機場復合道面基礎二次注漿加固技術研究

劉玉海 羅勇 譚悅

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 200092;2.上海民航新時代機場設計研究院有限公司，上海 200335; 3.上海虹橋國際機場，上海 200335）

機場復合道面基礎二次注漿加固技術研究

劉玉海1羅勇2譚悅3

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 200092;2.上海民航新時代機場設計研究院有限公司，上海 200335; 3.上海虹橋國際機場，上海 200335）

針對上海某機場跑道改造中的基礎注漿工程涉及到復合道面、二次注漿、不停航施工等諸多難點，從工程背景、施工難點、注漿參數、試驗段設計、效果檢測等各個方面進行全面闡述，形成了一套復雜條件下機場道面基礎注漿加固技術，對我國機場類似工程有重要的指導意義。

機場，復合道面，基礎加固，二次注漿，不停航施工

0 引言

注漿是將一定材料配置成的漿液，用泵送設備將其灌入地層或縫隙中，通過擴散、凝膠和固化，以達到加固地層或防滲堵漏的目的。

注漿最早是在19世紀英國湯姆遜隧道工程中應用［1］。隨著一百多年的發展，注漿已成為一門系統學科，包括注漿設備、材料、工藝及效果評價等。我國是20世紀50年代初期引入注漿技術，目前注漿廣泛應用于各個工程領域，如隧道、大壩、油井、地下結構、公路、機場等［2-4］。

在機場建設中，注漿是一種常用的改善基礎或土基性狀的措施。機場道面在使用過程中，由于基礎沉降、凍融、地下水反復浸泡等作用的影響，基礎性狀可能會發生較大改變。為了改善基礎性狀，通常采用對基礎進行注漿加固處理［5］。

1 工程背景

基礎作為機場道面的一個結構層，其主要作用是為道面提供一個均勻、穩定的支撐。上海某機場跑道基礎使用年限普遍超過50年，最長達近90年。目前該跑道基礎主要存在以下幾個問題:

1）經過長期使用后，基礎的工程性質已發生很大改變。機場跑道大部分范圍基礎的使用時間已超過50年，興建時設計為25 cm的塊石基礎。但在1987年的地質勘察和1995年的地質雷達探測表明，當前基礎厚度為32 cm～56 cm，塊石嵌入土基現象非常嚴重，塊石基礎已基本不能作為獨立的結構層。

2）基礎結構復雜。由于該跑道歷經多次改擴建，道面有5種不同的結構類型，基礎由于興建時間不同、施工工藝差異，不同區域基礎也有很大差異。且該跑道在1998年改造時，曾對跑道中心線兩側各14.4 m范圍內基礎進行過注漿加固，使得該跑道基礎結構非常復雜。

3）基礎均勻性較差。通過現場對跑道全結構厚度鉆芯取樣可以看出，不同區域的基礎性狀相差很大。現場共鉆取5個芯樣，取樣位置位于道面中心線附近，為1998年注漿加固區域。5個基礎芯樣中，有4個基礎芯樣完全處于塊石基礎與土基混合狀態，如圖1所示;只有1個芯樣取出完整的基礎芯樣，明顯為水泥穩定土（1998年注漿），如圖2所示。

圖1 基礎芯樣照片——土石混合狀

圖2 基礎芯樣照片——完整芯樣

從圖中可以看出，不同區域基礎均勻性很差，1998年的注漿已基本失去效果。

4）基礎強度低。由于無法采用通過開挖試坑的手段直接測試跑道基礎的實際強度，只能通過其他間接手段推斷。本次工程設計中，一方面參考了與該跑道基礎同期修建的A滑行道開挖后基礎頂面的實測強度結果（平均為53 mn/m3），另一方面參考了跑道實測彎沉盆數據的反演結果:以彎沉測試數據的平均值（192μm）進行反演，得到基礎強度約為50 mn/m3。因此，最終確定當前跑道基礎強度為50 mn/m3。該跑道為4E等級，基礎強度50 mn/m3，明顯偏低。

通過以上分析可知，目前跑道基礎存在許多問題，設計院和專家的一致意見是:通過本次跑道改造工程，對當前的塊石基礎進行注漿加固，以達到以下幾個目的:1）改善基礎均勻性;2）提高基礎強度;3）改善基礎脫空狀況和封水性能。

通過對跑道基礎的上述一系列改善和加強，將更有利于本次改造后的跑道道面結構發揮其整體效能，進而提高道面使用壽命。

2 工程難點分析

注漿本身是一門以經驗為主的學科。該跑道屬于“白+黑”復合道面，其道面結構復雜，對基礎進行注漿加固面臨以下難題:

1）二次基礎注漿的可注性。該跑道在1998年改造時對跑道中間28.8 m寬范圍內實施過基礎注漿，注漿層位與本次工程大致相同。工程調研表明，我國民航或公路行業尚未有對塊石基礎二次注漿的工程實例。由于第一次注漿后，基礎內勢必大范圍殘留注液凝結后形成的漿液結石，注漿孔漿液擴散半徑范圍內基礎孔隙充填后，局部區域內基礎的連通性較差。這種情況下，采用常規水泥漿液進行“充填注漿”的方法是否能克服連通性差的不利條件不得而知。而如果采用超細水泥等“新型漿液”注漿成本太大，且機場行業沒有成熟案例，其效果和可行性有待進一步驗證。

2）合理的注漿層位。本次工程中基礎注漿最佳注漿層位宜選擇在基礎的中部，但由于受1998年注漿的影響，選擇該層位注漿是否有可注性，還有待進一步驗證。

3）注漿孔現場布設方法。由于是二次注漿，為了提高注漿效果及可注性，本次注漿孔應盡量避開第一次注漿孔。但是現有道面上部結構是瀝青混凝土，且進行過多次加鋪，現在已很難準確找到上次注漿孔的平面位置，如何能夠有效地避開第一次注漿孔成為一個問題。當注漿孔碰巧布設在水泥板接縫處時，容易使漿液沿板塊接縫處冒出，進入瀝青加鋪層的下面層，易使道面出現隆起等問題。因此，注漿孔如何有效避開道面原水泥混凝土的接縫成為本次注漿難題。

根據跑道基礎注漿的目的，針對以上難點，同時考慮到對于該跑道基礎現狀的分析尚缺乏更多的直接數據來佐證，間接數據和經驗成分居多。因此，有必要通過安排注漿試驗段，以驗證注漿參數、漿液材料和施工工藝的適用性，為大面積施工提供技術依據。

3 試驗段技術要求

在大面積注漿前，針對該跑道5種不同道面結構，要求分別選取試驗段。通過注漿試驗段應驗證確定下列內容:

1）室內實驗確定漿液配合比、外加劑種類與用量、漿液強度、漿液初凝時間等。

2）鉆孔工藝、注漿方法和工藝。

3）每個區域的可注性，包括注漿量、注漿壓力和單孔注漿量。

4）不停航施工條件下的單日鉆孔速度、注漿時間和封孔時間。以此確定施工作業段的長度，制定施工進度計劃以及安全措施等。

在注漿試驗段施工過程中，應做好各項記錄，對試驗段的施工工藝、技術指標應認真檢查是否達到設計要求。經檢查某些指標未達到設計要求時，應認真分析原因進行必要的調整，通過再次試驗，直至指標均符合設計要求。

4 注漿技術參數［6］

1）注漿孔布置。通過試驗段情況來看，一方面跑道絕大部分區域的道面可以通過已有縱縫位置和道面兩側的反射裂縫大致確定下面層水泥板塊的位置。不同尺寸板塊的注漿孔布置如圖3和圖4所示。

圖3 B區注漿孔布設示意圖（單位：m）

圖4 A區注漿孔布設示意圖（單位：m）

2）注漿深度。注漿孔深度要求穿透塊石基礎，以達到塊石基礎以下20 cm為宜。由于不同區域道面厚度相差較大，在實際鉆孔過程中可按鉆孔深度1.2 m控制，并允許根據實際情況稍作調整，以保證注漿孔深度穿透塊石基礎。外圍帷幕注漿孔的深度為1.4 m。

3）注漿順序。注漿時采用先外圍后內部的注漿順序。對于部分可注性較差區域，可調整為由中間向兩側施工，以達到在保證施工和機場運行安全的前提下盡可能提高注漿量的目的。

4）注漿漿液要求。根據試驗段施工情況，該跑道基礎的整體可注性很好，因此漿液不考慮采用“新型漿液”，仍選用常規水泥漿液。漿液的參考配比為水泥∶水∶外摻劑=1∶0.55∶0.02。要求漿液的7 d結石抗壓強度不小于8 MPa，28 d結石抗壓強度不小于15 MPa。為增加漿液流動性，漿液稠度控制在35左右。

5）塊石基礎空隙率。塊石基礎為土石混合體，根據試驗區情況，基礎注漿厚度按50 cm計，空隙率按0.18計。

6）道面抬升量。由于采用不停航施工，施工區域在結束施工后還需通航，因此對注漿過程中道面抬升量控制非常嚴格。道面抬升量控制在1 mm～5 mm范圍內（以3 mm為宜）。要求采用電子水準儀和光學水準儀進行同步監測，一旦發現異常隆起等現象立即停止其周圍孔位的注漿。

由于本次工程機場跑道道面結構為瀝青加鋪層加水泥混凝土面層，且跑道使用年限較長，水泥混凝土板縫密封性較差，因此漿液從板縫間竄出的可能性較大，容易造成瀝青道面隆起。實際施工中，如果隆起抬升量在1 cm之內，且道面整體性完好，將視為正常的隆起，不進行道面修復;如果抬升量超過1 cm，必須對隆起區域進行銑刨，然后用熱瀝青料進行修復。

7）注漿壓力。注漿壓力作為控制指標之一，注漿壓力宜為0.3 MPa～0.5 MPa;施工過程中，注漿壓力超過1.0 MPa時需停止注漿。

8）注漿流量。注漿流量一般為7 L/min～12 L/min，不宜大于15 L/min。

9）停注標準。a.壓力超過1.0 MPa時，停止注漿;b.道面抬升量超過3 mm時（最大抬升量不超過5 mm），停止注漿;c.出現突發情況時，停止注漿。

5 注漿漿液技術指標

1）水泥:宜采用強度等級不低于42.5的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，受潮變質結塊的水泥不得使用。水泥的各項指標應符合現行國家標準，并附有出廠試驗單。

2）水:采用飲用水。

3）外加劑:為改善漿液的性能，可在漿液拌制時加入提高漿液的擴散能力和可灌性的表面活性劑（或減水劑，為保證注漿漿液的長期強度，不允許使用水玻璃），一般摻量為水泥用量0.5%～3%（具體摻量應通過試驗確定）。外加劑的各項指標應符合GB 8076-2008混凝土外加劑標準中的要求。

6 注漿效果檢測

由于注漿層位上有近1 m的道面結構層，無法通過目視等直觀的方式來評價或檢測注漿效果，只能通過一些間接手段來表征。目前可用來評價注漿效果的檢測手段主要有以下幾種:

1）彎沉測試。機場通常采用重型落錘式彎沉儀（High Weight Deflector，HWD）進行彎沉檢測。HWD與FWD基本相同，只是最大測試荷載更大，可達20 t，可保證機場較厚道面在測試時得到足夠的動態響應。HWD是無損結構測試設備，具有原位測試、速度快、不破壞道面結構、檢測后不需修補等優點。HWD彎沉測試的技術參數主要包括測試荷載等級、傳感器布設形式、承載板尺寸選擇、測點位置的布置等。HWD彎沉測試示意圖如圖5所示。

圖5 HWD彎沉測試示意圖

通過對比注漿后道面彎沉值的大小，可以直觀反映注漿后道面結構性能的提升，但無法定量評價。目前國內外對彎沉數據的結構反演方法較為成熟，可以得到各個結構層的模量，包括基層頂面反應模量，以便進行定量評價。

2）鉆芯取樣。注漿后待達到漿液養護期后，對注漿區域進行鉆芯取樣，取樣深度應至少超過注漿層位30 cm～50 cm。取樣位置宜在相鄰注漿孔之間。鉆芯取樣可直觀反映注漿后基礎的填充狀態，如果抽樣顯示兩個注漿孔中間可以明顯看出有漿液結石，說明注漿漿液有效，在整個基礎（注漿深度）形成了一個有效改善層，有助于提高基礎封水性能。

鉆芯取樣是一種有損檢測手段，且效率低，每晚只能取到1個～2個芯樣，所以鉆芯取樣只能作為一種輔助評價手段。

3）單孔注漿量統計與分析。對注漿過程中的實際單孔注漿量進行統計分析，當注漿量達到一定程度時，注漿效果也會有保證。

通過各方綜合分析，結合注漿試驗段對注漿效果評價方法的實際摸索，工程最終采用HWD彎沉測試作為注漿效果的評價方法，再輔以少量的鉆芯取樣，可以較為客觀、公正的反映出注漿效果。

7 結語

1）針對上海某機場跑道基礎的實際狀況，提出了本次注漿工程中的難點。

2）針對二次注漿的特點，分別從注漿材料、注漿孔布置、注漿層位選擇等方面提出了針對性措施，以改善可注性。

3）對注漿效果的檢測方法進行了全面論述，并提出了科學合理的評價手段。

4）機場跑道基礎二次注漿不停航施工，這在我國機場尚屬首例，其中包含很多難點。本文通過對本工程案例從工程背景、施工難點、注漿參數、試驗段設計、效果檢測等各個方面進行全面闡述，形成了一套復雜條件下機場道面基礎注漿加固技術。對我國機場類似工程有重要的指導意義，同時對公路類似工程也有重要參考價值。

［1］GalliPoli D，Gens A，Sharma R，et al.An elastoplasticmodel for ulsaturated soil incorporating the effects of suction and degree of saturation onmechanical behaviour［J］.Geotechnique，2003，53 （1）：123-135.

［2］楊米加，陳明雄，賀永年.注漿理論的研究現狀及發展方向［J］.巖石力學與工程學報，2001，20（6）：839-841.

［3］鄺健政，咎月穩，王杰，等.巖土注漿理論與工程實踐［M］.北京：科學出版社，2001.

［4］韓金田.復合注漿技術在地基加固中的應用研究［D］.長沙：中南大學博士論文，2007.

［5］羅恒.注漿理論研究及其在公路工程中的應用［D］.長沙：中南大學博士論文，2010.

［6］王廣國，杜明芳，苗興城.壓密注漿機理研究及效果檢驗［J］.巖石力學與工程學報，2000，19（5）：670-673.

Research on foundation secondary grouting and reinforcement technique of airport com posite runway pavement

LIU Yu-hai1LUO Yong2TAN Yue3

（1.Key Laboratory for Road and Transportation Engineering of the Education Ministry of China，Tongji University，Shanghai200092，China; 2.New Era Airport Design Research Institute Co.，Ltd of Shanghai Civil Aviation，Shanghai200335，China;
3.Shanghai Hongqiao International Airport，Shanghai200335，China）

According to the difficulties in foundation grouting project during the runway reconstruction of some airport in Shanghai，including the composite road pavement，the secondary grouting，and the construction with non-stop air service，the study has the full-sided illustration on the engineering background，the construction difficulties，the grouting parameter，the design at the experimental section，and the effect inspection，and forms the grouting and reinforcement technique on airport road pavement in complicated conditions，so as to have the important direction significance for similar projects in China.

airport，composite runway pavement，foundation reinforcement，secondary grouting，construction with non-stop air service

U416.216

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.039

1009-6825（2012）19-0161-03

2012-03-27

劉玉海（1971-），男，在讀工程博士