严寒地区高等级公路重载水泥混凝土路面

　　一、项目建设与运营基本信息

　　1.建设基本概况

　　国道207线白音华至霍林郭勒段一级公路位于内蒙古自治区霍林郭勒市，起点位于锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗白音华煤矿，与白音华工业园区一级公路相接，途径西乌珠穆沁旗白音华镇宝日格斯台、通辽市扎鲁特旗格日朝鲁苏木、扎哈淖尔露天煤矿、霍林郭勒市，终点位于霍林郭勒市南与国道304线相连，路线全长100.114公里(如图1所示)。全线采用一级公路标准，设计行车速度100km/h，路基宽26.0米，路面结构为水泥混凝土路面，宽22.5米。于2008年7月开工建设，2011年10月通车运营，至今已运营13年，项目投资20.88亿元。公路分区为季冻区，历史最低气温-36℃，交通组成以拉煤大货车为主，在内蒙古自治区范围内具有典型代表性。

　　图1 项目地理位置图(绿色线)

　　国道207线白音华至霍林郭勒段一级公路路面结构针对严寒地区冻害特征突出的恶劣环境与极重荷载水泥路面结构耐久承载的实际需求，开展了系列设计与施工技术研究，首创提出了粒料变形协调层与沥青混凝土功能层新结构等设计方法，经工程检验很好地协调了路面结构与土基、基层与面层之间的变形。基于经济适用原则，项目重载方向与轻载方向采用了差异化结构设计优化。

　　2.运营质量技术状况

　　白音华至霍林郭勒一级公路(重载运煤专线)自2011年建成通车后，彻底打通白音华煤矿、白音华工业园区等域内重要能源及二次加工经济体与外经贸往来渠道，实现通辽-赤峰-锡林郭勒三盟市互通互联;通过近13年公路运营趋势来看，交通量总体呈现逐年大幅增加趋势，尤其是重载交通，最大日货车交通量可达2700辆/日，最大年货车交通592337辆。预计本项目重载交通量会日益增长，地理区位重要性和收益日益凸显。

　　公路运营13年来路面整体状况较好，仅存在轻微的角隅裂缝和普遍的接缝类病害，表现为填缝料中轻程度损失。基于“决策科学、管理规范、技术先进、优质高效、绿色安全”的原则，坚持“预防为主、防治结合”基本方针，贯彻全寿命周期养护成本的运维决策，结合国内外水泥混凝土路面破坏的规律分析，本工程项目近年来主要采取了接缝功能恢复预养护处理措施。通过运营养护期间的收支统计来看，养护支出经费约占通行费收入的4.0-5.5%，该路的经济受益明显，这得益于建设与养护全寿命周期的建养理念，实现了工程项目的提质增收。

　　二、工程建设背景与技术开发创新

　　1 建设背景

　　工程建设背景是基于促进内蒙古自治区煤炭、矿产资源的深度开发利用，推动地方社会经济的可持续发展;再而充分利用当地丰富的水泥资源，发展低碳、环保绿色交通，适应党的十八大提出的生态文明建设需求。但也存在迫切需要解决特殊气候条件下现代极重交通运输铺面设计、施工、材料、施工设备和工艺等难题。

　　2 攻坚技术开发

　　项目研究是为解决我国严寒地区冬季漫长而寒冷，降雪日数长，冻结深度大等冻害特征突出的恶劣气候环境，与满足极重荷载运营环境的水泥混凝土路面结构承载力需求等显著特征下水泥混凝土路面修筑难题。水泥混凝土路面环境因素是影响工程修筑质量和使用寿命的关键因素，同时，对水泥混凝土的抗冰冻、抗盐冻、耐磨等耐久性问题提出更为严格的要求。而荷载因素是选择路面结构型式的标准。因此，该项目在路面结构形式选择、恶劣气候环境条件下的修筑以及新技术、新材料的应用等方面存在着诸多难点，在路面结构设计以及与气候环境相适应的耐久性设计方面具有明显的特殊性。为保证工程质量，攻克在设计、施工过程中存在的技术难题，针对该项目特点开展研究，形成一整套高严寒地区超重载水泥混凝土路面设计、施工技术。开展的攻坚技术内容为：(1)严寒地区超重载水泥混凝土路面结构与分析研究;(2)严寒地区水泥混凝土路面下承层结构、材料与施工控制技术研究;(3)严寒地区水泥混凝土路面用高耐久性水泥混凝土材料研究;(4)恶劣气候条件下水泥混凝土路面施工工艺与过程控制。

　　3.成果创新价值

　　经工程应用及专家评审，项目取得主要成果和技术开发与创新如下：

　　(1)针对严寒、极重荷载环境，系统提出基于地基、路基路面一体化的水泥混凝土路面设计理论和方法，成果纳入交通运输部《公路水泥混凝土路面设计规范》;

　　(2)基于不同季节因素对地基路基的影响，建立了变形和强度双参数控制下的水泥混凝土路面地基路基施工及质量控制技术;

　　(3)基于水泥混凝土路面施工装备与材料相互作用特性，开展了设备超前评估、带载调试、过程监控的装备、材料与工艺综合控制技术研究，成果纳入交通运输部《公路水泥混凝土路面施工技术规范》;

　　(4)基于水泥混凝土路面硬化阶段内嵌温度理论，提出水泥混凝土路面施工“窗口期”确定方法和施工控制技术;

　　(5)建立水泥混凝土结构层变形协调理论，提出了设置粒料变形协调层和沥青混凝土功能层以实现变形协调的方法，并大规模应用于实体工程;

　　(6)提出了耐严寒、抗盐冻的高性能路用水泥混凝土配合比设计方法。

　　应用本项目成果完成了内蒙古极端严寒地区首条百公里规模极重荷载运煤专线公路水泥混凝土路面的设计与施工，该路已历经13个极度严寒冬季与极重荷载重复作用的考验，充分证明了项目成果的先进性、针对性和实用性。项目成果获国家科技进步二等奖和自治区科技进步一等奖，国家发明专利3项、实用新型专利7项，发表论文30余篇，软件著作权1项。研究成果纳入《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)、《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)、《公路工程水泥混凝土路面填缝料》(JT/T203-2014)和《公路工程环氧涂层钢筋》(JT/T 945-2014)，为行业规范标准的修订与完善做出积极贡献。

　　三、成果的推广应用与社会效益

　　内蒙古地区首条极重荷载水泥混凝土路面工程的成功实践具有显著的示范效应，促进了水泥混凝土路面在内蒙古乃至国内与之类似条件地区的推广与应用。如内蒙古严寒地区第二条重载水泥混凝土路面——准兴重载高速公路，现已全线通车试运营，通车里程超过260公里。本项目成果的技术领先度和成熟度均达到国际领先水平，成果在美国第92届TRB(国际交通运输研究会)年会水泥混凝土路面施工委员上做了专题介绍，亦被交通运输部《公路水泥混凝土路面设计规范》和《公路水泥混凝土路面施工技术规范》采纳，有力推动了重载水泥混凝土路面在全国的推广应用。目前在山西、河北、黑龙江、福建以及广西等省水泥混凝土路面设计、施工中得到系统应用。取得了显著的社会和经济效益，累计经济效益超过亿元。

　　重交通水泥混凝土路面极限状态设计法和设置层间功能层水泥混凝土路面结构的提出，使我国水泥混凝土路面建设有了更为科学的技术体系。成果自纳入规范以来，在全国近千公里高等级公路建设中得到广泛应用，并建成一批示范工程，为我国公路交通现代化做出重要贡献，有力推动了社会经济的快速稳步发展。整体技术的广泛被应用，有效提升了水泥混凝土路面结构性能，稳步提高了建设工程质量，显著延长了道路使用寿命，明显降低了维养费用;改善了行车舒适性和运营经济性;使用性能的提升解决了电煤运输通道不畅难题，对保障电煤运输、确保能源安全具有重要意义。同时，我国发展水泥混凝土路面具有材料来源广、水泥、钢材产能大等资源优势，不但可缓解沥青资源匮乏、供应困难的被动局面，还可拉动地方区域经济发展，产生显著的经济和社会效益。

　　四、申报的理由与意义

　　国道207线中白音华至霍林郭勒段一级公路建成通车后，我们始终关注该路的设计、施工和运营。因为这条路承载着许多突破：世界上第一次在严寒地区修筑重载运煤水泥混凝土路面、我国重载水泥混凝土路面新型结构诞生的地方、我国极端严寒和盐腐蚀地区水泥混凝土路面滑模施工整体突破的地方以及我国水泥混凝土路面设计施工顶尖级专家培养和腾飞的地方。以白音华至霍林郭勒段一级公路为依托，获得了2018年国家科技进步二等奖、获得了2015年度内蒙古自治区科技进步一等奖的殊荣。从2011年通车以来，我公司坚持和养护单位、交通运输部公路科学研究院协作，坚持每年进行设计回访和收集整理宝贵养护实践经验，坚持把论文写在祖国大地上信念。

　　目前恰逢全国上下如火如荼推广百年品质工程的行动，又是践行党中央、国务院下发“建设交通强国纲要”的重头年份，对本项目的建养现状、未来区域定位以及养护技术突破，努力实现二十年不大修白音华至霍林郭勒段一级公路，严寒地区使用寿命突破30年设计寿命，预期使用寿命达45年的目标奋斗。

　　(1)国内首条严寒区混凝土路面，引领行业

　　207线白音华至霍林郭勒一级公路建设通车后，国际水泥混凝土路面协会主席 Mark B. Snyder，给与了高度评价：“项目提出的过渡层的应用对重载运输做出了巨大贡献，也对世界范围内重载水泥混凝土铺面建设具有重要的参考价值!”工程实施创造我国首个严寒地区的重载水泥混凝土路面，科研成果获得了国家科技进步二等奖1项、省部级1等奖5项;科技成果为《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)、《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)等行业规范标准的修订与完善做出积极贡献。

　　(2)项目面向重载交通未来需求，助力打造交通强国品质示范工程

　　本项设计之初，首次采用冲击压实路基、级配碎石缓冲层和沥青混凝土功能层等设计施工长寿命方案，这为项目的后期养护和运营成本降低铺垫了较好的基础。我国交通行业正在向未来道路交通系统转型发展的重大历史机遇，面向以交通强国建设未来，本项目应立足重载交通公路未来发展和管路服务需求，实现超长寿命高速公路技术设施服役等方面入手，打造国家品质示范工程、助力交通强国建设。

　　(3)依托本项目，培育国家级严寒地区科研团队

　　以交通强国建设重载长寿交通公路发展为指导，构建新一代重载高速公路建养技术体系，将本项目打造为一条“安全、高效、绿色”的国家级示范性通道，截至目前为止培育内蒙古草原英才团队1支，草原英才5人次;交通运输部科技领军人才1人次，国家级百千万人才1人次以及国家有突出贡献中青年专家1人次，进而培育高水平交通科技人才、打造素质优良的交通劳动者大军，为搭建国家级严寒区科研团队储备技术人才。