基于足尺试验的隧道路面结构优化与材料研究
【成果名称】基于足尺试验的隧道路面结构优化与材料研究
【完成单位】浙江临金高速公路有限公司
【鉴定/评价日期】2020-10-29
【被鉴定/评价的水平】国际先进
【成果内容简介】
目前，浙江省的隧道路面结构多采用复合路面结构。首先，对浙江高速公路隧道路面的现状及国内外高速公路隧道路面结构及使用现状展开充分调研，主要包括浙江高速公路的交通量及交通组成、隧道内路面的工作环境及结构形式、混合料形式、病害形式、使用寿命、维修养护、设计方法等，调研发现，目前隧道路面的设计和使用存在以下问题：高速公路隧道路面结构设计中采用的设计方案，不能适应隧道内较小的温度变化、无高温条件、较好的地基条件等客观因素，造成了一定的人力、财力的浪费。其次，隧道内路面结构设计没有专门的规范和指南，在隧道路面结构设计时则通常套用公路或城市道路设计规范。而隧道内的气候环境和路基的支撑条件却明显的不同于隧道外的路面，按照一般公路路面的设计方法来考虑隧道内的路面结构设计明显是不妥的。针对以上的不足，以浙江高速公路建金高速隧道为依托，以前期调研结果为依据，通过数值模拟的手段，结合正交试验设计方法，对复合式路面、半刚性基层沥青路面、柔性路面三种主要结构形式发生不同病害时的路面结构内的应力应变响应进行分析，从而完成隧道内路面结构设计方法的研究。利用研究提出的隧道内路面设计方法，从路面结构组成、路面厚度、材料参数等角度对浙江隧道路面结构进行优化设计，并对提出的路面结构进行各项疲劳寿命预估；结合成功经验、技术经济性分析，推荐用于加速加载试验的路面结构及其材料参数。再次，通过召开专家论证会的形式，最终确定用于现场加速加载的试验段结构组合及厚度。对确定的现场试验段方案，进行试验段的铺设，试验段铺设过程中进行各类传感器的埋设，加速加载试验完成后，进行数据的分析处理，得出各路面结构的响应特征，提出其关键指标，估算各类路面结构的寿命，进而进行技术经济分析，推荐浙江隧道路面结构。最后，根据上述数值模拟分析、足尺加速加载试验分析，提出浙江高速公路隧道路面优化设计方法。
课题主要创新点：
1）基于数值模拟分析，通过现场足尺加速加载试验，提出了隧道路面结构设计指标：隧道复合式路面结构设计辅助指标为应力强度因子，隧道柔性路面结构设计指标为沥青上面层层底拉应变；在此基础上编写了浙江隧道路面结构设计指南。
2）通过现场足尺加速加载试验，提出了隧道复合式路面反射裂缝的两阶段理论，第一阶段水泥混凝土基层无裂缝工作，第二阶段水泥混凝土基层带裂缝工作；两阶段对应的交通量分别为：水泥混凝土基层产生裂纹的交通量（由足尺现场加速加载试验测得，换算为标准轴载约为1200万次）；水泥混凝土基层产生裂缝后扩展至路面结构层定的交通量。
3）揭示了隧道复合式路面的反射裂缝的产生、发展机理，基于断裂力学理论、虚拟裂纹闭合法，提出了基于应力强度因子的隧道复合式路面反射裂缝预测方法。
4）推荐了浙江隧道路面典型结构：
①隧道复合式路面推荐结构：5cm沥青层（改性）+橡胶沥青应力吸收层+防裂贴或格栅+18cm水泥混凝土（弯拉强度不小于4MPa），横缝间距40m～60m（进出口100m）、100m～150m（隧道内部），不设纵缝。围岩条件较差或可能存在涌水的隧道优先采用该结构。
②隧道柔性路面推荐结构：5cm沥青层（改性）+15cm ATB-25 基层+7cmATB-25 或 15cm级配碎石 底基层，适用于无涌水的隧道。
5）开发了隧道路面复合式路面水泥混凝土基层断裂强度因子计算程序。
【成果前景介绍】
成果应用：试验段铺设于依托建金高速工程项目的清水塘隧道右洞，桩号位置为YK2461+765～YK2462+258，根据三种方案对比确定最佳路面结构并根据实际情况加以应用；在建金高速清水塘隧道右洞路面结构设计中提供技术支持;利用课题研究成果对建金高速项目中对诸多隧道路面结构进行提升改造。
经济社会效益：本项目研究成果成功应用后，将在降低隧道路面破损、延长隧道路面使用寿命的条件下降低初期建设成本20%～30%。隧道路面由于特殊的封闭环境条件，导致其日常维修过程中对交通影响大、维修难度大、费用高等现象，本项目的实施将大幅降低维修养护次数、改善道路的通行情况、提高道路通行能力，产生良好的社会效益。
推广措施：利用本课题研究成果和设计指南，在后续新建的类似工程中继续加以应用，在现有工程的改造中，根据保障措施的要求，进行工程的进一步优化完善，并对应用效果加以分析评估。