G15公路大修工程关键设计问题探究

周丹，孟庆楠

（1.上海市路政局，上海市200023；2.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

G15公路大修工程关键设计问题探究

周丹1，孟庆楠2

（1.上海市路政局，上海市200023；2.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

G15公路大修设计以老路路基路面检测结果为依据，结合累计轴载次数的分析，合理确定设计弯沉值，制定了满足现行标准的预留车道路基处理方案。以路面结构强度指数作为主要参数针对性地提出了老路维修方案，并根据重载车辆多的情况，采用了适用于重载交通的路面结构材料，对排水设施进行了优化设计，结合施工方案、自身维交、封交、路网分流等多方面综合考虑，提出了施工期间交通组织方案，期望为日后类似工程提供参考。

高速公路；结构强度；累计轴载次数；排水设施；交通组织

0 引言

近年来，随着我国高速公路网络的日益完善，高速公路的建设步伐也逐步放缓，特别是上海地区，高速公路的规划建设发展已经开始由建设期逐步向养护、维修、改建期进行转变。

高速公路的设计使用年限一般为15 a，但随着近年来经济的飞速发展，客货运交通流量的几何式增长，往往通车5～8 a就达到原高速公路设计15 a所累计的交通量及轴载次数。虽然高速公路日常养护可有效延缓路面使用性能的衰减，但也仅仅局限于道路表面功能性的暂时性恢复，难以持久，并且对于长期以来累积的大面积的结构性、疲劳性损坏则需要依靠大修进行“根治”。本文结合G15公路松浦二桥以南大修工程，对高速公路大修工程中遇到的重点设计问题进行探究。

G15公路（嘉金段）北起嘉定区G1501上海绕城高速公路，南至金山区S4沪金高速公路西段，全长约65 km。G15公路（嘉金段）是连接江浙两省的快速通道，也是上海西部多区之间沟通的一条重要通道，同时承担了市域区间及江浙两省过境两部分交通需求的重任，有效减轻了S20外环线和G1501郊环线的交通压力。G15公路（嘉金段）设计车速100 km/h，黄浦江以北为双向6车道，黄浦江以南为双向4车道规模，结合本次大修工程，将黄浦江以南段一并拓宽为双向6车道规模。

1 对老路检测结果的分析

黄浦江以南段于2007年2月底通车，多年使用后路面出现了明显损坏。

1.1 路表面性能

路表面各项检测指标的评价按照上海市地方标准《公路技术状况评定规程》（DG/T J08-2095—2012）的规定执行，路表性能以PCI、RQI、RDI、SRI等指标进行评价，见表1。

表1 路表性能检测结果%

1.2 路面结构强度分析

对于高速公路的路面结构强度指数，PSSI=100/（1+15.71×e-5.19×SSI），其中SSI即路面设计弯沉ld与检测路段代表弯沉值l0的比值。计算公式中可以看出，路面设计弯沉值ld的确定是影响老路结构强度评价结果的重要参数，ld的取值应结合交通流量、轴载分析后通过计算确定。根据老路的竣工资料，老路的土基顶面回弹模量按30 MPa设计，设计弯沉为32.1（0.01 mm），反算一个车道内累计轴载作用次数Ne约为2.3×106次。根据交通量统计结果，仅2015年一个车道内的平均累计轴载作用次数就达到近1.4×106次，原设计弯沉值显然已无法满足目前高速公路流量快速增长的要求。

按高速公路沥青路面设计年限15 a计算，结合不同路段的交通流量特征进行分析计算，以G1501为界，至2032年，G1501以北一个车道内累积轴载作用次数约为3.23×107次，对应设计弯沉值18.9（0.01 mm）；G1501以南一个车道内累积轴载作用次数约为2.23×107次，对应设计弯沉值20.4（0.01 mm）。考虑到G1501以南金山工业区的持续发展，货运车辆日益增加，故全线设计弯沉统一采用18.9（0.01 mm）。路面结构强度检测分析结果见表2。

表2 路面结构强度检测分析结果%

1#车道的路面结构强度优良率高于2#车道，说明重车、慢车对路面结构的破坏较大。路面结构强度评价为“中”及以下的路段有：上行1#车道占53%，下行1#车道占32%，上行2#车道占61%，下行2#车道占53%。评价为“中”以下的路段比例，一般的常规性养护已难以满足高速公路的使用要求。

1.3 路况衰变分析

对于高速公路大修工程，应结合高速公路历次普检、年检等资料，分析路面使用性能的衰变趋势，进而可预测工程建设过程中各阶段道路性能的大致情况。根据近年来G15公路的路况数据统计结果，在常规养护作业及小修小补的情况下，路面使用性能年均衰减约2%，如图1所示。

1.4 路基强度

根据老路竣工图资料，G15公路（嘉金段）建设时老路中分带内路基已按整幅断面一并填筑完成，按照当时的设计标准，老路路基顶面回弹模量不小于30 MPa，现状中分带内填土大部分在0.8～1 m。耕植土以下以灰土为主，厚度在2～4 m，灰土以下基本上为原状土。上路床范围的压实度平均为92%，路堤范围内平均值为89.7%，均达不到新建路基压实度的要求；填料的CBR平均值为5.1%，也仅能达到下路床的路基填料要求。

除了路基压实度和填料CBR值，路基回弹模量也是一项非常重要的指标，但现状老路中分带内由于种植绿化，无法进行检测。G15公路路基的设计标准与原沪杭高速公路的路基设计标准相同，路基填筑采用的填料也基本一致，故参照沪杭高速公路的研究成果，对路基的回弹模量进行预估，对于低液限的黏土材料，CBR值和压实度K值与回弹模量E0的关系如下：E0=15.775CBR0.464，E0=58.151K10.026。路基顶面回弹模量预估参考值见表3。

图1 路况衰变曲线图

表3 路基顶面回弹模量预估参考值

不同参数预估的路基回弹模量的预估总平均值恰好约30 MPa，基本符合原设计标准30 MPa的要求。考虑到路基钻孔取样试验点深度均在1 m以下，部分数据位于下路床范围内，故可能造成中分带内现状路基顶面回弹模量值略小，所以根据估算公式基本上认为老路路基符合原设计标准。但与现行高等级公路要求的40 MPa的标准相比仍然偏低，故在设计阶段需考虑对中分带路基进行补强处理。

2 针对检测结果的设计方案

2.1 拓宽车道路基处理

对于本工程拓宽车道的路基处理主要关注两个问题：拓宽车道路基不均匀沉降问题和路基的压实度、强度问题。

本工程中分带内拓宽车道的路基在老路建设时一并实施，对于不均匀沉降问题，从恒载方面来讲，由于中分带路基顶面耕植土的填筑，相当于进行了多年的欠载预压，预留车道实施后路基顶面的恒载仅增加约3%，可基本忽略不计，同时结合拼宽后路基车辆附加荷载的影响进行了沉降计算，拓宽部位与老路路基的年均沉降差不足1 mm，基本上无明显不均匀沉降的发生。

对于路基压实度和强度问题，由于本次设计采用的2004版的路基设计标准比原路基采用的1995版路基设计标准有较大的提高，同时根据路基检测数据及进行的一系列预估处理结果，现状路基难以满足新建车道路基的使用要求，故需对现状路基进行补强处理。

本工程预留车道路基已一并实施，仅压实度、强度略低于现行标准，从节省工程造价、施工工期等因素考虑，同时参考相关已实施的较为成功的工程案例（沪杭松枫段拓宽工程，预留车道老路基仅采用灰土处理上路床30 cm），本工程设计阶段采用两种换填方案进行了比较，处理深度均为60 cm，见表4。

表4 路基处理方案对比表

虽然土壤固化剂处理土方的单价较高，但考虑到施工期间土方外运费用、施工期间中分带内凹槽积水、可能出现的扬尘等不利影响，设计方案推荐采用土壤固化剂的路基处理方案。

2.2 路面设计方案

现状老路面沥青面层总厚度15 cm（4 cm+5 cm+6 cm）面层+0.6 cm封层+40 cm水稳基层+15 cm砾石砂垫层，沥青面层偏薄。因此为达到18.9（0.01 mm）的新设计弯沉指标，无论是新建拓宽车道还是老路大修车道，与原路面结构相比均需加强。

对于新建拓宽车道的路面结构，采用上海地区高速公路常用的路面结构：18 cm（4 cm+6 cm+8 cm）沥青面层+0.8 cm稀浆封层+40 cm水稳基层+15 cm级配碎石。考虑到现状路面病害中反射裂缝较多，故在新建水稳顶面、稀浆封层下面铺设一层聚酯玻纤布以加强防反。

对于大修的路面，以《公路路面养护技术规范》（DB31/T 489—2010）中的公路沥青路面维修对策树为指导，并以PSSI强度作为是否翻挖新建老路路面结构的控制指标（见表5）。

表5 不同PSSI等级对应的临界弯沉值

考虑到代表弯沉值通常为一个路段的评价结果，具有一定的笼统性，故本次设计采用单点弯沉值作为路段维修的依据。对弯沉值小于18.9的路段，认为该路段路面结构使用状况良好，无须进行补强，仅根据纵断面设计成果进行铣刨加罩即可；对弯沉值大于18.9且不大于31.04的路段，结合工程经验及相关的检测数据，采用地聚合物注浆补强的设计方案；对弯沉值大于31.04的路段采用基层翻挖新建的处理方案，基层原则上仍以水稳为主，并以40 m作为最短水稳翻建施工段落。大修路段的路面结构按至少与拓宽车道结构厚度相同的标准进行控制，一般来讲，受老路沉降及纵断面拉坡控制，大修车道的路面结构要厚于拓宽新建车道。

对于面层材料来说，考虑到重载货车较多，对表面层采用了重载交通专用改性沥青的SM A-13，中面层AC-20掺加了抗车辙剂，同时考虑到本工程的铣刨旧料较多，故下面层采用AC-25C厂拌热再生以加强旧料的回收利用。

2.3 排水设施优化

公路路基路面病害多数是水损坏，现场发现的排水问题主要为现状缝隙式排水槽堵塞造成的超高段中分带内侧积水，硬路肩外侧浅沟缘石沉降和损坏导致排水不畅、路基边坡受到冲刷、路基边坡外侧边沟阻塞等。针对这些问题，结合后期的养护需求，将超高段中分带内侧缝隙式排水槽改为盖板边沟，同时超高段中分带每隔30 m设置一处过水口；拓宽车道后3 m中分带内两边各设置80 cm宽检修通道，便于养护人员通行的同时减小中分带的受水面积，同时拓宽车道路基处理时，铺设防渗土工布，防止水分渗入车行道路基内。硬路肩外侧浅沟缘石调整为平石，采用排水能力更强的漫流排水方式，并在全线采用拱形护坡以减少水流对边坡的冲刷，同时对边沟进行修复和清理。

3 施工期间交通组织

G15公路的交通较为繁重，在施工期间需维持双向四车道的通行规模。设计提出两种施工组织方案，从施工和安全角度综合考虑，以方案2作为主要实施方案。

方案1：先中间后两边的施工方案。车辆有冲入施工作业区的危险，分期施工会导致路面存在明显的纵缝，夜间对向车辆眩光影响较小，如图2所示。

图2 方案1施工围封示意图

方案2：半幅完全封闭施工的方案。该方案需在现状中分带拓宽车道位置先设置临时交通便道，以实现双向4车道的通行规模，该方案对于施工安全有较好的保障，施工与行车互不干扰，但对向车辆夜间行驶有一定的眩光问题，需采取防眩措施并加强管理，如图3所示。

G15公路黄浦江以南段的平行分流道路主要有南北向的亭卫公路（G320，双向2车道，距离约1.2 km）、松卫南路（S124，双向4车道，距离约4.8 km）以及新卫高速（双向4车道，距离约12.5 km）等，东西向连接道路主要有叶新公路（S324，双向2车道）、G1501绕城高速（双向4车道）、金山工业区大道（双向4车道）以及S4沪金高速（双向4车道），以上道路的路况总体上来看也相对较好。

根据路网流量监测情况，在白天大部分时间内，G15公路黄浦江以南段以及沿线各路网基本处于畅通（局部路段缓行）的状态，可以说完全具备G15主线交通分流的条件，能够为分流车辆提供较高的服务水平，同时G15也具备自身维交施工的条件，如图4所示。

图3 方案2施工围封示意图

图4 G15公路周边路网分流道路

4 结语

本文结合G15公路黄浦江以南大修工程的实例，对大修工程设计阶段需要重点关注的几个方面予以详述。

（1）老路检测结果分析是大修项目设计方案的重要依据，而老路PSSI的评价又是重中之重，需谨慎分析累计轴载次数与设计弯沉值，避免出现对路面结构强度评价过高或过低的情况，以便合理制定工程维修方案。

（2）由于施工阶段与工可研究阶段时间跨度可能较长，施工时的路况要远差于工可阶段，为避免出现工可估算不足的情况，建议对大中修类工程结合历年来路况衰变曲线，评估衰减速率，并以此为依据对估算维修工程量进行适当抛高。

（3）上海地区在早期高速公路建设时，常采用预留车道的做法，本文对预留车道的拓宽处理方案可为后续类似工程的设计提供参考。

（4）水是影响道路使用性能的重要因素，设计时必须重点关注排水设计，增强排水通道的泄水能力，同时应考虑日后养护的便捷性。

（5）施工期间交通组织是高速公路大修工程的一个重要工作，甚至会影响到整个工程的维修方案合理性，应结合施工方案、自身维交、封交、路网分流等多方面综合考虑，确保施工期间的保通保畅。

[1] 张奎鸿，李俊，王士林.上海地区常用路堤材料CBR值研究[J].华东公路，1999（5）：62-66.

[2] JTG D50—2006，公路沥青路面设计规范[S].

[3] DG/T J08-2095—2012，公路技术状况评定规程[S].

[4] DG/T J08-2191—2015，公路大中修工程设计规范[S].

U412.36

B

1009-7716（2017）11-0042-04

2017-07-10

周丹（1983-），男，四川宜宾人，工程师，从事道路基础设施管理工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.012