復合式道路注漿加固技術在道路修復工程中的應用

劉 博，楊 戈

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海市201804）

0 引言

近年來，我國公路建設發展迅猛，路網布局逐步完善，極大地改善了人們的出行條件。但由于自然條件特殊、設計施工不當、交通流量劇增等原因，一些道路出現了不同類型、不同程度的損壞，包括路基缺陷引起的損壞和路面基層破損引起的損壞，極大影響了道路的使用性能和服務水平。對于路基缺陷和基層破損的修復，以往經常采用翻挖、置換的養護技術，施工周期長、對結構擾動嚴重、對交通影響大，難以適應道路交通運行和城市環境的要求。近十多年來，注漿加固技術的應用逐步從巖土工程擴展到道路工程。從早期的水泥混凝土路面板底脫空注漿，到近年來的路基處治，注漿加固技術憑借其免翻挖、少擾動、少影響等優點，正發揮著越來越重要的作用。但是，道路注漿加固技術諸多問題，如注漿材料漿液凝固時間長，流動性控制困難，可注性低，不利于快速開放交通；地聚合物注漿材料價格昂貴，注漿效果受地質和氣候條件影響大；現有注漿機具和注漿工藝單一，且缺乏先進、合理的道路注漿加固技術標準，導致施工流程不規范、過程控制不科學、注漿效果不理想等。因此，有必要針對道路路基路面的特點和交通運行的要求，從材料、工藝和技術標準等方面，對道路注漿加固技術開展系統的進一步研究。

1 新型注漿材料的研發

1.1 新型注漿材料配合比設計

道路注漿加固材料的性能要求包括：足夠的強度；良好的耐久性與穩定性；考慮道路結構特點的漿液流動性和可注性；漿液與界面的結合形式等。針對現有注漿材料漿液凝固時間長、可注性低、穩定性差（易發生噴漿冒漿）、不利于快速開放交通等現狀，基于注漿材料的滲透作用及物化作用機理（包括水泥水化機理、多元凝膠材料的復合效應及水泥水化物與土體的作用等三大作用），該研究課題首先提出開發路用注漿材料的技術要求，如表1所列。

表1 開發路用注漿材料技術要求一覽表

表1所列的路用注漿材料技術要求為設計目標，由注漿材料選材與初步配方的確定開始，采用正交試驗方法（L9（43）正交表）開展注漿材料原材料選材探索試驗（8組），綜合分析了以普通硅酸鹽水泥+速凝劑（SH）、快硬硫鋁酸水泥+礦物外加劑、快硬硫鋁酸水泥+普通硅酸鹽水泥三大材料體系為基的注漿材料的工作性能、力學性能。通過對三種材料在流動度、凝結時間及抗壓強度等指標的11組對比試驗，最終確定以快硬硫鋁酸水泥+礦物外加劑為基的注漿材料作為新型注漿材料的主研方向，擬可通過添加緩凝劑、調整外摻料品種和摻量等方式進一步優化注漿材料性能。

通過30組不同配比的室內比對試驗分析了緩凝劑、礦物外加劑、膨脹劑、減水劑和細砂對注漿材料的影響，確定了新型注漿材料的最終配合比，配合比和性能指標如表2、表3所列。

表2 道路新型注漿材料的配合比一覽表

表3 道路新型注漿材料的性能一覽表

1.2 道路新型注漿材料的路用性能評價

在前期試驗基礎上，選取一組路基和基層加固用注漿材料，研究其與土體、三渣固結體的力學性能與包括水穩定性、抗凍性等指標在內的耐久性能，并與市售地聚合物注漿材料土體、三渣固結體進行對比分析。

1.2.1 強度性能

注漿材料固結體的力學性能試驗結果如表4所列，并得到如下結論。

表4 注漿材料固結體的力學性能一覽表

（1）新型注漿材料土體固結體隨著注漿材料摻量的增多，其7 d、28 d抗壓強度增大。當漿體材料摻量為20%時，傳統地聚合物土體固結體7 d抗壓強度為1.34 MPa，新型注漿材料土體固結體7 d抗壓強度達到2.13 MPa，高出0.79 MPa，是傳統地聚合物土體固結體7 d抗壓強度的1.58倍。

（2）當漿體材料摻量為13%時，注漿材料三渣固結體7 d、28 d抗壓強度分別高出地聚合物三渣固結體134%、64.7%。

1.2.2 水穩定性和抗凍性

注漿材料固結體水穩定性和抗凍性能試驗結果如表5所列，并得到如下結論。

（1）土體固結體水穩定性能較差，經過5次干濕循環后，新型注漿材料土體固結體（A-2）、傳統地聚合物土體固結體（C-2）試件質量損失率分別為8.6%、10.1%，強度損失率分別為1.4%、3.2%。

（2）三渣固結體水穩定性稍優于土體固結體，是由于三渣固結體抗壓強度較高，耐水性能較好。新型注漿材料三渣固結體（B-1）、傳統地聚合物土體固結體（C-1）試件質量損失率分別為2.0%、3.8%，強度損失率分別為0.8%、1.9%。可知新型注漿材料的土體固結體及三渣固結體的水穩定性均優于傳統地聚合物漿材的土體固結體及三渣固結體。

表5 注漿材料固結體水穩定性能和抗凍性能試驗一覽表

（3）經凍融循環后，新型注漿材料的土體固結體和注漿三渣固結體質量損失率、強度損失率較傳統地聚合物土體固結體和三渣固結體低。新型注漿材料土體固結體質量損失率、強度損失率分別為6.0%、0.8%；新型注漿材料三渣固結體質量損失率、強度損失率為0.8%、0.2%。

2 復合式注漿花管的設計

道路注漿加固具有：充填、滲透、擠密劈裂等效應。漿液在壓力作用下充填和擠密道路路基或基層，漿液首先劈入強度最低的部分土體，然后隨壓力增大，再劈入另一部分強度較高的部分土體，地層產生隆起抬高效應，最終充填至基層、路基范圍內所有可注縫隙中。隨著注漿技術的出現和發展，注漿理論和工藝相繼產生。最著名的有球形擴散理論（即假設漿液在均勻、各向同性介質中流動時按球形擴散，注漿時主要發生單點滲流作用）和柱形擴散理論（即假設漿液在地層中呈柱形擴散，產生多點滲流效應），而與之對應的注漿工藝設計為傳統的常規悶頭管，以及該研究課題設計的新型注漿花管，如圖1、圖2所示。

圖1 漿液擴散形狀示意圖（左圖為球面擴散，右圖為柱面擴散）

圖2 悶頭管注漿與花管注漿對比示意圖

常規悶頭管注漿（圖2左）基于單點滲流及球形擴散理論設計，操作簡易但工序復雜，是近年來道路注漿常用的注漿工藝。常規悶頭管注漿施工往往只可以進行單一層位的注漿，而且在注漿時要不斷地進行提管施工（考慮豎向注漿順序問題），若需要進行基層和路基雙層位注漿，則需布孔2次，打孔2次，壓樁1次，即先完成基層注漿，再進行基層打孔、壓樁最后完成路基注漿；在完成相同工作量的前提下，需花費更多的人力及物力和時間，注漿材料也會相應增多。

而該研究課題基于“多點滲流+柱形擴散理論”，設計了一種新型復合式注漿花管（如圖2右），其優勢為：可在基層層位和路基層位分別預留噴漿孔，亦可在需要的任意層位預留噴漿孔，有利于實現道路整體深度內任意層位一體化同時性注漿施工，避免了繁瑣的提管工序，提高了注漿效率，而且理論上采取此種工法的多點滲流的注漿效果應優于單點滲流。

3 道路注漿加固依托工程試驗及評價

3.1 試驗段工況

該研究課題以上海市奉賢區大葉公路與團青公路修復工程作為主體依托工程，以上海市奉賢區泰青公路中修工程（泰青公路中修工程采取傳統的地聚合物注漿，注漿層位為基層+路基層位，采取傳統悶頭管進行注漿），作為本課題的調研工程與比對工程。大葉公路試驗段共410 m，施工路幅寬度為7.5m，總面積為3 075m2；團青公路（四團港橋段）試驗段長度共115m，施工路幅寬度為7.5 m，總面積為862.5m2。原道路結構為：8 cm瀝青混凝土、40 cm三渣基層和15 cm碎石墊層。地下水位高、路基含水量大是其道路構造的主要特點，對道路注漿材料的性能及施工工藝的合理性和科學性提出了更高的要求。該研究課題針對大葉公路與團青公路試驗段實際狀況，周密地考慮了道路注漿設計方案中的注漿材料、注漿管、布孔形式、注漿深度，以及注漿順序等關鍵參數的設計，進行了詳細科學的試驗段安排（將整個路段分為8個大區域，15個小區域），擬對新型無機快硬性注漿材料及新型注漿工藝的優越性提供驗證，并通過詳細的比對分析，提出基于當前最優技術條件下的推薦設計注漿方案。

3.2 主要施工流程

試驗段注漿施工流程應按照前文要求嚴格控制：布孔→鉆孔→清空→埋漿管→注漿料準備→濾漿→注漿→冒漿孔封堵（或補漿）→拔管→注漿孔封堵→養護→補漿→交工驗收。其中，該項試驗段鉆孔方式主要采取兩次成孔，首先用氣動式鉆孔機鉆至1.0 m左右，接著用液壓式壓管機成孔至設計深度，以保證鉆孔質量。在注漿前進行了現場注漿試驗，采用0.5 MPa作為此次試驗段注漿工程中停漿控制壓力。

3.3 注漿效果分析與推薦注漿方案

現今我國瀝青路面設計及養護指標中最重要的參照值為路表彎沉值。該研究道路注漿加固效果的定性分析采用彎沉值來進行評價，由于該研究課題注漿試驗段將525 m長的試驗段劃分為15個區域進行試驗，用以分析注漿材料、注漿管選擇、注漿深度選取、布孔形式，以及注漿順序等關鍵工藝參數對注漿效果的影響，單段區域長度較短，因此對《公路工程質量檢驗評定標準（JTGF80-1-2004）》中FWD測試方法進行了優化，以雙車道輪跡線的大致分布位置為測線，每區域4條測線，測點縱向間距取5 m。試驗獲得測點數據龐大，為后期比對分析提供了良好的數據支撐。

根據現場彎沉試驗結果（如表6所列），通過與泰青公路對比工程進行橫向比較可知，此次采用新型無機快硬性注漿材料進行注漿施工后的試驗段平均路表彎沉降低量（35.34%）是之前泰青公路采取傳統地聚合物進行注漿修復工程（降低量22.33%）的1.6倍，漿材優勢顯著。而且通過現場試驗觀測發現，采用復合式注漿加固工藝優于采用常規悶頭管注漿加固工藝的注漿效果，主要表現在冒漿跑漿發生的現象明顯減少，達到停漿控制條件時的注漿量有所降低，且施工速率大幅增加，注漿效率顯著提升。

此外，為合理地評價此次試驗段內各小區域方案的注漿效果，科學地分析注漿材料、注漿管、注漿深度、布孔形式、注漿順序等關鍵工藝參數對注漿效果的影響，并進而提出基于最優技術條件下的推薦方案設計，該研究課題提出了基于路面疲勞壽命分析的道路注漿技術經濟評價方法，其基本思路為：

首先對表6中注漿前后的彎沉值進行處理，采用修正后的AI法疲勞模型作為疲勞開裂基本形式，如式（1），得到各試驗段通過注漿加固所導致的路面疲勞壽命的增量。然后結合考慮各試驗段的施工成本，得到各試驗段路面疲勞壽命增量與施工成本之間的對應關系，從而進行各施工方案的技術經濟評價，最后選擇相對成本低，而路面疲勞壽命增量高的方案作為較優方案。（試驗最終分析結果如表6所列）。

對表6的數據按照上述的分析思路分析得到，在該項實驗條件（接近最優技術條件）下的推薦方案為采用該項目研發的新型無機注漿材料，采用1.3m的注漿深度，2.4m×4 m的梅花形（或2.4m×2.4 m正方形）布孔，采取由外向內的注漿順序，使用花管進行道路基層+路基復合式注漿。

4 結語

根據上述計算和分析，可以得出結論如下：

（1）該研究課題基于道路性能指標的配合比設計方法，展開新型無機道路注漿材料的配合比研究，采用正交試驗方法確定新型注漿材料初步配方，然后通過大量的比對試驗，全面地分析了緩凝劑、礦物外加劑D、膨脹劑、減水劑，以及細砂等對無機注漿材料對注漿材料流動度、抗壓強度、凝結時間，以及泌水、收縮等關鍵路用性能的影響規律，從而最終確定新型注漿材料的配合比，并驗證了新型無機注漿材料的道路適用性，并與傳統地聚合物漿材固結體做對比分析，體現出該項目研發的無機注漿材料在強度、水穩定性和抗凍性能等方面突出的優越性。

（2）基于“柱形擴散理論”，設計了新型注漿花管，其可在基層層位和路基層位分別預留噴漿孔，以路基+基層復合注漿的形式進行注漿的新工藝，避免了繁瑣的提管工序，提高了注漿效率和注漿效果。對采用路基+基層復合式注漿加固工藝的注漿效果與采用常規悶頭管注漿工藝的注漿效果進行了對比分析，指出采用復合式注漿加固工藝的注漿效果要優于采用常規悶頭管注漿加固工藝的注漿效果，且在施工過程中避免了繁瑣的提管工序，可大幅度提高注漿效率，符合道路修復快速開放交通的需求。

表6 各試驗路段試驗結果分析表

（3）周密地考慮了道路注漿設計方案中的各關鍵參數的設計，進行了詳細科學的試驗段安排，通過依托的注漿試驗，根據注漿前后路表彎沉值的對比分析，得出道路注漿加固技術參數對注漿效果的影響，并提出基于較優技術條件（即采用該課題研發的新型無機快硬性注漿材料及新型注漿工藝）下的推薦方案設計：采用該項目研發的新型無機注漿材料，采用1.3 m的注漿深度，2.4 m×4 m的梅花形（或2.4 m×2.4 m正方形）布孔，采取由外向內的注漿順序，使用復合型花管進行道路基層+路基復合式注漿。

綜上所述，采用該項目的研究成果可以控制道路維修加固投資，節省工程費用，縮短施工周期，減少施工環境污染。研究成果可以廣泛地應用于上海市乃至我國道路注漿加固修復工程，為其提供參考、指導和借鑒，推廣應用前景非常廣闊。此外，該課題的研究成果可以為相關規范的修訂提供技術依據，具有十分重要的意義。

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