軟土區(qū)高速公路地基處置技術(shù)與監(jiān)測方法分析

■沈慶祥

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司漳州分公司，漳州 363000）

2020 年末中國公路里程將達到16.91 萬km，數(shù)量將居于全球首位[1]。 但是，許多高速經(jīng)過軟泥區(qū)域，在運行過程中，因為不同區(qū)域的壓縮力大、抗拉強度小和透水性低的特性，高速道路容易出現(xiàn)坍滑和沉陷收縮的病害[2-3]。 關(guān)于軟土地區(qū)的高速公路路基沉降及處置， 不少學(xué)者開展了較為深入的研究。張新柱[4]闡述了道路的主要結(jié)構(gòu)與防護，通過對沉降因素進行解析，給出了降低及克服道路沉降問題的辦法；張軍輝等[5]提出采用沉降板法監(jiān)測路基沉降，并利用雙曲線模型法預(yù)測工后沉降；史永宏[6]采用單點沉降計對高填方路段路基進行監(jiān)測，通過對路基沉降量與時間的關(guān)系曲線進行分析得到路基需250 d 趨于穩(wěn)定；王金明等[7]選擇了礫石壓實道路、自然道路、復(fù)合路基等各種形式的高填方路基經(jīng)過了細致的研究對比，剖析高填方路基在各個階段的沉降變化及規(guī)律，并對比研究了各種道路的沉降關(guān)系，從而得出了礫石壓實道路在建設(shè)前期可以有效緩解道路沉降的問題及規(guī)律。 李明[8]、王鋒[9]、李帥印等[10]則根據(jù)軟土地區(qū)道路路基沉降特點，闡述了壓漿方法用以解決地基下沉，并詳盡闡述了施工工藝、方法優(yōu)點、存在困難及其具體使用效果。

本研究根據(jù)某軟土地區(qū)高速公路裂縫和沉陷問題，擬采用過渡性設(shè)計（注漿+觀測處理），即只對路基裂縫進行處置，在路面設(shè)置注漿孔，利用PVC注漿軟管進行注漿加固，研究結(jié)論有益于類似工程應(yīng)用。

1 背景工程

1.1 工程概況

某高速公路為雙向八車道，主要途徑于閩東南沿岸沖海積平原圩區(qū)，處于亞熱帶海域型季風(fēng)天氣天氣暖和，四季涇渭分明，每年7 月至9 月為臺風(fēng)時期， 在臺風(fēng)期間降水為常年降雨量35%左右，平均降水量為1 100～1 800 mm，每年的測區(qū)水系較發(fā)育，沿線河流發(fā)育，溝渠縱橫，河流一般自北西向南東流入海洋。 通常對混凝土不具強腐蝕；但近海河水受海洋漲潮直接影響， 局部為咸水水或上咸下淺，咸水水含侵蝕性，局部則較高濃度，對混凝土具有分解類弱腐蝕性。 本段高速公路抗震基本強度為VII 級。 線路50 年超越概率為10%的一般場地（中硬）地震動峰值加速度為0.10 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s；線路100 年超越概率為10%的一般場地（中硬）地震動峰值加速度為0.15 g。 區(qū)內(nèi)河網(wǎng)發(fā)育，水庫廣布，局部魚塘較密集。 地勢比較平緩且寬廣，平均海拔標(biāo)高在3～10 m。 其間河港漢地發(fā)育，大部分為海積及沖海積的泥沙所構(gòu)成，地表一般已發(fā)展為耕地和菜園。 局部剝蝕殘丘臺地，相對高度一般為20°～40°，自然坡度一般為10°～20°，但自然坡度較穩(wěn)定，相對高差通常不足20 m。

1.2 裂縫情況

2021 年3 月，在巡查中發(fā)現(xiàn)路面主車道和緊急停車帶出現(xiàn)大量縱向裂縫及少量橫向裂縫，共計71 處路面裂縫及1 處下沉塌陷，最大縫寬為40 mm，最大縫長57 m，不均勻沉降最大高差可達6 cm，主要分布在應(yīng)急車道，少量分布于第3、4 車道（圖1、表1）。

圖1 典型病害

表1 現(xiàn)狀病害調(diào)查

1.3 裂縫原因分析

縱向裂縫是一種比較典型的病害，主要原因有以下2 種：一是抗剪切能力強度不夠產(chǎn)生的疲勞開裂，其疲勞開裂形成的主要因素為（1）交通量過大、重軌車輛數(shù)量過多，與路面結(jié)合厚度不夠，以及瀝青地面輪軌與帶上汽車輪載的重復(fù)相互作用，使得混凝土基層提早步入疲勞期而形成疲勞剪切開裂；（2）混凝土面層次之間組合不好，使得基層受力的形態(tài)容易出現(xiàn)變化，進而表面易形成疲勞裂紋。 面層的總厚度10 cm，裂紋橫貫了整個中上面層。這種病害主要是由銑刨重鋪和原路面面層層之間粘接不良而造成的疲勞裂紋；（3）瀝青面層混合料材料差，抗剪力也不夠強，在行車荷載方面的影響造成了路面裂紋。 二是由地面不均勻下沉而引起的縱向裂縫， 這種病害主要發(fā)生在基礎(chǔ)填方及施工路段，有時伴隨有輕微的地面錯臺現(xiàn)象，其主要因素有（1）地面邊緣壓實量不足而引起下沉；（2）地面中存有大量的膨脹土壤，在自然因素影響下含水量持續(xù)增加，并由此引起地基開裂；（3）土基層承載力不強；（4）由于局部道路基因中存有較松散土質(zhì)或由于道路的自然橫坡過陡，或在填挖連接處未挖臺階分級填土等因素，致使道路下沉量過大、不均勻沉降，從而引起道路的縱向破壞。

2 路基路面處置方案

路段養(yǎng)護修復(fù)處理設(shè)計為動態(tài)過渡性設(shè)計（注漿+觀測處理），即只對路基裂縫進行處置，在路面設(shè)置注漿孔，利用PVC 注漿軟管進行注漿加固。

2.1 灌漿孔的布設(shè)

保證所有被加固結(jié)構(gòu)都在平面的一定深度范圍內(nèi)，將所有穩(wěn)定地基連成一整體。 在沉陷的缺陷區(qū)域內(nèi)按2～3 m 公司起布置注漿料口，布縫處為避免損傷路床結(jié)構(gòu)，盡量距路肩1.5 m。 按梅花形方向布置三排孔。

孔深應(yīng)以PVC 注漿制動軟管長度入原始狀態(tài)土1 m 左右為宜，土層的最大深度不得大于10 m。裂縫寬度小于1.5 cm 的采用間距b 為2.5 m×2.5 m注漿處理； 裂縫寬度1.5～2.0 cm 的采用間距b 為2.0 m×2.0 m 注漿處理；裂縫寬度2～3 cm 的采用間距b 為1.5 m×1.5 m 注漿處理。 鉆孔的選擇由施工單位或總監(jiān)按照此原理當(dāng)場決定（圖2）。

圖2 沉陷路段注漿示意圖

2.2 成孔技術(shù)要求

（1）用XY-100 型液壓鉆機，或用SM-400 鉆機、干鉆頭等撞擊成孔，最大鉆進口徑φ91 mm。 上部層通常用金剛石鉆具穿孔，也會先穿底基層再用合金鉆具或錐形探頭至終孔深部；（2）鉆孔時要保證垂直方向平順，最大傾斜度不超過1 cm，孔內(nèi)清潔干凈；（3）鉆孔口徑與孔深嚴(yán)格按照規(guī)定尺寸的終孔。

2.3 PVC 注漿軟管及注漿管道

（1）采用φ50 mm 的PVC 軟管制作；（2）各距地面20～25 cm， 旋轉(zhuǎn)450 鉆φ5～6 mm 的對穿射漿洞，上部1.5 m 不進洞。 PVC 注漿制動水帶的射漿口以外用藥物膠布封好，膠帶沿射漿口眼整體型纏成3 層，每隔約30 cm 纏繞一圈固定，纏繞前先把管壁重新清洗一遍，用膠帶壓平再黏固，在下入鉆孔處盡可能居中，以確保密封膠粘劑帶在使用中不被損傷；（3）軟管固定時要使軟管的中間部位，即所謂的長度，在此方向的情況下，軟管在接受軸向載荷后能有2 個位移方向，否則如果僅有1 個橫向位移，就會降低制動軟管的質(zhì)量，從而減少使用壽命。

2.4 壓漿技術(shù)要求

漿液注射方式共分為2 段， 第1 個采取靜壓（自流式）注漿方式，第2 個采取分段劈裂注漿方式。按每1 m 定點分期劈裂。 其方法：（1）將高壓注漿管道直接連接在PVC 注漿料水帶上，再通過自流式靜水壓力澆注，當(dāng)孔中出現(xiàn)溢漿現(xiàn)象，立即停機澆注。經(jīng)過規(guī)定的最初凝析的時間后，在孔口處將用砂漿基層料加水的溶液均勻灌注孔中， 并補平封堵孔中；（2）在第1 次注漿材料5～6 h 后進行二次分段劈裂注漿材料。 在單向制動水帶中，嵌入雙向密封的注漿芯管進行分層注漿方法材料時，先提高注漿壓力使?jié){頂開貼膠布，再擠破膠帶層，使水泥體發(fā)生劈裂，并沿著縫隙延伸，延展范圍受注漿方法材料壓力、時間、水泥比重、土層類型等各種因素的共同作用，在最底層每1 m 注漿方法材料1 次，當(dāng)各個層次的注漿方法材料均滿足壓力設(shè)計規(guī)范要求時，再自下而上逐次推進芯管完成施工。 待全洞澆筑完畢，進入下一次澆筑孔。 灌注完畢后，清除管內(nèi)殘余漿液。

2.5 注漿壓力及漿液配比

灌注材料用P32.5R 普通硅酸鹽砂漿， 和水泥混合后攪拌而成純混凝土漿液。 第1 次澆注時使用靜水壓力自流型，水灰比使用1∶0.8；第2 次劈裂注漿料終灌水壓為0.8～1.2 MPa 并持荷固定時限，具體時限在經(jīng)過測試后再決定。 若水灰比采取0.5～0.8∶1 或依據(jù)場地的實際狀況適當(dāng)調(diào)節(jié)，可獲得最佳效果；注漿料結(jié)束，及時用清液沖刷注漿料管，以防止管中的沉漿凝固，避免堵管現(xiàn)象發(fā)生。

2.6 注漿量的控制

混凝土灌注的砼管用量應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場狀況，或依據(jù)路基填料的不同特性以及依據(jù)被護結(jié)構(gòu)上所覆搭板的強度和沉降情況的變化情況而進行調(diào)整。 一般情況下，應(yīng)遵守以下的參數(shù)規(guī)定：最大單孔砼澆注流量為150～200 kg/m。

2.7 封口及路面補平

（1）注漿施工完畢后，割除頂部8 cm 區(qū)域內(nèi)的PVC 注漿軟管，用鉆機上下斜向45°開3 條口徑2.0 cm、深18 cm 的孔（三條孔成“品”字型布置）并灌注植筋膠，隨即再植入3 根20 cm 的φ12 鋼筋直徑管，并相互連接。 鋼筋混凝土固化完畢后，再用環(huán)氧樹脂類的填料充滿孔口以及路面標(biāo)高，填料須充分調(diào)配至類似于混凝土顏色；（2）在灌漿結(jié)束時，將路面下陷區(qū)的地面全部鑿毛，并鋪設(shè)聚砜樹脂瓜米石至原設(shè)計標(biāo)高。 全部作業(yè)須一次性進行，避免二次沖擊道路。 全部作業(yè)完成后，及時打掃清洗場地，徹底把道路沖刷一遍，切實保持道路干凈，方能離開施工現(xiàn)場。

3 路基監(jiān)測

3.1 監(jiān)測目的

根據(jù)高速公路的現(xiàn)狀工況條件、 拓寬工程確定擬采用的技術(shù)方案，監(jiān)測主要為了達到以下目的：（1）監(jiān)控整個注漿施工過程中路基的穩(wěn)定性；（2）了解注漿后路基之間的沉降規(guī)律和差異沉降；（3）了解在新增荷載作用下，路基下臥土層附加應(yīng)力變化情況；（4）了解復(fù)合地基的力學(xué)與變形性狀。

3.2 監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)上述監(jiān)測目的以及目前的監(jiān)測技術(shù)水平，建議進行下列項目的監(jiān)測：（1）測斜管的側(cè)向位移觀測，主要用于監(jiān)控在施工過程中路基的整體穩(wěn)定性；（2）沉降標(biāo)，路基上的沉降標(biāo)用于觀測路基的沉降規(guī)律和分析差異沉降；（3）研究高速公路不良填土路基的沉降規(guī)律；（4）預(yù)測沉降趨勢，估算路基沉降并驗證結(jié)果正確性。

3.3 監(jiān)測技術(shù)要求

（1）埋設(shè)要求。 根據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合監(jiān)測項目的特點，提出本監(jiān)測項目的埋設(shè)要求，并報有關(guān)方面審批；（2）觀測頻次。 監(jiān)測頻率應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況、設(shè)計施工圖要求和有關(guān)規(guī)范規(guī)程及監(jiān)測建議確定。施工期間監(jiān)控頻率可參照表2，觀測頻率應(yīng)與變形速率相適應(yīng)，變形速率小，觀測頻率可適當(dāng)減小；變形速率大，觀測頻率應(yīng)適當(dāng)增加。 當(dāng)變形曲線突然變陡時，要跟蹤加密觀測，分析原因，并確定是否需要采取措施；（3）資料整理。 監(jiān)控資料要求當(dāng)天整理及時分析；分析路堤的穩(wěn)定性，如果分析結(jié)果表明情況異常，須立即通知有關(guān)部門，采取相關(guān)措施保證路堤的穩(wěn)定。

表2 監(jiān)測頻率

3.4 土體深層水平位移監(jiān)測

該監(jiān)測點高速路堤旁下邊坡水溝外側(cè)布置18個土體深層水平位移監(jiān)測點：AK1～AK10、BK1～BK8，共累計完成10 次監(jiān)測。 采用精度便攜式測斜儀測量（圖3），詳細點位見圖4。

圖3 精度便攜式測斜儀

圖4 監(jiān)測點布置示意圖

本階段、AK4、AK5、AK6、AK7、AK9、AK10、BK1、BK3、BK4、BK5、BK8 本階段未見變形反應(yīng)，其余各點的波動變形方向、累計位移和階段位移見表3，典型變化見圖5。

圖5 土體深層典型水平位移變化

表3 土體深層水平位移變化

3.5 地下水動態(tài)變化監(jiān)測

根據(jù)JTG/T D31-02-2013 《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細則》規(guī)范要求，采用地下水位計進行地下水位測量，共累計完成10 次監(jiān)測。 地下水動態(tài)變化監(jiān)測點位與土體深層水平位移監(jiān)測共用（圖6），孔位埋深見表4。

圖6 地下水位計

表4 地下水動態(tài)變化監(jiān)測孔深

本階段監(jiān)測AK1-AK10、BK1-BK8 地下水位小幅波動，監(jiān)測顯示該坡地下水埋深較淺，具體情況見圖7。

圖7 地下水位測量

4 路基病害處治后地表宏觀變形巡查

路基病害處治結(jié)束后，對路面宏觀變形巡查結(jié)果見圖8。

圖8 病害處治后路面巡查情況

5 結(jié)論

（1）軟土地區(qū)高速公路路基沉陷采用注漿技術(shù)進行修復(fù)即在路面設(shè)置注漿孔， 利用PVC 注漿軟管進行注漿（自流式）+分段劈裂注漿加固效果尤佳；（2）采用沉降觀測標(biāo)及測斜管可及時監(jiān)測軟土地區(qū)高速公路路基的沉降規(guī)律和路基整體穩(wěn)定性、土體深層水平位移及地下水動態(tài)變化。