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技术文章
 
 

高速公路混凝土护栏设计与滑模施工技术

2015-3-2 点击次数：[891]
 
 公路护栏是一类交通安全设施，常用的护栏形式有波纹梁钢护栏、钢缆索护栏及水泥混凝土护栏３种，设置在高速公路、一级公路的中央分隔带及各级公路高危边坡的路侧或桥梁的边缘，保障车辆的行驶安全性。我国现有高速公路护栏以波纹梁钢护栏为主，钢缆索护栏及水泥混凝土护栏相对较少。水泥混凝土护栏是具有一定断面形状的墙式护栏，主要依靠汽车爬高、变形和摩擦吸收碰撞能量，属刚性护栏。水泥混凝土护栏具有如下优点：
（１）安全性好，在小角度冲撞条件下，轻型车辆有可能飞檐走壁，一侧车轮可从护栏下部碾过； （２）全断面拦阻，撞碎及穿越能量大，拦截效果好；
（３）在低能量碰撞过程中，变形小，撞击损坏较小，故维修费用极低；
（４）在高速公路、一级公路中央分隔带使用双坡混凝土单条护栏时，不仅拦阻效果好，而且能节省大量的土地；
（５）水泥混凝土无钢材锈蚀问题，在野外暴露条件下，耐候性与耐久性好，使用年限长；
（６）容易整条移位，在美国及欧洲发达国家，中央分隔带的混凝土护栏使用专用机械整条移位，以满足上、下班高峰时段左、右车道不同的交通量需求。
因此，混凝土护栏是桥梁、高架公路及山区高危边坡路段等绝对禁止车辆驶出路外的首选护栏形式。比较３种护栏，混凝土护栏的安全性与阻拦效果最高、最好。２０世纪９０年代中期，美国在山区公路的高边坡危险路段，在钢护栏内侧，增补了一道确保安全的混凝土护栏。
由于混凝土护栏是一种实心墙体，高度较大，因此，在冬季风吹雪严重的北方地区与山区公路上，不便于采用，护栏多高，风吹积雪就会有多高，一方面将影响雪天的行车安全；另一方面，将造成很大的冬季清雪数量。反之，在风吹雪路段，通透性好的两种钢护栏将有较大的优势，它可以使风吹雪刮过路面，较少堆积在路面上。
桥梁边缘或中央的混凝土护栏有别于道路护栏，它须确保车辆冲撞时，不冲出桥梁，因此，其配筋率比路面护栏高得多，桥梁护栏设计有密集钢筋笼，而滑模铺筑的道路护栏一般仅有３根纵向钢筋。
合理的护栏设计及先进的施工方法是保证高速公路交通安全与耐久的基础。本文在对混凝土护栏现行设计规范简要介绍的基础上，结合最新修订的《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（报批稿），对混凝土护栏的现代化滑模铺筑施工技术和质量控制进行详细介绍与探讨。
１　高速公路混凝土护栏设计 １．１　设计思想
《公路交通安全设施设计规范》（ＪＴＧ　Ｄ８１－２００６）［１］及《公路交通安全设施设计细则》（ＪＴＧＴＤ８１－２００６）［２］中指出护栏设计的指导思想是宽容设计理念，即强调驾驶员的过错不应以生命为代价，通过合理的设计将事故影响降至最低。其核心思想是“事故影响降至最低”。必须强调的是护栏本身就是一种障碍物，并非设置得越多越好，其强度也并非越高越好，如果车辆可以在路基安全净区内安全行驶，或即使与路侧障碍物撞击，但所受伤害小于直接与护栏相撞所引起的伤害，这种情况下是可以不设置护栏的，这点在混凝土护栏设计中尤其重要。因为混凝土护栏属于刚性护栏，在车辆撞击过程中，对车辆及乘员的伤害往往较大。而在实际设计中，若不计成本，要求全线设置护栏，显然与该设计思想相悖。合理的设计方法应该是在综合分析公路所处的风吹雪环境、公路线形、设计速度、运行速度、交通量和汽车构成的基础上，依照“事故影响最低”的原则，确定需设置护栏的路段，并对其断面形式、基础等各要素进行设计。
１．２　混凝土护栏的使用环境
路侧障碍物与护栏距离很近时，撞击后护栏变形量不能太大；桥梁与山区公路上，严禁任何车辆冲出路基；城市附近的干线公路上，由于车流量大，事故频发，降低养护费用是选择护栏型式时重点考虑的因素之一；当中央分隔带较窄时，可使用双坡混凝土单护栏，而不是双侧钢护栏；当使用钢索柔性或波纹板半刚性护栏时，车辆撞击后护栏变形可能对对向车道来车造成严重的交通事故。
１．３　混凝土护栏基本构造及材料要求
按照车辆驶出路外或进入对向车道有可能造成的事故等级，《公路交通安全设施设计规范》（ＪＴＧＤ８１－２００６）规定路侧混凝土护栏按防撞等级可分为Ａ、ＳＢ、ＳＡ和ＳＳ四级，中央分隔带混凝土护栏按防撞等级可分为Ａｍ、ＳＢｍ 和ＳＡｍ 三级。路侧混凝土护栏按构造可分为Ｆ型、单坡型、加强型三种，研究表明［３］，单坡型护栏在车辆稳定性及乘员安全性方面要优于Ｆ型，而加强型适用于大型车辆占很大比例的路段使用。路侧混凝土护栏的构造如图１所示，其构造要求如表１～表３所示。



中央分隔带混凝土构造如图２所示，构造要求见表４～表５。混凝土护栏的混凝土强度等级、配筋量和基础设置应该通过设计计算确定，高速公路、一级公路混凝土强度等级不低于Ｃ３０，其他公路混凝土强度等级不低于Ｃ２０。


１．４　混凝土护栏基础设计
不同于波纹梁和缆索护栏，混凝土护栏主要靠自身的强度及稳定性来抵抗汽车的碰撞。因此，混凝土护栏基础设计是影响其性能发挥的重要因素。对于路侧混凝土护栏来说，可采用座椅式和桩基式（见图３），除了符合规范上规定的基础强度等级以及构造要求外，还应注意为了增加基础侧向土压力，提高护栏的抗倾覆性，二者均要求地基承载力不小于１５０ｋＮ／ｍ２。对于整体式中央分隔带护栏基础，除要求基础承载力必须达到上述要求外，应将混凝土护栏镶嵌在基础中，在基础下面，需先做一层厚度不小于２０ｃｍ的半刚性基层，在基层上面是一层厚度为１０～２０ｃｍ 的混凝土基层或级配碎石层。对于分离式混凝土护栏，应在混凝土护栏下设置枕梁，护栏之间设置支撑块，以提高护栏的整体稳定性。

１．５　混凝土护栏设计中存在的一些问题
（１）弯道及大纵坡路段混凝土护栏设计：目前规范中关于护栏的设计都是基于小纵坡直线型道路研发的，并未对弯道及大纵坡路段混凝土护栏给出特殊设计，只说明对于线形接近《公路工程技术标准》（ＪＴＧ　Ｂ０１－２００３）［４］中规定的极值时应适当提高护栏设计等级。可见，将直道护栏应用在弯道及大纵坡路段上并非合适。在我国，弯道及大纵坡路段在公路网中比例很大，尤其山区公路弯道及长大纵坡是重、特大事故的主要发源地。因此，为了改善山区公路的交通安全条件，加强对弯道及大纵坡路段及其过渡段混凝土护栏构造形式进行特殊设计就显得更为急需。
（２）混凝土护栏本身就是一种障碍物，在条件许可的情况下，路侧护栏应设置得尽可能远离行车道。这样，偏离行车道的车辆能够最大可能地、无事故地重新驶回行车道，以避免撞击对车辆及乘员的伤害。因此，如何确定护栏的合理横向偏位至关重要，在我国规范中，并未给出相关设计。一般来说这个位置与行驶车速有关，美国的路侧护栏设计的建议值见表６。根据我国公路技术标准的规定，各级公路横断面均能满足此要求。但必须注意要确保护栏与障碍物之间适当的距离。

２　高速公路混凝土护栏滑模施工
对于混凝土护栏，施工质量决定着护栏能否阻止车辆冲出车道，同时减少冲撞对乘员和车辆的伤害。混凝土护栏施工包括现场浇筑成型和预制混凝土护栏拼装施工两种，与传统的先预制后安装工艺相比，滑模施工工艺无需预制场地及大量预制模具，更减少了搬运吊装的工序和拼装工程量，在提高平整度、获得美观线形、统一色泽的情况下同时减少了能耗，实现了“低碳”现代机械化快速施工，是发达国家各级公路混凝土护栏主导的施工方式。
由于混凝土护栏是交通安全设施，迄今为止，我国尚无成文的混凝土护栏施工规范及完善的工程质量检验及评定标准。本文参照２０１２年底发布的《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（报批稿）中混凝土护栏滑模施工有关条文，对混凝土护栏的滑模铺筑技术、质量检验及评定标准要点进行阐述。
２．１　混凝土护栏滑模施工技术要点
按照最新修订的《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（报批稿）［７］，混凝土护栏滑模施工应满足以下技术要求。
（１）原材料的技术要求。
配制混凝土所用的水泥、细集料、粗集料、拌和用水、外加剂以及钢筋等材料，应符合新修订《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（报批稿）［７］的规定。
（２）护栏的配筋设计。
①道路护栏应在中上部配１根、加宽底部两侧各配１根直径≥１４的连续光圆钢筋，钢筋接头应焊接并打磨平滑，滑模摊铺道路护栏时，３根钢筋应滑移穿进固定于护栏模具上的定位套筒内。
② 桥梁护栏应按设计要求配备钢筋笼，钢筋笼应与边板伸出的钢筋相焊接，底部应与边板混凝土牢固连接。
（４）基准线设置。
护栏滑模铺筑前必须设置基准线，设置要求应符合《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（ＪＴＧＦ３０－２００３）［８］的各项规定。桥梁护栏的基准线可设置在护栏内侧不阻碍滑模摊铺机行进的位置，桥面未铺装前滑模铺筑护栏时，基准线桩可与梁顶预留锚固钢筋临时焊接。
（５）护栏拌和物工作度要求。
护栏滑模摊铺时的坍落度应为０；振动黏度系数宜为η＝８００ＮＳ／ｍ２±１００ＮＳ／ｍ２；ＶＢ稠度值宜为１５ｓ±５ｓ。
（６）护栏混凝土设计强度及胶材总量。
护栏混凝土强度等级应符合设计要求，单位水泥用量不宜少于１５０ｋｇ／ｍ３，砂率不宜小于３６％，并应掺适量Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰、矿粉等补足制作光滑表面所要求的拌和物充盈度及胶材总量。粉煤灰、矿粉的适宜掺量应通过试验和试铺确定。
（７）护栏混凝土耐久性。
护栏混凝土中应掺加引气剂，并将拌合物含气量控制在４％±１％。引气剂具有良好的黏聚性、抗冻性及耐候性，并节省了４％左右的拌和物总量，经济效益明显。盐冻剥蚀严重地区，可在护栏表面涂刷渗透型防水剂、油漆或防盐冻专用涂层。
（８）护栏基础要求。
混凝土护栏的基础、地基承载力、端部处理以及纵向连接是护栏发挥功能的重要基础，应符合相关规范的规定。
（９）适宜铺筑混凝土护栏的滑模摊铺机型。混凝土护栏的滑模铺筑应使用专用的小型护栏摊铺机或多功能小型路面滑模摊铺机，钢模具的外形应符合设计要求，且必须有前大后小适宜的挤压成型角度。护栏中设置的振捣棒不应阻碍进料，并不碰撞钢筋。 （１０）护栏滑模铺筑作业要领。
护栏滑模铺筑时的混凝土振捣由设置在滑模机上的振捣棒及模具上的附着式振动器完成。应使用振捣烈度较强、振捣频率不小于９　０００次／ｍｉｎ的高频振捣棒，振捣棒插入振捣混凝土时，拌和物稠度必须能够振动液化，并在振捣持续时间内达到密实状态；振动器应能根据混凝土的塌落度进行无级调速，一边振动密实，一边摊铺推进并脱模。振捣密实的混凝土脱出护栏模具时，护栏顶部坍落量不应大于４±１ｍｍ，并应在摊铺过程中始终维持稳定不变。
滑模机的施工行进速度应根据拌和物运输、卸载速度以及成型断面的大小决定，并应控制在０．５～０．７ｍ／ｍｉｎ左右为佳，速度过低易产生过振，致使砂浆分层，速度过高时，易产生振捣不充分的麻面和露骨。出滑模摊铺机模具后的护栏外观、色泽应均匀一致，不应出现高程塌落、漏石、蜂窝、麻面、裂缝、脱皮等现象。
（１１）护栏的切缝要求。
护栏纵向分缝长度宜为５～１０ｍ；年温差较大地区宜取小值；反之，宜取大值。外周切缝深度不宜小于３０ｍｍ。缝宽宜≤３ｍｍ。护栏接缝可不填缝。底部横向排水孔可用木模预制、固定不取出。
（１２）护栏端部及工作缝施工要求。
滑模铺筑混凝土护栏起终点的端部应施工为６０°左右的光圆斜坡形状。每天施工结束部位在护栏头部应设垂直端模工作缝，下次纵向连接铺筑时应夹木板或泡沫塑料板，其技术要求应符合《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（ＪＴＧ　Ｆ３０－２００３）［８］中胀缝板的规定。
２．２　混凝土护栏滑模施工质量控制
（１）高程控制。 滑模铺筑护栏的最大施工难点是高程及其稳定性控制技术，它对混凝土拌和物的黏聚性、工作度及其一致性要求很高，允许波动的区间很小。铺筑中，拌和物既应振动密实，禁止表面出现蜂窝麻面，同时又要求高程不塌落，铺筑的护栏上表面应是一条直规范的规定。
（９）适宜铺筑混凝土护栏的滑模摊铺机型。
混凝土护栏的滑模铺筑应使用专用的小型护栏摊铺机或多功能小型路面滑模摊铺机，钢模具的外形应符合设计要求，且必须有前大后小适宜的挤压成型角度。护栏中设置的振捣棒不应阻碍进料，并不碰撞钢筋。
（１０）护栏滑模铺筑作业要领。
护栏滑模铺筑时的混凝土振捣由设置在滑模机上的振捣棒及模具上的附着式振动器完成。应使用振捣烈度较强、振捣频率不小于９　０００次／ｍｉｎ的高频振捣棒，振捣棒插入振捣混凝土时，拌和物稠度必须能够振动液化，并在振捣持续时间内达到密实状态；振动器应能根据混凝土的塌落度进行无级调速，一边振动密实，一边摊铺推进并脱模。振捣密实的混凝土脱出护栏模具时，护栏顶部坍落量不应大于４±１ｍｍ，并应在摊铺过程中始终维持稳定不变。滑模机的施工行进速度应根据拌和物运输、卸载速度以及成型断面的大小决定，并应控制在０．５～０．７ｍ／ｍｉｎ左右为佳，速度过低易产生过振，致使砂浆分层，速度过高时，易产生振捣不充分的麻面和露骨。出滑模摊铺机模具后的护栏外观、色泽应均匀一致，不应出现高程塌落、漏石、蜂窝、麻面、裂缝、脱皮等现象。
（１１）护栏的切缝要求。
护栏纵向分缝长度宜为５～１０ｍ；年温差较大地区宜取小值；反之，宜取大值。外周切缝深度不宜小于３０ｍｍ。缝宽宜≤３ｍｍ。护栏接缝可不填缝。底部横向排水孔可用木模预制、固定不取出。
（１２）护栏端部及工作缝施工要求。
滑模铺筑混凝土护栏起终点的端部应施工为６０°左右的光圆斜坡形状。每天施工结束部位在护栏头部应设垂直端模工作缝，下次纵向连接铺筑时应夹木板或泡沫塑料板，其技术要求应符合《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（ＪＴＧ　Ｆ３０－２００３）［８］中胀缝板的规定。
２．２　混凝土护栏滑模施工质量控制
（１）高程控制。
滑模铺筑护栏的最大施工难点是高程及其稳定性控制技术，它对混凝土拌和物的黏聚性、工作度及其一致性要求很高，允许波动的区间很小。铺筑中，拌和物既应振动密实，禁止表面出现蜂窝麻面，同时又要求高程不塌落，铺筑的护栏上表面应是一条直线而不是波浪。在实际施工时，应通过试铺确定使滑模铺筑效果最佳时拌和物工作度的临界点及其控制范围。根据我国湖南、广西、广东、云南等省区滑模铺筑护栏的成功经验，铺筑坍落度必须为零，塌落度筒的总高度仅有３００ｍｍ，只要拌和物有塌落度，在最低高度６００ｍｍ 以上的护栏铺筑时，高程必定会丢失。因此，坍落度不能用于评定拌和物滑模铺筑护栏时的可施工性能，必须使用振动黏度系数和ＶＢ工作度来衡量。新修订的《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（报批稿）［７］中推荐的振动黏度系数宜为η＝８００ＮＳ／ｍ２±１００ＮＳ／ｍ２；ＶＢ工作度值宜为１５ｓ±５ｓ。可供大家在实际护栏滑模铺筑时参照，每台摊铺机铺筑护栏效果最佳的工作度有细微差别，应通过试铺最终确定。
要求滑模摊铺出的护栏高度不应局部塌落，严禁塌落后再贴补砂浆加高，这种局部贴补加高的混凝土使用不到一年，即会因温缩与干缩而脱落，脱落后的护栏质量完全不符合要求，因此严禁贴补，必须一次做好。护栏表面局部气孔等小缺陷允许人工进行适当修整抹平。
（２）表观质量控制。
①护栏的混凝土设计强度等级较低，仅有Ｃ２０～Ｃ３０，满足其混凝土设计强度要求的水泥用量及胶材总量不足以提供脱模后外观充盈度及表面质量。因此，可在护栏拌和物中掺用５０％～７０％的粉煤灰，并通过试铺具体确定工作性最佳时的粉煤灰掺量（超过３０％的粉煤灰仅提供光滑的外观，不要求其贡献强度）。
②滑模铺筑与预制拼装混凝土护栏的表面外观均应平整、光滑、无缺陷，其外观质量要求应符合表７的要求。
 
 
 
 
 
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