影响高速公路建设质量的若干因素及对策
来源：中国工程机械银网 发布时间：2008-04-05
引言
1984年国务院正式批准建设我国第一条高速公路——京津塘高速，1988年10月底上海沪嘉高速公路建成通车实现我国大陆上高速公路零的突破，不足15年的时间里修建了25130公里高速公路(总里程居世界第二位)，最近几年每年以接近6000公里高速公路通车的速度健康发展。其建设速度及建设质量，管理水平有目共睹。高速公路的建设不仅提高了国内交通基础设施的服务水平，而且也不断改善了国内的投资环境，铺筑了建设小康社会的康庄大道。
然而，我们也应该清醒的看到，虽然我国的高速公路建设取得了一定的成就，但就高速公路的建设与管理而言，我国仍处在“中等”发展水平，我国公路从一般公路到高速公路的发展基本上是属于跳跃式的，各方面的准备显然不足，科研试验检测手段受科技投入和专职研究人员的限制，从业人员素质参差不齐，养护管理经验缺乏，致使通车运营后的少数高速公路出现了早期损坏，虽然是个别现象，不影响大局，但也应引起我们各级领导和专业人员的高度重视。
病害的过早出现固然有现行设计理论及规范、标准的滞后，运营环境恶劣——超载严重、气候条件异常等诸多客观因素的影响，但从综合技术管理上尚有许多问题亟待深入研究，组织关键技术攻关，以使工程实体效果显著改善。结合笔者参与重点工程建设管理多年体会，对高速公路常见病害现象及产生原因从建设管理、工程设计及施工等方面分析，并提出对策。
1、路基病害现象分析
随着道路交通量的增加，以及重载车辆轴载的不断加大，对公路路基的强度及稳定性提出了更高的要求，当出现路基失稳、开裂、变形等病害时，不仅影响路面使用寿命，而且危及运营安全，其出现病害的原因归纳如下:
1.1路基横向失稳及纵、横向裂缝
1.1.1部分项目因设计周期短，总体设计把关不严，路基典型断面图对应设计路段过长，不具有代表性，与路段内复杂多变的土基工程地质、水文地质及所填用土不符;受设计人员的经验水平限制，线位不当，尤其是山区高速公路，半填半挖路段支挡结构选择及设计参数选用不合理;全线路基填筑材料变异严重，对不同筑路材料填筑路基的整体稳定性缺少验算等原因，均可造成路基横向失稳，进而造成路面产生纵、横向裂缝，严重者造成路基滑塌。此外，相当数量深路堑路段，由于忽视其路基的纵、横向排水设计，未切断地下动力水，易造成大面积路基、路面损坏。
1.1.2施工控制方面，高速公路建设初期，个别施工企业自身素质偏低，合同规范质量意识差，未能按规范程序严格操作，原地基土台阶挖除不到位，填筑工艺控制不严，达不到设计要求，造成路基填筑不合格，加重了路基不稳定因素。
1.2地基沉降不均匀造成路基局部变形
1.2.1设计阶段对原地表以下软弱下卧层的固结排水设计方案不当，技术措施、处治方法不当，造成路基填筑后的工后沉降超过规范允许值，运营后产生大的波浪。
1.2.2施工控制方面造成的原因包括:
①由于受加快的负面影响，施工周期过短，致使路基下原地基土的固结排水所需时间无法保证;②《路基施工技术规范》中下部路基填土压实度值要求偏低;③由于施工单位的土场填料变异性大，且无序填筑及土石混填，造成室内试验室的最大干密度dmax不具针对性，检测结果失实、失真，从而使压实度指标失控;④由于目前应用较普遍的核子密度、湿度仪的使用条件不能满足对材料变异敏感的反应，且标定不及时，造成原来的标定回归方程失真，检测结果误导。以上原因均会造成路基填筑材料本身压实度不足，产生超值变形。由于半刚性路面对路基变形适应能力差(应变值小)，路基的微小变形都会在路面得到反映。
1.3山区高速公路挖方段边坡失稳
1.3.1设计方面
地质勘察不满足设计规程要求，挖方段边坡的钻探受地形条件的限制，钻探密度不足，提供的设计参数不全，不具代表性，加之经验法计算误差影响，使边坡设计处治方案安全储备不足，造成先天缺陷，存在隐患。某丘陵区高速公路项目长80公里，其中路堑挖方段23处，累计20.3公里，路线勘探钻孔仅205延米，对地质构造情况掌握不细，部分路段确定的边坡坡率过小，施工过程中出现近十处边坡失稳，虽经变更设计，但已失稳的边坡，给设计、施工均增加了难度及工程量。
1.3.2施工方面
施工企业爆破方案不合理，野蛮施工，挠动了边坡的整体稳定性，造成开挖后的边坡顶部产生张裂缝，在降雨等客水的作用下，沿边坡软弱层面整体滑移，出现塌方，严重威胁着施工、运营车辆的安全，若变更设计进行加固非但处理时间长，且费用投资难以控制。
2、桥梁病害现象与分析
2.1特殊环境下结构混凝土耐久性不足
在滨海地区建造公路桥梁，尤其是在入海口河流上的公路桥梁，一方面受海水潮汐和风蚀作用，河水中和空气中存在氯离子对混凝土钢筋的腐蚀破坏现象;另一方面，周围盐碱地土壤及地下水中含有c1-、so42-、mg2+以及na+等对混凝土有害的物质，桥梁结构处于氯盐(碱)污染的环境中，当氯离子深入到钢筋周围达到临界浓度时，砼中钢筋的钝化膜被破坏，钢筋开始腐蚀，其腐蚀产物的体积增大三倍以上，导致砼顺筋胀裂、层裂和剥落破坏。目前单靠基本措施(高性能砼保护层质量和厚度)难以保证砼结构能达到预期的使用寿命，还必须采用一些补充措施(环氧涂层钢筋、阻锈剂、砼表面涂层、阴极保护等)，以确保结构耐久性。
2.2简支板单板受力，产生脆性破坏
2.2.1简支板结构，尤其是小型简支板构造物设计标准图桥面铺装层太薄(或根本没有)，绞缝钢筋少，不能做到桥梁活载的横向有效分布，造成单板受力结构破坏。
2.2.2施工控制中易产生以下不利因素:①预制时，中、大跨径简支梁板未设置反拱;预应力板预制后放置时间过长，可造成起拱度过大，使本来较薄的桥面铺装层厚度不一致，有效厚度变小;②预制板的几何尺寸控制不严，先天翘曲，在活载的作用下产生不均匀变形;③板桥的混凝土绞接缝处有搭接钢筋受损，或漏(少)筋，且桥面铺装层厚度不足，现浇质量差，在活载反复作用下造成单板受力，尤其当超载活载作用时，桥梁的横向分布系数几乎η→0，从而易产生单板疲劳脆性破坏。
2.3现浇组合“t”梁结构翼板易产生早期破坏
2.3.1组合“t”梁标准图中无桥面铺装，“t”梁直接受到荷载冲击，又无横隔梁或少横隔梁，抗震及整体性差。桥面整体承载能力不均，极易造成翼板处的破坏。
2.3.2现浇组合“t”梁翼板尺寸设计单薄，且该处现浇部分支架固定困难，施工时易产生漏浆，加之养生马虎，工期紧，造成现浇翼板的混凝土达不到设计强度，在活载反复作用下，在其强度最薄弱处首先破坏。
2.4大跨径预应力砼梁式桥(主要指连续梁和连续刚构)，箱梁裂缝和跨中下挠，影响其设计使用寿命
2.4.1设计方面
①目前，连续梁和连续刚构桥大多是按平面杆件进行结构分析并考虑偏载增大系数的设计方法，但将空间结构平面化的结果与实际受力情况的符合程度还不甚清楚(如空间效应、徐变特性、局部应力剧烈变化、剪力滞后、支座布设等);不同设计院给出的设计差别较大，给结构安全埋下隐患。②设计上只注重结构受力计算，将结构及材料的安全储备用尽，而忽视了结构物本身构造的要求，过度追求“薄壁”、“大悬臂”，从而引起箱梁扭转、畸变和横向框架应力增加，箱梁剪力滞后现象严重，导致箱梁开裂;③不少设计单位未充分认识到大跨径预应力砼梁桥首先要保证结构刚度，其次才是强度和稳定性，一味追求经济技术指标，减薄截面尺寸，纵向配索过渡简化，缺乏必要数量的非预应力筋，从而导致裂缝的产生。④对砼收缩徐变的影响程度及长期性，严重估计不足，未充分认识到随着砼强度等级的提高，截面越来越轻型，板件越来越薄，加之悬浇施工，其徐变系数越来越大。且开裂严重的结构其下挠值要大得多。⑤设计人员对挂蓝施工过程中局部负弯矩区加强预应力布索等措施的考虑不周;⑥现行《桥涵施工技术规范》滞后，含保护层过薄(仅为2.5cm)，不利施工控制与受力、构造筋的有效保护，造成现浇混凝土的局部开裂(收缩裂缝、塑性变形裂缝);⑦中、大跨径桥梁的桥面铺装为追求平整度、低噪音、多采用沥青铺装层，大大减薄或取消砼铺装，致使桥面系砼结构整体受力大大削弱，行车道铺装形成“两层皮”，造成过早破坏。
2.4.2施工方面
①大体积混凝土的浇注，工艺上一般要求泵送，受泵送混凝土和易性、流动性等方面的技术要求，一般都大量使用外加剂，由于施工控制不严，极易造成混凝土离析和浇注混凝土的强度变异较大;②原材料(水泥等)选择不慎，现浇大体积混凝土时的水化热问题处理不当，使现浇混凝土箱梁内外产生足以使其产生裂缝的温度梯度而产生裂缝;③悬臂施工中超长预应力筋制作和后张预应力管道注浆技术，合拢工艺、施工过程控制技术粗糙，产生不应出现的施工裂缝;④挂篮与模板的设计不合理，有些受力边角混凝土的浇注质量控制不利;⑤北方跨年度冬季连续施工时的梁体内外温差过大且拆模时间控制不严;⑥竖向预应力质量很难达到设计要求，由于竖向力筋短，两侧张拉不到位或失效，预应力损失大，加之脱锚、断裂、压浆质量不好，很难真正建立预应力，抗剪能力严重不足，导致主拉应力过高而开裂;⑦由于抢工期，平均一个节段施工周期少于7天，张拉龄期少于3天，其后期徐变必然增大，加之预留拱度不足，无法保证二期预应力建立的有效性和永存应力的稳定性，造成跨中挠度后期变形大大超过设计值。
上述原因综合作用造成了大量预应力砼梁桥产生许多斜向、水平等裂缝，受有害物质浸蚀后，使构造物的使用寿命降低。
2.5桥面柔性铺装易产生水损坏
2.5.1桥面柔性铺装层在设计时仅注重了表面的排水设计，忽视了桥面柔性铺装层的渗入在界面上的水的排水设计，形成桥面排水铸铁管顶高于柔性铺装层顶面而阻水。
2.5.2施工控制方面
①桥面水泥混凝土桥面铺装平整度太差，在柔性铺装与刚性铺装界面上形成无数小“水洼”，桥面柔性铺装渗入水后无法排出，很快造成柔性铺装层的水损害;②在刚性铺装层施工时震捣提浆严重，且清除浮浆效果不理想，在行车活载的作用下，刚性铺装顶面水泥砂浆受动水冲刷严重，产生大量水泥浆进入上层柔性铺装层，沥青与骨料间的粘结力下降明显，从而使柔性铺装层整体强度降低。以上两种原因综合作用，易造成桥面柔性铺装层的早期损坏。
2.6桥头跳车较普遍，降低了运营舒适度
桥梁通常都采用桩基(个别采用深基础)，桥台的沉降量很小，甚至没有，而连接桥头处台后的路基多为高填土路堤，设计上考虑地基和路堤产生的固结变形允许一定的工后沉降，两者之间在恒、活载作用下其变形差异巨大，当对高填土桥头处的路基下部的处理措施不力、不当时，加重了两者之间的不均匀沉降。由于台背回填路堤的填筑工作面小，大型压实设备无法使用，压实度不易控制，通车后通过自然沉降及追密，产生较大的变形，从而使桥头搭板脱空，本来设计上瞬时或局部受弯的搭板，变成受弯构件，极易在短期产生弯拉破坏，或因搭板离桥台远的一端随路堤沉降而下沉，导致搭板两端各产生一条裂缝，并将台后跳车转移到搭板另一端。
3、路面病害现象与分析
3.1地下水处治不当，产生路面破坏。
3.1.1现场勘查疏漏，忽视水文地质、特别是地下水对路基、路面的破坏作用，尤其是山岭重丘区地下水丰富的挖方路段，山体动水和地下水沿裂缝处上升，冬季在我国北方，会产生严重的聚冰现象，其昼夜反复冻融使水破坏更严重，从而大大降低或破坏当地最大冻深范围内的各结构层整体强度，造成路面结构整体破坏。
3.1.2对路基的隔水层及排水层施工时，由于路床顶面的“人”字形排水通道施工控制不严，没有构成引、排水畅通的渗沟、盲沟，人为阻滞了地下水的外引;或由于边部纵向软式透水管的施工自身破坏严重，从而影响了渗沟中引出地下水的外排效能，造成大量地下水滞留路基底部，产生地下水破坏。
3.2柔性路面半刚性基层的结构破坏导致路面破坏。
3.2.1设计方面:①只重视路面面层的结构配合比设计而忽视了半刚性基层的材料配合比设计，如水泥稳定类材料配比设计时片面地加大水泥用量，忽略了通过改善集料的级配提高强度的方法，加重了半刚性基层的温度收缩与干缩裂缝的产生。②基层的结构组合设计不合理，层间模量比较大，在活载的作用下各结构层不能整体、均匀受力，从而造成刚度大强度高的基层首先结构破坏，造成路面破坏。③基层设计单薄或基层局部没有形成完好的整体，特别是基层表层没有与其下部形成整体，容易脱皮，或表层强度显著不足，容易被压碎，并引起冲刷、唧浆和坑洞等路面早期破坏现象。
3.2.2施工方面
①目前基层拌和设备的自动化水平低，矿料级配和含水量控制难度大，且受材料变异性的影响，加之拌和厂管理不善，使设计的材料配合比设计难以实现;②由于基层配比不良、摊铺设备过宽造成的离析及长距离运输失水等因素的影响，基层混合料的变异性大使基层整体强度产生显著的不均匀性，使行车道轮迹带上产生盆状低洼形变并逐渐发展成坑洞;③施工工艺控制不严，如在夏季上层施工前对下层表面先行洒水不重视，上层半刚性基层材料摊铺后界面处失水过快，从而该层底部(1～2cm范围内)水硬性材料的强度形成及压实困难，或因含水量不佳，碾压层的厚度控制不严，影响了基层的压实度和整体性，造成板体性差，从某种意义上讲相当于结构层厚度的减薄，整体承载能力下降，进而产生结构破坏;④养生不好，造成半刚性基层材料在强度形成过程中的必要水分供应不足，其表层松散，未与下部完全结成一个整体，强度指标达不到设计要求;⑤成品保护意识差，施工车辆在后续的施工运料过程中，把半成品的结构层板体破坏(尤其底基层完成后施工中、上基层时)，造成基层质量隐患，没有牢固树立优质基层是路面工程关键的意识。
3.3基、面层的层间结合不好
由于施工工序安排不当或基层表面干燥，人为造成基、面层两层间脱节，透层油的渗透较差或下封层等粘结层顶面污染后即进行下面层施工，两层不能形成良好结合，从而改变了路面结构计算时的边界假定条件，结构层受力改变，在活载作用下极易产生面层破坏。
3.4上面层(磨耗层)的抗滑与密实防渗水的矛盾解决不当
3.4.1设计方面:面层结构的选用经验法居多，设计不具针对性，从运营安全出发提出的摩擦系数与构造深度指标及防水损坏的防渗技术指标相互矛盾，设计论证欠缺，只是机械的按规范推荐结构形式而已。
3.4.2施工方面:虽有试验段程序管理，但是总结报告中对抗滑要求及防渗要求的评价不重视，仅注重机械组合配备方案论证，是远远不够的，其结果，大面积铺筑后、加上材料的变异便会出现指标失控。
3.5车辙产生机理认识尚存有误区，结构设计和技术指标均待研究提高
3.5.1提高高速公路面层的抗车辙能力，仅靠在上面层上做材料和结构选择(如沥青用改性沥青，面层结构用较先进的superpave、sma、ak类等结构，抗滑表面的动稳定度指标有明确要求)，而中下面层除控制压实度与空气率之外，再无别的技术措施，只好选用ac结构。然而，试验理论证明:在面层结构中3—8cm范围内的剪应力出现最大值，美国试验证明在面层结构中5—10cm的范围内抗剪强度最低，剪切变形最大，是易产生车辙的主要层位，结论一致，结合我国目前流行的面层结构组合4+5+6=15cm～～5+6+7=18cm，恰恰也就是在我们的中面层上，当技术措施不利时，易产生车辙。另据近年几个省份路面温度调查结果证明:夏季路面面层的最高温度出现在面层结构中的4—9cm范围内，这就要求我们对中面层的高温稳定性也应有象抗滑表层那样的动稳定度指标要求，或者中、下面层采用沥青标号较上面层低一级等措施，从某种意义上讲这种要求比只重视上面层来的更重要，也更具抗车辙的针对性。
3.5.2在结构组合时选用较先进的结构，诸如sma、sac等结构，采用物理或化学改性的热稳定性较高的改性沥青为结合料，且动稳定度指标也较理想，为何还是出现了超过允许的车辙?笔者认为原因有三，其一是只重视了上面层而忽视了中下面层对抗车辙的作用，如前所述;其二是目前的动稳定度室内试验条件与夏季高温季节的路面实际脱节，虽然室内指标满足设计要求，但路上的真实情况在最不利的时期内，与室内试验(60℃±2℃，轮压0.7mpa，轴重700n)环境相距甚远(实际tmax达70℃，轮压0.8-1mpa)，因而室内试验指标也就失去了其指导生产的意义;其三由于面层施工时的混合料温度控制偏低，诸如①拌和场不合理，热料运距远、导致混合料降温;②拌和料出机温度达不到规定的160℃—180℃;③施工时气温、地温低，且面层4～5cm较薄，摊铺后热料温度损失快等，达不到规定压实度，当夏季高温时，经过活载反复作用碾压，也产生一定数值的压密型车辙。
3.5.3笔者认为，半刚性路面的突出优点之一是其表面辙槽深度显著小于柔性路面，质量达到要求的半刚性基层是不会产生压缩永久变形的，其辙槽都是由沥青面层产生的，在高压轮胎的重载交通道路上，辙槽会更严重。沥青含量过高、矿料中集料偏少，圆棱角砂用量过多，沥青砼空气率偏大，压实度偏低，现场空气率过大，雨水透入等因素常是沥青砼高温强度不足，造成车辙病害产生的主要因素。诚然，某些局部路段产生的严重辙槽是因为半刚性基层局部松散，没有形成完整的整体或局部强度差，这种不均匀性是由施工引起的。
3.6沥青混凝土路面的水损坏
有研究认为沥青混凝土的空气率大于15%时其空气可相互贯通将渗入的水排出，8—15%时水易渗入且难以及时排出，易产生水损坏，小于8%时则认为水渗入较少时不产生水损坏。实际生产过程中，一种情况是，生产目标配合比的室内试件空气率过大，如5%以上，现场压实度若按96%控制，则实际成品空气率为9%以上，易产生水损坏;另一种情况是，室内目标配合比空气率值较合理，而实际生产过程中受拌和机稳定性及原材料的限制，变异不可避免，实现不了设计意图，因而空气率超限;再者，目前为追求表面的外观美，采用整幅大摊铺机摊铺(外商专为中国设计制造)，出现了行车道部位混合料的离析，在该区域测其空气率可能在8—15%范围内，极易出现水损坏;还有，由于目前的抽提试验手段落后，导致当天的室内试验结果不能快速指导生产，经常发生在成品路段上存在混合料指标不合格的情况下抢进度铺筑，造成水损坏。
3.7山区道路3%以上的纵坡路段的路面结构有待研究
目前，我国大部分路面结构设计一个项目选定为一种结构形式(指柔性路面、半刚性路面、半刚性组合式路面、刚性路面，且配比设计也相同)，笔者认为欠妥。如山岭重丘区纵坡大于3%的坡段，汽车上坡采用低档，其增大的牵引力将使轮胎对路面产生相当大的水平力，且随坡长越长，力的作用时间也越长，其对柔性抗滑表层的破坏也增大。实践证明，许多柔性路面的大纵坡(>3%)路段的破坏较正常路段严重的多，下坡方向也因纵坡过大，车辆必须采取刹车措施，同样对路面会产生较大的剪切破坏。为此，笔者建议，在山区高速公路的大纵坡(>3%)的路段上应对路面结构做单独设计。
3.8柔性路面通车时间的影响
现行的柔性路面规范规定，开放交通的混合料温度≯50℃，有其道理所在。沥青混合料摊铺完成后，集料与结合料之间有一个缓慢吸附作用，且有一定的时限要求，如果开放交通过早，这种再吸附作用过程完不成，则人为破坏了集料与结合料的粘附性，从而引起面层过早破坏。其二，如若通车时间选择在高温季节，面层施工刚刚结束，沥青基本无老化过程，正遇上夏季高温季节，油层的内部温降甚慢，满足不了开放交通时混合料温度低于50℃要求，则在行车活载作用下，很快产生蠕动剪切破坏。因此，通车时间选择很重要。
4、管理对策
4.1以质量为核心，提高勘察设计的质量和水平
设计单位应完善勘察设计质量管理体系和运行机制，正确处理进度与质量、效益与质量的关系。加强工程地质和水文地质勘查的前期准备工作，掌握详细的外业资料，达到设计要求的深度。推行设计招标及工程总承包制度，把资金及质量控制与设计质量更紧密地结合起来，鼓励设计单位大胆创新，采用先进、科学的新技术、新结构、新材料、新工艺。
4.2以人为本，加强工程施工管理，严格质量监控
落实工程建设“四项制度”，严肃合同管理，加强对监理人员的素质教育，对工程设计的意图要真正落到实处，并因地制宜、实事求是地加以提高和改进，其关键在于严格的质量监控制度和监理工程师的认真负责、精益求精的工作精神，克服盲目照图施工。
4.3加强现场施工人员的培训，提高全员质量意识
工程质量把握在一线施工人员手中，要让参与施工的技术人员明白怎么做，为什么这样做，只有做好技术培训，合格后才能将质量的“钥匙”交给他们。
4.4重视科研项目的开发利用
科技是第一生产力，从我国实际出发，借鉴国外的先进经验，并加以移植，使其适应我国国情，同时也结合国情与现状开展关键技术科研攻关课题，提升我国公路建设高科技含量。
4.5重视公路运营期间的养护
4.5.1常见病害应及时处理，如一条不可避免的结构横缝的出现很普通，若处治不及时问题就大了，因为雨水从缝中下渗，而一时又排不出去，在大交通量活载的作用下，在基层顶面会产生相当大的动水压力和抽吸力，冲刷基层顶面而产生泥浆，久而久之出现脱空，继而造成柔性路面下沉，同时，泥浆在抽吸反复作用下沥青混合料中集料被剥离，结构强度迅速降低，先出现唧泥，随之出现推移、坑槽等病害。
4.5.2高速公路的养护专业性非常强，因此对养护管理队伍的素质要求也就相当高，从长远考虑高速公路的管理必须配备足够的、经过专业培训的专门人才方能承担如此重大的任务。加强制度化建设，充分利用信息工程数据处理系统(如pms系统)，为有针对性的养护对策的决策提供理论依据。充分借鉴国外先进管理经验，如预防高速公路夏季高温不利季节车辙常采用的几种方法:封闭交通、限载通行、洒水降温等措施。
4.5.3近年来我国高速公路建设速度较快，已通车里程25000余公里，且自开始建设至今也有20余年的时间，部分先期的通车项目，也逐渐进入中修或大修阶段，并且每年的大、中修里程还在不断加大，由此，高速公路的养护专业化施工机具的配备极为重要。在此问题上重视不够，很可能造成高速公路建设的恶性循环，影响投资效益的发挥，影响我国高速公路的建设、管理水平与形象。笔者认为，培植高速公路的养护专业化队伍是一个好法。
结束语
高速公路建设质量管理是一个系统工程，影响工程建设质量的因素是多方面的，在重视和研究主要因素和主要方面的时候，不能忽略和偏废次要因素和次要方面的作用。工程质量管理技术是发展的，是随着我们的认识水平的提高而提高的，在实践中要随着时间和环境的变化而不断发展，不能墨守陈规。