dāng)配合使用阻燃瀝青時(shí)，可起到良好的抑制燃燒、減少有毒氣體和煙霧排放的效果。但由于OGFC類型的混合料空隙率很大，相對SMA，耐久性可能不足；由于OGFC的大空隙容易被泥土等雜物堵塞，運(yùn)營過程中需要進(jìn)行周期性養(yǎng)護(hù)。

4　結(jié)語

與普通路面相比，隧道路面結(jié)構(gòu)、材料等設(shè)計(jì)方面有其特殊要求。通過分析上海越江隧道路面特點(diǎn)，認(rèn)為：必須在滿足結(jié)構(gòu)受力要求的基礎(chǔ)上綜合考慮耐久、抗滑、防火、降噪，以及施工和易性等因素進(jìn)行隧道路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)，將溫拌技術(shù)、瀝青阻燃技術(shù)與高模量瀝青混合料技術(shù)集成應(yīng)用到隧道路面中。進(jìn)而確定防水粘結(jié)層材料組成和水泥混凝土界面處理標(biāo)準(zhǔn)，并提出隧道路面的推薦技術(shù)方案。

U45、U416.2

B

1009-7716（2015）05-0048-03

2015-02-06

上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項(xiàng)目（13QB1403200）

鄭曉光（1978-），男，山東日照人，博士，高級工程師，研究方向：路基路面工程。