王昊平 佟 蕾
(1.江苏省交通工程建设局,江苏 南京 210004； 2.江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏 南京 211800)
随着国内交通运输行业的迅速发展，我国隧道的数量和规模总体上不断增长。截至2018年年底，我国“五纵五横”综合运输大通道基本贯通，综合交通网络初步形成，隧道里程约1.724万km。国内外学者对隧道结构和施工方法的研究较多，对于隧道铺装结构则通常采用隧道相邻的接线沥青路面中上面层[1-3]。但是，隧道铺装作为行车界面，是隧道服务能力的关键，其性能指标和参数在很大程度上决定了隧道的建设环保性和运营安全性。随着科学技术的发展，隧道铺装的重要性逐渐引起关注。
因此，论文基于有限元软件，根据提出的关键指标，分析结构在不同材料模量和结构层厚度下的动力特性，基于力学响应规律对隧道铺装结构体系进行优化，并对提出的铺装结构进行抗永久变形能力验算。
1 隧道铺装结构力学分析
1.1 模型建立
1.1.1参数确定
路面研究模型由上面层+下面层+钢筋混凝土板(29 cm)+隧道结构底板(14 cm)组成，结构和材料组合参数见表1。其中弹性模量值参考了《公路沥青路面设计规范》中为各种沥青混合料推荐的回弹模量值。
表1 结构层厚度及材料参数
1.1.2施加荷载
根据JTG D50—2017公路沥青路面设计规范，路面采用双轮单轴载100 kN作为标准轴轴载，即BZZ-100。为了便于分析计算，将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载，单个轮压作用范围取18 cm×20 cm，双轮间距为32 cm，如图1所示。
研究表明，前轴单轮引起的竖向位移、横向拉应变、纵向拉应变均小于后轴双轮的作用，对前轴单轮的作用不需要进行单独考虑。
1.1.3约束条件
1.2 关键指标
1)粘结层是保证沥青混凝土之间以及与水泥混凝土的界面联结和连续协同受力的关键技术之一，对于保证铺装结构安全至关重要。根据已有成果分析[4,5]，将层间最大剪应力和层间最大拉应力作为评估粘结层的抗剪和抗拉强度的指标。
2)对于隧道铺装的混合料，由轮载和温度引起的沥青混凝土竖向应力变形和沥青混凝土与水泥混凝土板的协同变形是最应引起重视的两个指标。
1.3 受力分析
1.3.1基于材料模量变化的结构受力特性分析
论文采用ABAQUS有限元模拟软件，通过模量变化模拟不同沥青铺装层材料组合对铺装结构受力特性，优化铺装结构提供参考。提出4组模量组合分别为：组合Ⅰ：500 MPa+500 MPa；组合Ⅱ：1 000 MPa+1 000 MPa；组合Ⅲ：1 500 MPa+1 500 MPa；组合Ⅳ：2 000 MPa+2 000 MPa。路表横向拉应变分析见图3。随着上下沥青层模量的提高，路表横向拉应变减小，横向抗推移、抗车辙性能大幅提升。
由图4可知，随着上下面层模量的提高，上面层竖向压应力略有提高，但压应变显著降低75%；下面层竖向压应力略有降低，且压应变显著降低77%。因此提高上下面层模量，可有效控制车辙变形，提高铺装整体结构强度和耐久性。
由图5可知，随着上下面层模量的提高，层间剪应力略有升高，因此需配套采用高性能粘结层材料，保证层间粘结性能和结构整体性。
1.3.2基于结构层厚度变化的受力特性分析
现有各系统之间相互独立，数据不能实现互联互通，仅能对某一范围内的内容进行监控，不能实现系统间自动核查及对一项业务全过程的监控。如国库支付系统仅能对财政资金支付进行，而资金支付的财务核算是否合法、合规，需要到水利财务业务管理信息系统才能核查；达到政府采购规定限额的事项是否执行政府采购程序,是否纳入政府采购预算、计划，需要到政府采购信息系统核查；资金支付是否在预算范围内，又需与预算软件及批复文件等进行核对。
改变上下面层结构组合厚度，选取(Ⅰ)4 cm上面层+6.5 cm下面层(原隧道铺装方案)、(Ⅱ)3 cm上面层+7.5 cm 下面层两种典型结构组合形式，分析不同结构组合形式的力学响应，计算结果见表2。
表2 不同结构组合厚度的力学计算结果
由表2可知，面层结构组合形式变化对上、下面层层底拉应力影响均较显著，面层组合形式由(Ⅰ)变化到(Ⅱ)，最大剪应力和竖向位移变化微小，面层拉应力显著增大，上面层层底拉应力增大13.04%，下面层层底拉应力增大41.43%。因此，组合结构(Ⅱ)相比组合结构(Ⅰ)的抗剪性能提升不明显，但对粘结层及防水粘结层材料提出更高要求，且拉应力增加更易产生裂缝。
2 铺装结构方案优化
隧道铺装原设计为“4 cm阻燃改性沥青混凝土SMA-13+6.5 cm阻燃改性沥青混凝土Sup-20”，论文对不同厚度组合结构受力分析结果显示，降低上面层厚度，增加下面层厚度使铺装抗剪性能和竖向抗车辙性能有所提升，但同时对粘结层及防水粘结层材料性能要求更高，对其抗滑性能也提出了更高要求。
为此，论文提出采用不改变厚度组合，只提高下面层模量的方案提升铺装结构的抗车辙性能与抗剪性能，提出“4 cm阻燃沥青混凝土SMA-13+6.5 cm高强密水沥青混凝土HMAC-13”的铺装方案(见表3)。
表3 温拌组合式高模量沥青铺装优化方案
温拌沥青混合料作为高节能低排放的新型混合料，可以有效降低粉尘等物质的排放量[6-8]。因此，优化后的铺装结构在保持高品质的基础上，对减少资源浪费也具有十分重要的意义。
3 抗永久变形能力研究
基于铺装结构30年的设计目标，本节从铺装结构耐久性角度出发，主要针对隧道原设计铺装结构组合及优化结构组合分别开展永久变形能力研究。
3.1 参数确定
根据《公路沥青路面设计规范》，标准条件下路基回弹模量取值范围为20 MPa～290 MPa，本次计算取100 MPa；沥青混合料动态模量根据SMA-13，HMAC-13的实验结果进行取值，分别为12 413 MPa和18 619 MPa。水泥混凝土动态模量取值为35 000 MPa。开级配、半开级配沥青混合料泊松比取0.40，密级配沥青混合料取0.25，水泥混凝土取值为0.2；南京地区基准等效温度Tξ为22.1 ℃，隧道铺装结构沥青混合料层厚度为105 mm，计算得到沥青混合料层等效温度Tpef为23.78 ℃。
3.2 铺装结构永久变形能力计算
根据规范规定的分层方法，将铺装结构的沥青层按层厚分为5个分层，通过计算各分层的顶部竖向压应力、永久变形修正系数及永久变形量，得到沥青混合料层永久变形量见表4。
表4 隧道原铺装结构永久变形量计算
沥青混合料层永久变形量为各层沥青混合料的变形量之和，计算分别得到原铺装结构与优化结构的沥青混合料层永久变形量，具体见图6。
从图6可以看出，原铺装方案在预测的高交通量、低交通量条件下，沥青混合料层的永久变形量分别为32.97 mm，29.10 mm，大于《公路沥青路面设计规范》中规定的容许永久变形量要求；而优化方案在高交通量、低交通量条件下，沥青混合料层的永久变形量分别为18 mm，15.9 mm，预计在第25年左右达到15 mm。优化后的铺装结构变形量大幅度降低，增强铺装结构的耐久性。
4 结语
1)通过分析已有的研究成果，提出以横向拉应变、竖向压应力/压应变和层间剪应力为关键指标，通过分析不同铺装结构力学响应规律发现，随着模量的增加，面层的横向拉应变和竖向压应变显著降低，铺装层的竖向压应力和层间剪应力变化较小。
2)基于铺装结构的受力特性，提出了高模量沥青组合式铺装方案，即“4 cm阻燃沥青混凝土SMA-13+不粘轮乳化沥青粘结层+6.5 cm高强密水沥青混凝土HMAC-13+二阶环氧树脂防水粘结层”。该结构能够有效控制车辙变形，提升铺装结构强度，但是对粘结层材料的要求较高。
3)计算隧道原铺装结构和论文提出的优化结构永久变形量，通过对比分析发现高模量沥青组合式铺装结构明显降低了结构的永久变形量，提高了隧道铺装结构的抗永久变形能力，增强了铺装结构的耐久性。
