山区特长隧道水泥混凝土路面施工关键技术研究

王 涛，刘艳军，李 亮，李伟雄

(1.中交路桥建设有限公司，北京 100027；2.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司，广东 广州 510641)

1 引 言

截至2018年底，我国公路隧道增长率迅猛提升，隧道路面的路用性能越来越受重视。隧道属于半封闭式构造物，尤其是长隧道，存在空气流通性差、湿度大、内部涌水或洞壁渗水等问题。由于热拌沥青混合料的隧道施工环境恶劣，洞内路面质量亦难以保证，潮湿环境下的沥青路面易出现水损害，影响其耐久性。水泥混凝土路面具有水稳定性好、结构强度高、耐久性好的特点，其颜色特征适用于隧道照明环境。但是水泥路面平整度差、抗滑性能不足一直是隧道路面施工亟需解决的问题。

本文依托新建高速特长隧道路面，从混凝土配合比优化设计、拌和、摊铺与布料、构造施工等环节开展关键技术研究工作。

2 试验段概况

连英高速是汕(头)昆(明)高速公路的连平至英德段，经过粤西山区，桥隧比较高。依托项目金门隧道为特长隧道，其中左线K194+490～K201+588全长7 098 m(含进出口606 m)，右线K194+497-K201+585.626(含进出口606 m)，全长7 088.626 m；路面采用C40水泥混凝土。

3 水泥混凝土配合比设计优化

3.1 原材料

(1)水泥：选用广东英德市海螺水泥厂生产的P.O42.5水泥，其技术指标均符合规范与设计文件要求。

(2)粗集料：选用广东省英德市茶果示范场石场生产的5～10 mm、10～20 mm、16～25 mm三档规格的碎石，各项指标符合设计要求。

(3)细集料：选用礤下砂场的天然砂，细度模数实测值为2.66，洁净度、密度、空隙率等各项指标符合设计要求。

(4)水：采用人或牲畜的洁净饮用水。

(5)外加剂：采用聚羧酸JB-ZSC型。

3.2 正交设计法

采用正交法进行混凝土配比试验，选择L9(34)正交设计表对水泥用量、用水量、砂率、外加剂四个因素进行分析，探索各因素对混凝土坍落度与弯拉强度的影响，见表1。其中，试配抗弯拉强度为5.75 MPa，混凝土坍落度为10～30 mm。

表1 L9(34)因素水平表

试验结果(表2)可得，影响坍落度的因素依次为：用水量>水泥用量>外加剂>砂率；影响弯拉强度的因素依次为：水泥用量>用水量>砂率>外加剂。综合考虑设计要求、运输距离及气候温度等，选用坍落度大且满足弯拉强度设计要求的配合比作为优选方案。最终确定试验组合方案为：A3B2C1D3。即水泥∶河砂∶碎石∶水∶减水剂=395∶658∶1 222∶145∶4.07(kg/m3)，其中，在配合比正交试验过程中，初定各档碎石的比例为16～25 mm∶10～20 mm∶5～10 mm=4∶4∶2。过去的研究往往忽略了混凝土中粗集料级配的影响。本文从粗集料级配入手，进一步对上述配合比进行优化设计，以期提高水泥混凝土弯拉强度可靠度及其耐磨性能。

3.3 分级掺配法

混凝土的致密状态直接决定了其强度与水稳定性。1970年，美国Lees提出一种矿物分级掺配方法，旨在通过混合适当比例的粗细集料提高混合料的填充密实度。当混合物密度最大时，可获得最密实的粗细集料级配比例。

采用下振型振动试验台对粗集料进行振动充填试验(频率为50 Hz，振幅为1 mm)。具体试验过程如下：

表2 正交试验结果直观分析

(1)先将16～25 mm和10～20 mm两档集料按16～25∶10～20=5∶5、4∶6、6∶4、3∶7、7∶3、8∶2、2∶8进行调配并拌合均匀，倒入捣实筒进行振动，计算其紧装密度，见表3。

表3 集料(16～25 mm和

试验结果表明：当粗集料密实度最大时，16～25 mm∶10～20 mm规格料比例在6∶4和7∶3之间，插值确定16～25 mm和10～20 mm的比例为6.5∶3.5。

(2)取样步骤(1)的(16～25 mm+10～20 mm)混合集料，按(16～25 mm+10～20 mm)∶5～10 mm=6∶1、5∶1、4∶1、3∶1、2∶1，调配混合均匀，进行第二阶段的振动填充试验，其紧装密度见表4。

表4 集料(16～25mm+10～20 mm和

该组试验结果表明：当粗集料密实度最大时，(16～25+10～20)∶5～10的比例在4∶1。

根据换算，结合工程实际确定粗集料16～25 mm∶10～20 mm∶5～10 mm的比例为5∶3∶2。

3.4 水泥混凝土性能评价

由表5可知，分级掺配法对混凝土的坍落度影响不大，能够保证施工和易性。相比原级配，优化级配的7 d与28 d弯拉强度提高10%以上。采用水泥胶砂耐磨试验机开展养生完成后的水泥试件耐磨性试验，发现优化级配的混凝土磨耗值明显低于原级配。说明调整混凝土内部粗集料的级配可以使水泥混凝土内部形成的致密填充结构，也可以很好地改善混凝土的力学强度和磨耗性能。

表5 不同设计法的混凝土性能对比

4 施工过程关键技术

4.1 施工后场的控制

优选清洁高质量粗细集料，严格控制粗集料含泥量和细集料模数。每天分3次(早、中、晚)抽检各档集料含水率。确保水泥混凝土充分搅拌，要求水泥混凝土总拌和时间不小于80 s，控制各类原材料的进料次序，水泥进料完成后方能加水，纯拌和时间至少40 s。随着水泥温度的升高，混凝土的初凝与终凝时间均缩短，导致混凝土缺少足够的运输、摊铺和整平、拉毛时间，应严格控制投放的水泥温度低于70 ℃。

4.2 施工前场的控制技术

定期对组装的滑模摊铺机进行调试，并保持摊铺机使用过程的整体稳固。此外，还要定期检查与调整摊铺机底板、搓平梁、超级抹平器等关键部件。振捣棒设置要合理，排列均匀，间距适宜，高度一致。

布料均匀性与连续性控制。在水泥混凝土施工过程中，要求挖掘机在卸料后及时分料，严禁挖掘机直接碾压混凝土或滑模摊铺机直接顶推高大堆料，且要求摊铺机的螺旋布料器应保持连续工作状态，保证混凝土的横向松铺厚度均匀一致(厚度以挡料板中间高度为宜)。确保搅拌设备、运输设备、摊铺设备有序运行，拌和楼产量与摊铺机行走速度的需求量匹配，摊铺速度控制在0.6～2.0 m/min，确保摊铺连续性。

基准线架设的稳定性控制。确保滑模基准线的稳定性，桩间距在直线段10 m，曲线段建议加密为5 m。缓和曲线段或纵断面竖曲线段可在5～10 m范围选取。每10 m挠度值不应大于1 mm。基准线材料优先选钢丝，在保证强度的前提下越细越好，但不能小于3 mm。切实减少各种外界因素对基准线的干扰。

人工作业的控制。通过抹平板难以完全消除的麻面、骨料裸露等缺陷，可由人工适当处理。局部浮浆较厚较浓稠部位，建议取样测试标准稠度，表面浮浆稠度宜小于9，标准稠度过大的部分应人工刮除，控制表面浮浆稠度与厚度有助减少表面干缩变化，提高平整度。人工修整应使用技术熟练的工人并加强培训。

5 路面抗滑构造施工控制要点

5.1 拉毛施工

对于湿软状态下的路面微观纹理主要采用拉毛方式制作，麻絮布片接触路面的长度宜为0.7～1.5 m。使用过程应对拉毛工具破损率和清洁程度进行定期检查，及时清理更换。

硬化后的路面拉毛不到位或者施工车辆磨光区域，实测摩擦系数不足，可使用二次硬拉毛方式恢复路面微观纹理，如钢刷刷毛、喷丸打毛等方式。

5.2 刻槽施工

研究表明，横向刻槽的纵向制动摩擦力比纵向刻槽的高约25～35%，有助于缩短刹车制动距离。依托项目路面为单坡路段，平均纵坡坡度为1.95%，坡长约6.5 km，尚未达到路线设计规范中的长、陡纵坡的定义，但也应重视重载货车的制动距离。因此本项目以横向刻槽为主。

混凝土完成养生，且强度达到设计强度的70%以上，即可安排刻槽作业。根据刻槽参数与施工进度要求，选择匹配的刻槽机械，并安装好相应尺寸的刀片。为了保证刻槽的顺直与贯通，先进性挂线再配合人工进行机械刻槽。施工过程中安排专项技术人员喷水冷却刀具。刻槽完成后，使用高压水枪冲洗路面，防止砂浆积聚固结，堵塞沟槽。

6 质量检测结果

6.1 路面平整度评价

采用三米直尺对金门隧道水泥混凝土面层试验段进行平整度检测，共160个点，最大值8.2 mm，最小值1.0 mm，合格率达到91.9%，达到预期目标与交验要求。

6.2 路面抗滑性能评价

经过拉毛与刻槽处理后的水泥混凝土路面， 采

用构造深度检测，路段构造深度均值为0.92～1.14 mm范围，满足设计的0.8～1.2 mm要求。使用横向力系数车在标准速度下进行摩擦系数测定，车道横向力代表值为59.7，满足交验要求。

7 结 论

以金门隧道水泥混凝土路面施工为依托，从原材料控制、混合料级配优化、摊铺、抗滑构造施工等各个关键环节的质量控制，以改善隧道水泥混凝土路面施工质量。

在传统正交试验法基础上，基于分级掺配法进行粗集料级配优化，可以明显提升水泥混凝土的密实程度，改善混凝土力学强度与耐磨性。通过原材料控制、混合料设计、摊铺工艺的控制，充分发挥滑模摊铺机的抹平效果，减少人工的干扰，有利于提高水泥路面整体平整度和抗滑性能。