蔡正森，黃傳武，許新權，李善強，吳傳海，馬 濤

(1. 東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096；2. 公路交通安全與應急保障技術及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，廣東 廣州 510420；3. 廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420)

高速公路隧道路段是道路事故黑點，交通事故多發(fā)且極易造成群死群傷，在事故總數(shù)、受傷人數(shù)、死亡人數(shù)方面，比例均高于普通公路路段[1,2]。統(tǒng)計資料顯示，公路隧道里程雖僅占公路總里程的0.03%，但隧道交通事故數(shù)、死亡人數(shù)依次占公路交通事故的0.36%，0.5%，且高速公路隧道交通事故占全部隧道交通事故的59.4%[3]。

隧道路面的長度大于1 km時，出于火災隱患的考慮，通常采用水泥混凝土進行鋪筑。長大隧道內(nèi)部較洞外較為密封，溫差小、濕度較大，地下水和路表水豐富，已建隧道水泥路面大多依照一般路基段水泥路面進行設計和施工，沒有考慮隧道路面特殊工作環(huán)境，因此隧道路面在使用中常常出現(xiàn)不同程度的問題和病害，其中最突出的就是路面抗滑性能衰減過快、行車噪聲大等問題[4,5]。資料表明[6]，高速公路隧道事故率高達普通路段事故率的1.34～8倍，而81%的事故與路面抗滑能力不足導致車輛制動時發(fā)生側滑有關。

早在1980年，歐洲比利時等國家就已經(jīng)開始使用露石技術來進行道路水泥混凝土路面的鋪筑，并取得優(yōu)良的降噪和抗滑效果。露石水泥混凝土路面(Exposed-Aggregate Cement Concrete Pavement，EACCP)自十九世紀引入中國[7]。2016年8月，廣東某高速公路LHS 2號隧道進出口位置鋪筑兩種不同粒徑的露石路面，其中隧道進洞約300 m處鋪筑的露石路面最大粒徑為19 mm(EACCP2)，隧道出口處鋪筑的露石路面最大粒徑為13.2 mm(EACCP1)，這是國內(nèi)首次在高速公路上進行EACCP嘗試。相較于普通水泥混凝土路面(Plain Cement Concrete Pavement，PCCP)，露石路面以其更加優(yōu)良的降噪、防眩光、排水能力[8]等備受國內(nèi)外專家學者的青睞。但處于隧道內(nèi)部的露石路面路用是否能夠經(jīng)得起隧道內(nèi)部特殊環(huán)境的考驗，有待進一步驗證。通過溫濕度、光照度、顆粒物及行車噪音等調(diào)查資料，對不同紋理路面的服役狀況進行對比和分析。

1 調(diào)查內(nèi)容及方法

1.1 隧道溫濕度調(diào)查

使用進口美國福祿克溫濕度檢測儀器(見圖1右側)，檢測指標為：濕度、溫度等數(shù)據(jù)；檢測位置為：隧道不同路段(隧道入洞外100 m、入洞外50 m、入洞口、入洞內(nèi)50 m、入洞內(nèi)100 m、隧道中間位置、出洞內(nèi)100 m、出洞內(nèi)50 m、出洞口、出洞外50 m和出洞外100 m)。

1.2 隧道光照度調(diào)查

為研究不同路面類型表面亮度情況，使用臺灣泰仕專業(yè)光亮度計(見圖1左側)進行路面光亮度調(diào)查。

圖1 溫濕度、光照度檢測設備

1.3 顆粒物調(diào)查

使用北京易源瑞達科技有限公司生產(chǎn)的E-Air-0600空氣質(zhì)量檢測儀(見圖2)檢測空氣中的PM1.0，PM2.5，PM10等不同粒徑顆粒物含量。檢測位置為：入洞外100 m、入洞外50 m、入洞口、入洞內(nèi)20 m、入洞內(nèi)40 m、入洞內(nèi)60 m、入洞內(nèi)80 m、入洞內(nèi)100 m、入洞內(nèi)300 m、入洞內(nèi)500 m、入洞內(nèi)700 m、入洞內(nèi)1000 m、隧道中間、出洞內(nèi)600 m、出洞內(nèi)400 m、出洞內(nèi)200 m、出洞內(nèi)100 m、出洞內(nèi)60 m、出洞內(nèi)40 m、出洞內(nèi)20 m、隧道出口、出洞外50 m、出洞外100 m。

圖2 空氣質(zhì)量檢測設備

1.4 行車噪音檢測

采用德國Mueller BBM PAK Mobile MKⅡ噪聲測量儀進行行車噪聲測試。為了保證測量的穩(wěn)定與連續(xù)，制作專門的支架(見圖3)固定噪聲采集麥克風，保持距離輪胎及地面約15 cm的距離。選擇晴天且隧道路面干燥路段進行噪聲測試，防止路面有水時，輪胎帶起的水對測試設備造成干擾。

圖3 近胎噪聲檢測裝置固定支架

2 路面服役環(huán)境變化情況

2.1 EACCP防眩光性能

為了更加科學直觀地測試隧道內(nèi)不同種路面的防眩光性能，并排除隧道外自然光線的干擾，于隧道內(nèi)分別在三種路面銜接位置附近分別選擇兩個測試點，進行路面亮度測試試驗，結果見圖4，5。

從圖4，5中可以看出，由于瀝青路面本身為黑色，具有吸光性質(zhì)，其表面亮度最低；EACCP使用與瀝青路面一樣的黑色骨料，但骨料之間的水泥砂漿本身顏色較瀝青亮，因此測試的路面亮度要高于瀝青路面；刻槽路面亮度最高。

圖4 瀝青與露石路面亮度對比

圖5 刻槽與露石路面亮度對比

從圖6可以看出，刻槽水泥混凝土路面(A區(qū)域)由于表面微觀紋理較少，對光線的散射作用有限，會發(fā)生強烈的反射現(xiàn)象；而EACCP表面(B區(qū)域)反光現(xiàn)象較弱。這是因為露石路面表面為裸露的黑色骨料，表面紋理較刻槽路面更豐富，可以使投射到路面的光線得到很好的散射，使路面亮度降低。

圖6 露石路面與刻槽路面反光性能對比

2.2 行車噪聲對比

車輛在路面行駛時，由于空氣泵吸作用和輪胎振動作用產(chǎn)生噪聲[9]。文獻[10]指出行車噪音與路面構造深度有一定相關性。筆者對行車過程中輪胎與路面的作用進行分析，噪音的產(chǎn)生一方面來源于輪胎受到擠壓時表面紋理內(nèi)部的空氣泵吸作用，另一方面來源于行駛過程中輪胎與路面的碰撞作用。兩者在路面構造深度由小線性增大變化時，撞擊作用逐漸增大，而泵吸作用逐漸減小，應具有一個綜合作用最小點，而非隨路面構造深度由小增大的單方面變化。為了研究不同紋理路面的噪聲值差異，選擇隧道內(nèi)四種不同紋理路面和隧道外瀝青路面，使用近胎噪聲測試方法進行行車噪聲測試，測試車速為60 km/h。

從圖7可以看出，不同紋理路面的近胎噪聲值不同，其中刻槽路面的噪聲值最大，小粒徑露石路面的噪聲值最?。煌N類型路面，隧道內(nèi)的噪聲值比隧道外大。分析原因為：相較于刻槽路面，瀝青路面和露石路面的表面微觀構造和宏觀構造都更加豐富，在車輛行駛時，受到輪胎擠壓的空氣能夠更好地擴散于路表面以下的構造中，表現(xiàn)為車輛近胎噪聲值小。針對隧道相對封閉的環(huán)境，隧道路面推薦采用小粒徑露石混凝土路面，以達到降低噪聲的目的。

圖7 不同路面行車噪音均值對比

2.3 隧道溫濕度對比

目前針對隧道內(nèi)部特殊環(huán)境的研究較少，認識程度較低[11～14]，但對比隧道內(nèi)外路面服役環(huán)境發(fā)現(xiàn)，隧道內(nèi)部為低溫度、高濕度的環(huán)境[15]。將采集到的隧道溫濕度數(shù)據(jù)繪制成隧道溫濕度曲線(圖8，9)，以隧道中間位置隔開進行對比。

圖8 兩個方向隧道溫度對比

圖9 兩個方向隧道濕度對比

由圖8，9可以看到，隧道下行進出口鋪筑EACCP之后，隧道內(nèi)部呈現(xiàn)溫度高，濕度反而較低的特點。根據(jù)文獻[16]，隧道洞外溫度越高，洞內(nèi)相對濕度越大，隧道內(nèi)部濕度主要來源是隧道外濕熱空氣被帶入隨帶內(nèi)部冷凝。對比隧道兩個方向，可以看出：一方面，由于EACCP豐富的表面紋理，路表比表面積較刻槽路面更大，使得整個路面的表面蒸發(fā)能力更強，由隧道外部進入的冷空氣形成的冷凝水能夠更快被蒸發(fā)；另一方面，EACCP具有優(yōu)異的排水能力，可以將路表形成的冷凝水或由車輛行駛帶入的雨水快速排出，從而降低隧道內(nèi)部濕度。即在相同隧道溫度環(huán)境條件下，露石路面潮濕程度更低。

2.4 隧道顆粒物對比

目前，中國對隧道內(nèi)部的顆粒物監(jiān)測是零散的、間斷的，得到的結果也是局域性的[17～19]。為研究隧道內(nèi)部顆粒物分布情況，分別在LHS隧道上行(未鋪筑EACCP路面)和下行(隧道進出口鋪筑有EACCP)加密顆粒物測試點，并將測試結果繪制成隧道內(nèi)部顆粒物曲線，如圖10所示。

圖10 隧道內(nèi)部顆粒物含量分布情況

從圖10可以看出：鋪筑有EACCP的下行隧道，內(nèi)部顆粒物含量均有所降低。分析原因為：根據(jù)2.3的研究結果，由于鋪筑有露石路面的隧道內(nèi)部濕度降低，顆粒物沒有潮濕水的附著，更易隨著活塞式的車輛帶出隧道外部。相比于未鋪筑露石路面的上行隧道，隧道出口段顆粒物含量呈現(xiàn)出明顯大于進口段顆粒物含量的現(xiàn)象。

3 路面抗滑性能變化情況

現(xiàn)場觀察(圖11，12)可以看到，由于采用深灰色輝綠巖集料外露的工藝，露石混凝土路面的顏色明顯較深。

圖11 露石路面表面紋理

圖12 隧道出口刻槽混凝土路面與露石混凝土路面對比

3.1 構造深度變化

現(xiàn)場測量幾種路面的構造深度(圖13)發(fā)現(xiàn)，四種路面構造深度按大小排列依次為：EACCP2>EACCP1>瀝青路面>刻槽路面?？梢钥闯?，由于采用了更大粒徑的骨料，第二種露石路面的表面構造最大；刻槽路面的表面構造最小。

圖13 隧道不同路面構造深度變化

通車使用兩年后，四種不同類型的路面均依然具有良好的表面構造深度，檢測結果均大于質(zhì)量檢驗評定標準≥0.8 mm的要求。進一步分析，瀝青路面的構造深度年損失為0.063 mm/年；刻槽路面的為0.037 mm/年；EACCP1的為0.127 mm/年；EACCP2的為0.180 mm/年。四種路面構造深度損失按大小排列依次為：EACCP2>EACCP1>瀝青路面>刻槽路面。可以看出，通車前兩年，路面構造深度衰減值與路面初始構造有關，即較大的表面構造，在通車早期，更容易被磨耗。

3.2 露石深度變化

對露石深度的觀測(圖14)可以看到，隨著使用年限的增加，路面露石深度值在逐年衰減：其中EACCP1通車兩年的年衰減率為0.16 mm/年；EACCP2通車兩年的年衰減率為0.24 mm/年。對比兩年露石深度衰減之差：EACCP1使用一年后的露石深度衰減量為0.27 mm，第二年的露石深度衰減量為0.05 mm；EACCP2使用一年后的露石深度衰減量為0.41 mm，第二年的露石深度衰減量為0.07 mm。

圖14 露石深度變化

分析認為：初始開放交通時，EACCP表面分布均為棱角分明、紋理豐富的骨料；隨著通車使用后，由于輪胎的磨耗作用，這些細微紋理被很快磨耗殆盡，反映出的結果是第一個使用年的露石深度大幅減??；隨著集料表面的微觀構造逐漸磨光，之后是整個骨料在承受輪胎的磨耗作用，相對于第一使用年，露石深度的衰減變得緩慢。

根據(jù)兩種不同配合比的露石路面露石深度衰減規(guī)律，在進行配合比設計時，宜選擇較小粒徑的粗骨料。因為較小粒徑粗骨料做出的露石路面，單位面積內(nèi)骨料的數(shù)量更多，在承受車輛輪載作用時，由于受力骨料數(shù)目增加，單個骨料表面受到的作用力減小，從而使年露石深度衰減量降低，延長路面使用年限。

3.3 路面橫向力變化

該項目于2016年底正式通車，2018年底使用橫向力系數(shù)檢測車對該段路面進行檢測。將2018年路面橫向力系數(shù)(Side Force Coefficient, SFC)檢測結果繪制成圖15，16。

圖15 相同隧道不同車道抗滑性能對比

圖16 相同樁號相同行車道路面抗滑性能對比

根據(jù)圖15可以看到，隧道內(nèi)部刻槽路面慢車道的抗滑橫向力系數(shù)為35.7，遠低于超車道的48.0。分析認為：慢車道相對于快車道，由于貨車等重載交通的比例更大，路面受到更多行車荷載作用，其抗滑性能衰減更為顯著。說明路面抗滑性衰減的主要原因之一是車輛輪載作用。

由圖16(圖中A位置是位于LHS2號隧道進口300 m位置，采用加鋪瀝青路面進行鋪筑，B位置是大約長度為400 m的露石路面，C位置為右幅出口大約為450 m露石路面)可以看出，采用露石工藝后，不光露石路段的抗滑耐久性可以得到保證，還可以使整個隧道路面的抗滑性能衰減幅度降低。同樣受到重載交通的作用，未采用露石工藝的刻槽路面使用兩年后，抗滑均值為35.7，處于“中”水平；鋪設有露石路面的隧道路面抗滑總均值為41.7，保持在“良”水平；其中露石路面段抗滑均值為54.6，保持在“優(yōu)”水平。分析認為：(1)由于露石路面采用高磨光值的輝綠巖集料外露，本身具有良好的抵抗抗滑衰減能力；(2)露石路面由于紋理豐富，相較于普通刻槽路面，排水性能更佳，使得隧道內(nèi)部保持干燥狀態(tài)，從而更有利于內(nèi)部普通刻槽水泥混凝土路面抗滑性能的保持。進出口位置鋪筑的露石路面，其抗滑性能基本與加鋪瀝青的復合路面抗滑性能一致，說明這種耐磨耗的路面更加適用于隧道內(nèi)部。

4 結 論

(1)調(diào)查結果表明，在降低路面反光效應、降低行車噪音、降低隧道內(nèi)部濕度和顆粒物含量等方面，露石路面均優(yōu)于普通刻槽路面。

(2)露石路面構造深度大，在通車早期，更容易被磨耗，構造深度損失較快。從延長露石路面使用年限方面考慮，推薦較小粒徑粗骨料的露石路面。

(3)隧道刻槽路面慢車道相對于主車道，由于貨車等重載交通的比例更大，路面受到更多行車荷載作用，相同使用年限路面橫向力系數(shù)SFC要低于主車道。說明路面抗滑性衰減的主要原因之一是車輛輪載作用。

(4)露石路面具有高磨光值的輝綠巖表面，具有良好的抵抗抗滑衰減能力，且露石路面紋理豐富，排水性能優(yōu)于刻槽路面，有利于隧道路面保持干燥狀態(tài)。鋪筑露石路面可以使整個隧道路面的抗滑性能衰減幅度降低。