地聚合物注漿加固技術(shù)在“橋頭跳車”病害治理中的應(yīng)用

李 熙 ，季曉麗，，鐘世云

（1.上海力陽道路加固科技股份有限公司，上海市 201599；2.同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海市 201804）

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，城市交通和基建行業(yè)的發(fā)展迅速，我國公路總里程數(shù)呈逐年增大的趨勢。經(jīng)濟持續(xù)增長帶來更大的交通流量和交通荷載，對公路建設(shè)和養(yǎng)護技術(shù)提出了更高的要求。交通行業(yè)不斷發(fā)展的同時，也遇到了許多的道路病害，“橋頭跳車”便是公路行業(yè)中始終無法根治的難題?！皹蝾^跳車”[1]病害是由于道路結(jié)構(gòu)在交通荷載和自重作用下，橋臺構(gòu)造結(jié)構(gòu)和臺背土體的自身壓縮和不均勻沉降造成的。橋頭跳車對行車安全性與舒適度造成嚴(yán)重影響[2]。

地聚合物是由AlO4和SiO4四面體結(jié)構(gòu)單元組成一種三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無機聚合物，穩(wěn)定的Al-O 鍵和Si-O 鍵及獨特的結(jié)構(gòu)賦予了地聚合物優(yōu)良的力學(xué)性能和良好的耐久性[3]。注漿[4]是通過鉆孔設(shè)備與專用注漿設(shè)備配合，在一定壓力作用下將漿液注入受損的道路結(jié)構(gòu)中，漿液以充填、滲透等方式排出結(jié)構(gòu)層裂隙中的水分和空氣，提高整體密實度與強度。地聚合物漿液進行自身化學(xué)反應(yīng)，與原道路結(jié)構(gòu)層材料之間進行離子交換，在壓力作用下通過惰性充填和擠密壓密作用把原來道路結(jié)構(gòu)材料膠結(jié)成整體，形成一個力學(xué)性能和耐久性良好的“結(jié)石體”，從而達到加固道路結(jié)構(gòu)、預(yù)防病害的目的。

本文對江浙滬地區(qū)橋頭跳車病害成因進行分析，并簡要介紹地聚合物注漿加固工藝的技術(shù)特點，結(jié)合地聚合物注漿加固技術(shù)在“橋頭跳車”病害治理中的工程案例進行介紹和評價，根據(jù)沉降監(jiān)測的結(jié)果對地聚合物注漿加固技術(shù)在橋接坡加固工程項目的應(yīng)用效果和前景進行分析和展望。

1 軟土基地區(qū)“橋頭跳車”病害的原因分析

公路軟土路基具有孔隙比大、含水量高、強度低、穩(wěn)定性差等特點，容易引起路基出現(xiàn)較嚴(yán)重的不均勻沉降。

路面在橋頭臺背回填位置出現(xiàn)不同程度的斷裂沉降，車輛通行時出現(xiàn)跳躍，對橋涵和路面造成附加的沖擊荷載，行車顛簸且對車輛造成損壞，嚴(yán)重時甚至容易引發(fā)交通事故。因此，“橋頭跳車”是道路建設(shè)與公路養(yǎng)護行業(yè)的難題之一。

“橋頭跳車”病害產(chǎn)生的主要因素包括不均勻沉降、剛度突變、車速，以及車輛本身的抗振性能等。就道路結(jié)構(gòu)本身而言，主要是柔性道路路面與剛性結(jié)構(gòu)物之間的連接處發(fā)生不均勻沉降產(chǎn)生錯臺所導(dǎo)致。橋梁主體與橋接坡路面結(jié)構(gòu)的組成材料及其理化性能等存在較大差異，且橋頭部位受力時易形成集中應(yīng)力。在車輛荷載、結(jié)構(gòu)自重等因素的作用下，橋梁與道路同時持續(xù)發(fā)生沉降，但兩者沉降速度有很大差異，特別是由于臺背回填土方的壓實度不足和水土流失的影響，道路路面的沉降量遠(yuǎn)大于橋梁的沉降量，從而形成錯臺，導(dǎo)致行車時發(fā)生橋頭跳車[5]。

2 地聚合物注漿加固工藝的技術(shù)特點

地聚合物注漿加固技術(shù)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)道路養(yǎng)護維修工藝的四新工藝，采取非開挖的方式對道路路基和基層進行加固補強。常規(guī)道路養(yǎng)護和維修工藝特點見表1。

表1 常規(guī)道路日常養(yǎng)護手段特點

與傳統(tǒng)的道路養(yǎng)護維修工藝相比，地聚合物注漿加固技術(shù)具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

2.1 材料方面

傳統(tǒng)水泥類注漿材料泌水多、穩(wěn)定性差、體積收縮大、耐久性差，而地聚合物注漿材料流動度大、可注性好、穩(wěn)定性好、強度高、耐久性好。此外，地聚合物還具有良好的黏結(jié)性。通過一系列試驗已經(jīng)證明：地聚合物與道路基層和路基材料，特別是二灰土、水泥穩(wěn)定碎石、三渣混合后，均能取得較理想的理化性能。因此，地聚合物是一種理想的道路路基與基層加固的注漿材料。

2.2 工藝特點

（1）從根本上對道路的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進行修復(fù)加固，突破治標(biāo)不治本的傳統(tǒng)養(yǎng)護方法

（2）非開挖、無障礙、全天候施工，可迅速開放交通，大大舒緩了日益增大的環(huán)境和交通的壓力。

（3）施工便捷，對周邊影響小。

地聚合物注漿加固技術(shù)適用于非開挖條件下的道路基層、底基層和路基的病害修復(fù)與結(jié)構(gòu)補強，重點針對道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)性病害，能有效改善甚至解決傳統(tǒng)養(yǎng)護技術(shù)無法根除的路面結(jié)構(gòu)層病害問題，提高道路路基和基層的承載力。此外，該技術(shù)充分利用路面面層結(jié)構(gòu)的材料和殘余價值，大幅度降低了道路養(yǎng)護維修造成的資源浪費。

3 工程案例

3.1 工程概況

選取浙江省某座橋梁橋接坡養(yǎng)護維修工程作為案例。該橋左橋始建于1986 年，右橋始建于1996年，2006 年進行拼寬改建。新老橋面整體重新澆筑10 cm C40 鋼筋混凝土+5 cm 瀝青混凝土，拼寬后橋梁與路基同寬。運營年限較長，交通流量大，橋接坡路面出現(xiàn)車轍、橫向裂縫、擁包、坑洞、“橋頭跳車”等病害，其中以“橋頭跳車”現(xiàn)象最為嚴(yán)重。路橋過渡段（橋接坡路段）道路路面結(jié)構(gòu)為4 cmAC-16 瀝青混凝土+6 cmAC-25 瀝青混凝土+30 cm 二灰穩(wěn)定碎石+5 cm 級配碎石調(diào)平層+ 水泥混凝土破碎層，臺背回填土深度約3 m。

根據(jù)歷年定檢報告中對橋臺部位的檢測結(jié)果：

（1）2012 年浙江省國省道定檢報告表明，橋梁的臺身砌石沉降開裂，因沉降導(dǎo)致臺身混凝土出現(xiàn)長度約3 m 的裂縫，分別如圖1、圖2 所示。

圖1 2012 年定檢臺背砌石沉降開裂

圖2 2012 年定檢臺背混凝土橫向開裂

（2）2015 年浙江省國省道定檢報告顯示，橋梁的老橋部分伸縮縫即橋搭板位置“跳車”嚴(yán)重。

（3）2016 年浙江省國省道定檢報告顯示，“橋頭跳車”病害嚴(yán)重，臺身砌石出現(xiàn)2 處貫穿裂縫，臺身混凝土出現(xiàn)長度4.8 m、寬度3.5 mm 的貫穿裂縫，分別如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 橋搭板位置“橋頭跳車”病害

圖4 2016 年定檢臺背砌石貫穿裂縫

圖5 2016 年定檢臺身混凝土貫穿裂縫

3.2 地聚合物注漿加固治理方案

本項目采用地聚合物注漿加固技術(shù)對路橋過渡段橋接坡進行加固，對臺背填土進行地聚合注漿加固處理，提升臺背土體的強度和密實度。同時，對橋搭板下部脫空區(qū)域進行填充修復(fù)，改善治理“橋頭跳車”病害，延緩臺背病害的產(chǎn)生，并達到快速開放交通的目的。

3.2.1 材料的選擇

本次注漿采用上海力陽道路加固科技有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的LY-II 50 型地聚合物注漿材料，施工配合比和材料性能指標(biāo)見表2。材料具有良好的流動性和滲透效果，施工完畢后經(jīng)過1d 的養(yǎng)護即可恢復(fù)交通運營，具有良好的經(jīng)濟效益、技術(shù)效益和社會效益。

表2 LY-II 50 型地聚合物注漿加固施工配合比及性能指標(biāo)

3.2.2 注漿加固工藝流程和參數(shù)設(shè)計

加固順序先路基，后基層。采用插管注漿工藝。具體施工工藝步驟為：孔位布置→鉆孔→清孔→埋注漿管→漿料制備→深層路基注漿加固→淺層基層注漿加固→養(yǎng)護1 天開放交通→交工驗收（進行后續(xù)瀝青面層的重建）。

根據(jù)注漿設(shè)計，采用兩次注漿——深層注漿與淺層注漿，深淺孔穿插布設(shè)，矩形方式布孔，注漿孔距2 m，排距2 m，孔徑Φ50 mm。這樣做的目的是保證本次注漿加固區(qū)域內(nèi)的漿液充分滲透，交叉重疊形成一個整體。注漿加固孔按圖6 現(xiàn)場進行布設(shè)。第一排孔沿橋搭板邊緣布設(shè)，平面布孔示意圖如圖6所示。

圖6 注漿加固孔位布置圖（單位：cm）

注漿加固深度如圖7 所示。深層注漿時，應(yīng)由深而淺連續(xù)進行分層注漿。注漿由下而上，分層注漿，每次提管高度不超過0.5 m，確保每個注漿段漿液飽和、滲透均勻，逐漸降低注漿壓力，地面以下1m 左右注漿壓力降為0.3 MPa 左右。

圖7 橋接坡各路段注漿深度示意圖（縱剖面）

3.3 監(jiān)測評估方式

為了更加直觀地分析、評價地聚合物注漿加固技術(shù)在該橋橋接坡加固工程的應(yīng)用效果，對該橋橋北側(cè)（未注漿加固路段，前期進行小修，對路面瀝青進行銑刨加罩）和橋南側(cè)（注漿加固范圍）分別進行為期半年的沉降監(jiān)測，再將數(shù)據(jù)進行對比。

本次注漿加固效果評價選用橋梁的東半幅南北兩側(cè)橋接坡作為監(jiān)測對象，采用蘇州一光DSZ1 型高精度水準(zhǔn)儀進行沉降觀測，精度0.1 mm，每千米往返測量高差標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于0.7 mm。

3.3.1 監(jiān)測點布置

如圖8 和圖9 所示沿橋接坡，采用沉降標(biāo)記鋼釘進行標(biāo)記，在距橋頭5 m（橋頭搭板邊緣）、15 m、25 m 位置布置監(jiān)測點，每個水平高度位置布置2 個監(jiān)測點。

圖8 觀測點位置示意圖（縱剖面）

圖9 監(jiān)測點水平位置示意圖

3.3.2 定期監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)

選取一個固定的觀測位置（觀測位置基礎(chǔ)穩(wěn)定，無明顯沉降等問題，距離橋接坡坡底30 m 左右），對每個監(jiān)測點進行編號，定期在固定位置監(jiān)測每個監(jiān)測點標(biāo)高的變化情況。每條水平線所有監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)取平均值，作為該位置的沉降情況。

（1）監(jiān)測頻率每個季度一次，并記錄每個監(jiān)測點的標(biāo)高，測算該位置路面沉降情況。

（2）選取橋梁的南側(cè)橋接坡（未注漿加固），設(shè)置觀測點，作為對比。

3.4 沉降監(jiān)測結(jié)果

對橋接坡路面沉降監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 一定時間后各監(jiān)測點位沉降值 單位：mm

橋南側(cè)注漿加固橋接坡與橋北側(cè)未注漿加固橋接坡各監(jiān)測位置沉降幅度對比情況如圖10 所示。

圖10 注漿加固橋接坡與未注漿加固橋接坡各監(jiān)測位置沉降幅度對比（單位：mm）

4 小結(jié)

4.1 注漿加固效果

本項目采用地聚合物注漿加固技術(shù)對橋接坡臺背填土區(qū)域進行注漿加固，增大臺后路基的強度和承載力，改善和延緩橋頭因回填土方下沉和軟土路基沉降產(chǎn)生的跳車病害，能顯著改善橋頭結(jié)構(gòu)的密實度，提高橋接坡道路整體承載力。處理好臺背軟弱地基，修復(fù)破碎的結(jié)構(gòu)層，填充臺背土基沉降產(chǎn)生的孔隙，是控制橋頭跳車的重要措施。

通過定期監(jiān)測對比橋梁東半幅南北兩側(cè)橋接坡沉降情況，對數(shù)據(jù)分析對比后可知，采用地聚合物注漿工藝對橋接坡進行加固的南側(cè)橋頭，注漿加固3個月、6 個月、12 個月和18 個月后的沉降幅度均明顯低于北側(cè)橋頭接坡。

采用地聚合物注漿加固工藝進行加固補強的橋梁南側(cè)接坡，3 個月沉降幅度在0～1 mm，半年后各點位沉降幅度在0.5～3 mm，12 個月后各點位沉降幅度在1～5 mm，18 個月后各點位沉降幅度在3～7 mm。未注漿加固的北側(cè)接坡，3 個月沉降幅度在2～5 mm，半年后各點位沉降幅度在4.5～8.5 mm，12 個月后各點位沉降幅度在7～14 mm，18 個月后各點位沉降幅度在12～18 mm。地聚合物注漿加固工藝大幅度延緩了該橋橋接坡軟土路基的沉降。

4.2 社會價值與意義

地聚合物注漿加固技術(shù)，在橋接坡沉降治理工程的應(yīng)用實施具有重大的社會意義，具體如下：

（1）材料理化性能好，綠色環(huán)保。地聚合物材料具備良好的流動性和滲透性，具有較高的早期和后期強度，耐腐蝕、耐久性較好。地聚合物制備工藝簡單，低能耗、低排放、減輕環(huán)境的負(fù)荷。

（2）非開挖，無障礙施工，交通影響小.采用非開挖條件下的路面強度補強技術(shù)能夠減少交通中斷的時間，對橋梁和接坡主體結(jié)構(gòu)影響極小，施工后養(yǎng)護約1 d 即可開放交通，減小社會影響。

（3）施工方便，易于控制。施工設(shè)備體積較小，施工便捷，加固深度可調(diào)節(jié)，有利于施工技術(shù)人員的精細(xì)化管理和質(zhì)量把控。

（4）施工造價費用低，提升交通安全性.。由于注漿工藝成熟，從技術(shù)經(jīng)濟角度比較，造價大幅降低。大幅度減緩?fù)粱两岛蜆蝾^跳車病害的出現(xiàn)，提升行車安全，降低橋接坡維修養(yǎng)護的頻率。

目前，行業(yè)內(nèi)對于“橋頭跳車”仍沒有有效根治的辦法。本次橋接坡注漿加固工程案例的實施和效果，以及所采用的評估監(jiān)測方式，對地聚合物注漿加固工藝在江浙滬地區(qū)“橋頭跳車”病害治理項目的應(yīng)用具有良好的參考與借鑒價值。