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道路基层病害快速维修(地聚物注浆)
    发布时间: 2019-01-18 16:50    

1 前言

经过多年的快速发展,我国的公路和城市道路建设取得了举世瞩目的成就,道路里程、道路等级都有了本质性的提高。而随着经济的不断增长和汽车保有量的提高,这些道路承担着越来越重交通需求,病害发生较为普遍,而路面基层的破坏则是导致这些病害产生的主要原因之一。

由于基层病害层位较深,隐蔽性强,目前常规的维修一般采用开挖修补的方式进行,这类方法工期长,造价高,施工过程对周边环境影响大,而且开挖施工还易造成周边路面结构的二次破坏。路基开挖式维修带来的经济损失和社会影响都是不容忽视的。因此开发快速、可靠的道路基层的非开挖加固技术具有重要的意义。





由基层破坏导致的道路常见病害示例


2 道路基层非开挖快速加固成套技术简介

与开挖式维修相比,注浆加固技术具有施工周期短,减少机械、人工消耗,对交通、环境影响小,舆情压力和社会影响小等优点。

但长期以来,在道路基层注浆中一直有几个问题没有得到解决:一是病害检测和识别准确度低,导致对基层的注浆处治具有一定的盲目性;二是水泥基注浆材料本身的一些缺点,例如固化速度慢,早期强度低,后期收缩量较大,在终凝前受环境(水、振动)影响大等,导致注浆施工需要进行较长时间的封闭交通养生;三是对注浆效果的评价方法具有一定的局限性,难以反映真实的注浆效果,导致注浆施工中偷工减料现场非常普遍,甚至导致对这种技术的否定。

对这三类问题,广州展亚土木工程技术有限公司通过长期的努力,研发并提出了相应的解决方案,分别是雷达法和冲击映像法相结合的道路基层(路基)病害检测识别技术和注浆效果评定方法,环境友好型快硬早强无收缩地聚合物材料,以及快速化的注浆工艺。工程实践表明,该技术对病害的判别准确度高,施工速度快,处治效果稳定,开放交通时间早(3小时),对注浆效果的评价准确直观。另外,该方法还可用于道路沉陷抬升、混凝土路面错台的调平等方面。




道路基层非开挖快速维修成套技术构成示意图

3 道路基层(路基)病害检测识别技术和注浆效果评定方法

常规的道路基层病害检测方法有两种,一种是雷达法,另一种是弯沉值法(FWD、贝克曼梁等)。其中弯沉法适用于整路段的性能评定,而不适用于病害具体位置的检测;雷达法适用于病害具体位置的检测,但检测结果受环境影响大,所识别的物理参数是介电常数,与结构的力学性质并不完全相关,因此判别的准确度较低。

 

  

 

                                                     地质雷达检测                                       FWD检测



        冲击映像法是在检测对象表面施加微小瞬时冲击,激发产生弹性波,当弹性波在其内部传播过程中遇到介质交界处和缺陷时,会发生反射并在对象表面产生位移响应。在激发点附近可放置传感器接收响应波形,然后通过分析波形特征变化,判断道路内部有无缺陷。

 


冲击映像法检测设备


    冲击映像法采用2维、3维阵列式检波器设置,相对于传统的1维数据采集方式,冲击映像法具有更高的数据密度和信息量,探测精度更高。 

冲击映像法可检测路面以下1-3m结构层的缺陷情况,其检测结果以二维图像的形式给予显示,具备系统化、标准化与规范化的特点,是一种高效率、高质量的工程无损检测方法,适用于道路隐形病害的检测、城市塌陷区的检测、地下管道的检测、隧道透水区的检测以及道路注浆施工效果的检测等,具有非常广阔的应用空间和非常重要的应用价值。

A.注浆前


B.注浆后

注浆前后冲击映像法检测对比图

目前,冲击映像法的主要缺点是检测速度较慢,检测成本较高,难以满足道路大面积检测的需求。为此,我公司提出了地质雷达法与冲击映像法相结合的检测方法,即先采用地质雷达对被检测路段进行初筛,而后,对病害较为突出的路段,采用冲击映像法进行详细检测,并形成病害云图;在注浆后,在同位置进行复检,并对比注浆前后的雷达图谱和冲击映像法图谱,对注浆效果进行对比评价。

同时,公司针对冲击映像法存在的问题,正在开发车载式快速检测设备密集阵病害扫描系统(PRDSS)和配套检测方法,该设备预期可系统解决道路基层病害的准确判别及注浆效果的评价问题。

 


在研的快速化检测设备示意图

4 环境友好型快硬早强地聚合物

与各种有机灌浆材料相比,无机灌浆料在强度、耐久性、造价方面都有着先天的优势。

地聚合物灌浆材料是一种无机高分子材料,具有优良的机械性能和耐酸碱、耐火、耐高温的性能,在建筑材料、高强材料、固核固废材料、密封材料、和耐高温材料等方面均有应用。与水泥基的注浆材料相比,地聚合物材料具有凝固时间可调整空间大,可设计性强的优点,体积稳定性和水稳定性更好,凝固过程受动环境影响小,很适合用于处理道路基层病害。

本公司开发了的用于道路基层快速维修的环境友好型高强快硬注浆材料,该材料具有早强快硬,可实现4小时内开发交通;且无收缩,水稳定性好,对环境无不良影响等优点。


  


环境友好型地聚合物原材料



       
本公司开发的基层加固用地聚合灌浆材料的主要技术参数如下表所列。其中快凝早强型材料由于工作实际过短,除一些特殊应用场景(如应急加固、隧道堵水等)不建议采用。而普通型I型适合大交通量道路的快速维修使用,可实现4小时内通车的需求;普通型II型和III型适合允许较长封闭时间的道路维修采用。


地聚物注浆技术参数

项目

流动度(s)

初凝时间(min)

终凝时间(min)

泌水率(%)

膨胀率(%)

耐水性(%)

抗压强度(MPa)

4h

6h

1d

7d

28d

基层加固用

快凝早强型

≤20.0

≥10

≤30

≤0.40

≥0.01

≥95

/

/

≥20.0

≥25.0

≥30.0

普通型

I

≤20.0

≥30

≤120

≤0.40

≥0.01

≥95

≥5.0

≥7.0

≥20.0

≥25.0

≥30.0

II

≤20.0

≥60

≤240

≤0.40

≥0.01

≥95

/

≥5.0

≥10.0

≥25.0

≥30.0

III

≤20.0

≥90

≤400

≤0.40

≥0.01

≥95

/

/

≥5.0

≥20.0

≥30.0

5 施工工艺

5.1 道路基层注浆快速化施工工艺和装备

根据地聚合物注浆材料的特点,为满足道路维修快速化、机械化的需求,我公司开发了一套快速化施工工艺和施工组织方案,以及相配套的施工装备和机具,如无尘型快速成孔钻机、一体化注浆设备、高频地震动注浆促进模块、骑跨式注浆孔锁口装置、专用封口盖等,大幅提高了施工速度和施工质量保障。



无尘型快速成孔钻机

一体化注浆设备


高频地震动注浆促进模块


骑跨式注浆孔锁口装置


5.2 深度步进式加固顶升技术


    针对路面的沉陷、错台等不均匀沉降类病害,本公司在基础注浆快速化施工工艺的基础上,开发了深度步进式加固顶升技术,该技术将渗透灌浆、压密灌浆和劈裂灌浆有机结合,是一种技术难度大,但效果突出的复合灌浆技术。

其主要原理为,采用普通型地聚合物材料,在较小压力下对基层和路基进行渗透灌浆,完成对结构层的初步加固。

而后采用快凝早强型地聚合物材料,将浆液在较高压力下劈入深部地基中,浆液形成纵横交错的劈裂线路,重构土体骨架,将松散的土体固结成一个整体,并形成高强、稳定的约束体。

采用浆液初凝时间短的普通型I型地聚合物进行压密灌浆,将浆液迅速灌进土体的裂隙中,填充空洞、挤压土体,不待浆液与土体充分混合,土体就被挤密压实。由于深部注浆已经形成封浆区域,浅层注浆的浆液将在扩散半径内不断聚集,已初凝的浆液将挤压道路基层和面板,根据达西定律,持续灌入的浆液将产生向上的上抬力,从而实现对混凝土面板的注浆调平。

Maag扩散模型

注浆顶升效果图


6 经典案例

6.1 广州市机场高速基层快速加固

广州机场高速公路连通广州白云国际机场和广州市区,是一条非常重要的交通要道。在运营多年以后,部分路段出现了裂缝、唧泥、唧浆等结构性病害。由于该路段交通量巨大,对病害的维修过程要尽量降低对交通的影响,在经过详细研究后,提出了利用夜间低交通量窗口期对基层进行非开挖加固施工,灌浆后3小时开发交通的技术要求。

为了适应工程需求,本公司对普通I型地聚合物进行了改进,进一步提高其早期强度;同时,为了保证施工效果,在注浆前分别采用冲击映像法、地质雷达法和弯沉法,进行注浆前检测,明确道路基层、地基土存在的疏松、脱空等区域,以及现状道路承载能力,作为注浆区域的依据。

该工程采用增强型普通I型地聚合物,采用道路基层注浆快速化施工工艺对地基土加固,填充空洞、挤密土体、封闭浆液通道,并形成新的土体骨架,提高道路承载能力。在施工过程中实时调整注浆压力、浆液水灰比、浆液流速等参数,保证浆液凝结时间、扩散半径、早期强度,避免加固不充分或过度注浆。

施工现场


施工后,采用冲击映像法、地质雷达法和弯沉法对施工效果进行了对比检测,检测结果显示,道路基层的均匀性得到了明显的提升(冲击映像法),雷达图谱中拱形突变大量消失(雷达法);弯沉值也有了较为显著的下降(弯沉法),说明该工艺效果良好。对比检测结果如下所示。


A.注浆前

B.注浆后

注浆前后冲击映像法检测对比图

 


 


注浆前后路面结构强度对比


6.2 南通市星湖大道混凝土路面板加固顶升工程

南通市星湖大道是南通市经开区的一条主干道,路面结构为混凝土路面,主要病害为了路面板的沉陷、错台等。受业主委托,我司对星湖大道—中央路路口(北半幅西侧)路段面板错台较严重的区域,进行注浆加固、顶升。

在注浆作业之前,我司对面板的错台量进行精确测定,并采用冲击映像法、地质雷达法,对面板下部,以及地基土的疏松、脱空和空洞等病害进行扫描,确定现状道路的状态。


注浆前检测

在细致检测的基础上,按照深度步进式加固顶升技术的工艺设计,遵循多次注浆、稳步抬升、精准调平的原则对沉陷和错台区域进行了处治。注浆后,施工区域混凝土面板抬升效果显著,最大抬升高度为15mm,错台量大幅减少,基层均匀性和路面强度也得到较大幅度提高。施工效果如下所示。

注浆后错台量量测结果

注浆前雷达检测结果

注浆后雷达检测结果





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