汽車試驗(yàn)場環(huán)道高仰角曲面瀝青路面施工技術(shù)

徐書國 （中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司，安徽 合肥 230041）

1 工程簡介

高速環(huán)道是汽車試驗(yàn)場中專供汽車進(jìn)行高速行使測試整車性能、燃油經(jīng)濟(jì)性及噪音等測試跑道，高速環(huán)道曲線段的橫斷面幾何設(shè)計(jì)不同于一般的道路，其行車道多為盆腔式高次拋物線、對數(shù)曲線或復(fù)合函數(shù)曲線形式組成的曲面橫斷面（一般低速道、中速道、高速道為高次方程、安全帶一般為一次方程或?yàn)閺?fù)合曲線1-2-3-1形式）、高速道與低速道的高差大（一般都大于8m）、平整度要求高（σ≤0.9mm），技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高速公路標(biāo)準(zhǔn)（σ≤1.2mm）。典型斷面見下圖1，設(shè)計(jì)參數(shù)如下表1所示：

圖1 環(huán)道典型斷面圖

由上表看，目前國內(nèi)高速環(huán)道主要有橢圓形，平整度要求遠(yuǎn)高于國內(nèi)高速公路的要求，曲線段高速道仰角大、試車速度高，要求曲面平順性高等特點(diǎn)，因此高環(huán)曲面瀝青混合料攤鋪碾壓時(shí)，防止高仰角瀝青混合料下滑、碾壓的平整度和平順性是主要技術(shù)控制，筆者從關(guān)鍵設(shè)備的選擇、基層面的技術(shù)處理、瀝青混凝土配比的設(shè)計(jì)、高精度測量運(yùn)用、攤鋪的順序方法、碾壓的方式等方面來進(jìn)行分析總結(jié)。

試驗(yàn)場高速環(huán)道曲線段的設(shè)計(jì)參數(shù) 表1

2 關(guān)鍵設(shè)備選擇

高環(huán)曲面高仰角瀝青攤鋪，目前國際上主要就兩種類型設(shè)備，一種日系的縱向分幅分車道攤鋪的高環(huán)曲面攤鋪機(jī)（見圖2）；另一種是德系的縱向全斷面攤鋪的曲面攤鋪機(jī)（見圖3）。日系攤鋪機(jī)優(yōu)點(diǎn)是曲面無橫向接縫，且施工成本低，缺點(diǎn)是行車道間存在縱向冷接縫；德系攤鋪機(jī)優(yōu)點(diǎn)是曲面無縱向冷接縫，缺點(diǎn)是施工成本高，且可能存在橫向冷接縫。根據(jù)兩種類型攤鋪機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)合瀝青混合料的性質(zhì)及修建試驗(yàn)場地區(qū)的氣候特征，若少雨且常年氣溫在0℃以上，在保證施工質(zhì)量的前提下，考慮經(jīng)濟(jì)性，建議選擇日系的；反之則采用德系攤鋪機(jī)。

圖2 日系曲面攤鋪機(jī)

圖3 德系曲面攤鋪機(jī)

3 基層面的技術(shù)處理

高速環(huán)道圓曲線段曲面是由高次方程（y=ax3+bx+cx+d）組成，特備是在受場地限制情況下，半徑較小，試車速度要求較高的情況下（一般要求不小于120km/h），曲面仰角大于35°以 上（見下圖4），通過單元體受力分析 {f=(Fsinθ+mgcosθ).μ=(V2/R.m.sinθ+m.gcosθ).μ}實(shí)際試驗(yàn)段驗(yàn)證，要確保攤鋪的底面層瀝青（一般不大于10cm）不易下滑，需要增大此部分基層表面摩擦系數(shù)，一般路面的摩擦系數(shù)μ值不大于0.7，通過材改善料和施工工藝的改變很難得到提高，因此只有采用機(jī)械刻槽方式來增大表面摩擦系數(shù)（見圖 5）。

圖4 曲面上受力分析

圖5 機(jī)械刻槽

4 高黏附性瀝青混合料配合比技術(shù)

4.1 嚴(yán)控瀝青混合料中骨料參配比例

加強(qiáng)上料斗冷配料比例的管理，對于粗集料斗要定期進(jìn)行一次全面清理即可，但細(xì)集料必須每天結(jié)束都清理料斗一次，同時(shí)還要有遮雨設(shè)施，否則冷料比例的失調(diào)對質(zhì)量的波動(dòng)影響較大。采用天然河砂對混合料級配有著優(yōu)良的改善作用，但需注意的是采用兩種細(xì)集料，則必須確保同時(shí)按照設(shè)定好的冷料配合比下料，否則使熱料0～5mm的組份發(fā)生改變，影響到瀝青混合料性能，添加天然河沙的比例要求嚴(yán)格按照瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的限制要求，并利用優(yōu)質(zhì)瀝青做膠結(jié)料，以提高耐溫度梯度應(yīng)力變化和高仰角攤鋪的穩(wěn)定性且具有較高承載性能。

4.2 采用PG分級技術(shù)，嚴(yán)控瀝青原材料性能的技術(shù)指標(biāo)

瀝青混合料的性能很大程度上取決于瀝青膠結(jié)料的特性，對瀝青性能的準(zhǔn)確評價(jià)及分級是瀝青材料選用和質(zhì)量控制的基礎(chǔ)，進(jìn)而也是路面保持長期良好服務(wù)的保證。而我國規(guī)范現(xiàn)階段采用的針入度分級筆者認(rèn)為未有美國大規(guī)模采用PG分級對瀝青進(jìn)行評判合理。

PG技術(shù)包括瀝青膠結(jié)料規(guī)范、瀝青膠結(jié)料試驗(yàn)以及瀝青膠結(jié)料的選擇方法。它的顯著特色是一反“固定溫度進(jìn)行試驗(yàn)而改變標(biāo)準(zhǔn)值”的辦法，而是采用“標(biāo)準(zhǔn)值不變而改變試驗(yàn)溫度”的辦法。即“標(biāo)準(zhǔn)是一致的，條件是不同的”。

5 高精度測量技術(shù)

5.1 建立控制網(wǎng)

高速環(huán)道瀝青攤鋪對平面、高程的要求很高，因此必須要有高精度的控制系統(tǒng)。根據(jù)理論計(jì)算和相關(guān)規(guī)范，平面控制網(wǎng)采用D級GPS網(wǎng)+一級導(dǎo)線布設(shè)測量；高程控制網(wǎng)采用二等水準(zhǔn)網(wǎng)。

5.2 建立高速環(huán)道三維模型

由于麥克康奈爾曲線沒有嚴(yán)格的線性，采用計(jì)算整步長處的空間坐標(biāo)，非整步長處的空間坐標(biāo)采用內(nèi)插方法近似計(jì)算，推算對應(yīng)整步長處橫斷面坐標(biāo)方程，研究橫斷面上點(diǎn)的合理計(jì)算間隔和計(jì)算坐標(biāo)的方法。

構(gòu)建A級曲面，擬合成貝塞爾曲線(Bézier curve）進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)及模擬施工技術(shù)的研究工作。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算瀝青混合料的虛鋪系數(shù)、分析曲面碾壓受力方式等。

6 攤鋪寬度、順序合理規(guī)劃

6.1 根據(jù)選擇的曲面攤鋪機(jī)類型來決定攤鋪寬度

根據(jù)2.1節(jié)所述，橫向可分全斷面和分幅攤鋪兩種寬度，考慮到曲面的仰角送料情況，全斷面組合一般為72cmx17cm組成，分幅的最大一次攤鋪寬度為42cm×13cm組成。

6.2 高速環(huán)道曲線段攤鋪順序的選擇

根據(jù)操作手的習(xí)慣和曲面仰角的限制，一般是橫向由低速道向高速道送料和攤鋪，縱向是逆時(shí)針方向攤鋪。

7 攤鋪面關(guān)鍵部位的正確碾壓控制技術(shù)

碾壓設(shè)備是指具有碾壓滾的壓路機(jī)，設(shè)置碾壓滾為雙軸雙輪串聯(lián)結(jié)構(gòu)，雙軸雙輪串聯(lián)結(jié)構(gòu)是將第一軸和第二軸以鉸鏈連接的形式進(jìn)行串聯(lián)，在第一軸上串聯(lián)且間隔設(shè)置第一滾輪和第二滾輪；在第二軸上串聯(lián)且間隔設(shè)置第三滾輪和第四滾輪，形成第一滾輪和第二滾輪共同以第一軸為輪軸，第三滾輪和第四滾輪共同以第二軸為輪軸。如圖6所示。

圖6 碾壓機(jī)械的特點(diǎn)（具有曲面追從性）

施工冷接縫碾壓采用交叉動(dòng)靜碾壓法。壓路機(jī)先沿橫縫方向進(jìn)行碾壓，以保證接縫處熱鋪面平整且僅略高于冷料面2～4mm。第一遍為靜壓，壓路機(jī)鋼輪大部分位于冷料面上，僅搭在熱鋪面上5～10cm；第二遍仍采用靜壓，壓路機(jī)鋼輪仍大部分位于冷料面上，僅搭在熱鋪面上約30cm；第三遍進(jìn)靜壓退振動(dòng)，壓路機(jī)鋼輪一半搭在冷料面上一半搭在熱鋪面上；第四遍進(jìn)退均振動(dòng)，壓路機(jī)鋼輪搭在熱鋪面上約2/3。4遍完成后退回冷料面上，壓路機(jī)置冷料面接縫中央處，分別從兩個(gè)方向與接縫呈45。角逐漸向兩側(cè)平行碾壓，碾壓過程進(jìn)退均開啟振動(dòng)，最后沿冷縫方向靜壓整平消除輪跡。

8 合適的檢測方法選擇

①國內(nèi)外試車場高速環(huán)道曲線段驗(yàn)收均未規(guī)范檢測方法，現(xiàn)階段主流檢測方法有以下三種相結(jié)合。

方法一：采用高程、靠尺對完成面進(jìn)行驗(yàn)收。

方法二：運(yùn)用八輪平整度儀。

方法三：運(yùn)用汽車行駛質(zhì)感進(jìn)行驗(yàn)收。

采用以上驗(yàn)收方式存在諸多不確定性。方法一：采用高程驗(yàn)收原理以點(diǎn)帶面方式存在局限性，而靠尺無法驗(yàn)收橫斷面為拋物線及曲線半徑偏小的高速環(huán)道。方法二：斜面八輪平整度儀測量數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確表示現(xiàn)場實(shí)際情況。方法三：汽車行駛質(zhì)感只是定性而無法定量。

筆者研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)原有高速環(huán)道、斜面驗(yàn)收存在的問題結(jié)合現(xiàn)階段3D掃描設(shè)備的發(fā)展，運(yùn)用高精度激光掃描儀進(jìn)行驗(yàn)收的原理，結(jié)合實(shí)景復(fù)制和運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)研發(fā)了斜面平整度驗(yàn)收技術(shù)。采用3D掃描儀對斜面進(jìn)行全斷面掃描，獲得高精度的斜面三維點(diǎn)云，并將點(diǎn)云封裝構(gòu)建成面，等比例創(chuàng)建八輪平整度儀模型，并運(yùn)用運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)將創(chuàng)建的模型在構(gòu)建面的指定特征線上運(yùn)動(dòng)，追蹤測定輪與測量架的相對運(yùn)動(dòng)規(guī)律，間接獲得每隔一定距離(10cm)路面凸凹偏差位移值，從而計(jì)算出平整度值，實(shí)現(xiàn)了斜面的平整度驗(yàn)收。

圖7 曲面3D掃描

利用三維激光掃描儀提取高速環(huán)道的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；依據(jù)國際平整度指數(shù)定義和相應(yīng)理論編制電算程序，在掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)資料后，便可按抽樣點(diǎn)間距利用相應(yīng)程序計(jì)算該段路面平整度的國際平整度指數(shù)IRI值。

9 結(jié)語

試驗(yàn)場高仰角高速環(huán)道工程曲面瀝青面層的施工防止高仰角瀝青混合料下滑、碾壓的平整度和平順性技術(shù)控制是一個(gè)多環(huán)節(jié)的系統(tǒng)工程，影響其指標(biāo)大小的因素很多，其中某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都將難以達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，但只要很好的貫徹施工組織安排，對關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵性工序技術(shù)控制方法研究充分，嚴(yán)格質(zhì)量管理過程，采用先進(jìn)的檢測技術(shù)控制就可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的高平坦、高平順性的質(zhì)量目標(biāo)，本文旨在對上海大眾、廣汽廣本及長春一汽等試驗(yàn)場項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析總結(jié)，為以后國內(nèi)設(shè)計(jì)和施工類似的汽車試驗(yàn)場高仰角環(huán)道曲面瀝青攤鋪、水庫大壩及高速匝道等瀝青路面施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。