隧道內(nèi)水泥混凝土路面微銑刨后摩擦系數(shù)衰減規(guī)律研究

彌海晨， 王琪， 薛輝， 馮樂

(1.西安公路研究院， 陜西 西安 710065； 2.陜西省交通建設(shè)集團公司西商分公司， 陜西 西安 710025)

為提升隧道內(nèi)水泥混凝土路面抗滑性能，筆者于2016年7、8月對西商高速公路工程中3座長、特長隧道水泥混凝土路面進行了微銑刨。經(jīng)初步試驗，認為相比于常規(guī)銑刨和精銑刨，微銑刨作為全新的隧道內(nèi)水泥混凝土路面抗滑性能提升技術(shù)，隧道內(nèi)水泥混凝土路面強度影響小，對交通影響小，可以為后續(xù)“白+黑”罩面提供粗糙下承面，提高層間抗剪力，可以較好地改善隧道內(nèi)水泥混凝土路面的行駛質(zhì)量。

微銑刨是介于普通銑刨(174把刀具)和精銑刨(674把刀具)之間的一種銑刨工藝，將精銑刨機刀具間隔拆除一組，保留337把刀具，主要施工工藝參數(shù)：銑刨深度控制在5～8 mm，銑刨機正常工作速度4～5 m/min，銑刨機刀具每8 000～10 000 m2整體更換一次。微銑刨后隧道內(nèi)水泥混凝土路面抗滑性能衰減規(guī)律對于隧道內(nèi)抗滑技術(shù)的合理選擇至關(guān)重要。該文利用西商高速公路工程兩年定期定點跟蹤檢測的近3 000個數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，主要對隧道內(nèi)水泥混凝土路面微銑刨后的路面抗滑性能的重要指標之一——摩擦系數(shù)衰減規(guī)律進行研究。

微銑刨后，西商高速公路觀測期兩年內(nèi)單向平均斷面交通量約為7 500輛/日，總體增長率約3%，總體交通量有變化，但是變化不大，根據(jù)交通荷載等級換算為極重等級?？紤]到實體工程中運營管理單位更多的是關(guān)注抗滑性能隨時間的衰減，因此該文將影響因素進行了簡化，用通行時間代替交通量作為考察因素。

1 微銑刨后隧道內(nèi)水泥混凝土路面摩擦系數(shù)衰減影響因素研究

1.1 車道類型對微銑刨后路面摩擦系數(shù)衰減的影響

第1車道和第2車道主要行駛的車輛為小車，第3車道主要行駛的車輛為貨車。車道類型對摩擦系數(shù)衰減值的影響總體方差分析結(jié)果如表1所示。

由表1可見：4個時間段內(nèi)車道類型對摩擦系數(shù)衰減值的影響總體方差分析結(jié)果中，P值均大于顯著性水平0.05，因此不同車道的摩擦系數(shù)衰減值沒有顯著差異，即4個時間段內(nèi)車道類型對摩擦系數(shù)衰減值沒有顯著影響。這與一般認為貨車對路面摩擦系數(shù)影響較大的認識不一致。分析原因可能為：第3車道的車輛相對較少；貨車經(jīng)常會在其他兩個車道上行駛。

表1 車道類型對摩擦系數(shù)衰減值的影響方差分析結(jié)果

1.2 行車方向?qū)ξ娕俸舐访婺Σ料禂?shù)衰減的影響

上行為商洛到西安方向，下行為西安到商洛方向，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，上、下行交通量相差不大。行車方向?qū)δΣ料禂?shù)衰減值的影響總體方差分析結(jié)果見表2。

由表2可見：4個時間段內(nèi)行車方向?qū)δΣ料禂?shù)衰減值的影響總體方差分析結(jié)果中，P值均大于顯著性水平0.05，因此不同行車方向的摩擦系數(shù)衰減值沒有顯著差異，即4個時間段內(nèi)行車方向?qū)δΣ料禂?shù)衰減值沒有顯著影響。

表2 行車方向?qū)δΣ料禂?shù)衰減值的影響方差分析結(jié)果

1.3 平曲線半徑對微銑刨后路面摩擦系數(shù)衰減的影響

不同平曲線半徑(1 500、4 000 m和直線段)對摩擦系數(shù)衰減值的影響總體方差分析結(jié)果見表3。

由表3可見：4個時間段不同平曲線半徑對摩擦系數(shù)衰減值的影響方差分析結(jié)果中，P值大于顯著性水平0.05，因此不同平曲線半徑的摩擦系數(shù)衰減值沒有顯著差異，即4個時間段內(nèi)平曲線半徑對摩擦系數(shù)衰減值沒有顯著影響。

表3 不同平曲線半徑對摩擦系數(shù)衰減值的影響方差分析結(jié)果

1.4 縱坡對微銑刨后路面摩擦系數(shù)衰減的影響

1.4.1 總體方差分析

不同縱坡(-1.68%、-1.63%、1.68%和2.39%)對摩擦系數(shù)衰減值的影響總體方差分析結(jié)果見表4。

表4 不同縱坡對摩擦系數(shù)衰減值的影響方差分析結(jié)果

(1) 10～18個月不同縱坡對摩擦系數(shù)衰減值的影響方差分析結(jié)果P值大于顯著性水平0.05。分析其原因，主要是該階段摩擦系數(shù)衰減相對較小；其他3個時間段不同縱坡對摩擦系數(shù)衰減值的影響方差分析結(jié)果P值小于顯著性水平0.05。

(2) 總體上看，不同縱坡的摩擦系數(shù)衰減值有顯著差異。

1.4.2 多重比較方差分析

縱坡對摩擦系數(shù)衰減值的影響多重比較方差分析結(jié)果見表5。

由表5可見：

表5 縱坡對摩擦系數(shù)衰減值的影響多重比較方差分析結(jié)果

(1) 4個時間段內(nèi)縱坡對摩擦系數(shù)衰減值的影響多重比較方差分析結(jié)果P值部分小于顯著性水平0.05，部分大于顯著性水平0.05。因此不同縱坡的路面摩擦系數(shù)衰減值部分有顯著差異。

(2) 以0～24個月為例，兩個下坡路段，坡度相差不大，摩擦系數(shù)差異顯著；兩個上坡路段，坡度相差不大，摩擦系數(shù)差異不顯著；-1.63%下坡路段和兩個上坡路段，摩擦系數(shù)差異顯著；-1.68%下坡路段和兩個上坡路段，摩擦系數(shù)差異不顯著。說明從現(xiàn)有數(shù)據(jù)看，縱坡與路面摩擦系數(shù)衰減規(guī)律性不強；剔除-1.68%下坡路段數(shù)據(jù)后，表現(xiàn)出縱坡越小，摩擦系數(shù)衰減越大，即下坡段摩擦系數(shù)比上坡段摩擦系數(shù)衰減快。

(3) 4個時間段內(nèi)，不同縱坡摩擦系數(shù)衰減值的平均值差最大達到10.85 BPN。

(4) 4個時間段內(nèi)，在95%的置信度下，-1.63%和2.39%縱坡的摩擦系數(shù)衰減值平均值差的置信區(qū)間范圍分別為：6.73、10.66、5.51、13.57 BPN。即在現(xiàn)有檢測精度下，4個時間段內(nèi)下坡和上坡段路面的摩擦系數(shù)衰減值平均值差最大可能達到大約6.73、10.66、5.51、13.57 BPN。

2 微銑刨后隧道內(nèi)水泥混凝土路面摩擦系數(shù)隨時間的衰減

2.1 微銑刨后24個月內(nèi)摩擦系數(shù)隨時間的衰減

計算微銑刨后每2個月摩擦系數(shù)的平均值，考察微銑刨后24個月內(nèi)摩擦系數(shù)隨時間的變化，統(tǒng)計分析結(jié)果見表6和圖1、2。

由表6和圖1、2可見：

圖1 微銑刨后24個月內(nèi)摩擦系數(shù)平均值隨時間的變化

圖2 微銑刨后24個月內(nèi)各觀測點摩擦系數(shù)值隨時間的變化

表6 微銑刨后24個月內(nèi)摩擦系數(shù)值隨時間的變化

(1) 微銑刨2～4個月后，路面摩擦系數(shù)平均值趨于穩(wěn)定?？疾烀總€觀測點的摩擦系數(shù)隨時間的變化，除個別點外，大部分變化規(guī)律相似。

(2) 不同檢測期樣本的單點摩擦系數(shù)值區(qū)域較大，其差值為15～22 BPN。單個觀測點摩擦系數(shù)值區(qū)域較大的情況下，其衰減表現(xiàn)出大致相似的規(guī)律，說明該規(guī)律具有較高的可靠性。

2.2 微銑刨后摩擦系數(shù)初始值對摩擦系數(shù)衰減的影響

微銑刨后摩擦系數(shù)初始值與24個月后的摩擦系數(shù)、摩擦系數(shù)衰減值關(guān)系散點圖見圖3、4。

由圖3、4可以看出：

圖3 微銑刨后摩擦系數(shù)初始值與24個月后的摩擦系數(shù)關(guān)系

圖4 微銑刨后摩擦系數(shù)初始值與24個月后的摩擦系數(shù)衰減值關(guān)系

微銑刨后摩擦系數(shù)初始值與24個月后的摩擦系數(shù)值大致呈正相關(guān)，即微銑刨后摩擦系數(shù)初始值越大，24個月后的摩擦系數(shù)值也越大，但線性相關(guān)系數(shù)較小，可以認為不相關(guān)。即可以認為初始值與衰減值沒有明顯關(guān)系。

3 微銑刨后隧道內(nèi)水泥混凝土路面摩擦系數(shù)初始值的確定

JTJ 073.1—2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》中高速公路水泥混凝土路面養(yǎng)護質(zhì)量標準規(guī)定：抗滑值摩擦系數(shù)應(yīng)大于45 BPN；該文實體工程中隧道內(nèi)水泥混凝土路面微銑刨后抗滑性能預(yù)期應(yīng)維持2年。因此該文研究中以使用期24個月后的摩擦系數(shù)達到45 BPN作為摩擦系數(shù)初始值確定標準。

微銑刨后24個月后摩擦系數(shù)衰減值與初始值沒有明顯的相關(guān)性。經(jīng)分析，微銑刨后各個月后摩擦系數(shù)衰減值與初始值也沒有明顯的相關(guān)性。即可認為衰減值具有隨機性，初始摩擦系數(shù)值大或者小兩種特殊情況下，衰減值有可能接近，從而造成初始值小的情況下，摩擦系數(shù)不能滿足要求。該文采用“衰減值平均值+使用一段時間后的要求值”作為摩擦系數(shù)初始值要求?？紤]到摩擦系數(shù)衰減值平均值為一個隨機樣本，采用“衰減值平均值95%單側(cè)置信區(qū)間上限+使用一段時間后的要求值”作為摩擦系數(shù)初始值要求，即每次檢測衰減值平均值大于該文樣本的衰減值平均值的概率僅為5%，是小概率事件，因此該要求具有一定的合理性。

微銑刨后每半年的摩擦系數(shù)衰減值統(tǒng)計結(jié)果見表7。按使用24個月后的要求值為45 BPN計算摩擦系數(shù)初始值亦列于表中。由表7可見：

表7 微銑刨后每半年的摩擦系數(shù)衰減值統(tǒng)計結(jié)果

(1) 基于使用期(24個月后)摩擦系數(shù)平均值和衰減值平均值確定的微銑刨后摩擦系數(shù)初始值要求基本一致。

(2) 根據(jù)對觀測點的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，該實體工程微銑刨后路面摩擦系數(shù)平均值為68.52 BPN，微銑刨后路面可以安全使用24個月左右。

(3) 基于使用期(使用24個月)摩擦系數(shù)衰減值平均值的微銑刨后摩擦系數(shù)初始值的確定，微銑刨后路面摩擦系數(shù)初始值應(yīng)大于68.72 BPN，取整后為大于69 BPN。

4 微銑刨隧道內(nèi)水泥混凝土路面摩擦系數(shù)衰減總體評價

在實體工程中，分別采用常規(guī)銑刨、精銑刨和微銑刨3種銑刨工藝對同一隧道內(nèi)水泥混凝土路面的抗滑性能進行提升，經(jīng)過兩年多的定點對比觀測，摩擦系數(shù)整體衰減情況見表8。由表8可見：

表8 不同銑刨工藝銑刨后檢測結(jié)果

(1) 3種銑刨工藝對隧道內(nèi)水泥混凝土路面的摩擦系數(shù)提升效果明顯。

(2) 微銑刨工藝和其他兩種銑刨工藝相比，僅從摩擦系數(shù)一個指標來看，提升效果基本相當(dāng)。但是在研究中發(fā)現(xiàn)，微銑刨后對路面構(gòu)造深度改善的持久性和行車的舒適性，顯著優(yōu)于其他兩種工藝。

5 結(jié)論

該文通過對隧道水泥混凝土路面微銑刨后摩擦系數(shù)的長期定點定期跟蹤檢測，研究了水泥混凝土路面微銑刨后摩擦系數(shù)衰減情況，提出了微銑刨后路面摩擦系數(shù)初始值要求。得出以下結(jié)論：

(1) 方差分析結(jié)果表明：車道類型、行車方向、平曲線半徑3個因素對摩擦系數(shù)衰減值沒有顯著影響；不同縱坡的微銑刨后路面摩擦系數(shù)衰減值有顯著差異：縱坡越小，摩擦系數(shù)衰減越大。

(2) 微銑刨2～4個月后，路面摩擦系數(shù)平均值趨于穩(wěn)定，18個月后，路面摩擦系數(shù)平均值衰減明顯。

(3) 微銑刨后初始值與24個月后的摩擦系數(shù)值大致呈正相關(guān)，但線性相關(guān)系數(shù)較小。

(4) 基于使用期(使用24個月)摩擦系數(shù)衰減值平均值，確定了微銑刨后路面摩擦系數(shù)初始值應(yīng)不小于69 BPN。