多雨地區(qū)高速公路超高漸變段路面鋼制排水槽排水技術(shù)施工工藝研究

陳一虎,盧漢文,張溫庭

（1.廣東省政府還貸高速公路管理中心,廣東 廣州 510030; 2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院,廣東 佛山 528225;3.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司,廣東 廣州 510641）

0 引言

我國(guó)高速公路在全球保持領(lǐng)先地位。截至2020 年底，中國(guó)公路總里程達(dá)到5 198 100 km，其中高速公路里程占161 000 km。2021 年，新增改建的高速公路里程達(dá)到9 028 km，鞏固了其在全球高速公路規(guī)模上的地位。然而，這一成就背后也面臨著一系列挑戰(zhàn)，其中包括超高漸變段路面變坡點(diǎn)交通事故頻發(fā)問題。

高速公路路面在設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)設(shè)置超高來平衡橫向離心力，而在雨天時(shí)，由于路面雨水排出緩慢，易形成水膜和臨時(shí)積水層。這導(dǎo)致車輛高速行駛時(shí)易發(fā)生打滑漂移，增加了交通事故的風(fēng)險(xiǎn)，尤其在相鄰車道有車輛經(jīng)過時(shí)，更容易引發(fā)二次交通事故，造成更嚴(yán)重的傷亡[1-2]。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，同一處路面超高橫向變坡點(diǎn)若不及時(shí)處理，每年約有4 起交通事故發(fā)生?？紤]到我國(guó)龐大的高速公路網(wǎng)絡(luò)，這類事故在全國(guó)范圍內(nèi)數(shù)量相當(dāng)可觀。因此，在高速公路路面設(shè)計(jì)時(shí)，合理設(shè)置排水裝置是必要的措施，以防止類似交通事故的再次發(fā)生，從而提高高速公路的安全性，減少交通事故對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成的損失，并改善整體交通安全水平。目前，國(guó)內(nèi)常用的高速公路超高漸變段路面排水措施主要包括增鋪排水式瀝青罩面、路面刻槽引排和廣東省近年來采用的混凝土Ω型排水槽。增鋪排水式瀝青罩面雖然效果較好，但其造價(jià)較高，而且孔隙容易被塵土堵塞，失去排水功能。路面刻槽引排是在高速公路路面開出一條2~4 cm 寬的排水槽，雖然處理簡(jiǎn)單，但對(duì)行車舒適度和安全性有一定影響，也會(huì)影響瀝青路面的使用耐久性，且小槽一場(chǎng)雨后易被堵塞，需要頻繁清理[3]。廣東省采用的混凝土Ω 型排水槽是在瀝青路面開槽后，安裝預(yù)制的Ω 型橫向排水槽，分節(jié)安裝，并采用環(huán)氧樹脂砂漿與路面連接[4]。然而，混凝土排水槽和瀝青路面的材質(zhì)差異導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間使用后易產(chǎn)生應(yīng)力集中，可能對(duì)排水槽產(chǎn)生破壞或產(chǎn)生跳車現(xiàn)象，影響行車舒適度，同時(shí)其排水截面小，易堵塞。

針對(duì)上述問題，該文提出了新型的鋼制排水槽排水方案。該方案旨在克服現(xiàn)有排水措施的局限性，提高排水效率，同時(shí)保持路面的平穩(wěn)性和耐久性，為高速公路超高漸變段的排水問題提供一種更優(yōu)解決方案。這將進(jìn)一步提高高速公路的交通安全水平，減少交通事故的發(fā)生，并保障公眾的行車舒適與安全。

1 新型鋼制排水槽施工工藝

根據(jù)某高速公路路政部門2022 年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，雨天時(shí)超高漸變段的變坡點(diǎn)臨時(shí)積水已導(dǎo)致61 起交通事故。這些事故主要原因是變坡點(diǎn)橫向雨水流動(dòng)較慢，形成積水或者厚水膜。

為解決這一問題，該文采用了無縫鋼槽作為排水引流措施，并可選擇兩種工藝方案。一種是通過鋼筋與路面固接，如圖1 所示。另一種是采用結(jié)構(gòu)膠與路面鉸接，如圖2 所示。這樣可以使排水槽與路面形成整體，以實(shí)現(xiàn)良好的排水引流效果，并確保車輛行駛時(shí)的舒適性。無縫鋼槽可以根據(jù)需要采用不同大小的截面，進(jìn)一步提高排水效果。此外，鋼材與路面的泥土摩擦力相比混凝土Ω 型排水槽較小，因此在引排過程中不易堵塞，并且斷面的形式和大小更易于進(jìn)行調(diào)整。采用這兩種新型鋼制排水槽工藝，有望有效解決雨天超高漸變段臨時(shí)積水問題，從而提高公路行車的安全性和穩(wěn)定性。

圖1 鋼纖維混凝土鋼制排水槽

圖2 粘貼式鋼制排水槽

1.1 鋼纖維混凝土鋼制排水工藝

1.1.1 原材料

在鋼纖維混凝土鋼制排水工藝，使用的主要原材料如下：

（1）鋼制排水槽：根據(jù)排水量要求，選用不同規(guī)格的鍍鋅不銹方鋼，經(jīng)廠內(nèi)分段加工后，將其運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。無縫鋼管采用Q345B 及以上型號(hào)的鋼管，形狀為方形，規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=80 mm×80 mm×8 mm。鋼管表面應(yīng)無銹跡，無明顯凹痕，四邊及縱向筆直，表面光滑。每一段鋼制排水槽長(zhǎng)度不宜超過6 m。在開孔過程中，可選擇激光切割或水切割，但需注意激光切割會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力，在切割完成后的幾個(gè)小時(shí)至幾天內(nèi)，鋼管可能會(huì)向下方彎曲，約1 cm 左右，此時(shí)需在鋼管完全冷卻后進(jìn)行調(diào)直工作。開孔結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行雙面熱鍍鋅處理。由于熱應(yīng)力原因，鍍鋅完成后可能產(chǎn)生二次彎曲，因此需再次檢測(cè)彎曲程度，確保滿足施工要求后，方可運(yùn)輸至施工點(diǎn)。

（2）快凝特種水泥：采用C40 快凝特種水泥。

（3）鋼纖維：使用剪切型鋼纖維。

（4）C40 鋼纖維混凝土配合比如下：水泥∶水∶鋼纖維∶碎石∶砂子=100 ∶10 ∶5 ∶120 ∶100。

1.1.2 施工步驟

鋼纖維混凝土鋼制排水工藝步驟如圖3 所示。首先進(jìn)行放線開槽，選定需要安裝鋼制排水槽的位置后進(jìn)行定位，使用記號(hào)筆畫出切割邊線，并進(jìn)行切割，切割深度不小于10 cm。接著，使用電鎬將瀝青面層及上基層鑿除，并將基層頂面進(jìn)行鑿毛，以提高黏結(jié)力。在開槽完成后，清理塊狀破碎材料及基層松散材料，并使用鼓風(fēng)機(jī)將槽底和側(cè)面灰塵吹干凈。如有灰塵附著在槽口壁，可使用鋼絲刷清理干凈。鋼制排水槽安放至槽口內(nèi)，確保中心線相重合并臨時(shí)固定。鋼制排水槽臨時(shí)固定后，進(jìn)行鉆孔，深度為12 cm，使用環(huán)氧類結(jié)構(gòu)植筋膠，將“7”字形鋼筋植入孔內(nèi)，并安裝縱橫向連接鋼筋，然后對(duì)鋼筋進(jìn)行點(diǎn)焊和排水槽U 形筋進(jìn)行滿焊連接。對(duì)于排水槽位置的輕微變形，需進(jìn)行二次微調(diào)，直至符合要求。在澆筑鋼纖維混凝土之前，對(duì)槽口內(nèi)雜物進(jìn)行二次清理，并使用鼓風(fēng)機(jī)將槽口灰塵吹干凈。進(jìn)行重點(diǎn)檢查鋼筋焊接、排水槽位置、標(biāo)高、槽口清理情況、澆筑混凝土的防污染措施以及混凝土施工前的材料和設(shè)備準(zhǔn)備情況等。鋼纖維混凝土采用小型攪拌機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拌和，然后將混凝土運(yùn)至槽口內(nèi)，進(jìn)行振搗至無氣泡，最后進(jìn)行人工收面，確?；炷撩嫫秸确弦蟆?/p>

圖3 鋼纖維混凝土鋼制排水工藝步驟

1.2 粘貼式鋼制排水槽工藝

粘貼式鋼制排水槽工藝主要采用HM-120 型A 級(jí)結(jié)構(gòu)粘鋼膠作為主要原材料。以下是與之前鋼纖維混凝土鋼制排水槽工藝相同的步驟，僅描述與之不同的步驟：

1.2.1 粘鋼膠的現(xiàn)場(chǎng)拌和及灌注

將粘鋼膠的A、B罐按照說明書比例要求攪拌至一起，并進(jìn)行充分拌和，確保膠體顏色均勻一致，沒有雜色。將定位好的排水槽連同定位器取出后，將粘鋼膠灌注至路槽內(nèi)，灌注厚度應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定。對(duì)于開槽寬度為11 cm、排水槽尺寸為8 cm 的情況，粘鋼膠灌注厚度應(yīng)在3.1~3.5 cm 之間，如圖4 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)粘鋼膠灌注及膠位復(fù)核

1.2.2 排水槽的二次定位及美化

灌注完成后，將排水槽重新放置于路槽內(nèi)，緩慢下壓至設(shè)計(jì)深度，并測(cè)量排水槽與路槽兩側(cè)的距離以及排水槽頂面與路面的距離是否符合設(shè)計(jì)要求。如不滿足要求，應(yīng)進(jìn)行調(diào)整直至滿足要求。調(diào)整完成后，使用注膠槍將膠水注入排水槽與路槽的縫隙，并稍微高于路面，然后使用小木棍抽插振搗膠水，確保密實(shí)。注意一旦振搗密實(shí)后不可再次移動(dòng)排水槽，如需移動(dòng)排水槽則必須再次振搗密實(shí)。振搗完成后，使用小刮板將表面刮平整，如圖5 所示。

圖5 美化及壓重

1.2.3 后期養(yǎng)生

待排水槽表面美化完成后，撕去路面及鋼槽的不干膠帶，再次清理少量附著在路面及鋼槽上的膠水。由于膠水在完全固化前可能有一定的流動(dòng)性，為防止排水槽浮起，需在排水槽上壓置重物，粘鋼膠拌和后的12 h 內(nèi)不得有擾動(dòng)。在粘鋼膠強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)時(shí)，嚴(yán)禁通車。

1.2.4 分車道施工點(diǎn)焊接

若進(jìn)行分車道施工，2 次施工點(diǎn)鋼制排水槽需滿焊，焊條不得使用J422 焊條，宜使用J507 焊條。使用J507焊條前需經(jīng)300~350 ℃烘焙1 h，隨烘隨用，并使用直流焊機(jī)反接。焊接完成后，清理焊渣，并使用防銹漆噴涂焊縫。

2 排水效果試驗(yàn)

為驗(yàn)證路面橫向鋼制排水槽排水效果及車輛荷載反復(fù)碾壓破壞情況，對(duì)已安裝的排水槽進(jìn)行持續(xù)觀察，并在高速公路K79+600 處模擬小、中、大雨的降雨試驗(yàn)（采用2 臺(tái)水車對(duì)路面灑水），排水及截水效果較好，有效減少路面橫向漫流面積及水膜厚度，排水槽及槽口混凝土（粘鋼膠）暫無損壞痕跡，因試驗(yàn)段施工完成僅7 個(gè)月，槽口混凝土（粘鋼膠）仍需進(jìn)一步觀察。施工所用特種快凝水泥強(qiáng)度，可根據(jù)車流量及車型數(shù)量選擇C40或C60。

試驗(yàn)位置K79+600~K81+058，坡長(zhǎng)1 458 m。其中K79+600~K80+288 縱坡為2%，橫坡由2%漸變?yōu)?%，K80+288~K81+058 縱坡為0.95%，橫坡為2%。該段路肩共有排水口及排水踏步33 處。匯水面積為16 767 m2（長(zhǎng)1 458 m，寬11.5 m）。鋼制排水槽尺寸為8 cm×8 cm，壁厚8 mm，槽內(nèi)排水截面為6.4 cm×6.4 cm=40.96 cm2。10 m3水車2 臺(tái)模擬降雨試驗(yàn)。

根據(jù)表1 的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合縱橫坡率、匯水面積、降雨量和降雨時(shí)間等因素，可以在雨天事故多發(fā)路段設(shè)置1~2 道橫向鋼制排水槽。根據(jù)實(shí)際需要，還可以選擇更大斷面尺寸的鋼制排水槽，例如槽內(nèi)排水截面為89.6 m2的型鋼排水槽。這種技術(shù)工藝具有排水性能優(yōu)良、強(qiáng)度高、抗沖擊性好，同時(shí)體積小、制作方便、安裝簡(jiǎn)單快速、對(duì)路面破壞小等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的推廣價(jià)值。

表1 不同降雨量單道排水槽排水效果

在完工后的雨天觀察中發(fā)現(xiàn)，無論是小雨還是大雨，排水槽都滿足排水要求。然而，在暴雨以上的極端降雨情況下，仍然無法及時(shí)排除臨時(shí)積水。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)路面的縱橫坡限制了水流的速度，導(dǎo)致無法及時(shí)排走大量水流。為驗(yàn)證排水槽施工后的實(shí)際效果，還通過監(jiān)控中心數(shù)據(jù)查詢，統(tǒng)計(jì)了該路段2022—2023 年雨季因積水導(dǎo)致的交通事故數(shù)量，結(jié)果顯示增設(shè)排水槽后，事故數(shù)量為0，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。這表明，超高漸變段變坡點(diǎn)路面排水槽的施工有效地消除了因積水問題引發(fā)的交通事故。

表2 排水槽安裝前后因積水導(dǎo)致的交通事故數(shù)量對(duì)比

3 不同排水槽處治方式對(duì)比

該文整理廣東省內(nèi)高速公路超高漸變段變坡點(diǎn)路面排水槽常用的幾種處治方式，從不同角度分析其優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)處治效果經(jīng)驗(yàn)，如表3 所示。

表3 省內(nèi)常用路面橫向排水槽對(duì)比

從排水槽進(jìn)水口寬度來看，鋼制排水槽的進(jìn)水?dāng)嗝鎯?yōu)于Ω 型排水槽，更能及時(shí)排出積水；從排水截面來說，鋼制排水槽的排水截面大大高于Ω 型排水槽，排水效率更高；從經(jīng)濟(jì)性方面看，鋼纖維混凝土排水槽<Ω 型混凝土排水槽＜粘貼式排水槽；從排水效果來看，鋼纖維混凝土排水槽、粘貼式排水槽＞Ω 型混凝土排水槽。

4 結(jié)論

（1）鋼纖維混凝土鋼制排水槽在解決高速公路超高漸變段變坡點(diǎn)臨時(shí)積水及水膜問題方面表現(xiàn)出良好的效果。通過采用這種排水槽，有效地杜絕了因雨天臨時(shí)積水及水膜而導(dǎo)致的車輛打滑漂移交通事故的發(fā)生。

（2）對(duì)比粘貼式鋼制排水槽和鋼纖維混凝土排水槽，以及傳統(tǒng)的Ω 型混凝土排水槽，前兩者在排水效果上表現(xiàn)更優(yōu)秀。尤其是粘貼式鋼制排水槽，其施工工藝及造價(jià)均優(yōu)于鋼纖維混凝土排水槽和Ω 型混凝土排水槽，同時(shí)對(duì)瀝青路面的損壞最小。因此，推廣粘貼式鋼制排水槽作為解決高速公路超高漸變段變坡點(diǎn)路面積水問題的最優(yōu)選擇。

（3）盡管采用結(jié)構(gòu)粘鋼膠將鋼制排水槽與瀝青路面連接，但對(duì)于粘鋼膠的穩(wěn)定性和耐久性還存在一些未知因素。目前在高速上使用的粘貼式鋼制排水槽已經(jīng)安裝使用了7 個(gè)月，尚未出現(xiàn)損壞情況。為了全面評(píng)估其使用效果，后續(xù)還將繼續(xù)進(jìn)行觀察和總結(jié)，以進(jìn)一步評(píng)價(jià)這種排水槽的性能和耐久性。