港珠澳大橋鋼橋面鋪裝方案比選及澆注式瀝青混合料(GMA)標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝控制

朱定, 李書亮

(港珠澳大橋管理局, 廣東 珠海 519060)

1 項目概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，東連香港、西接珠海、澳門，是世界級跨海交通工程，也是中國交通運輸史上里程最長、投資最多、技術(shù)最復(fù)雜、建設(shè)要求及標(biāo)準(zhǔn)最高、施工難度最大的集橋、島、隧為一體的超大型交通集群工程。港珠澳大橋主體工程全長29.6 km，其中鋼橋面鋪裝長度為15.8 km，鋪裝面積達(dá)到50萬m2，是目前世界上最大規(guī)模的單體鋼橋面鋪裝工程項目。

2 鋼橋面鋪裝方案比選

港珠澳大橋地處伶仃洋，橋區(qū)氣候復(fù)雜多變，高溫多雨，臺風(fēng)頻發(fā)。鋼橋面鋪裝方案的選擇既要考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣候影響、施工可控性,同時也需符合耐久性和后期運營維護的相關(guān)要求。筆者對中國主要鋼橋面鋪裝方案的技術(shù)特點和使用狀況進行了系統(tǒng)的調(diào)查分析，參考橋區(qū)周邊類似工程鋼橋面鋪裝的實施經(jīng)驗，結(jié)合該項目的技術(shù)要求和特點，對鋼橋面鋪裝方案進行了系統(tǒng)的分析和對比研究。

2.1 鋼橋面鋪裝方案對比

目前中國運用較廣的鋼橋面鋪裝材料體系及其應(yīng)用情況如表1所示。

從氣候環(huán)境、抗干擾能力、大規(guī)模施工組織可行性、工期可靠系數(shù)、維修養(yǎng)護等方面分析典型鋼橋面鋪裝的綜合性能和適用性，進行綜合評估。

表1 中國主要鋼橋面鋪裝方案的對比分析

環(huán)氧類瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性，在高溫、重載交通下優(yōu)勢尤為凸顯。但是該項目因場地限制，只能在珠澳口岸人工島設(shè)置瀝青混合料攪拌站，鋼橋面最遠(yuǎn)運輸距離達(dá)到23 km，且施工區(qū)域位于外海，氣象多變，環(huán)氧類瀝青混合料抗氣候干擾能力和大規(guī)模施工組織可行性的缺點明顯，加之施工質(zhì)量可靠度、工期要求和后期維養(yǎng)因素，認(rèn)為環(huán)氧類鋪裝方案在該項目“技術(shù)可行，但施工實施不可執(zhí)行”。

澆注式屬于懸浮密實結(jié)構(gòu)，具有“三高”的特性，分別是瀝青用量高、礦粉及細(xì)集料含量高、拌和溫度高。施工窗口期可達(dá)2.5～3 h，面對外海復(fù)雜氣候條件的適用性及應(yīng)對能力遠(yuǎn)強于環(huán)氧類，施工中流動成型，無需碾壓，通過專用澆注式攤鋪機攤鋪整平即可。澆注式的空隙率小于1%，在高溫、高濕、高鹽的環(huán)境下對橋面鋼板有很好的保護作用，其抗疲勞能力強，但高溫穩(wěn)定性弱于環(huán)氧類。

香港青馬大橋、昂船洲大橋和深圳灣大橋均采用澆注式鋪裝體系，至今使用狀況較好，其中青馬大橋已運營21年，仍然表現(xiàn)優(yōu)良。而港珠澳大橋的地理位置與前述3座大橋位于同一區(qū)域，氣候條件及開通后交通流量(中等交通)均基本一致，技術(shù)方案的可靠性和大規(guī)模施工過程的可控性是確定鋪裝方案的關(guān)鍵考量因素。因此借鑒已取得的成功經(jīng)驗，使得方案選擇的風(fēng)險性大大降低。

2.2 GMA鋪裝體系研究

澆注式瀝青混合料根據(jù)生產(chǎn)工藝可以分為Guss Asphalt(GA)和Mastic Asphalt(MA)兩種，其主要特點及區(qū)別如表2所示。

表2 澆注式瀝青混合料特點及其在不同地區(qū)使用差異對比分析

GA起源于德國，在歐洲、日本及中國運用較多，MA起源于英國，在香港運用較多。MA具有天然湖瀝青含量高、細(xì)集料級配分檔嚴(yán)格、路用性能穩(wěn)定等特點，生產(chǎn)工藝是先拌和瀝青、礦粉和細(xì)集料生成瀝青膠砂(ME)，再摻加粗集料在Cooker車內(nèi)進行二次拌和，拌和時間較長(5～7 h)，施工效率低，不能滿足該項目鋼橋面鋪裝規(guī)模巨大、工期緊的要求。而以德國、日本為代表的GA澆注式瀝青混合料，采用瀝青拌和站對構(gòu)成瀝青混合料的所有原材料進行集中拌和生產(chǎn)，連續(xù)施工，施工效率高，但是配合比設(shè)計時，湖瀝青用量較少，細(xì)集料級配要求較寬松，其質(zhì)量穩(wěn)定性不及MA澆注式瀝青混合料。因此，需考慮充分發(fā)揮MA的性能穩(wěn)定優(yōu)勢和GA的工效優(yōu)勢，通過大量試驗研究驗證，采用GA工藝生產(chǎn)MA澆注式瀝青混合料的方法解決了上述難題，該項目稱該創(chuàng)新瀝青混合料產(chǎn)品為GMA。GMA工藝和英國傳統(tǒng)MA工藝的差別僅在于拌和，但是集料級配、混合料運輸、攤鋪工藝均是一致的。

3 GMA施工工藝及控制

GMA瀝青混合料鋼橋面鋪裝采用全新的施工工藝，在中國首次實施，尚無成功施工經(jīng)驗可借鑒，因此通過大量前期科研、工藝試驗及試驗段、首件制來科學(xué)有效確定GMA標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝，是確保該項目鋪裝成品質(zhì)量優(yōu)良和耐久性的關(guān)鍵要素。

3.1 GMA拌和生產(chǎn)

GMA瀝青混合料采用林泰閣CSM4000G型拌和站生產(chǎn)，瀝青、礦粉、石料加熱溫度及混合料出廠溫度嚴(yán)格按表3執(zhí)行。

表3 GMA生產(chǎn)溫度控制

將加熱后的集料稱量并加入礦粉，干拌20 s，拌和均勻后再加入混合瀝青(10 s)，濕拌95 s，放料時間8 s，總拌和時間控制為140～150 s。需要對各拌和流程時間進行精確控制。

3.2 GMA二次攪拌和運輸

從拌和站生產(chǎn)出來的GMA澆注式瀝青混合料還需在專用設(shè)備(Cooker車)中進行二次保溫攪拌，施工前根據(jù)施工運距及拌和站的拌和能力合理確定Cooker車數(shù)量，以保證施工的連續(xù)性。

(1) 先將Cooker預(yù)熱至約160 ℃，每臺Cooker裝入GMA混合料約12 t后不停進行攪拌保溫，溫度應(yīng)穩(wěn)定控制在220～230 ℃之間，同時壓力表穩(wěn)定在10～20 MPa之間，Cooker攪拌速度設(shè)定至6 r/min。

(2) 每臺Cooker車均設(shè)有編號，拌和站管理人員將GMA出料溫度、出料時間、重量等相關(guān)信息詳細(xì)記錄在點檢表上供施工現(xiàn)場人員查驗。

(3) 根據(jù)大量試驗研究，隨著拌和時間延長，GMA混合料沖擊韌性指標(biāo)逐漸降低，車轍動穩(wěn)定度指標(biāo)逐漸升高，如圖1所示。滿足性能要求的GMA在Cooker車中的二次攪拌時間為2.5～4 h，因此當(dāng)Cooker車到達(dá)鋪裝現(xiàn)場后，管理人員應(yīng)認(rèn)真核對隨車點檢表，確保在時間窗口范圍內(nèi)卸料攤鋪。

圖1 GMA沖擊韌性、車轍動穩(wěn)定度與拌和時間的關(guān)系

(4) 在施工現(xiàn)場設(shè)置車輛清潔區(qū)，Cooker車進入攤鋪現(xiàn)場前安排專人清除車輪上的塵土、泥砂等雜物，Cooker車底部設(shè)置隔離布以防止油水泄漏。嚴(yán)禁Cooker車在防水層上調(diào)頭或急剎車，避免破壞防水黏結(jié)層。

3.3 GMA攤鋪施工

(1) 分幅攤鋪方案

考慮到鋼橋面的受力特點及行車道輪跡帶影響，以及GMA鋪裝縱向接縫盡量錯開鋼箱梁主梁頂面及縱向加勁肋頂面原則，主線分兩幅先后攤鋪，每幅鋪裝寬度分別為6.75、6.8 m，兩邊各留0.65、0.9 m寬度作為邊帶施工，主幅鋪裝層之間以及主幅與邊帶鋪裝之間均設(shè)置縱向接縫，接縫采用熱熔瀝青貼縫條進行黏結(jié)，如圖2所示。

圖2 GMA分幅攤鋪布置示意圖(單位：cm)

(2) 攤鋪工藝流程

攤鋪前對作業(yè)面進行清潔處理，確保工作面保持干凈及干燥狀態(tài)。針對澆注式瀝青攤鋪機的自身構(gòu)造特點，鋪裝層厚度主要依靠攤鋪機的行走基面來控制。因此在攤鋪施工中，除了要對模板高程進行控制以外，還應(yīng)對攤鋪機行走軌道的調(diào)平精度有較高的要求，采用2.5 cm高、約3 cm寬的鋼制模板進行邊側(cè)限制并用強力磁鐵固定。為保護防水黏結(jié)層免受攤鋪機履帶擦傷，采用3 cm厚木板鋪設(shè)，通過高程測量找平作為攤鋪機履帶行走軌道。待GMA在Cooker車內(nèi)升溫攪拌達(dá)到施工窗口時間后，現(xiàn)場檢測GMA溫度滿足攤鋪溫度(210～230 ℃)和流動度小于20 s要求，方允許卸料攤鋪作業(yè)，此過程中應(yīng)確保Cooker車卸料與攤鋪速率及功效匹配。攤鋪機行駛速度控制為1.2～1.5 m/min，通過插針法實時檢測攤鋪厚度。對攤鋪中出現(xiàn)的個別氣泡或鼓包等缺陷點，應(yīng)及時用細(xì)尖頭工具刺穿并人工抹平。為保證GMA新鋪幅與舊幅之間接縫的飽滿、密實，采用貼封條進行密封處理，設(shè)專人用高溫烤槍將舊幅邊部表面軟化，再配合人工搓揉抹平，保證新舊GMA融為一體，接縫平順、密實。

3.4 碎石撒布及碾壓

利用拌和站將10～15 mm規(guī)格碎石與改性瀝青(含量0.4%～0.45%)攪拌混合，再運至鋪裝現(xiàn)場。澆注式瀝青攤鋪機本身自帶碎石撒布功能，攤鋪過程中，人工將袋裝預(yù)拌碎石裝入攤鋪機上方碎石槽，攤鋪機均勻撒布，碎石撒布量控制為8～10 kg/m2。根據(jù)試驗段分析研究，攤鋪后GMA溫度降至120～130 ℃時，采用小型壓路機進行碾壓。

4 結(jié)語

通過深入調(diào)查和對比研究以及大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試拌試鋪，結(jié)合橋區(qū)氣候條件、施工可控性及項目特點和相關(guān)技術(shù)要求，創(chuàng)新研發(fā)了GMA澆注式瀝青混合料鋪裝方案。施工過程中，采用了機械化、自動化、標(biāo)準(zhǔn)化的管理理念，制定了各道工序的標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝控制，科學(xué)合理匹配人、機、物、法、環(huán)等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了精細(xì)化施工過程質(zhì)量控制，有效提高了生產(chǎn)效率，顯著提升了施工質(zhì)量。港珠澳大橋鋼橋面鋪裝工程的成功實施為中國乃至世界范圍內(nèi)鋼橋面鋪裝積累了寶貴經(jīng)驗，將進一步推動鋼橋面鋪裝技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。