復(fù)合水硬性材料在處治高速公路橋頭跳車中的應(yīng)用

于 悅

（山東高速交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

截至2020年年末，我國高速公路車道里程共計(jì)72.31萬公里，同2019年增加5.36萬公里[1]。我國公路橋梁共有91.28萬座，全長達(dá)6628.55萬延米，橋梁密度約1座/4.5km。伴隨高速公路及橋梁快速建設(shè)而來的橋頭跳車現(xiàn)象逐漸引起人們的重視。

所謂橋頭跳車是一種由于橋梁縱坡突變引起的車輛異常行駛狀態(tài)，即車輛在行駛至路橋銜接區(qū)域處由于路面不均勻沉陷受到?jīng)_擊而引起車輛顛簸甚至跳躍的現(xiàn)象。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)路橋銜接處高度差為15mm時(shí)將導(dǎo)致橋頭跳車，且傳統(tǒng)維修方法耗資巨大[2]。

1 高速公路橋頭跳車病害成因分析

1.1 地基強(qiáng)度差異

一般情況下，橋涵、路基等施工由地基基礎(chǔ)，路面結(jié)構(gòu)層及填土路基等部分構(gòu)成，其中橋涵、通道等構(gòu)造物的剛性大，對地基強(qiáng)度要求高。而天然地基承載力較差，在施工過程中須堅(jiān)固處理方可實(shí)現(xiàn)較小沉降或不沉降。但由于施工過程中工期限制及不可控因素導(dǎo)致某些臺背路堤未采取足夠的加固措施，強(qiáng)度較弱，兩者的強(qiáng)度差異使橋臺和臺后路堤產(chǎn)生差異沉降，引發(fā)橋頭跳車的發(fā)生。

1.1.1 地基沉降

路堤不均勻沉降是引起橋頭跳車病害的主要原因之一。在地下水位較高的地區(qū)，地基土以軟土為主，而由于軟土具有天然含水量較高、有機(jī)質(zhì)含量高、壓縮性較高、滲透性差等特點(diǎn)，其天然結(jié)構(gòu)極易受到外界擾動而被破壞，從而導(dǎo)致其承載能力降低。同時(shí)在高填方路段路基自重較大，故對地基產(chǎn)生相應(yīng)的附加應(yīng)力，又由于施工機(jī)械及運(yùn)輸車輛的自身荷載，極易引起軟土地基的變形固結(jié)沉降引發(fā)橋頭跳車。

1.1.2 路面結(jié)構(gòu)層壓縮沉降

隨著公路等級的提高，路面結(jié)構(gòu)層的厚度也隨之增加。我國在臺背路堤回填材料一般選用砂性土、石屑等透水性較好的材料作為填料，其孔隙比較大。一般情況下橋梁工程作為控制性工程，是工期的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在橋臺施工完成后立即進(jìn)行臺背回填施工。因作業(yè)空間的限制，大型壓實(shí)機(jī)械無法靠近臺背施工，而小型壓實(shí)機(jī)械功率較小壓實(shí)度等指標(biāo)很難達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求，導(dǎo)致臺背填料顆粒間的孔隙率大，路堤密度較小，路堤整體不達(dá)標(biāo)。公路路面施工完成通車后，在路堤自重和行車振動及車輛自身荷載共同作用下，加之臺背回填高度較高，隨著通車時(shí)間增長臺背填料的密實(shí)度進(jìn)一步增大，橋臺臺背填土發(fā)生壓縮沉降變形，造成橋梁和橋頭路面出現(xiàn)差異沉降，從而引起橋頭跳車現(xiàn)象。

1.1.3 路橋結(jié)構(gòu)剛度差異

橋梁作為剛性結(jié)構(gòu)，橋梁橋臺或承臺下方有堅(jiān)實(shí)的支撐，一般由鋼筋混凝土澆筑，對基礎(chǔ)承載能力的要求較高，橋梁在車輛及自重荷載作用下橋臺的沉降變形可忽略；而臺背路基屬于柔性或半剛性結(jié)構(gòu)，在相同車輛荷載及自重荷載作用下，其路堤、路面墊層、基層隨著車輛振動碾壓及自重影響下密實(shí)度會逐漸增大，導(dǎo)致橋頭臺背處產(chǎn)生不均勻沉降。由于橋臺兩側(cè)結(jié)構(gòu)抗變形能力不同，橋梁幾乎不產(chǎn)生沉降，而臺背沉降較大，由于這種剛度的差異產(chǎn)生的沉降差造成路橋銜接處路面遭到破壞，造成橋頭跳車現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 排水不暢及填土流失

橋臺與路堤連接區(qū)域存在一定縫隙，若路面排水不暢或路面結(jié)構(gòu)防水較差，雨水無法及時(shí)地從路表面及時(shí)排走，便會沿著路堤與橋臺臺背之間的縫隙滲入到路基中，路面各結(jié)構(gòu)層和路堤填料都會遭受到雨水的沖刷侵蝕，原有土質(zhì)結(jié)構(gòu)承載能力大大降低，造成路堤橋臺銜接處路面局部沉陷，從而導(dǎo)致橋頭跳車病害的發(fā)生。

1.3 施工質(zhì)量方面

施工作為工程建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，施工質(zhì)量把控不嚴(yán)格也是造成橋頭跳車病害的主要原因之一，由于施工質(zhì)量引起橋頭跳車現(xiàn)象主要原因有以下幾個(gè)方面：(1）工期緊張，施工單位為追求工程進(jìn)度而無法保證作業(yè)質(zhì)量，臺背填土速度過快，路堤填土沒有充分時(shí)間自然沉降；(2）施工過程中，沒有嚴(yán)格地控制松鋪厚度，在施工面較窄的作業(yè)面無法使用大型機(jī)械碾壓，導(dǎo)致壓實(shí)度不達(dá)標(biāo)，路堤整體密實(shí)度不合格；(3）回填料未達(dá)到規(guī)格要求，未按要求控制填料的含水量等行為。

1.4 設(shè)計(jì)方面

設(shè)計(jì)不當(dāng)及施工措施不當(dāng)也是造成橋頭跳車的原因之一。在進(jìn)行勘察時(shí)由于經(jīng)費(fèi)、人員不足等原因?qū)κ┕^(qū)域地質(zhì)勘測不完全，在進(jìn)行路線設(shè)計(jì)時(shí)軟弱地基區(qū)域的路基處理方案不當(dāng)?shù)仍?，都會大概率引發(fā)通車后臺背路面不均勻沉降；其次對于橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、選用不同的回填材料也會對工后沉降產(chǎn)生差異影響等。

除上述設(shè)計(jì)、施工、不可抗力等影響因素外，還有很多因素引起橋頭路面不均勻沉陷從而導(dǎo)致橋頭跳車現(xiàn)象，例如冰凍、車輛超載、交通量集中、搭板布置形式及搭板長度不合理等因素。

2 復(fù)合有機(jī)水硬性材料處治高速公路橋頭跳車技術(shù)

復(fù)合有機(jī)水硬性材料處治橋頭跳車是在對微表處混合料充分理解的基礎(chǔ)上充分研究拓展性應(yīng)用。該工藝技術(shù)采用微表處施工方法，逐層填充，最后在路面上整體做微表處罩面的原則。即先測量原路面高程，結(jié)合測量數(shù)據(jù)確定橋頭不均勻沉陷路段的具體位置及沉陷高差，然后針對沉陷部位采用微表處改良施工技術(shù)進(jìn)行分層攤鋪的方法進(jìn)行填充，直至填充完后路面高程與原設(shè)計(jì)路面高程基本一致，最后對沉陷部位及橋頭進(jìn)行整體罩面。該技術(shù)較傳統(tǒng)銑刨重鋪處治橋頭跳車具有工藝流程簡潔、交通封閉時(shí)間短、不需銑刨、冷拌冷鋪、節(jié)能減排且造價(jià)低的特點(diǎn)。

2.1 復(fù)合有機(jī)水硬性材料處理橋頭跳車工藝原材料技術(shù)要求

2.1.1 粗集料

復(fù)合有機(jī)水硬性材料處理橋頭跳車粗集料可采用近立方體顆粒的玄武巖、花崗巖等石料，石質(zhì)應(yīng)堅(jiān)硬、清潔、干燥，表面粗糙、不含風(fēng)化顆粒，其規(guī)格應(yīng)為3～6mm、5～10mm、10～15mm；細(xì)集料可采用堅(jiān)硬、清潔、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)并有適當(dāng)級配的機(jī)制砂，石質(zhì)為石灰?guī)r，其規(guī)格應(yīng)為0～3mm，同時(shí)符合《公路瀝青路面預(yù)防養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5142-01—2021）中10.2.3的要求。

2.1.2 改性乳化瀝青

復(fù)合有機(jī)水硬性材料中有機(jī)黏結(jié)料采用SBR改性乳化瀝青，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合表2的規(guī)定。改性乳化瀝青宜貯存在具備攪拌功能的密封罐內(nèi)，貯存時(shí)間不宜超過兩周。

2.1.3 水泥

調(diào)平層可采用普通硅酸鹽水泥，水泥摻加量應(yīng)通過混合料配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合《公路瀝青路面預(yù)防養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5142-01—2021）中10.2.5的規(guī)定，不得使用快凝水泥、早強(qiáng)水泥。

2.1.4 水和添加劑

施工用水為飲用水或純凈天然水。常用的添加劑包括無機(jī)類添加劑、有機(jī)類添加劑等，添加劑的摻加不得對稀漿混合料路用性能產(chǎn)生不利影響，未經(jīng)驗(yàn)證的添加劑，不得在施工中采用。

2.2 復(fù)合有機(jī)水硬性材料處治高速公路橋頭跳車施工工藝

2.2.1 施工工藝流程

復(fù)合有機(jī)水硬性材料處治高速公路橋頭跳車施工工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程

2.2.2施工過程質(zhì)量控制

（1）調(diào)平層施工過程中質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 調(diào)平層施工過程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

（2）微表處罩面施工過程中對稀漿混合料的質(zhì)量控制采用抽樣檢測，控制標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 微表處罩面施工過程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3質(zhì)量檢查與驗(yàn)收

交工驗(yàn)收階段的質(zhì)量檢查與驗(yàn)收：工程完工后，對每個(gè)橋頭進(jìn)行自檢，確保處理段與原路面和橋頭銜接平順。檢查項(xiàng)目、頻率、質(zhì)量要求及試驗(yàn)方法見表3。

表3 沉陷處理工后檢查與驗(yàn)收質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2.3 復(fù)合有機(jī)水硬性材料處治橋頭跳車發(fā)展優(yōu)勢

（1）施工工藝

復(fù)合有機(jī)水硬性材料處治橋頭跳車施工工藝可以概括為以下幾個(gè)步驟：由施工設(shè)計(jì)至施工準(zhǔn)備、材料及設(shè)備準(zhǔn)備、施工、養(yǎng)生，直至最終開放交通幾個(gè)流程。在采用復(fù)合有機(jī)水硬性材料施工過程中不存在瀝青混合料運(yùn)輸階段，因此不依賴于瀝青拌和站從而具有高度靈活性；其次施工過程相較于傳統(tǒng)瀝青路面工藝流程簡單，復(fù)合有機(jī)水硬性混合料的拌和及施工等過程可在常溫條件下進(jìn)行。

（2）裝備能耗與成本效益

采用復(fù)合有機(jī)水硬性材料的路面建設(shè)主要涉及到原材料的運(yùn)輸、復(fù)合有機(jī)水硬性材料的拌和與攤鋪、復(fù)合有機(jī)水硬性材料的攤鋪裝備等。相較于傳統(tǒng)瀝青銑刨重鋪處治橋頭沉陷，減少了瀝青混合料運(yùn)輸汽車、瀝青拌和站等大型器械的裝備能耗，降低了施工造價(jià)成本。

（3）環(huán)保效益

國內(nèi)有大量學(xué)者對傳統(tǒng)瀝青路面施工的能耗、碳排放進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算[3-4]。而相同條件與測算范圍內(nèi)（能耗值在280～380MJ/t、碳排放值在21～31kg/t），可得到復(fù)合有機(jī)水硬性材料半柔性路面施工較傳統(tǒng)熱拌施工能耗、碳排放降幅均達(dá)到71.20%，并且復(fù)合有機(jī)水硬性材料的使用全過程均在常溫條件下，有害氣體幾乎不會產(chǎn)生；顆粒物會在上料、攪拌過程中產(chǎn)生，實(shí)際測得顆粒物排放值為0.47mg/m3，遠(yuǎn)低于二級標(biāo)準(zhǔn)值3.5mg/m3[5]。

3 結(jié)語

復(fù)合有機(jī)水硬性材料結(jié)構(gòu)剛?cè)岵?jì)，擺脫了瀝青軟化點(diǎn)指標(biāo)對于材料熱穩(wěn)定性的限制，并且能夠有效預(yù)防水損害，提高路面使用性能與壽命；其次，此技術(shù)施工工藝簡單，能夠顯著降低施工成本，提高施工效率；并且采用復(fù)合有機(jī)水硬性材料處治橋頭跳車節(jié)能減排，對環(huán)境友好；綜上，采用復(fù)合有機(jī)水硬性材料處治橋頭跳車能夠更好地發(fā)揮高速公路的運(yùn)輸效益，對高速公路的養(yǎng)護(hù)具有良好的環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益。