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摘要:近年来,随着我国高等级公路的发展,公路隧道建设规模越来越大,但目前对隧道内路面研究不多,而隧道内路面的好坏直接影响隧道的使用质量与效果。因此,有必要对隧道内路面开展更深入的研究,更好地提高隧道内路面行车舒适性、安全性与通行能力。
关键词:公路隧道；结构设计特点
Abstract: In recent years, with the development of high grade highway in China, highway tunnel construction scale more and more big, but there was little research within the tunnel road, and within the tunnel road a direct impact on the use of the channel quality and effect. Therefore, it is necessary to carry out within the tunnel road more in-depth research, and to better improve within the tunnel road driving comfort, safety and transportation capacity.
Keywords: highway tunnel; Structure design features
中图分类号：U459.2文献标识码：A 文章编号：
隧道是公路工程中的控制性咽喉工程，随着公路建设的发展，公路隧道里程也越来越长，特别是山区高速公路迅猛发展，特长、长隧道以及隧道群层出不穷。由于隧道是一个相对封闭、空间狭小的管状环境,没有隧道外日晒雨淋的气候,气温变化也比隧道外小。但隧道内湿度大,比较潮湿,地下水丰富;隧道内空气流动性小,空气易污染;隧道内没有日照,常年处于黑暗中,能见度低。因此,隧道路面与一般道路、桥面铺装结构在使用环境上存在较大的差别,需深入调查、观测和研究隧道内气候、环境对路面结构性能的影响。
1公路隧道路面结构设计的类型
由于技术、经济条件及用户对路面要求的不同,不同国家选择隧道路面结构形式时也存在差别。如欧洲几乎所有的隧道都采用沥青路面,而日本隧道则较多采用水泥砼路面。在我国,受经济、技术条件的限制以及国际上几次损失比较严重的隧道火灾的影响,到目前为止,在很多地区的隧道建设中仍以水泥砼路面为主。随着我国经济的发展、路面施工技术水平及道路使用者对路面要求的不断提高,原有的观念部分制约了我国隧道路面质量的提高。因此,有必要对我国当前隧道建设的实际进行分析,合理选择隧道路面的结构形式,并根据隧道中地质条件、水文条件、环境条件及交通状况等实际情况进行隧道路面结构组合的选择,这也是隧道路面设计的一个重点。
1.1水泥砼路面
根据我国各地的工程实践，总体来说普通公路隧道使用水泥混凝土路面效果是良好的。由于隧道路基条件比洞外好（石质路基或仰拱填充路基），洞内采用水泥混凝土路面，基层多采用素混凝土结构，路面结构比洞外强一些，故洞内水泥混凝土的破坏率比洞外路堑要低，即寿命长。从隧道路面营运交通事故率来说，普通公路隧道均为单洞双向行车隧道，设计速度和运行速度一般在60Km/h以下，故水泥混凝土路面并没有因此而使事故发生率比洞外高。且普通公路隧道采用水泥混凝土路面不仅施工方便，造价低，耐久性好，水稳定性好、地下水对其影响小;结构强度高、承载能力强、耐久性好;颜色浅亮,对照明有利，所以水泥砼路面是我国隧道多年来主要采用的结构形式,但水泥砼路面自身也有一些不足:
1）因洞内路面潮湿,水泥砼表面摩擦系数不足,造成车辆制动效果不佳。路面噪声大,路面结构接缝造成平整度相对较差,行车舒适程度不如沥青路面,一般路面抗滑性能难以满足技术要求。
2）颜色浅,路面标线与路面的对比度低,路面标线的效果受到影响。3）一旦损坏,养护维修困难。因为隧道内空间狭小、亮度低,不利于
作业和交通组织。
近年来,随着我国公路建设的迅速发展,公路隧道尤其是高速公路中的隧道建设越来越多,对隧道路面的安全性与舒适性、表面抗滑性能和噪声要求较一般公路提出了更高的要求,而一般小型机具施工的水泥砼路面难以满足这方面的要求。对于高速、一级公路，采用水泥混凝土路面的特长、长隧道，但经过一个时期运营后，在洞口路段和隧道中间路段，通常由于水泥混凝土路面的抗滑能力快速衰减，车辆侧滑引起交通事故。从交通安全角度考虑，特长、长隧道路面采用水泥混凝土路面存在行车安全隐患。
1.2沥青路面
以前隧道内路面较少采用沥青路面,主要考虑隧道内温差小、相对潮湿,全年保持在一个较低、较恒定的温度,如采用层铺法或路拌法施工的沥青表面处治、沥青贯入式或乳化沥青混合料等,一般不易成型;而潮湿的使用环境影响沥青路面的使用性能与耐久性,容易产生水损坏,耐久性不如水泥砼路面;沥青路面颜色黑,反射率低,直接影响路面的亮度(照明度)。但沥青路面平整度好,抗滑性能易保证,噪声低,行车舒适、安全,且损坏维修方便,与路面标线颜色对比明显,有利于高速公路中的分道行驶。如前所述,国外大多数公路隧道采用沥青路面。我国也有专家提出,一般公路隧道可以采用水泥砼路面,但高速公路隧道宜采用沥青路面,特别是采用高性能沥青混合料(如SAC、SMA、OGFC等)作面层的沥青路面结构形式。
1.3复合式路面
复合式路面主要由沥青混合料面层与水泥砼基层(或加筋水泥砼基层、钢纤维砼基层、连续配筋砼基层)组成。随着公路修筑技术的发展,复合式路面在隧道中得到越来越广泛的应用。1989年,澳大利亚Penith市成功地在水泥稳定基层上修筑了AC+RCC复合式路面。连续配筋砼(CRCP)是在纵向配有足够数量的钢筋以控制砼面板纵向收缩产生裂缝的结构形式。由于在纵向配有足够数量的钢筋以控制砼路面板纵向收缩产生开裂,因此,CRCP除需设置施工缝及构造需要的胀缝外,完全不需设置胀缝及缩缝。在隧道路面结构中使用CRCP作为复合式路面的基层时,由于不需设置胀缝及缩缝,其表面能形成完整而平坦的表面,可以改善汽车行驶的平稳性,避免了普通砼路面的接缝破坏,同时也增加了路面板的整体刚度,提高了其承载能力。钢纤维砼(SFRC)是将钢纤维均匀地分散于基体砼中,通过分散的钢纤维减少动态荷载作用在基体砼上引起的应力集中,从而控制砼裂缝的产生和发展,提高复合材料的抗裂性。同时由于砼与钢纤维界面间有很大的粘结力,因而可将外力传递到抗拉强度大、延伸率高的钢纤维上,使钢纤维砼作为一个均匀整体抵抗外力作用。也可以显著提高素砼的抗弯拉强度、抗冲击韧性、抗裂性、抗疲勞性能和耐久性等,使本属于脆性材料的砼转变为具有良好韧性的复合材料。在隧道路面结构中使用SFRC,可以明显减少路面的龟裂、断板破损等病害,显著提高复合式路面的使用寿命。
2路面结构设计的特点
隧道内路基与路面是承受车辆长期行驶的基本载体,是公路隧道最重要的部位之一。稳定、密实和匀质的路基为路面提供均匀的支承,同时路面应具有一定的强度、抗滑性、平整度和耐磨性,这是保证行车安全、舒适的基本条件。路面要长期承受高速车辆荷载的冲击与摩擦,保证其耐久性更为重要。隧道路面具有如下特点:
1）隧道穿越地层,其埋置条件、应力条件与洞外路面受力特征方面有较大的不同。
2）隧道路基处于山体中,地下水位对隧道路面的影响较外面大。
3）隧道为管状构造物,空间狭小,存在汽车排放废气积聚等现象,废气、油烟、粉尘在路面表面的粘附比洞外路段大。油渍的污染、粉尘的粘聚使路面抗滑性能变差,且得不到天然降雨的冲洗,将严重影响路面的抗滑性能。
4）洞内发生火灾时,其温度对路面的影响比洞外严重。
5）洞内行车条件总体上为光线差、视觉环境差,对行车不利。洞内路面受场地条件影响,施工条件差,维护难度大。
6）行车安全受气候环境影响大。雨天或低温时,洞口段冷空气变换,产生水珠,路面积雾,降低路面抗滑性能。
3隧道路面结构与材料的研究
1)采用先进的电子测试技术和无损检测技术,对隧道内气候、环境和路面使用性能进行周期性观测与调查,全面掌握隧道内气候、环境特点及其变化规律,结合平面温度场和三维温度场等理论,采用非线性有限元分析方法,在试验研究的基础上进行分析,把握其对隧道路面结构与材料的影响程度。
2)应用CRCP提高高速公路隧道路面的整体强度、耐久性和行车舒适性。
3)采用砼板斜接缝、不等距刻槽和滑模摊铺施工技术等提高水泥砼路面表面的抗滑性能和平整度,降低噪声水平;采用高性能减噪沥青混合料,提高沥青路面表面构造深度,降低行车噪声,提高行车舒适性。
4)应用水泥砼、连续配筋砼、钢筋砼和贫砼基层提高隧道内沥青路面的整体强度,减薄路面结构总厚度,满足隧道内施工的要求。
4结束语
公路隧道特殊的气候与环境,要求其路面结构密实、路面平整、水稳定性好和强度高,并具有良好的抗滑性能、耐久性和抗磨耗性;抗水性好,有良好的排水系统;抗腐蚀能力强,漫反射率高,颜色明亮,易修补。因此,在隧道路面设计时,应在深入调查、观测和研究气候、环境对隧道内路面结构和材料影响的基础上,依据隧道路面特点和不同路面类型的优缺点,提出结构形式合理、厚度和结构组合合理、经济合理、安全可靠、能满足长期营运要求的隧道路面方案,以提高隧道路面使用性能、使用寿命及服务水平,降低行车噪声和养护成本,提高公路隧道运营的安全性与综合效益。
关键词:公路隧道；结构设计特点
Abstract: In recent years, with the development of high grade highway in China, highway tunnel construction scale more and more big, but there was little research within the tunnel road, and within the tunnel road a direct impact on the use of the channel quality and effect. Therefore, it is necessary to carry out within the tunnel road more in-depth research, and to better improve within the tunnel road driving comfort, safety and transportation capacity.
Keywords: highway tunnel; Structure design features
中图分类号：U459.2文献标识码：A 文章编号：
隧道是公路工程中的控制性咽喉工程，随着公路建设的发展，公路隧道里程也越来越长，特别是山区高速公路迅猛发展，特长、长隧道以及隧道群层出不穷。由于隧道是一个相对封闭、空间狭小的管状环境,没有隧道外日晒雨淋的气候,气温变化也比隧道外小。但隧道内湿度大,比较潮湿,地下水丰富;隧道内空气流动性小,空气易污染;隧道内没有日照,常年处于黑暗中,能见度低。因此,隧道路面与一般道路、桥面铺装结构在使用环境上存在较大的差别,需深入调查、观测和研究隧道内气候、环境对路面结构性能的影响。
1公路隧道路面结构设计的类型
由于技术、经济条件及用户对路面要求的不同,不同国家选择隧道路面结构形式时也存在差别。如欧洲几乎所有的隧道都采用沥青路面,而日本隧道则较多采用水泥砼路面。在我国,受经济、技术条件的限制以及国际上几次损失比较严重的隧道火灾的影响,到目前为止,在很多地区的隧道建设中仍以水泥砼路面为主。随着我国经济的发展、路面施工技术水平及道路使用者对路面要求的不断提高,原有的观念部分制约了我国隧道路面质量的提高。因此,有必要对我国当前隧道建设的实际进行分析,合理选择隧道路面的结构形式,并根据隧道中地质条件、水文条件、环境条件及交通状况等实际情况进行隧道路面结构组合的选择,这也是隧道路面设计的一个重点。
1.1水泥砼路面
根据我国各地的工程实践，总体来说普通公路隧道使用水泥混凝土路面效果是良好的。由于隧道路基条件比洞外好（石质路基或仰拱填充路基），洞内采用水泥混凝土路面，基层多采用素混凝土结构，路面结构比洞外强一些，故洞内水泥混凝土的破坏率比洞外路堑要低，即寿命长。从隧道路面营运交通事故率来说，普通公路隧道均为单洞双向行车隧道，设计速度和运行速度一般在60Km/h以下，故水泥混凝土路面并没有因此而使事故发生率比洞外高。且普通公路隧道采用水泥混凝土路面不仅施工方便，造价低，耐久性好，水稳定性好、地下水对其影响小;结构强度高、承载能力强、耐久性好;颜色浅亮,对照明有利，所以水泥砼路面是我国隧道多年来主要采用的结构形式,但水泥砼路面自身也有一些不足:
1）因洞内路面潮湿,水泥砼表面摩擦系数不足,造成车辆制动效果不佳。路面噪声大,路面结构接缝造成平整度相对较差,行车舒适程度不如沥青路面,一般路面抗滑性能难以满足技术要求。
2）颜色浅,路面标线与路面的对比度低,路面标线的效果受到影响。3）一旦损坏,养护维修困难。因为隧道内空间狭小、亮度低,不利于
作业和交通组织。
近年来,随着我国公路建设的迅速发展,公路隧道尤其是高速公路中的隧道建设越来越多,对隧道路面的安全性与舒适性、表面抗滑性能和噪声要求较一般公路提出了更高的要求,而一般小型机具施工的水泥砼路面难以满足这方面的要求。对于高速、一级公路，采用水泥混凝土路面的特长、长隧道，但经过一个时期运营后，在洞口路段和隧道中间路段，通常由于水泥混凝土路面的抗滑能力快速衰减，车辆侧滑引起交通事故。从交通安全角度考虑，特长、长隧道路面采用水泥混凝土路面存在行车安全隐患。
1.2沥青路面
以前隧道内路面较少采用沥青路面,主要考虑隧道内温差小、相对潮湿,全年保持在一个较低、较恒定的温度,如采用层铺法或路拌法施工的沥青表面处治、沥青贯入式或乳化沥青混合料等,一般不易成型;而潮湿的使用环境影响沥青路面的使用性能与耐久性,容易产生水损坏,耐久性不如水泥砼路面;沥青路面颜色黑,反射率低,直接影响路面的亮度(照明度)。但沥青路面平整度好,抗滑性能易保证,噪声低,行车舒适、安全,且损坏维修方便,与路面标线颜色对比明显,有利于高速公路中的分道行驶。如前所述,国外大多数公路隧道采用沥青路面。我国也有专家提出,一般公路隧道可以采用水泥砼路面,但高速公路隧道宜采用沥青路面,特别是采用高性能沥青混合料(如SAC、SMA、OGFC等)作面层的沥青路面结构形式。
1.3复合式路面
复合式路面主要由沥青混合料面层与水泥砼基层(或加筋水泥砼基层、钢纤维砼基层、连续配筋砼基层)组成。随着公路修筑技术的发展,复合式路面在隧道中得到越来越广泛的应用。1989年,澳大利亚Penith市成功地在水泥稳定基层上修筑了AC+RCC复合式路面。连续配筋砼(CRCP)是在纵向配有足够数量的钢筋以控制砼面板纵向收缩产生裂缝的结构形式。由于在纵向配有足够数量的钢筋以控制砼路面板纵向收缩产生开裂,因此,CRCP除需设置施工缝及构造需要的胀缝外,完全不需设置胀缝及缩缝。在隧道路面结构中使用CRCP作为复合式路面的基层时,由于不需设置胀缝及缩缝,其表面能形成完整而平坦的表面,可以改善汽车行驶的平稳性,避免了普通砼路面的接缝破坏,同时也增加了路面板的整体刚度,提高了其承载能力。钢纤维砼(SFRC)是将钢纤维均匀地分散于基体砼中,通过分散的钢纤维减少动态荷载作用在基体砼上引起的应力集中,从而控制砼裂缝的产生和发展,提高复合材料的抗裂性。同时由于砼与钢纤维界面间有很大的粘结力,因而可将外力传递到抗拉强度大、延伸率高的钢纤维上,使钢纤维砼作为一个均匀整体抵抗外力作用。也可以显著提高素砼的抗弯拉强度、抗冲击韧性、抗裂性、抗疲勞性能和耐久性等,使本属于脆性材料的砼转变为具有良好韧性的复合材料。在隧道路面结构中使用SFRC,可以明显减少路面的龟裂、断板破损等病害,显著提高复合式路面的使用寿命。
2路面结构设计的特点
隧道内路基与路面是承受车辆长期行驶的基本载体,是公路隧道最重要的部位之一。稳定、密实和匀质的路基为路面提供均匀的支承,同时路面应具有一定的强度、抗滑性、平整度和耐磨性,这是保证行车安全、舒适的基本条件。路面要长期承受高速车辆荷载的冲击与摩擦,保证其耐久性更为重要。隧道路面具有如下特点:
1）隧道穿越地层,其埋置条件、应力条件与洞外路面受力特征方面有较大的不同。
2）隧道路基处于山体中,地下水位对隧道路面的影响较外面大。
3）隧道为管状构造物,空间狭小,存在汽车排放废气积聚等现象,废气、油烟、粉尘在路面表面的粘附比洞外路段大。油渍的污染、粉尘的粘聚使路面抗滑性能变差,且得不到天然降雨的冲洗,将严重影响路面的抗滑性能。
4）洞内发生火灾时,其温度对路面的影响比洞外严重。
5）洞内行车条件总体上为光线差、视觉环境差,对行车不利。洞内路面受场地条件影响,施工条件差,维护难度大。
6）行车安全受气候环境影响大。雨天或低温时,洞口段冷空气变换,产生水珠,路面积雾,降低路面抗滑性能。
3隧道路面结构与材料的研究
1)采用先进的电子测试技术和无损检测技术,对隧道内气候、环境和路面使用性能进行周期性观测与调查,全面掌握隧道内气候、环境特点及其变化规律,结合平面温度场和三维温度场等理论,采用非线性有限元分析方法,在试验研究的基础上进行分析,把握其对隧道路面结构与材料的影响程度。
2)应用CRCP提高高速公路隧道路面的整体强度、耐久性和行车舒适性。
3)采用砼板斜接缝、不等距刻槽和滑模摊铺施工技术等提高水泥砼路面表面的抗滑性能和平整度,降低噪声水平;采用高性能减噪沥青混合料,提高沥青路面表面构造深度,降低行车噪声,提高行车舒适性。
4)应用水泥砼、连续配筋砼、钢筋砼和贫砼基层提高隧道内沥青路面的整体强度,减薄路面结构总厚度,满足隧道内施工的要求。
4结束语
公路隧道特殊的气候与环境,要求其路面结构密实、路面平整、水稳定性好和强度高,并具有良好的抗滑性能、耐久性和抗磨耗性;抗水性好,有良好的排水系统;抗腐蚀能力强,漫反射率高,颜色明亮,易修补。因此,在隧道路面设计时,应在深入调查、观测和研究气候、环境对隧道内路面结构和材料影响的基础上,依据隧道路面特点和不同路面类型的优缺点,提出结构形式合理、厚度和结构组合合理、经济合理、安全可靠、能满足长期营运要求的隧道路面方案,以提高隧道路面使用性能、使用寿命及服务水平,降低行车噪声和养护成本,提高公路隧道运营的安全性与综合效益。