西部交通建设科技项目
交通编号：
合同号： 2002-318-000-23 单位编号： GJS-KY-2002-01 密 级： 内部
分 类 号： U416.2
隧道路面结构与材料的研究
研究报告简本
贵州省交通规划勘察设计研究院
同 济 大 学 镇宁至水城公路总监办
二○○四年十二月
项目研究报告辑要
目 录
1 引言 1 1.1 研究背景 1 1.2 国内外隧道路面研究与应用现状 1 1.3 本项目的主要研究内容 2 2 隧道路面文献调研和现场调研
3 隧道路面结构力学分析与设计方法研究 3.1 隧道水泥混凝土路面结构力学分析与设计方法 3.2 隧道沥青混凝土路面结构力学分析与设计方法
4 隧道路面铺装材料组成技术指标和设计标准研究
5 隧道路面养护与改造方案及技术措施 6
隧道路面设计指南、施工指南 隧道路面设计指南 隧道路面施工工艺指南
7 试验路工程
8 结语 8.1 主要结论 8.2 发现的问题和对进一步研究的展望
3
4 4 4 6 7 8 8 9 9 11 11 12
1 引言
1.1 研究背景
随着我国公路网的进一步完善，道路等级的提高和公路环保意识的日益增强，公路隧道的修建量逐渐增加，里程也逐年增长。西部地区山区所占面积比较大，修筑山区高等级公路必然要构筑大量的桥隧结构物。然而相对公路一般路段来讲，对隧道内路面结构和材料的研究相对比较薄弱，没有关于隧道路面结构与材料的专门技术指南。隧道内路面有其特殊的工作环境和使用性能要求。隧道路面状况对隧道内的交通舒适性和安全性影响较大。
因此，开展隧道路面结构与材料的研究，尤其是选择合理的隧道路面结构类型和路面材料，并进行针对性的分析和研究，提出具体的实施方案，对提高西部公路建设水平、保证公路工程质量、促进西部经济发展等具有重要意义。
1.2 国内外隧道路面研究与应用现状
目前国际上关于隧道的研究主要集中在两方面，一方面是隧道洞体本身的结构设计和施工技术；另一方面是隧道自身的环境，包括隧道通风和照明等方面。对隧道运输的安全性有较多的关注。在隧道的防灾方面，针对隧道中出现的浓烟、火灾等事故，国际上对隧道的设计标准，比如通风设备的安装、出入口的设置位置和数量等进行了研究，提出了一些设计上的推荐值。对于隧道内部环境，主要考虑了噪音、污染性气体和照明三个方面。
对隧道内路面的工艺和排水的研究较为系统，有效地改善了隧道路面的工作环境，但是针对隧道的路面结构和材料的研究却不是非常的系统和完善。对各种路用材料和混合料的性能研究的较多，这些研究的成果为隧道路面提供了帮助，有一定的借鉴意义。但这些材料能否适用于隧道特殊的路面结构特点以及材料的费用、施工的难易程度还有待进一步论证。目前还没有专门针对隧道路面所进行的材料和结构型式的研究。
国内有关研究也主要集中在隧道洞体的结构设计和施工技术，以及隧道通风、照明等方面，较少涉及隧道路面的研究。隧道内路面结构和材料设计没有对应的规范和指南，在隧道路面结构设计时通常套用公路或城市道路设计规范。
当前我国公路隧道内多采用水泥混凝土路面，结构设计与材料选用直接套用隧道外部道路路面设计方法。忽略了隧道路面独特的工作环境与使用性能要求，在实际中造成了一些问题。因此，开展隧道路面结构与材料的专题研究尤为重要。
1.3 本项目的主要研究内容
针对西部公路隧道建设的要求，本项目对公路隧道的路面结构与材料的设计进行重点研究。同时对现有路面的养护材料与维修方案以及公路隧道的排水系统的设计等也进行相应的研究。并通过试验段的铺筑探讨公路隧道路面的施工工艺，验证室内研究的实用性。
本项目研究的具体内容有：
（1）隧道路面文献调研和西部地区隧道路面应用现状与工作环境调研； （2）隧道路面结构力学分析与设计方法研究； （3）隧道路面铺装材料组成技术指标和设计标准研究； （4）隧道路面养护与改造方案及技术措施； （5）隧道路面结构与排水设计指南； （6）隧道路面施工工艺指南。 研究的技术流程如图 1-1所示。
图 1-1
研究技术流程
2 隧道路面文献调研和现场调研
隧道路面有其独特的工作环境和使用性能要求。因此，首先需要对现有隧道路面的工作环境和损坏状况进行调查、分析和研究。并通过已有文献资料的调查分析，选择合理的路面结构类型和路面结构材料进行有针对性的分析和研究，并提出具体的实施方案。
现场调研主要集中在我国西部地区。根据西部地区的气候特征，在地理上分为西南多雨地区（如贵州）和西北干旱地区（如青海）进行，并选定不同地质构造、不同隧道结构的隧道进行调研。调研内容包括：隧道路面的工作环境调查，隧道路面的表面性能调查，现有隧道路面结构与材料类型调查，隧道路面病害调查以及隧道排水系统调查。
文献的调研分为三个部分：一是国内外隧道路面的研究发展状况；二是对现有路面
材料的调研分析，从而初步确定隧道路面的材料；三是对现有路面设计方法的调研分析，从而选择合理的隧道路面结构设计方法。
国内外对隧道路面没有系统的专门研究。隧道外部道路路面方面有较多成熟的研究，可以在其基础上，对其针对性和适用性进行改进用于隧道路面。
3 隧道路面结构力学分析与设计方法研究
在现场调研和文献调研的基础上，对隧道路面结构包括水泥混凝土路面、沥青混凝土路面以及复合式沥青路面在设计中的影响因素进行了全面的分析，建立了隧道路面力学分析模型，并提出了隧道路面的结构设计指标体系以及设计方法。
3.1 隧道水泥混凝土路面结构力学分析与设计方法
对隧道水泥混凝土路面结构的研究可以用下图 3-1表述：
建立模型
求 解
应 用
图 3-1 隧道水泥混凝土路面结构分析主要研究内容
隧道水泥路面临界荷位为两处：板底面纵边中点和板角上表面。确定了设计临界荷位以后，相应的设计指标也就确定。
隧道水泥混凝土路面的设计步骤为：对该路面的预计交通量和轴载状况进行调查，并结合混凝土面层的材料特点，根据轴载换算系数换算公式计算标准轴载作用次数，然后计算累计标准轴载作用次数；确定出隧道混凝土路面的结构组合形式；通过室内试验或者规范建议值得到面板、基层的模量，并通过现场实测并利用有关公式计算得到基岩的模量；计算板厚
3.2 隧道沥青混凝土路面结构力学分析与设计方法
隧道内常规的沥青路面分析结构及需要考虑的路面响应如图 3-2所示。
zx
半刚性基层
粒料类垫层
基 岩
图 3-2 隧道普通沥青混凝土结构
隧道内复合式路面结构的分析模型如图 3-3所示。
沥青混凝土 贫混凝土、碾压混凝土等
半刚性基层 基 岩
（a ）
x
半刚性基层 基 岩
（b ）
图 3-3 复合式路面分析示意图
通过对SHELL 车辙计算方法的分析，结合隧道沥青路面的结构特点，提出了针对于隧道沥青路面的沥青层车辙计算方法。
对于沥青混凝土＋水泥混凝土复合式路面的设计指标有3个：水平力作用下层间水平抗剪强度；接缝处的沥青层顶面竖向剪应力；接缝处沥青层底面水平拉应力。
设计标准有两个：一是要求材料的抗拉疲劳应力不超过其抗拉疲劳强度；二是材料的抗剪疲劳应力不超过其抗剪疲劳强度。
隧道普通沥青混凝土路面的设计步骤为：确定设计交通量；确定沥青混合料的粘性参数；计算路面永久变形；与车辙标准比较，得到路面厚度。
隧道复合式路面的设计步骤为：确定设计交通量；计算接缝处的疲劳应力；与疲劳标准比较，得出合理厚度。
4 隧道路面铺装材料组成技术指标和设计标准研究
根据现场调查和文献调研的分析结果，对隧道路面的面层材料进行重点研究。并选择可行的隧道路面铺装材料，包括沥青混凝土类：OGFC 和SMA ；水泥混凝土类：多孔混凝土和钢纤维混凝土。分析这四种材料的隧道路用性能影响因素，确定组成设计方法和技术指标要求。
本部分主要研究内容有：
（1） 隧道阻燃沥青研究；
（2） 隧道SMA 路用性能研究；
（3） 隧道OGFC 路用性能研究；
（4） 隧道多孔混凝土路用性能研究；
（5） 隧道钢纤维混凝土路用性能研究。
5 隧道路面养护与改造方案及技术措施
在其它子题研究的基础上，参考国内外隧道外道路路面养护修复方面成熟的工程技术经验，分析我国公路隧道路面工作环境和公路隧道路面病害的特点，通过室内试验比较和实际修复工程验证，探索适合于公路隧道路面养护与修复的有效工程技术措施，重点针对隧道路面的预防性养护措施、应急性修补技术措施以及结构性修复技术进行研究。
本报告主要考虑隧道路面养护修补材料和技术措施的因素，以及方案决策的定性化分析。主要研究内容如下：
（1） 隧道路面工作环境以及养护修复特点；
（2） 隧道路面病害类型、破损模式及成因分析；
（3） 隧道路面养护与修复技术措施；
（4） 隧道路面养护与修复方案决策。
隧道路面养护与修复方案决策流程如下图所示。
图 5-1 隧道路面养护修复方案决策流程图
6 隧道路面设计指南、施工指南
在室内试验及理论分析研究的基础上，结合试验段工程，参照国内外有关文献、研究成果编写了隧道路面设计指南以及施工工艺指南。
6.1 隧道路面设计指南
在设计指南中给出了公路隧道路面的设计方法、技术指标要求以及有关设计实例。 设计指南的结构设计方法适用于隧道路面包括水泥混凝土路面、普通沥青路面以及沥青与水泥混凝土复合式路面的结构设计。
设计指南应用范围主要有：
（1） 作为工程技术人员进行隧道路面结构组合与厚度设计时参考的依据。
（2） 作为工程技术人员进行隧道路面排水设计时参考的依据。
（3） 作为评价现有隧道路面排水设施功能与效果的判断依据。
设计指南对以下工程设计具有一定的参考和指导作用：
（1） 隧道水泥混凝土路面结构组合与厚度设计；
（2） 隧道普通沥青路面结构组合与厚度设计；
（3） 隧道复合式沥青路面结构组合与厚度设计；
（4） 隧道路面表面排水；
（5） 隧道路面结构内部排水；
（6） 隧道路面地下排水；
（7） 隧道路面洞外排水等。
6.2 隧道路面施工工艺指南
隧道路面施工工艺指南包括了公路隧道水泥混凝土路面面层和公路隧道沥青混凝土路面面层的施工工艺技术。适用于新建的公路隧道路面面层的施工。
在施工工艺指南中主要提出了隧道水泥混凝土路面和隧道沥青路面的原材料要求和配合比设计方法，并提出了隧道路面的施工工艺。主要内容有：隧道沥青路面和水泥路面的原材料（集料、沥青、稳定添加剂以及水泥等）技术要求；OGFC 和SMA 沥青混合料以及钢纤维混凝土和多孔水泥混凝土的配合比设计方法和技术标准；OGFC 和SMA 沥青混合料以及钢纤维混凝土以及多孔水泥混凝土在隧道内的施工工艺，包括混合料生产、运输和现场摊铺以及碾压。
7 试验路工程
对隧道路面拟选用的SMA 、OGFC 以及多孔混凝土、钢纤维混凝土材料，构筑依托工程的路面结构，通过材料的选择、混合料的设计、结构形式的设计、施工工艺的控制、现场试验和长期跟踪观测，以验证力学分析计算和室内试验结果，总结选用结构与材料在公路隧道路面中应用的设计方法、施工工艺和质量评定标准。主要内容如下：
（1）结合贵州的自然地理条件和实际工程条件，选择在贵州省高等级公路网规划“二
横二纵四联线”中的镇宁（黄果树）至水城高等级公路、国道主干线重庆至湛江公路（贵州境）崇溪河至遵义高速公路上实施依托工程，并通过查阅设计资料和实地踏勘，确定具体的试验段（隧道）位置。
（2）选定在水黄线加开营隧道和锅圈岩隧道分别实施普通混凝土、多孔混凝土、钢纤维混凝土、SMA 、SMA 复合结构、OGFC 共六个试验段。在崇遵线的金竹窝隧道又进一步对多孔混凝土实施五种方案的对比。
（3）按照本项目结构报告以及设计指南进行试验段的力学分析和力学计算。
（4）根据调研结果和室内材料试验结果，结合对公路隧道路面的力学分析，选择合适的路面结构材料，进行试验段路面结构材料设计，并制定相应的施工工艺和观测方案。
（5）根据观测方案，在施工中和施工后对路面的力学性能以及路用性能进行监测，以验证室内试验的结果。
（6）对观测数据进行分析，评价对比采用的隧道路面结构型式的路用效能及经济效益。通过比较认为试验采取的几种隧道路面结构，单从材料单价而言，要高于原有普通水泥混凝土和普通沥青材料。沥青类OGFC 最高，SMA 次之。与AC －20I 相比，OGFC 要增加124％，SMA 要增加92％；水泥混凝土类多孔混凝土最高，钢纤维次之。与普通C35水泥混凝土相比，多孔混凝土要增加119％，钢纤维要增加96％。但从整体路面结构方案而言，由于选用的材料只是作为防滑磨耗表层，厚度较薄，所占比例较少，所以除钢纤维路面类型增加费用达41％外，其余类型增加费用比例较低。多孔混凝土类型增加了16.97％。与普通沥青混凝土路面相比，OGFC 增加9.2％，SMA 增加5.9％，SMA 复合路面增加9.6％。并且多孔混凝土如果能够使用石灰岩，将具有非常高的经济效益和推广价值。
由于推荐采用的隧道路面结构材料型式具有良好的路用性能，提高了使用效率和安全性能，减少了养护维修费用。因此综合考虑养护维修、运营使用以及使用安全等多方面因素，推荐型式是具有较高性价比的。
（7）基于分析评价结果，总结选用的隧道路面结构材料在公路隧道中的应用技术，提出合理的应用形式、科学的设计施工工艺和质量评定标准，以及存在的问题和改进建议。
8 结语
8.1 主要结论
在总结现有路面材料和结构研究成果的基础上，针对西部公路隧道路面存在的问题和隧道路面特有的工作环境，对隧道路面结构和材料做了系统深入的探讨和研究工作，主要在以下几个方面做了有创新意义的探索并取得有价值的成果：
（1） 在公路隧道结构分析及设计方法方面
1） 通过对隧道路面结构特点的全面分析，首次系统的建立了隧道水泥混凝土路面
和沥青路面以及复合式路面的有限元分析模型。并将其用于公路隧道路面结构
力学分析。
2） 在全面结构分析的基础上，建立了完整系统的隧道水泥混凝土路面、沥青路面
和复合式路面的设计指标体系，为公路隧道路面结构设计提供了明确的目标。
3） 提出了隧道水泥混凝土路面、沥青路面和复合式路面的结构设计新方法。这一
方法对公路隧道路面结构设计而言更具可行性，针对性更强，适用性更好。
4） 通过试验路工程验证了所提出的公路隧道路面设计指标体系和设计方法的科学
性和可行性。
（2） 在公路隧道路面铺装材料方面
1） 研究认为多孔混凝土、钢纤维混凝土以及OGFC 和SMA 是公路隧道路面理想
的面层铺装材料。并提出了各材料的设计方法和技术指标。
2） 针对隧道防火要求，提出了阻燃沥青的试验方法、评价指标以及评价标准。通
过沥青氧指数试验分析其测定影响因素，提出了沥青氧指数测试方法和要求。
3） 采用自行设计的加速磨耗试验对公路隧道路面铺装材料的表面性能衰减进行了
分析研究，并得出衰减回归公式。
4） 采用自行设计的混合料燃烧对比试验，验证了选用的公路隧道沥青路面铺装材
料的防火安全性能。
（3） 在公路隧道路面养护修复方面
1） 对隧道路面养护修复提出应急性修补、预防性养护和结构性修复三个层面的概
念，使隧道路面养护修复更具有可行性。
2） 结合隧道营运条件，考虑隧道路面的快速维修和养护策略，提出了隧道路面快
补材料的设计方法和技术指标要求。
（4） 在公路隧道路面设计、施工的应用指导方面
1） 首次系统的建立了公路隧道路面结构与排水设计方法，并提出了公路隧道路面
结构设计标准，填补了针对公路隧道路面结构设计方法的空白。
2） 给出了公路隧道路面施工工艺应用技术指南。
3） 通过试验路中实际工程验证了室内试验研究和理论分析的正确性。
8.2 发现的问题和对进一步研究的展望
本项目在研究过程中取得一定成果的同时，也发现了许多新问题，由于受时间和各方面条件的限制，还没有得到很好的解决。
（1）对隧道沥青路面，目前实际工程较少，且修建时间较短，所以其病害特点不够明显，对应的养护修复措施还不够深入。
（2）对于隧道路面复合式结构，有关反射裂缝的作用机理和防治方法是是今后隧道复合路面必须深入研究的课题。
（3）选用的隧道路面材料应用效果均需要长时间的运行才能检验，特别是耐久性问题，短期内无法检测，但课题研究周期较短，无法取得相应的观测数据，对研究成果的可靠性和完善性造成了一定影响。根据该课题的特殊性，课题组决定在课题验收后，继续对试验工程实施跟踪观测，取得较为完善的数据，对课题研究成果进行补充和修正。
西部交通建设科技项目
交通编号：
合同号： 2002-318-000-23 单位编号： GJS-KY-2002-01 密 级： 内部
分 类 号： U416.2
隧道路面结构与材料的研究
研究报告简本
贵州省交通规划勘察设计研究院
同 济 大 学 镇宁至水城公路总监办
二○○四年十二月
项目研究报告辑要
目 录
1 引言 1 1.1 研究背景 1 1.2 国内外隧道路面研究与应用现状 1 1.3 本项目的主要研究内容 2 2 隧道路面文献调研和现场调研
3 隧道路面结构力学分析与设计方法研究 3.1 隧道水泥混凝土路面结构力学分析与设计方法 3.2 隧道沥青混凝土路面结构力学分析与设计方法
4 隧道路面铺装材料组成技术指标和设计标准研究
5 隧道路面养护与改造方案及技术措施 6
隧道路面设计指南、施工指南 隧道路面设计指南 隧道路面施工工艺指南
7 试验路工程
8 结语 8.1 主要结论 8.2 发现的问题和对进一步研究的展望
3
4 4 4 6 7 8 8 9 9 11 11 12
1 引言
1.1 研究背景
随着我国公路网的进一步完善，道路等级的提高和公路环保意识的日益增强，公路隧道的修建量逐渐增加，里程也逐年增长。西部地区山区所占面积比较大，修筑山区高等级公路必然要构筑大量的桥隧结构物。然而相对公路一般路段来讲，对隧道内路面结构和材料的研究相对比较薄弱，没有关于隧道路面结构与材料的专门技术指南。隧道内路面有其特殊的工作环境和使用性能要求。隧道路面状况对隧道内的交通舒适性和安全性影响较大。
因此，开展隧道路面结构与材料的研究，尤其是选择合理的隧道路面结构类型和路面材料，并进行针对性的分析和研究，提出具体的实施方案，对提高西部公路建设水平、保证公路工程质量、促进西部经济发展等具有重要意义。
1.2 国内外隧道路面研究与应用现状
目前国际上关于隧道的研究主要集中在两方面，一方面是隧道洞体本身的结构设计和施工技术；另一方面是隧道自身的环境，包括隧道通风和照明等方面。对隧道运输的安全性有较多的关注。在隧道的防灾方面，针对隧道中出现的浓烟、火灾等事故，国际上对隧道的设计标准，比如通风设备的安装、出入口的设置位置和数量等进行了研究，提出了一些设计上的推荐值。对于隧道内部环境，主要考虑了噪音、污染性气体和照明三个方面。
对隧道内路面的工艺和排水的研究较为系统，有效地改善了隧道路面的工作环境，但是针对隧道的路面结构和材料的研究却不是非常的系统和完善。对各种路用材料和混合料的性能研究的较多，这些研究的成果为隧道路面提供了帮助，有一定的借鉴意义。但这些材料能否适用于隧道特殊的路面结构特点以及材料的费用、施工的难易程度还有待进一步论证。目前还没有专门针对隧道路面所进行的材料和结构型式的研究。
国内有关研究也主要集中在隧道洞体的结构设计和施工技术，以及隧道通风、照明等方面，较少涉及隧道路面的研究。隧道内路面结构和材料设计没有对应的规范和指南，在隧道路面结构设计时通常套用公路或城市道路设计规范。
当前我国公路隧道内多采用水泥混凝土路面，结构设计与材料选用直接套用隧道外部道路路面设计方法。忽略了隧道路面独特的工作环境与使用性能要求，在实际中造成了一些问题。因此，开展隧道路面结构与材料的专题研究尤为重要。
1.3 本项目的主要研究内容
针对西部公路隧道建设的要求，本项目对公路隧道的路面结构与材料的设计进行重点研究。同时对现有路面的养护材料与维修方案以及公路隧道的排水系统的设计等也进行相应的研究。并通过试验段的铺筑探讨公路隧道路面的施工工艺，验证室内研究的实用性。
本项目研究的具体内容有：
（1）隧道路面文献调研和西部地区隧道路面应用现状与工作环境调研； （2）隧道路面结构力学分析与设计方法研究； （3）隧道路面铺装材料组成技术指标和设计标准研究； （4）隧道路面养护与改造方案及技术措施； （5）隧道路面结构与排水设计指南； （6）隧道路面施工工艺指南。 研究的技术流程如图 1-1所示。
图 1-1
研究技术流程
2 隧道路面文献调研和现场调研
隧道路面有其独特的工作环境和使用性能要求。因此，首先需要对现有隧道路面的工作环境和损坏状况进行调查、分析和研究。并通过已有文献资料的调查分析，选择合理的路面结构类型和路面结构材料进行有针对性的分析和研究，并提出具体的实施方案。
现场调研主要集中在我国西部地区。根据西部地区的气候特征，在地理上分为西南多雨地区（如贵州）和西北干旱地区（如青海）进行，并选定不同地质构造、不同隧道结构的隧道进行调研。调研内容包括：隧道路面的工作环境调查，隧道路面的表面性能调查，现有隧道路面结构与材料类型调查，隧道路面病害调查以及隧道排水系统调查。
文献的调研分为三个部分：一是国内外隧道路面的研究发展状况；二是对现有路面
材料的调研分析，从而初步确定隧道路面的材料；三是对现有路面设计方法的调研分析，从而选择合理的隧道路面结构设计方法。
国内外对隧道路面没有系统的专门研究。隧道外部道路路面方面有较多成熟的研究，可以在其基础上，对其针对性和适用性进行改进用于隧道路面。
3 隧道路面结构力学分析与设计方法研究
在现场调研和文献调研的基础上，对隧道路面结构包括水泥混凝土路面、沥青混凝土路面以及复合式沥青路面在设计中的影响因素进行了全面的分析，建立了隧道路面力学分析模型，并提出了隧道路面的结构设计指标体系以及设计方法。
3.1 隧道水泥混凝土路面结构力学分析与设计方法
对隧道水泥混凝土路面结构的研究可以用下图 3-1表述：
建立模型
求 解
应 用
图 3-1 隧道水泥混凝土路面结构分析主要研究内容
隧道水泥路面临界荷位为两处：板底面纵边中点和板角上表面。确定了设计临界荷位以后，相应的设计指标也就确定。
隧道水泥混凝土路面的设计步骤为：对该路面的预计交通量和轴载状况进行调查，并结合混凝土面层的材料特点，根据轴载换算系数换算公式计算标准轴载作用次数，然后计算累计标准轴载作用次数；确定出隧道混凝土路面的结构组合形式；通过室内试验或者规范建议值得到面板、基层的模量，并通过现场实测并利用有关公式计算得到基岩的模量；计算板厚
3.2 隧道沥青混凝土路面结构力学分析与设计方法
隧道内常规的沥青路面分析结构及需要考虑的路面响应如图 3-2所示。
zx
半刚性基层
粒料类垫层
基 岩
图 3-2 隧道普通沥青混凝土结构
隧道内复合式路面结构的分析模型如图 3-3所示。
沥青混凝土 贫混凝土、碾压混凝土等
半刚性基层 基 岩
（a ）
x
半刚性基层 基 岩
（b ）
图 3-3 复合式路面分析示意图
通过对SHELL 车辙计算方法的分析，结合隧道沥青路面的结构特点，提出了针对于隧道沥青路面的沥青层车辙计算方法。
对于沥青混凝土＋水泥混凝土复合式路面的设计指标有3个：水平力作用下层间水平抗剪强度；接缝处的沥青层顶面竖向剪应力；接缝处沥青层底面水平拉应力。
设计标准有两个：一是要求材料的抗拉疲劳应力不超过其抗拉疲劳强度；二是材料的抗剪疲劳应力不超过其抗剪疲劳强度。
隧道普通沥青混凝土路面的设计步骤为：确定设计交通量；确定沥青混合料的粘性参数；计算路面永久变形；与车辙标准比较，得到路面厚度。
隧道复合式路面的设计步骤为：确定设计交通量；计算接缝处的疲劳应力；与疲劳标准比较，得出合理厚度。
4 隧道路面铺装材料组成技术指标和设计标准研究
根据现场调查和文献调研的分析结果，对隧道路面的面层材料进行重点研究。并选择可行的隧道路面铺装材料，包括沥青混凝土类：OGFC 和SMA ；水泥混凝土类：多孔混凝土和钢纤维混凝土。分析这四种材料的隧道路用性能影响因素，确定组成设计方法和技术指标要求。
本部分主要研究内容有：
（1） 隧道阻燃沥青研究；
（2） 隧道SMA 路用性能研究；
（3） 隧道OGFC 路用性能研究；
（4） 隧道多孔混凝土路用性能研究；
（5） 隧道钢纤维混凝土路用性能研究。
5 隧道路面养护与改造方案及技术措施
在其它子题研究的基础上，参考国内外隧道外道路路面养护修复方面成熟的工程技术经验，分析我国公路隧道路面工作环境和公路隧道路面病害的特点，通过室内试验比较和实际修复工程验证，探索适合于公路隧道路面养护与修复的有效工程技术措施，重点针对隧道路面的预防性养护措施、应急性修补技术措施以及结构性修复技术进行研究。
本报告主要考虑隧道路面养护修补材料和技术措施的因素，以及方案决策的定性化分析。主要研究内容如下：
（1） 隧道路面工作环境以及养护修复特点；
（2） 隧道路面病害类型、破损模式及成因分析；
（3） 隧道路面养护与修复技术措施；
（4） 隧道路面养护与修复方案决策。
隧道路面养护与修复方案决策流程如下图所示。
图 5-1 隧道路面养护修复方案决策流程图
6 隧道路面设计指南、施工指南
在室内试验及理论分析研究的基础上，结合试验段工程，参照国内外有关文献、研究成果编写了隧道路面设计指南以及施工工艺指南。
6.1 隧道路面设计指南
在设计指南中给出了公路隧道路面的设计方法、技术指标要求以及有关设计实例。 设计指南的结构设计方法适用于隧道路面包括水泥混凝土路面、普通沥青路面以及沥青与水泥混凝土复合式路面的结构设计。
设计指南应用范围主要有：
（1） 作为工程技术人员进行隧道路面结构组合与厚度设计时参考的依据。
（2） 作为工程技术人员进行隧道路面排水设计时参考的依据。
（3） 作为评价现有隧道路面排水设施功能与效果的判断依据。
设计指南对以下工程设计具有一定的参考和指导作用：
（1） 隧道水泥混凝土路面结构组合与厚度设计；
（2） 隧道普通沥青路面结构组合与厚度设计；
（3） 隧道复合式沥青路面结构组合与厚度设计；
（4） 隧道路面表面排水；
（5） 隧道路面结构内部排水；
（6） 隧道路面地下排水；
（7） 隧道路面洞外排水等。
6.2 隧道路面施工工艺指南
隧道路面施工工艺指南包括了公路隧道水泥混凝土路面面层和公路隧道沥青混凝土路面面层的施工工艺技术。适用于新建的公路隧道路面面层的施工。
在施工工艺指南中主要提出了隧道水泥混凝土路面和隧道沥青路面的原材料要求和配合比设计方法，并提出了隧道路面的施工工艺。主要内容有：隧道沥青路面和水泥路面的原材料（集料、沥青、稳定添加剂以及水泥等）技术要求；OGFC 和SMA 沥青混合料以及钢纤维混凝土和多孔水泥混凝土的配合比设计方法和技术标准；OGFC 和SMA 沥青混合料以及钢纤维混凝土以及多孔水泥混凝土在隧道内的施工工艺，包括混合料生产、运输和现场摊铺以及碾压。
7 试验路工程
对隧道路面拟选用的SMA 、OGFC 以及多孔混凝土、钢纤维混凝土材料，构筑依托工程的路面结构，通过材料的选择、混合料的设计、结构形式的设计、施工工艺的控制、现场试验和长期跟踪观测，以验证力学分析计算和室内试验结果，总结选用结构与材料在公路隧道路面中应用的设计方法、施工工艺和质量评定标准。主要内容如下：
（1）结合贵州的自然地理条件和实际工程条件，选择在贵州省高等级公路网规划“二
横二纵四联线”中的镇宁（黄果树）至水城高等级公路、国道主干线重庆至湛江公路（贵州境）崇溪河至遵义高速公路上实施依托工程，并通过查阅设计资料和实地踏勘，确定具体的试验段（隧道）位置。
（2）选定在水黄线加开营隧道和锅圈岩隧道分别实施普通混凝土、多孔混凝土、钢纤维混凝土、SMA 、SMA 复合结构、OGFC 共六个试验段。在崇遵线的金竹窝隧道又进一步对多孔混凝土实施五种方案的对比。
（3）按照本项目结构报告以及设计指南进行试验段的力学分析和力学计算。
（4）根据调研结果和室内材料试验结果，结合对公路隧道路面的力学分析，选择合适的路面结构材料，进行试验段路面结构材料设计，并制定相应的施工工艺和观测方案。
（5）根据观测方案，在施工中和施工后对路面的力学性能以及路用性能进行监测，以验证室内试验的结果。
（6）对观测数据进行分析，评价对比采用的隧道路面结构型式的路用效能及经济效益。通过比较认为试验采取的几种隧道路面结构，单从材料单价而言，要高于原有普通水泥混凝土和普通沥青材料。沥青类OGFC 最高，SMA 次之。与AC －20I 相比，OGFC 要增加124％，SMA 要增加92％；水泥混凝土类多孔混凝土最高，钢纤维次之。与普通C35水泥混凝土相比，多孔混凝土要增加119％，钢纤维要增加96％。但从整体路面结构方案而言，由于选用的材料只是作为防滑磨耗表层，厚度较薄，所占比例较少，所以除钢纤维路面类型增加费用达41％外，其余类型增加费用比例较低。多孔混凝土类型增加了16.97％。与普通沥青混凝土路面相比，OGFC 增加9.2％，SMA 增加5.9％，SMA 复合路面增加9.6％。并且多孔混凝土如果能够使用石灰岩，将具有非常高的经济效益和推广价值。
由于推荐采用的隧道路面结构材料型式具有良好的路用性能，提高了使用效率和安全性能，减少了养护维修费用。因此综合考虑养护维修、运营使用以及使用安全等多方面因素，推荐型式是具有较高性价比的。
（7）基于分析评价结果，总结选用的隧道路面结构材料在公路隧道中的应用技术，提出合理的应用形式、科学的设计施工工艺和质量评定标准，以及存在的问题和改进建议。
8 结语
8.1 主要结论
在总结现有路面材料和结构研究成果的基础上，针对西部公路隧道路面存在的问题和隧道路面特有的工作环境，对隧道路面结构和材料做了系统深入的探讨和研究工作，主要在以下几个方面做了有创新意义的探索并取得有价值的成果：
（1） 在公路隧道结构分析及设计方法方面
1） 通过对隧道路面结构特点的全面分析，首次系统的建立了隧道水泥混凝土路面
和沥青路面以及复合式路面的有限元分析模型。并将其用于公路隧道路面结构
力学分析。
2） 在全面结构分析的基础上，建立了完整系统的隧道水泥混凝土路面、沥青路面
和复合式路面的设计指标体系，为公路隧道路面结构设计提供了明确的目标。
3） 提出了隧道水泥混凝土路面、沥青路面和复合式路面的结构设计新方法。这一
方法对公路隧道路面结构设计而言更具可行性，针对性更强，适用性更好。
4） 通过试验路工程验证了所提出的公路隧道路面设计指标体系和设计方法的科学
性和可行性。
（2） 在公路隧道路面铺装材料方面
1） 研究认为多孔混凝土、钢纤维混凝土以及OGFC 和SMA 是公路隧道路面理想
的面层铺装材料。并提出了各材料的设计方法和技术指标。
2） 针对隧道防火要求，提出了阻燃沥青的试验方法、评价指标以及评价标准。通
过沥青氧指数试验分析其测定影响因素，提出了沥青氧指数测试方法和要求。
3） 采用自行设计的加速磨耗试验对公路隧道路面铺装材料的表面性能衰减进行了
分析研究，并得出衰减回归公式。
4） 采用自行设计的混合料燃烧对比试验，验证了选用的公路隧道沥青路面铺装材
料的防火安全性能。
（3） 在公路隧道路面养护修复方面
1） 对隧道路面养护修复提出应急性修补、预防性养护和结构性修复三个层面的概
念，使隧道路面养护修复更具有可行性。
2） 结合隧道营运条件，考虑隧道路面的快速维修和养护策略，提出了隧道路面快
补材料的设计方法和技术指标要求。
（4） 在公路隧道路面设计、施工的应用指导方面
1） 首次系统的建立了公路隧道路面结构与排水设计方法，并提出了公路隧道路面
结构设计标准，填补了针对公路隧道路面结构设计方法的空白。
2） 给出了公路隧道路面施工工艺应用技术指南。
3） 通过试验路中实际工程验证了室内试验研究和理论分析的正确性。
8.2 发现的问题和对进一步研究的展望
本项目在研究过程中取得一定成果的同时，也发现了许多新问题，由于受时间和各方面条件的限制，还没有得到很好的解决。
（1）对隧道沥青路面，目前实际工程较少，且修建时间较短，所以其病害特点不够明显，对应的养护修复措施还不够深入。
（2）对于隧道路面复合式结构，有关反射裂缝的作用机理和防治方法是是今后隧道复合路面必须深入研究的课题。
（3）选用的隧道路面材料应用效果均需要长时间的运行才能检验，特别是耐久性问题，短期内无法检测，但课题研究周期较短，无法取得相应的观测数据，对研究成果的可靠性和完善性造成了一定影响。根据该课题的特殊性，课题组决定在课题验收后，继续对试验工程实施跟踪观测，取得较为完善的数据，对课题研究成果进行补充和修正。