電子導向膠輪系統(tǒng)廊道路面抗車轍結構研究

夏秀江, 張學欣, 張洪劍, 王金鵬, 王麗君, 洪錦祥

(1.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100045； 2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；3.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 211103)

智能軌道快運系統(tǒng)[1](簡稱“智軌”)作為我國自主創(chuàng)新研發(fā)設計的一種新型城市軌道交通系統(tǒng)[2]，是一種集自主導向、軌跡跟隨、全電驅(qū)動、智能駕駛等功能為一體，安全、高效、綠色的中低運量軌道交通新制式[3-4]。智軌基于虛擬軌道跟隨控制技術，采用膠輪承載在普通路面上行駛，無需鋪設專用軌道[6-7]，具有建設審批易、投資小、周期短、路權共享等優(yōu)點[5]。因其路面行駛軌跡固定，輪跡完全渠化，且胎壓是公交車的1.5倍，導致在普通瀝青路面行駛時車轍問題非常嚴重，株洲智軌體驗線在普通瀝青路面行駛一個月，車轍深度就達4 cm；宜賓體驗線運營不到半年，瀝青路面就出現(xiàn)8 cm的車轍。因此，車轍問題已嚴重制約了城市智軌的應用。

已有工程經(jīng)驗證明傳統(tǒng)瀝青路面抗車轍技術難以適應智軌廊道的抗車轍需求，迫切需要尋找新型抗車轍技術。半柔性路面材料作為一種通過往大空隙瀝青混合料中灌注漿體而形成的“剛柔并濟”的水泥-瀝青復合材料[8]，可以通過柔性瀝青混合料骨架和剛性漿體的協(xié)同作用，從根本上解決瀝青路面的嚴重車轍問題。半柔性路面材料SFP-13在60 ℃時的動穩(wěn)定度可達20 000次/min[9]，遠高于常規(guī)瀝青混合料SMA-13的4 000～8 000次/min。同時半柔性路面材料優(yōu)異的抗車轍性能也已在市政、國省干道的工程應用獲得了驗證[10]。

然而，目前針對半柔性路面的研究主要圍繞材料開發(fā)與性能評價，對于其結構設計的研究較少，尤其是針對智軌廊道路面的結構設計研究尚屬空白。傳統(tǒng)瀝青路面車轍主要發(fā)生在中面層，而半柔性路面應用于中面層時，由于半柔性路面材料與上面層常規(guī)瀝青混合料模量差異較大，導致上面層常發(fā)生推擠[11]。研究還發(fā)現(xiàn)半柔性路面在工程應用中存在的主要問題是反射裂縫引起的開裂[12]。這些問題制約著半柔性路面在智軌廊道中的應用。因此，本文依托株洲市智能軌道交通一期工程，通過工程調(diào)研、力學計算和室內(nèi)實驗，研究層位、層厚、基層承載力對路面結構的影響；檢測原有路面結構狀況，分析其結構承載力和病害成因，并提出針對性結構；最后通過工程調(diào)研評價抗車轍結構應用效果。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

試驗所采用混合料類型包括半柔性路面材料(SFP-13)、懸浮密實型密級配瀝青混合料(AC-20)和高模量瀝青混合料(GAC-20)。其中，半柔性路面材料包括大空隙瀝青混合料基體和水泥基灌漿材料。高模量瀝青混合料是在AC-20的基礎上添加高模量劑制備而成。

1.1.1集料和礦粉

瀝青混合料采用玄武巖粗集料、石灰?guī)r細集料和灰?guī)r礦粉，其性能如表1～3所示，指標值均滿足《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)的技術要求。

表1 粗集料技術指標及檢測結果類別壓碎值/%洛杉磯磨耗損失表觀相對密度毛體積相對密度針片狀顆粒含量/%水洗法<0.075 mm顆粒含量/%堅固性/%軟石含量/%磨光值16～25 mm14.112.62.7462.7325.00.24.21.85110～16 mm13.111.52.7392.7225.60.24.41.9475～10 mm11.39.62.7322.7086.10.34.52.344技術要求≤26≤28≥2.6實測≤12≤1≤12≤3≥42

表2 細集料技術指標及檢測結果類別表觀相對密度毛體積相對密度砂當量/%0～3 mm2.6462.47169技術要求≥2.5實測≥60

表3 礦粉技術指標及檢測結果類別表觀相對密度含水率/%親水系數(shù)塑性指數(shù)/%粒度范圍<0.6mm<0.15mm<0.075mm礦粉2.6510.30.632.210099.597.7技術要求≥2.5≤1<1<410090～10075～100

1.1.2瀝青

大空隙瀝青混合料使用高黏高彈改性瀝青，AC-20使用SBS改性瀝青，GAC-20使用基質(zhì)瀝青，各瀝青性能指標如表4～6所示。

表4 高黏高彈改性瀝青技術指標及檢測結果類別60 ℃動力黏度/(Pa·s)針入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)軟化點(環(huán)球法)/℃延度(5 ℃)/cm彈性恢復/%規(guī)范要求≥200 00030～60≥60≥30≥95檢測結果430 0003410352.698試驗方法T 0620T 0604T 0606T 0605T 0605

表5 SBS改性瀝青技術指標及檢測結果檢測項目135 ℃運動黏度/(Pa·s)針入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)軟化點(環(huán)球法)/℃延度(5 cm/min,5 ℃)/cm彈性恢復(25 ℃)/%規(guī)范要求≤3.040～70≥70≥30≥9檢測結果2.355733299.8試驗方法T 0619T 0604T 0606T 0605T 0605

表6 基質(zhì)瀝青技術指標及檢測結果類別60 ℃動力黏度/(Pa·s)針入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)軟化點(環(huán)球法)/℃延度(10 ℃)/cm規(guī)范要求≥16060～80≥43≥10檢測結果192794926試驗方法T 0620T 0604T 0606T 0605

1.1.3灌漿料

采用JGM-301半柔性路面專用灌漿料，最終確定水料比m水∶m灌漿料=0.35∶1。各項性能指標如表7所示，技術指標符合《抗車轍半柔性路面應用技術規(guī)程》(DB32/T 4074-2021)的規(guī)范要求。

表7 灌漿材料性能指標及測試結果測試項目 流動度/s 初始 30 min 24 h自由泌水率/% 干縮率/% 抗壓強度/MPa3 d28 d3 h1 d28 d技術要求10～14 10～18 ≤1 -≤0.3≥10≥15≥25試驗結果11.312.90.10.010.1715.524.935.2

1.1.4高模量改性劑

高模量改性劑為顆粒狀，具體技術指標如表8所示，GAC-20中其用量占礦料質(zhì)量的0.5%。

表8 高模量劑主要技術性質(zhì)尺寸/mm15 ℃密度/(g·cm-3)熔點/%190 ℃熔融指數(shù)/(0.1 g·min-1)2～60.92～0.97<140>2

1.1.5瀝青混合料級配

SFP-13、AC-20、GAC-20的級配及纖維、瀝青等用量如表9所示。

表9 3種瀝青混合料的級配及纖維、瀝青用量%混合料類型以下篩孔(mm)的篩孔通過率26.519.016.013.29.54.752.361.180.600.300.15<0.075 mm木質(zhì)素纖維含量瀝青含量SFP-13100.00100.00100.0084.0041.7617.7811.378.706.635.414.814.730.304.80AC-20100.0094.3187.7077.7263.0337.8922.2515.3910.187.005.495.44-4.50GAC-20100.0094.3187.7077.7263.0337.8922.2515.3910.187.005.495.44-4.60

1.2 力學計算模型

使用有限元仿真軟件建立廊道路面結構受力分析模型。在此模型中把材料視為各向同性的均質(zhì)材料，認為路面結構層間為完全連續(xù)狀態(tài)。其中，為了模擬水泥穩(wěn)定碎石的損傷程度，設定其模量在80～8 500 MPa范圍內(nèi)變化，其余材料的模量為常量，具體材料參數(shù)見表10。

表10 有限元計算涉及到的材料參數(shù)材料抗壓回彈模量或動態(tài)模量/MPa泊松比材料抗壓回彈模量或動態(tài)模量/MPa泊松比瀝青混凝土 AC8 5450.25水泥穩(wěn)定碎石80～8 5000.3半柔性路面材料 SFP8 6540.25碎石基層3000.3水泥混凝土31 0000.15壓實土500.4應力吸收層4000.25

1.3 原道路狀況檢測

依托項目，對原路面的路表病害、路表彎沉、抗滑性能、平整度、車轍進行了調(diào)研與檢測，并通過取芯檢測路面厚度和面層劈裂強度。在智軌車道選取典型病害的位置進行鉆芯取樣，取芯直徑為10 cm，逐點記錄和描述芯樣的完整、黏接情況，測量瀝青混凝土加鋪層及其下各結構層厚度。面層芯樣按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中T 0716瀝青混合料劈裂試驗方法完成強度試驗。檢測依據(jù)主要參考道路領域現(xiàn)行規(guī)范，主要檢測儀器設備如表11所示。

表11 主要儀器設備及用途序號儀器設備名稱規(guī)格型號數(shù)量/個1貝克曼梁5.4 m12百分表(0～30)mm23擺式摩擦儀BM-Ⅲ14鋼卷尺5 m15鋼直尺30 cm16微機控制液壓萬能試驗機WDW-2017多功能檢測車CICS LP-Ⅱ1

2 半柔性廊道路面抗車轍結構研究

2.1 半柔性路面材料層位

在普通行駛路段瀝青路面層主要承受車輛的豎向荷載，路面的最大剪應力一般發(fā)生在中面層。而在車輛剎車啟動頻繁的路段，瀝青路面除了承受車輛的豎向荷載，還受到極大的水平荷載，根據(jù)瀝青路面設計規(guī)范采用的彈性層狀連續(xù)體系理論，使用有限元方法模擬車輛剎車啟動情況下瀝青路面的力學響應(見圖1)，發(fā)現(xiàn)瀝青路面的最大剪應力發(fā)生在上面層，就這個角度而言半柔性路面更適合用于上面層。

圖1 剎車啟動頻繁路段道路剪應力沿深度分布

此外，成型10 cm(5 cm+5 cm)的雙層瀝青混凝土試件并進行車轍試驗，試驗結果表明，將半柔性路面材料用作上面層，高模量瀝青混合料用在下面層，所得結構的抗車轍能力最強。當半柔性路面材料應用于下面層，AC瀝青混合料應用于上面層時，上面層的瀝青混合料仍然會出現(xiàn)一定深度的車轍。在工程應用中還發(fā)現(xiàn)，當半柔性路面材料應用于下面層時，上面層的瀝青混合料易發(fā)生推擠、擁包、滑移等嚴重病害(見圖2)。

圖2 雙層混合料車轍試驗

2.2 半柔性路面材料層位層厚

此外，已有研究發(fā)現(xiàn)標準軸載的接地壓強為0.7 MPa，而智軌電車的接地壓強為0.876 MPa，約為標準軸載的1.25倍，具有明顯的重載、渠化特征。根據(jù)既有半柔性路面工程調(diào)研數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)半柔性路面開裂率與其厚度和交通等級成正比，如圖3所示。根據(jù)《抗車轍半柔性路面應用技術規(guī)程》(DB32/T 4074-2021)的規(guī)范要求，針對重載交通荷載等級，推薦使用8～10 cm的SFP-13。因此綜合考慮智軌的渠化重載特征、半柔性路面開裂風險以及工程經(jīng)濟效益，建議半柔性路面厚度采用8cm。

圖3 實際工程調(diào)研開裂率影響因素

2.3 下承層承載力

半剛性基層模量與路表彎沉關系見圖4，由圖可知，隨著水泥穩(wěn)定碎石基層模量衰減，路表彎沉呈現(xiàn)出指數(shù)增大的趨勢。進一步說明，即使路表彎沉值處于臨界狀態(tài)，基層模量也可能已經(jīng)發(fā)生了較大程度的損傷?？紤]到智軌車輛軸載比標準軸載更大，需要對路表彎沉處于臨界狀態(tài)或結構強度不足路段的基層進行補強處理。當原基層模量為300MPa時，半柔層底的最大拉應力達到了0.87 MPa，當基層經(jīng)過修復；模量達到4 250 MPa時，半柔層底的最大拉應力可降低至0.19 MPa。

3 株洲智軌廊道路面結構設計

3.1 工程概況

株洲市智能軌道交通系統(tǒng)一期工程線路走向為湖南工大站-株洲站-向陽廣場站，線路沿泰山路、長江南路、株洲大橋、新華西路、新華東路、人民路、車站路、建設路敷設，總長 11.5 km。全線均為已建道路，其中泰山路至人民路道路等級為城市主干路，車站路和人民南路道路等級為次干路，設計車速分別為40 km/h和60 km/h，智軌廊道路面將在既有道路基礎上改建中間兩車道。

3.2 原路面服役性能檢測

3.2.1路面損害

路面破損調(diào)查主要采用人工徒步調(diào)查。現(xiàn)有路面病害包括橫向反射裂縫、縱向裂縫、塊狀裂縫、龜裂、車轍、松散等，其中反射裂縫較多且尤為嚴重，如圖5所示。全線瀝青路面技術狀況指數(shù)PQI為81.62～94.97 。

圖5 廊道路面典型病害

3.2.2路表彎沉

對智軌車道進行彎沉檢測，平均每1 km設置1個檢測點，泰山路(K0+000～K3+515)設檢測點1#～4#，長江南路(K0+000～K0+790)設檢測點5#、天臺路(K0+000～K0+410)設檢測點6#、建設南路(K0+000～K0+394)設檢測點7#、車站路(K0+000～K0+162)設檢測點8#、人民南路(K0+000～K0+490)設檢測點9#、新華西路(K0+000～K2+760)設檢測點10#～12#、新華東路(K0+000～K1+770)設檢測點13#～14#。路面彎沉檢測采用5.4 m 貝克曼梁。實測代表彎沉值為9.26～25.46(0.01 mm)，β值取1.04。評定結果見圖6。路面結構設計應針對不同路段進行考慮。

圖6 廊道路面全線對應彎沉狀況

3.2.3路面表面功能

對智軌車道進行路面抗滑性能檢測、平整度及車轍檢測、實測抗滑值BPN20為51～57。實測平整度IRI為1.14～9.98 m/km，實測車轍為0.3～23.9mm。

3.2.4路面厚度和面層劈裂強度

全線共完成路面鉆芯29處，實測瀝青路面上面層厚度為2.2～5.5 cm，中面層厚度為1.8～7.0cm，下面層厚度為3.0～13.5 cm，基層厚度為13.0～30.0 cm?；鶎影ㄋ嗷炷粱鶎雍退喾€(wěn)定基層，以水泥混凝土為主。大部分路段的水泥混凝土基層取芯狀態(tài)為斷裂未取出，全部水穩(wěn)基層狀態(tài)為破碎或松散。全線共完成87個芯樣的劈裂強度試驗，劈裂強度試驗上面層結果為1.25～1.46 MPa，中面層結果為0.87～1.12 MPa，下面層結果為0.66～0.89 MPa。

3.3 分析及建議

根據(jù)《城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護技術規(guī)范》(CJJ36-2016)，現(xiàn)有路面的PCI和RQI主要為“A級”和“B級”，結構強度足夠，可采取小修。但是現(xiàn)行道路通行車輛主要以轎車、公交車為主，荷載相對智軌較輕?？紤]到智軌具有重載、渠化特征，在智軌體驗線中按常規(guī)瀝青路面設計標準設計的廊道僅通車1月就出現(xiàn)了較大的車轍，此外智軌對路面平整度要求較高，因此原瀝青路面無法滿足智軌通行要求，需要銑刨重鋪。

對于路面彎沉，部分路段彎沉值較高，說明基礎情況不良，需要考慮基礎承載力不足可能引起的面層開裂風險。對于天臺路和長江南路，雖然彎沉值不高，但是與相鄰路面最大彎沉差達到了8.49(0.01 mm)。根據(jù)已有研究成果[10]，不同路段間的彎沉差相差較大時，需要考慮加鋪層的反射裂縫風險，進行針對性防治。

總體來看，面層厚度不一，基礎復雜，在后續(xù)結構設計時需要考慮反射裂縫防治風險。根據(jù)廊道路面全線病害成因分析及處置對策，在后續(xù)結構設計時需要重點考慮廊道路面所需的材料與結構的抗裂能力、承載能力、抗松散能力和抗剪能力的力學要求。

3.4 抗反射裂縫設計

根據(jù)株洲智軌前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，K1+600附近路段80 m內(nèi)共計出現(xiàn)15條反射裂縫，因此需要針對基層裂縫進行特殊設計。如表12所示，通過綜合比較常見反射裂縫處治措施，發(fā)現(xiàn)橡膠/高黏高彈瀝青應力吸收層具有更好的防治反射裂縫效果[13-16]。武漢雄楚大街BRT項目，在連續(xù)配筋混凝土和瀝青面層之間設置了應力吸收層，工程應用效果至今良好。因此，在半柔性路面和舊瀝青路面之間建議設置1～2 cm的應力吸收層作為抗反射裂縫設計。對于反射裂縫風險較高的路段，在設計時可以進一步考慮增設AC-10富油層[11]，提高結構整體抗裂能力，降低開裂風險。

表12 常見反射裂縫處治措施對比分析項目厚度/cm施工方案優(yōu)點缺點瀝青碎石柔性基層12滿鋪全方位預防基層反射裂縫造價高,施工要求高,需要調(diào)整路面標高,且柔性基層承載力較低,不適合作為半柔性路面的基層聚酯土工布-滿鋪無需調(diào)整縱斷面,全方位預測基層反射裂縫在面層和基層之間設置夾層,根據(jù)施工質(zhì)量可能影響瀝青路面變形受力連續(xù)性橡膠/高黏高彈應力吸收層1～2滿鋪無需調(diào)整縱斷面,全方位預測基層反射裂縫,工藝成熟、機械化同步施工對施工要求較高玻纖格柵-裂縫處設置無需調(diào)整,造價略低,施工簡便作用范圍有限,效果較差

3.5 結構組合方案

根據(jù)對廊道結構狀況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)既有道路的結構狀況差異化程度高，基層和面層的類型、結構強度、厚度、組合均有差異，反映出的路表彎沉、病害種類及嚴重程度也不同。結合上述分析以及已有的工程經(jīng)驗，提出株洲智軌一期工程廊道路面抗車轍改造結構組合方案(見圖7)。

(a)方案一

(b)方案二圖7 結構組合方案

1)新華西路、新華東路、建設南路、人民南路、車站路等路段，既有瀝青面層厚，出現(xiàn)的反射裂縫較少。方案一：平均銑刨10 cm原瀝青路面，對剩余混凝土基層、水泥穩(wěn)定基層或剩余舊瀝青路面進行病害處治后，先鋪筑1～2 cm應力吸收層，然后攤鋪8 cm(平均厚度)半柔性路面SFP-13。

2)天泰路、泰山路、長江南路等路段，既有瀝青路面層薄，出現(xiàn)的反射裂縫多。方案二：平均銑刨13 cm原瀝青路面，對剩余混凝土基層、水泥穩(wěn)定基層或剩余舊瀝青路面進行病害處治后，先鋪筑1～2 cm應力吸收層，然后攤鋪3 cm的AC-10富油層和8 cm半柔性路面SFP-13。

4 工程評價

株洲智軌于2021年2月開始試運營，通車時間長達19個月。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用本文提出的廊道路面設計方案，至今路面未出現(xiàn)任何車轍，經(jīng)檢測實際車轍深度不大于5 mm，應用效果如圖8所示。株洲大橋和鐵東路-新華橋段的廊道路面未采用本文建議的設計方案，而采用常規(guī)的瀝青路面抗車轍處治技術，其即使用了改性瀝青、摻加抗車轍劑的AC瀝青混合料，在通車運營后仍頻繁出現(xiàn)嚴重車轍，新華橋站翻修通車僅1～2個月，即出現(xiàn)嚴重車轍，經(jīng)實際檢測智軌輪跡帶處的車轍深度普遍大于25 mm。應用對比證明所提出的廊道路面抗車轍設計方案能有效解決智軌面臨的車轍難題。

圖8 本文設計廊道路面方案實際運行狀況

5 結語

針對電子導向膠輪系統(tǒng)(智軌)廊道路面抗車轍結構研究缺失的現(xiàn)狀，通過室內(nèi)實驗、力學計算、工程調(diào)研與應用，研究了層位、層厚、基層承載狀況對廊道路面結構的影響，依托株洲智軌一期工程，在對現(xiàn)有廊道路面結構狀況和病害情況進行全面檢測和調(diào)研基礎上，分析病害成因，提出針對性處治措施，對不同區(qū)段廊道路面提出差異化的結構方案。

研究試驗與工程實踐表明，在解決重載、起制動頻繁路段的抗車轍問題上，半柔性瀝青路面更適合應用于上面層；半柔性路面開裂、變形風險隨著厚度和基層模量增加而降低；基于既有路面檢測評估結果，提出2種半柔性廊道路面抗車轍結構設計方案，即“上面層使用8 cm半柔性路面SFP13+3cmAC10富油層+1～2 cm應力吸收層+足夠承載力的基層”以及“8 cm半柔性路面SFP13+1～2 cm應力吸收層+足夠承載力的基層”。工程實踐表明，該方案能夠滿足株洲智能軌道交通一期工程在重載、渠化交通條件下的抗車轍需求。本文為電子導向膠輪系統(tǒng)廊道路面提供了一種有效的抗車轍方案設計，可為后續(xù)智軌廊道路面設計與具有重載、渠化交通特征的路面設計提供參考。