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摘 要:作者对早期建成运营的高速公路容易出现的几种主要病害的形成原因进行初步的分析,并依据高速公路养护工作“预防为主,防治结合”的养护方针,提出相应的对策和预防、修补措施。
关键词:高速公路;运营;病害;对策
中图分类号:U416文献标识码:A文章编号:1000-8136(2009)17-0046-02
随着我国经济实力的逐步增强,高速公路的发展更是日新月异。高速公路的设计现多采用高标准、高要求的设计方案,主要表现在车道数的增加;弯道半径的取值趋于增大;连续纵坡坡度的减缓;桥梁、隧道的大量采用等诸多方面,行车舒适性也相应明显提高。与之相对的就是早期修建的高速公路存在由于经济和认识局限性等原因,采用了低标准的设计方案,造成修好后部分路段先天不足的现象,加上通车后车流量的迅猛增加和超载车辆的不断增多,出现了路面、路基、桥涵等的严重病害,主要有:路面结构强度降低,部分路段出现大面积的龟网裂、松散、车辙,甚至是坑槽、冒白浆等;路基塌陷、淘空,以致发生整个路段滑塌;桥梁承载力下降、出现大量超限裂缝;涵洞涵墙裂缝、错位;防撞墙、护栏、立柱的损坏、变形。随着时间的推移,这一系列的病害越来越影响高速公路的正常使用功能和行车安全。
出现这些病害的成因,总的说来有以下几个方面:设计的局限性;通行量偏大、超载车辆增多;季节的变化;水的损害;地质的变化;施工质量差。
1 设计的局限性
早期高速公路设计采用的主要技术标准,为《公路工程技术标准》(JT J01—88)。设计的局限性主要为原设计的标准偏低、设计方案不完善。
在当时经济能力严重不足情况下,勘测设计中计算行车速度按平原微丘、重丘区、山岭区进行分区设计,一些路段的平曲线最小半径、最大纵坡采用了一般值的最小值,甚至是接近极限值,从而引发了高速公路运营中这些路段常出现急刹车、频繁刹车现象,导致路面波浪等病害产生,严重路段常会出现防撞墙、护栏板和立柱的损坏,甚至发生人员伤亡。《公标》(JT J01—88)改进到《公标》(JT J001—97),现已于2004年3月1日起施行《公标》(JTG B01—2003)。新《标准》充分体现了高速公路安全和以人为本的指导思想,取消了分区的计算行车速度为设计速度,路基宽度、车辆折算系数、路基压实度、汽车荷载分级等都进行了调整。
对于已经形成,要改变其现状需付出很大代价的路线设计问题,要预防和减少病害,现在最有效的方法就是在急弯、陡坡和连续弯道处设置彩色震荡标线,增强对过往车辆的提醒,从而起到降低车速安全通过的目的。
设计方案不完善与设计标准低相对应的有路面的总厚度、路面所采用的材料、路面结构设计等问题。但不对应的另一种不完善则是当时的设计思想局限性造成的,即未充分考虑道路的耐久性问题,例如:柔性沥青面层加半刚性基层的路面结构是早期高速公路路面设计的主流,但到现在看,除采用沥青碎石柔性基层的京津塘和广深珠公路外,大部分是不成功的。还有桥梁设计中的汽车荷载《公标》(88)为汽超-20级、挂-120,《公标》(04)为公路-I级,通过计算活载加载型式所产生结构内力数值虽有差异,但内力包络图型式基本一致,且数值差异均在10%左右,故相互间是兼容的。但早期高速公路采用的T型、I型上部结构起横向联系的横隔板,数量上为3个,分别布置在两端和1/2处,且1/2处横隔板为折线形式相错布置,虽满足当时设计交通量,但未充分考虑未来交通量的发展,造成桥梁出现承载力下降,主梁与1/2处横隔板连接处被拉裂,裂缝超限,部分梁体混凝土脱落,横隔板处梁体裂缝已经贯通至翼缘板底部等病害。
对于此类设计不完善造成的问题,若还未出现影响结构安全,但有可能出现病害的情况,要先对其进行预防性加固改造,防止病害的发生;对已出现病害的,且影响结构整体性安全和耐久性的,可以采用新《公标》(04)重新进行加固设计,进行改造,避免出现安全事故。
2 通行量偏大、超载车辆增多
通行量偏大、超载车辆增多几乎是所有早期建成的高速公路运营后都头痛的问题。以太旧高速公路为例,自1996年建成通车至2004年8年多,交通量从一开始的9 230辆/日,每年以9.38%的速度递增,至2007年已增至17 291辆/日(标准小客车),交通量快速增长,令太旧路的交通压力越来越大。在这其中,重型货车和煤车占相当比例,重型货车达3 742辆/日,占总交通量的40.47%(全部交通量为9 193辆/日)。加上其中很多是车辆超载,更对太旧路造成了严重的破坏。根据实地调查的资料、试验结果和科学的分析,如按设计弯沉值、沥青层层底拉应力为指标进行轴载换算,自通车以来8年的累计标准轴载当量轴次已达到80 249 843次,远大于原设计15年末累计当量轴次5 735 766次的预测值。造成太旧高速公路路面结构强度降低,部分路段出现大面积的龟网裂、车辙、桥面破损,甚至是坑槽等,严重影响太旧高速公路的正常通行。
故太旧高速公路于2004年提前进行了大修,采用了柔性基层取代了半刚性基层、加大路面结构层厚度、使用了SBS改性沥青和湖沥青等先进的材料和工艺,提高了路面的夏季高温稳定性、冬季低温抗裂性和沥青材料的耐久性,路面结构强度明显增强。对于此种情况,全国各地类似的有很多,如广深高速公路1997年全线通车,2003年大修后,2007年第二次大修;八达岭高速公路于2001年建成通车,2007年大修;哈尔滨至大庆高速公路1997年开始运营,2008年大修。
3 季节的变化
季节的变化对于我国北方地区的高速公路养护技术状况影响较南方更大,这主要是从沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性和沥青材料的耐老化性能方面考虑的。高温稳定性是以温度60℃、0.7MPa轮压条件下进行车辙试验获得的动稳定度表示,根据研究,车辙发生的深度一般为8 cm,这个深度刚好在高速公路的中面层,所以对上中面层,其动稳定度的要求更为重要;低温抗裂性是以沥青混凝土低温冻融劈裂强度和冻融黏结强度来表示;沥青材料随着其胶质分的减少,高分子化合物沥青质的大量增加,沥青塑性逐渐消失,而脆性增加,则耐老化性能明显减弱。北方地区,尤其是山区,夏季最高气温可达40℃以上,冬季最低气温可到-25℃以下,温差达60℃～70℃,所以对沥青混凝土以上所述的3种性能影响极大,极易形成车辙、横裂、纵裂和松散等病害。
要改善和提高这3种性能,预防病害的产生,现在较成熟的做法是采用SBS改性沥青和湖沥青,通过马歇尔试验法,找到适合本地气候条件的沥青混合料配合比,较普通沥青混合料的施工其要注意的拌合、摊铺和碾压工艺要求较多。还有沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)也被广泛采用。
4 水的损害
如何有效地处理好水对高速公路的影响,把水的损害降低到最底限度,是高速公路养护中面临的主要难题。水对高速公路的损害主要有降水、渗水、地下水3种形式,分别会引起高速公路产生水毁、路基淘空、路面下陷、路面结构层强度降低和路基软化等病害,甚至出现整个路段的垮塌灾害。
在汛期中,较急和集中的降水会对构造物、防护工程造成损坏,特别是在高填方、高路堑地段,水量短时间会大量增大,排水设施的处理能力会短时间内达到饱和而失去应有的功效,就会造成土体冲刷、边坡小范围滑塌,甚至是路基淘空、冲毁,阻断交通现象。对于进行开放式绿化的中央分隔带,绿化浇水会渗入路面基层和路基,设置超高的路段,边坡水会往路中渗流集中,都会在路面层间和路面与路基间渗流、渗透,造成路基强度下降,形成路面下沉。沥青路面的裂缝在世界范围内至今仍属于无法解决的问题,裂缝的出现往往是路面破坏加剧的开始。沥青混凝土路面最早出现的是温度型反射裂缝,原因是在冬季降温时基层因温度降低产生拉应力和路面产生的拉应力叠加后超过沥青混凝土的抗拉强度而导致的,桥涵与路面结合处、暗伸缩缝等处是也会出现裂缝。路面一旦出现裂缝后,水就会渗入路面中,在层间流动,形成层间水,在车辆碾压下局部空间里形成瞬时高压水,能够进入沥青混合料的空隙里,久而久之,造成沥青和骨料间失去黏结,很快就会形成路面面层龟网裂、麻面、松散和坑槽、唧浆等病害,年复一年,次年春融,病害就会从轻微逐渐加重。若渗入基层,则会对半刚性的水泥稳定料的强度造成影响,加上冬季除雪时会撒融雪剂,融雪时随水渗入,严重的会造成基层失去强度,成为松散结构,在车辆碾压下,产生路面波浪、翻浆和不平整等严重病害。特别是在排水不良的挖方路段、路线纵坡较小、平坡路段和平曲线超高过渡段,尤为严重。还有路基本身干湿程度的影响,如果地下水丰富的话路基的强度和稳定性就会降低,在个别半填半挖路段还会出现建设时期虽已解决了地下水的问题,但地下水的暗流水量发生了变化,逐年增加,渗流时淘空、软化路基,造成路基承载力大幅度下降,在边坡外侧由于没有支挡,极易失去平衡发生整个路段垮塌灾害。
对于汇水面积大的路段,需要适当改造排水设施,可以预防缓解因排水不畅造成水毁的可能;对于易发生渗水的路段,用增设盲沟的措施,将渗水引流至路外,可避免发生路面下沉;对路面裂缝,在路面重新铺筑时,最好选用SBS、湖沥青改性的沥青混凝土或沥青玛蹄脂碎石混合料作面层,并在层间撒布适量的黏层油,会很好的起到预防水渗流入路面层间;若路面出现了的轻微裂缝,要先进行灌缝,会起到很好预防效果;同时要在冬季尽量少撒布融雪剂;有条件的话,可以将路面基层由半刚性水泥稳定料改铺为柔性基层。对于地下水暗流,要对路段内的地下水情况进行摸底,对可能发生的路段,进行细致观察,有必要时进行水文勘察,找到并加以堵截和引流,可以做到防患于未然。
5 地质的变化
地质的变化引发整个路段的推移,一般发生的过程比较缓慢,据观察,平均速度为每年1 cm～3 cm,因为是整体推移,对道路的损害不明显,但需要细致观测,一旦发生速度加快的迹象,要立即采取措施。但对于局部的地质变化,则会在个别的涵洞等构筑物上出现错位、涵墙裂缝等病害,需要对构造物进行先期加固,对引发地质变化的上游位置进行打桩稳固等措施加以阻止,预防其发展。
6 施工质量差
在早期高速公路的建设施工中,有赶工期、施工单位质量措施不严格等原因造成的病害,若发现则需要立即加以排查,并采取加固措施。
早期建成的高速公路大部分已进入或提前进入了大修期,大修后,很多病害会得到根本解决,有的因各种原因还会存在,养护中还需很好的以养护方针“预防为主、防治结合”为指导,找到更好的病害解决对策。
作者简介:樊军,男,1972年出生,1994年毕业于太原理工大学,工程师。
Reason and Countermeasure of the Disease while Running that
Build up an Expressway in Early Days
Fan Jun
Abstract:The author analyses to the reason building up the expressway disease run in early days, maintain the maintenance policy that the work “puts prevention first,prevent and cure and combine” according to the expressway,put forward corresponding countermeasure and prevention,mend the measure.
Key words:expressway ; operation; disease; countermeasure
关键词:高速公路;运营;病害;对策
中图分类号:U416文献标识码:A文章编号:1000-8136(2009)17-0046-02
随着我国经济实力的逐步增强,高速公路的发展更是日新月异。高速公路的设计现多采用高标准、高要求的设计方案,主要表现在车道数的增加;弯道半径的取值趋于增大;连续纵坡坡度的减缓;桥梁、隧道的大量采用等诸多方面,行车舒适性也相应明显提高。与之相对的就是早期修建的高速公路存在由于经济和认识局限性等原因,采用了低标准的设计方案,造成修好后部分路段先天不足的现象,加上通车后车流量的迅猛增加和超载车辆的不断增多,出现了路面、路基、桥涵等的严重病害,主要有:路面结构强度降低,部分路段出现大面积的龟网裂、松散、车辙,甚至是坑槽、冒白浆等;路基塌陷、淘空,以致发生整个路段滑塌;桥梁承载力下降、出现大量超限裂缝;涵洞涵墙裂缝、错位;防撞墙、护栏、立柱的损坏、变形。随着时间的推移,这一系列的病害越来越影响高速公路的正常使用功能和行车安全。
出现这些病害的成因,总的说来有以下几个方面:设计的局限性;通行量偏大、超载车辆增多;季节的变化;水的损害;地质的变化;施工质量差。
1 设计的局限性
早期高速公路设计采用的主要技术标准,为《公路工程技术标准》(JT J01—88)。设计的局限性主要为原设计的标准偏低、设计方案不完善。
在当时经济能力严重不足情况下,勘测设计中计算行车速度按平原微丘、重丘区、山岭区进行分区设计,一些路段的平曲线最小半径、最大纵坡采用了一般值的最小值,甚至是接近极限值,从而引发了高速公路运营中这些路段常出现急刹车、频繁刹车现象,导致路面波浪等病害产生,严重路段常会出现防撞墙、护栏板和立柱的损坏,甚至发生人员伤亡。《公标》(JT J01—88)改进到《公标》(JT J001—97),现已于2004年3月1日起施行《公标》(JTG B01—2003)。新《标准》充分体现了高速公路安全和以人为本的指导思想,取消了分区的计算行车速度为设计速度,路基宽度、车辆折算系数、路基压实度、汽车荷载分级等都进行了调整。
对于已经形成,要改变其现状需付出很大代价的路线设计问题,要预防和减少病害,现在最有效的方法就是在急弯、陡坡和连续弯道处设置彩色震荡标线,增强对过往车辆的提醒,从而起到降低车速安全通过的目的。
设计方案不完善与设计标准低相对应的有路面的总厚度、路面所采用的材料、路面结构设计等问题。但不对应的另一种不完善则是当时的设计思想局限性造成的,即未充分考虑道路的耐久性问题,例如:柔性沥青面层加半刚性基层的路面结构是早期高速公路路面设计的主流,但到现在看,除采用沥青碎石柔性基层的京津塘和广深珠公路外,大部分是不成功的。还有桥梁设计中的汽车荷载《公标》(88)为汽超-20级、挂-120,《公标》(04)为公路-I级,通过计算活载加载型式所产生结构内力数值虽有差异,但内力包络图型式基本一致,且数值差异均在10%左右,故相互间是兼容的。但早期高速公路采用的T型、I型上部结构起横向联系的横隔板,数量上为3个,分别布置在两端和1/2处,且1/2处横隔板为折线形式相错布置,虽满足当时设计交通量,但未充分考虑未来交通量的发展,造成桥梁出现承载力下降,主梁与1/2处横隔板连接处被拉裂,裂缝超限,部分梁体混凝土脱落,横隔板处梁体裂缝已经贯通至翼缘板底部等病害。
对于此类设计不完善造成的问题,若还未出现影响结构安全,但有可能出现病害的情况,要先对其进行预防性加固改造,防止病害的发生;对已出现病害的,且影响结构整体性安全和耐久性的,可以采用新《公标》(04)重新进行加固设计,进行改造,避免出现安全事故。
2 通行量偏大、超载车辆增多
通行量偏大、超载车辆增多几乎是所有早期建成的高速公路运营后都头痛的问题。以太旧高速公路为例,自1996年建成通车至2004年8年多,交通量从一开始的9 230辆/日,每年以9.38%的速度递增,至2007年已增至17 291辆/日(标准小客车),交通量快速增长,令太旧路的交通压力越来越大。在这其中,重型货车和煤车占相当比例,重型货车达3 742辆/日,占总交通量的40.47%(全部交通量为9 193辆/日)。加上其中很多是车辆超载,更对太旧路造成了严重的破坏。根据实地调查的资料、试验结果和科学的分析,如按设计弯沉值、沥青层层底拉应力为指标进行轴载换算,自通车以来8年的累计标准轴载当量轴次已达到80 249 843次,远大于原设计15年末累计当量轴次5 735 766次的预测值。造成太旧高速公路路面结构强度降低,部分路段出现大面积的龟网裂、车辙、桥面破损,甚至是坑槽等,严重影响太旧高速公路的正常通行。
故太旧高速公路于2004年提前进行了大修,采用了柔性基层取代了半刚性基层、加大路面结构层厚度、使用了SBS改性沥青和湖沥青等先进的材料和工艺,提高了路面的夏季高温稳定性、冬季低温抗裂性和沥青材料的耐久性,路面结构强度明显增强。对于此种情况,全国各地类似的有很多,如广深高速公路1997年全线通车,2003年大修后,2007年第二次大修;八达岭高速公路于2001年建成通车,2007年大修;哈尔滨至大庆高速公路1997年开始运营,2008年大修。
3 季节的变化
季节的变化对于我国北方地区的高速公路养护技术状况影响较南方更大,这主要是从沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性和沥青材料的耐老化性能方面考虑的。高温稳定性是以温度60℃、0.7MPa轮压条件下进行车辙试验获得的动稳定度表示,根据研究,车辙发生的深度一般为8 cm,这个深度刚好在高速公路的中面层,所以对上中面层,其动稳定度的要求更为重要;低温抗裂性是以沥青混凝土低温冻融劈裂强度和冻融黏结强度来表示;沥青材料随着其胶质分的减少,高分子化合物沥青质的大量增加,沥青塑性逐渐消失,而脆性增加,则耐老化性能明显减弱。北方地区,尤其是山区,夏季最高气温可达40℃以上,冬季最低气温可到-25℃以下,温差达60℃～70℃,所以对沥青混凝土以上所述的3种性能影响极大,极易形成车辙、横裂、纵裂和松散等病害。
要改善和提高这3种性能,预防病害的产生,现在较成熟的做法是采用SBS改性沥青和湖沥青,通过马歇尔试验法,找到适合本地气候条件的沥青混合料配合比,较普通沥青混合料的施工其要注意的拌合、摊铺和碾压工艺要求较多。还有沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)也被广泛采用。
4 水的损害
如何有效地处理好水对高速公路的影响,把水的损害降低到最底限度,是高速公路养护中面临的主要难题。水对高速公路的损害主要有降水、渗水、地下水3种形式,分别会引起高速公路产生水毁、路基淘空、路面下陷、路面结构层强度降低和路基软化等病害,甚至出现整个路段的垮塌灾害。
在汛期中,较急和集中的降水会对构造物、防护工程造成损坏,特别是在高填方、高路堑地段,水量短时间会大量增大,排水设施的处理能力会短时间内达到饱和而失去应有的功效,就会造成土体冲刷、边坡小范围滑塌,甚至是路基淘空、冲毁,阻断交通现象。对于进行开放式绿化的中央分隔带,绿化浇水会渗入路面基层和路基,设置超高的路段,边坡水会往路中渗流集中,都会在路面层间和路面与路基间渗流、渗透,造成路基强度下降,形成路面下沉。沥青路面的裂缝在世界范围内至今仍属于无法解决的问题,裂缝的出现往往是路面破坏加剧的开始。沥青混凝土路面最早出现的是温度型反射裂缝,原因是在冬季降温时基层因温度降低产生拉应力和路面产生的拉应力叠加后超过沥青混凝土的抗拉强度而导致的,桥涵与路面结合处、暗伸缩缝等处是也会出现裂缝。路面一旦出现裂缝后,水就会渗入路面中,在层间流动,形成层间水,在车辆碾压下局部空间里形成瞬时高压水,能够进入沥青混合料的空隙里,久而久之,造成沥青和骨料间失去黏结,很快就会形成路面面层龟网裂、麻面、松散和坑槽、唧浆等病害,年复一年,次年春融,病害就会从轻微逐渐加重。若渗入基层,则会对半刚性的水泥稳定料的强度造成影响,加上冬季除雪时会撒融雪剂,融雪时随水渗入,严重的会造成基层失去强度,成为松散结构,在车辆碾压下,产生路面波浪、翻浆和不平整等严重病害。特别是在排水不良的挖方路段、路线纵坡较小、平坡路段和平曲线超高过渡段,尤为严重。还有路基本身干湿程度的影响,如果地下水丰富的话路基的强度和稳定性就会降低,在个别半填半挖路段还会出现建设时期虽已解决了地下水的问题,但地下水的暗流水量发生了变化,逐年增加,渗流时淘空、软化路基,造成路基承载力大幅度下降,在边坡外侧由于没有支挡,极易失去平衡发生整个路段垮塌灾害。
对于汇水面积大的路段,需要适当改造排水设施,可以预防缓解因排水不畅造成水毁的可能;对于易发生渗水的路段,用增设盲沟的措施,将渗水引流至路外,可避免发生路面下沉;对路面裂缝,在路面重新铺筑时,最好选用SBS、湖沥青改性的沥青混凝土或沥青玛蹄脂碎石混合料作面层,并在层间撒布适量的黏层油,会很好的起到预防水渗流入路面层间;若路面出现了的轻微裂缝,要先进行灌缝,会起到很好预防效果;同时要在冬季尽量少撒布融雪剂;有条件的话,可以将路面基层由半刚性水泥稳定料改铺为柔性基层。对于地下水暗流,要对路段内的地下水情况进行摸底,对可能发生的路段,进行细致观察,有必要时进行水文勘察,找到并加以堵截和引流,可以做到防患于未然。
5 地质的变化
地质的变化引发整个路段的推移,一般发生的过程比较缓慢,据观察,平均速度为每年1 cm～3 cm,因为是整体推移,对道路的损害不明显,但需要细致观测,一旦发生速度加快的迹象,要立即采取措施。但对于局部的地质变化,则会在个别的涵洞等构筑物上出现错位、涵墙裂缝等病害,需要对构造物进行先期加固,对引发地质变化的上游位置进行打桩稳固等措施加以阻止,预防其发展。
6 施工质量差
在早期高速公路的建设施工中,有赶工期、施工单位质量措施不严格等原因造成的病害,若发现则需要立即加以排查,并采取加固措施。
早期建成的高速公路大部分已进入或提前进入了大修期,大修后,很多病害会得到根本解决,有的因各种原因还会存在,养护中还需很好的以养护方针“预防为主、防治结合”为指导,找到更好的病害解决对策。
作者简介:樊军,男,1972年出生,1994年毕业于太原理工大学,工程师。
Reason and Countermeasure of the Disease while Running that
Build up an Expressway in Early Days
Fan Jun
Abstract:The author analyses to the reason building up the expressway disease run in early days, maintain the maintenance policy that the work “puts prevention first,prevent and cure and combine” according to the expressway,put forward corresponding countermeasure and prevention,mend the measure.
Key words:expressway ; operation; disease; countermeasure