震后公路恢复建设中路面结构设计有关问题的探讨

王元生，董全喜

（北京市市政工程设计研究总院，北京市100082）

1 概述

1.1 项目背景

2008年5月12日，四川汶川发生里氏8.0级特大地震，地震烈度最大达到Ⅺ度。什邡市是本次地震的重灾区之一，由北京市对口援建的广青公路是什邡市纵贯南北的交通干线。受地震影响，广青公路路面结构破坏严重，不仅影响到公路的通行能力、而且对行车安全造成严重威胁。

广青公路不仅承担着沿线的交通需求，而且是什邡市抗震救灾的生命线工程和灾后重建的主要交通通道，它的恢复重建不仅对什邡市灾后重建具有重要意义，而且对统筹全市平坝地区与山区的协调发展，促进旅游资源的开发具有重要意义。

1.2 公路现况

广青公路起点为广汉市（接成绵高速），终点为青牛沱镇，全长约78 km，为南北走向，纵贯什邡全市，是什邡出入境的主要通道。该路分期进行建设，其中一期（广汉市至洛水镇）在震后已按一级公路进行了改扩建，二期为洛水镇至红白镇段，全长约19 km，现况为二级公路，路面为水泥混凝土结构型式，路面宽度9～15 m不等。在本次大地震中多处断路，严重阻滞了救灾工作的开展，震后虽然该段已经抢通，但路面结构破坏严重，沿线存在多处安全隐患，给道路交通运行构成巨大威胁。

2 受损情况调查分析

受损情况调查分析是公路恢复重建方案的基础，调查应组织相关专业技术人员，通过巡查、调查和必要的专项检测等方式。

地震引起的道路破坏类型具有复杂性、多样性、并存性。根据地震对道路破坏的机理，可以分为直接破坏和次生破坏两种形式。直接破坏是由于地震振动的挤压、张裂，局部地形受力变形，或隆起，或沉降，或扭曲，造成公路路基沉陷、断裂、错台，路面裂缝、隆起等破坏。次生破坏是由于地震引起的间接破坏，如由于地震引发山体滑坡拦断河沟形成的堰塞湖淹没道路，或受压缩河道湍急的水流冲毁路基，塌方、滑坡落石砸毁路基和路面等破坏。

此外，根据道路结构组成，地震对道路破坏形式可以分为路基路面破坏、边坡破坏、支挡结构破坏和场站破坏[1]。

2.1 受损情况

本次地震中，广青公路各结构部分均受到不同程度损害，其中路基路面结构破坏的表现形式主要有：路基路面错台、开裂、横向和纵向裂缝；路基沉陷、扭曲变形；路基路面隆起、挤压破坏等[1]。

此外，在地震和救灾重载交通的共同作用下，特别是下行车道，路面混凝土板断裂、破碎严重，部分路段路基发生沉降，造成路面脱空，见图1、图2。

图1 路面损毁情况（一）

图2 路面损毁情况（二）

2.2 评估

对道路损坏程度的评估密切关系到震后应急抢修方案地制定、实施，评估结果对于恢复重建将起到重要的指导意义。

通过对公路受损情况调查，广青公路路面板底脱空现象严重，结构强度、接缝传荷能力等严重不足。根据《汶川地震后由于对地震灾后生命线工程修复加固与重建技术手册》，从纵向裂缝、横向裂缝、路段、桥头路基下沉、路面隆起及杂物掩埋（可通行区宽度表示）等指标判断，广青公路破坏等级为一级，属于道路严重破坏，交通完全中断，双向车辆均不能通行[2]。

3 恢复重建条件

3.1 地形地貌

什邡市位于德阳市西南20 km，市内山区、丘陵、平原兼而有之，山区约占全市总面积60%。“一江四河”（石亭江、鸭子河、小石河、马牧河、斑鸠河）纵横全境，有“六山、一水、三分田”之称。自朱家桥起，沿前山向西南至湔底乡西丘陵边沿，再往东南延伸，则是什邡平原，海拔全在700 m以下，总面积约365 km2，系古湖沉积和石亭江冲积形成。丘陵则界于山区和平原之间，为湔底虎头乡至民主慈母山一带的九里埂区域，面积约为10 km2。

广青公路二期工程位于洛水至红白镇间，地形地貌为半山区半平原。

3.2 气候特征

什邡市地处成都平原西北边缘，属亚热带温热季风气候区，气温自东南向西北随地势升高而逐渐降低。区内多年极端最高气温35.9℃，极端最低气温-5.3℃，年平均气温在13℃～17℃之间。

由于它位于龙门山麓，有平坝和山区两种不同的气候带类型，平坝与山区气候特征差异较大。平坝区气候温和、雨量充沛，日照偏少、四季分明。山区冬长、夏短、雨水多，无霜期短，降雪多，立体气候特征明显。

什邡近年平均降雨量950～1 050 mm左右，具有冬春两季雨量少、夏秋两季暴雨频繁的降雨特征，日照在1 240 h以上，无霜期280 d左右，土质以沙壤土为主。

根据沥青路面使用性能气候分区，什邡属于1-4-2区（夏炎热冬温湿润区）。

3.3 交通量

广青公路是贯穿什邡市南北向的一条客、货运输并重的交通干道，公路沿线分布有较多的水泥厂、磷肥厂、沙石厂等，重载货运交通所占比例较大，尤其是公路左半幅（由北向南），大货车基本均为满载通行。

通过交通调查，广青公路广汉至什邡段年平均日交通量为6 840 veh/d，洛水路段为3 848 veh/d。根据什邡市公路网规划，广青公路二期远期交通量将达6 650 pcu/d[3]。

4 实施方案论证

在对现况路面结构材料组成、路面强度调查及旧路混凝土芯样强度检测分析的等基础上，结合本路所处区域区气候特征、交通特性、施工工艺等因素，通过对旧路碎石化方案、沥青与水泥混凝土面层、柔性与半刚性基层的比选，最终确定了本路的路面结构型式。

4.1 碎石化方案

为了尽量利用现有材料，加快工程进度，节约投资，广青公路恢复重建中决定充分利用现况水泥混凝土路面结构，并将其进行碎石化。

多锤头碎石化和冲击压实技术均是将旧水泥混凝土路面碎石化的一项技术，但各具优缺点。冲击压实技术具有运行速度快、施工工序少、工期短；作用能量大，能够提高路基强度、稳定性和均匀性，防止不均匀沉陷而造成的路面损坏的优点。缺点主要有：冲击压路机体积比较庞大，施工作业面比较宽（一般都在6 m以上）；冲击压路机转弯半径大，破碎施工不宜掉头；作用能量大，对周边环境影响比较大[4]。

广青公路（二期）属于山区公路，沿线多村镇，路面宽度多为9 m，且该公路为山区村镇生产、生活和赈灾建设的主要通道，不能封闭交通。冲击压路机冲击力大，扰民；施工作业面大，影响交通通行。此外，从现场路面调查的情况来看，个别地段出现沉陷、严重唧泥等现象，路面板裂缝、断角的现象普遍。但旧路的土基情况基本稳定、基层未松散（无明显的裂缝、沉陷）、板体强度无显着下降（路面板裂缝现象严重但芯样强度不低），满足实施多锤头碎石化的应用条件。因此，本次设计中旧水泥混凝土路面处理方式采用多锤头碎石化方案。

此外，广青公路下行半幅重载多，破坏严重，需采用全程破碎。上行半幅虽部分路段破坏程度较轻，但考虑到同一横断面左右副强度差异不宜过大，所以决定对广青公路整体采用多锤头碎石化方案。

4.2 面层方案

旧水泥混凝土路面碎石化后路面结构的面层加铺方案可采用沥青混凝土面层和水泥混凝土面层。沥青路面与水泥混凝土路面相比，具有表面平整无接缝，行车震动小，噪音低，开放交通快，养护简便等特点[5]。根据广青公路实际需求，本次设计采用沥青混凝土面层的路面结构型式。

4.3 基层方案

在确定采用沥青混凝土面层后，现需要确定基层方案。在基层设计中采用柔性基层还是半刚性基层方面，进行了比选。拟采用以下两种方案，见表1。

4.4 厚度方案

在路面结构计算时，边界条件为：按新建沥青路面类型进行设计；碎石化层顶面当量模量替代常规路面结构计算中的土基模量。结构参数采用标准轴载、累计轴次 (弯沉设计或沥青层弯拉设计)536.00万次。分别按新建柔性基层和半刚性基层二级公路、各层间结合完全连续的状态下计算。当采用表2中结构层厚度时，方案一的设计弯沉值 ld=47.6（0.01 mm），路表实际设计弯沉 ls=43.8（0.01 mm）；方案二的设计弯沉值ld=29.8（0.01mm），路表实际设计弯沉ls=19.9(0.01 mm)。两种方案均满足设计要求。

表1 基层方案比选

表2 不同基层的路面结构厚度

4.5 方案比选

路面结构采用沥青稳定碎石的柔性基层还是水泥稳定碎石的半刚性基层，主要从两者的适用性、施工方便性、经济性三个方面进行比较分析。

（1）适用性

广青公路处于潮热多雨地区，水泥稳定碎石基层抗水损害能力比密级配沥青稳定碎石基层要差，水稳材料易产生裂缝，而沥青稳定碎石基层适用性较强。

（2）施工方便性

本路建设工期短，且不能断路施工，水泥稳定类材料施工过程中需要一定的养生期，将影响交通通行，而沥青稳定碎石基层施工较为方便。

（3）经济性

以上两方案柔性基层和半刚性基层厚度比为1∶2.7，目前建材市场上两者的单价比约为3.2∶1，综合基层单层造价柔性基层比半刚性基层大约高18.5%。

通过以上两种基层方案的比选，最终确定广青公路路面结构为在碎石化路基上新建弱性基层，其上加铺两层沥青混凝土，具体加铺方案：细粒式沥青混凝土AC-13C（4 cm）+中粒式沥青混凝土AC-16C（6 cm）+沥青稳定碎石混合料ATB-25（12 cm）+碎石化水泥路面。

5 相关建议

“5.12”汶川地震对四川及周边省市公路工程造成了巨大的损失。地震对公路损害呈现出范围广、程度大、次生破坏严重等特点。通过对广青公路恢复重建工作的开展，得出以下几点启示：

（1）恢复重建工程，应充分利用原有工程资源，恢复与重建相结合。

公路的恢复重建工程应充分利用原有工程资源，节约投资，缩短建设周期，在满足公路功能的条件下，应以恢复为主、重建为辅。

（2）受损情况的调查、分析及评估，是恢复重建方案的基本前提。

恢复重建工程一般对时间要求均较为急迫，但只有充分的调查、分析和在此基础上的评估才能制定出合理的技术方案。

（3）恢复重建方案的选择应因地制宜，充分考虑项目建成后的维护成本。

恢复重建方案的选择应因地制宜，不仅要考虑恢复重建的工程造价，还应充分考虑当地维护保养技术条件和成本。在保证公路使用功能前提下，尽量采用当地成熟技术，以减低工程建成后的维护成本。

此外，恢复重建过程中，应合理利用土地资源，注重环境保护，采用节能技术，实现可持续发展。

[1]北京市规划委员会,北京市市政工程设计研究总院,北京市城市科学研究会.地震灾害对城市道路桥梁等市政基础设施的影响调查及分析（初稿）[R].2009.

[2]仇保兴.地震灾后生命线工程修复加固与重建技术手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3]北京市市政工程设计研究总院.四川省什邡市公路网规划[Z].2009.

[4]北京交科公路勘察设计研究院有限公司,北京市市政工程设计研究总院.北京市援建什邡市工程广青公路（洛水～红白镇）二期工程[Z].2009.

[5]李嘉.公路设计百问[M].北京:人民交通出版社,2004.