刘 博，杨 戈

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海市201804）

0 引言

近年来，我国公路建设发展迅猛，路网布局逐步完善，极大地改善了人们的出行条件。但由于自然条件特殊、设计施工不当、交通流量剧增等原因，一些道路出现了不同类型、不同程度的损坏，包括路基缺陷引起的损坏和路面基层破损引起的损坏，极大影响了道路的使用性能和服务水平。对于路基缺陷和基层破损的修复，以往经常采用翻挖、置换的养护技术，施工周期长、对结构扰动严重、对交通影响大，难以适应道路交通运行和城市环境的要求。近十多年来，注浆加固技术的应用逐步从岩土工程扩展到道路工程。从早期的水泥混凝土路面板底脱空注浆，到近年来的路基处治，注浆加固技术凭借其免翻挖、少扰动、少影响等优点，正发挥着越来越重要的作用。但是，道路注浆加固技术诸多问题，如注浆材料浆液凝固时间长，流动性控制困难，可注性低，不利于快速开放交通；地聚合物注浆材料价格昂贵，注浆效果受地质和气候条件影响大；现有注浆机具和注浆工艺单一，且缺乏先进、合理的道路注浆加固技术标准，导致施工流程不规范、过程控制不科学、注浆效果不理想等。因此，有必要针对道路路基路面的特点和交通运行的要求，从材料、工艺和技术标准等方面，对道路注浆加固技术开展系统的进一步研究。

1 新型注浆材料的研发

1.1 新型注浆材料配合比设计

道路注浆加固材料的性能要求包括：足够的强度；良好的耐久性与稳定性；考虑道路结构特点的浆液流动性和可注性；浆液与界面的结合形式等。针对现有注浆材料浆液凝固时间长、可注性低、稳定性差（易发生喷浆冒浆）、不利于快速开放交通等现状，基于注浆材料的渗透作用及物化作用机理（包括水泥水化机理、多元凝胶材料的复合效应及水泥水化物与土体的作用等三大作用），该研究课题首先提出开发路用注浆材料的技术要求，如表1所列。

表1 开发路用注浆材料技术要求一览表

表1所列的路用注浆材料技术要求为设计目标，由注浆材料选材与初步配方的确定开始，采用正交试验方法（L9（43）正交表）开展注浆材料原材料选材探索试验（8组），综合分析了以普通硅酸盐水泥+速凝剂（SH）、快硬硫铝酸水泥+矿物外加剂、快硬硫铝酸水泥+普通硅酸盐水泥三大材料体系为基的注浆材料的工作性能、力学性能。通过对三种材料在流动度、凝结时间及抗压强度等指标的11组对比试验，最终确定以快硬硫铝酸水泥+矿物外加剂为基的注浆材料作为新型注浆材料的主研方向，拟可通过添加缓凝剂、调整外掺料品种和掺量等方式进一步优化注浆材料性能。

通过30组不同配比的室内比对试验分析了缓凝剂、矿物外加剂、膨胀剂、减水剂和细砂对注浆材料的影响，确定了新型注浆材料的最终配合比，配合比和性能指标如表2、表3所列。

表2 道路新型注浆材料的配合比一览表

表3 道路新型注浆材料的性能一览表

1.2 道路新型注浆材料的路用性能评价

在前期试验基础上，选取一组路基和基层加固用注浆材料，研究其与土体、三渣固结体的力学性能与包括水稳定性、抗冻性等指标在内的耐久性能，并与市售地聚合物注浆材料土体、三渣固结体进行对比分析。

1.2.1 强度性能

注浆材料固结体的力学性能试验结果如表4所列，并得到如下结论。

表4 注浆材料固结体的力学性能一览表

（1）新型注浆材料土体固结体随着注浆材料掺量的增多，其7 d、28 d抗压强度增大。当浆体材料掺量为20%时，传统地聚合物土体固结体7 d抗压强度为1.34 MPa，新型注浆材料土体固结体7 d抗压强度达到2.13 MPa，高出0.79 MPa，是传统地聚合物土体固结体7 d抗压强度的1.58倍。

（2）当浆体材料掺量为13%时，注浆材料三渣固结体7 d、28 d抗压强度分别高出地聚合物三渣固结体134%、64.7%。

1.2.2 水稳定性和抗冻性

注浆材料固结体水稳定性和抗冻性能试验结果如表5所列，并得到如下结论。

（1）土体固结体水稳定性能较差，经过5次干湿循环后，新型注浆材料土体固结体（A-2）、传统地聚合物土体固结体（C-2）试件质量损失率分别为8.6%、10.1%，强度损失率分别为1.4%、3.2%。

（2）三渣固结体水稳定性稍优于土体固结体，是由于三渣固结体抗压强度较高，耐水性能较好。新型注浆材料三渣固结体（B-1）、传统地聚合物土体固结体（C-1）试件质量损失率分别为2.0%、3.8%，强度损失率分别为0.8%、1.9%。可知新型注浆材料的土体固结体及三渣固结体的水稳定性均优于传统地聚合物浆材的土体固结体及三渣固结体。

表5 注浆材料固结体水稳定性能和抗冻性能试验一览表

（3）经冻融循环后，新型注浆材料的土体固结体和注浆三渣固结体质量损失率、强度损失率较传统地聚合物土体固结体和三渣固结体低。新型注浆材料土体固结体质量损失率、强度损失率分别为6.0%、0.8%；新型注浆材料三渣固结体质量损失率、强度损失率为0.8%、0.2%。

2 复合式注浆花管的设计

道路注浆加固具有：充填、渗透、挤密劈裂等效应。浆液在压力作用下充填和挤密道路路基或基层，浆液首先劈入强度最低的部分土体，然后随压力增大，再劈入另一部分强度较高的部分土体，地层产生隆起抬高效应，最终充填至基层、路基范围内所有可注缝隙中。随着注浆技术的出现和发展，注浆理论和工艺相继产生。最著名的有球形扩散理论（即假设浆液在均匀、各向同性介质中流动时按球形扩散，注浆时主要发生单点渗流作用）和柱形扩散理论（即假设浆液在地层中呈柱形扩散，产生多点渗流效应），而与之对应的注浆工艺设计为传统的常规闷头管，以及该研究课题设计的新型注浆花管，如图1、图2所示。

图1 浆液扩散形状示意图（左图为球面扩散，右图为柱面扩散）

图2 闷头管注浆与花管注浆对比示意图

常规闷头管注浆（图2左）基于单点渗流及球形扩散理论设计，操作简易但工序复杂，是近年来道路注浆常用的注浆工艺。常规闷头管注浆施工往往只可以进行单一层位的注浆，而且在注浆时要不断地进行提管施工（考虑竖向注浆顺序问题），若需要进行基层和路基双层位注浆，则需布孔2次，打孔2次，压桩1次，即先完成基层注浆，再进行基层打孔、压桩最后完成路基注浆；在完成相同工作量的前提下，需花费更多的人力及物力和时间，注浆材料也会相应增多。

而该研究课题基于“多点渗流+柱形扩散理论”，设计了一种新型复合式注浆花管（如图2右），其优势为：可在基层层位和路基层位分别预留喷浆孔，亦可在需要的任意层位预留喷浆孔，有利于实现道路整体深度内任意层位一体化同时性注浆施工，避免了繁琐的提管工序，提高了注浆效率，而且理论上采取此种工法的多点渗流的注浆效果应优于单点渗流。

3 道路注浆加固依托工程试验及评价

3.1 试验段工况

该研究课题以上海市奉贤区大叶公路与团青公路修复工程作为主体依托工程，以上海市奉贤区泰青公路中修工程（泰青公路中修工程采取传统的地聚合物注浆，注浆层位为基层+路基层位，采取传统闷头管进行注浆），作为本课题的调研工程与比对工程。大叶公路试验段共410 m，施工路幅宽度为7.5m，总面积为3 075m2；团青公路（四团港桥段）试验段长度共115m，施工路幅宽度为7.5 m，总面积为862.5m2。原道路结构为：8 cm沥青混凝土、40 cm三渣基层和15 cm碎石垫层。地下水位高、路基含水量大是其道路构造的主要特点，对道路注浆材料的性能及施工工艺的合理性和科学性提出了更高的要求。该研究课题针对大叶公路与团青公路试验段实际状况，周密地考虑了道路注浆设计方案中的注浆材料、注浆管、布孔形式、注浆深度，以及注浆顺序等关键参数的设计，进行了详细科学的试验段安排（将整个路段分为8个大区域，15个小区域），拟对新型无机快硬性注浆材料及新型注浆工艺的优越性提供验证，并通过详细的比对分析，提出基于当前最优技术条件下的推荐设计注浆方案。

3.2 主要施工流程

试验段注浆施工流程应按照前文要求严格控制：布孔→钻孔→清空→埋浆管→注浆料准备→滤浆→注浆→冒浆孔封堵（或补浆）→拔管→注浆孔封堵→养护→补浆→交工验收。其中，该项试验段钻孔方式主要采取两次成孔，首先用气动式钻孔机钻至1.0 m左右，接着用液压式压管机成孔至设计深度，以保证钻孔质量。在注浆前进行了现场注浆试验，采用0.5 MPa作为此次试验段注浆工程中停浆控制压力。

3.3 注浆效果分析与推荐注浆方案

现今我国沥青路面设计及养护指标中最重要的参照值为路表弯沉值。该研究道路注浆加固效果的定性分析采用弯沉值来进行评价，由于该研究课题注浆试验段将525 m长的试验段划分为15个区域进行试验，用以分析注浆材料、注浆管选择、注浆深度选取、布孔形式，以及注浆顺序等关键工艺参数对注浆效果的影响，单段区域长度较短，因此对《公路工程质量检验评定标准（JTGF80-1-2004）》中FWD测试方法进行了优化，以双车道轮迹线的大致分布位置为测线，每区域4条测线，测点纵向间距取5 m。试验获得测点数据庞大，为后期比对分析提供了良好的数据支撑。

根据现场弯沉试验结果（如表6所列），通过与泰青公路对比工程进行横向比较可知，此次采用新型无机快硬性注浆材料进行注浆施工后的试验段平均路表弯沉降低量（35.34%）是之前泰青公路采取传统地聚合物进行注浆修复工程（降低量22.33%）的1.6倍，浆材优势显著。而且通过现场试验观测发现，采用复合式注浆加固工艺优于采用常规闷头管注浆加固工艺的注浆效果，主要表现在冒浆跑浆发生的现象明显减少，达到停浆控制条件时的注浆量有所降低，且施工速率大幅增加，注浆效率显著提升。

此外，为合理地评价此次试验段内各小区域方案的注浆效果，科学地分析注浆材料、注浆管、注浆深度、布孔形式、注浆顺序等关键工艺参数对注浆效果的影响，并进而提出基于最优技术条件下的推荐方案设计，该研究课题提出了基于路面疲劳寿命分析的道路注浆技术经济评价方法，其基本思路为：

首先对表6中注浆前后的弯沉值进行处理，采用修正后的AI法疲劳模型作为疲劳开裂基本形式，如式（1），得到各试验段通过注浆加固所导致的路面疲劳寿命的增量。然后结合考虑各试验段的施工成本，得到各试验段路面疲劳寿命增量与施工成本之间的对应关系，从而进行各施工方案的技术经济评价，最后选择相对成本低，而路面疲劳寿命增量高的方案作为较优方案。（试验最终分析结果如表6所列）。

对表6的数据按照上述的分析思路分析得到，在该项实验条件（接近最优技术条件）下的推荐方案为采用该项目研发的新型无机注浆材料，采用1.3m的注浆深度，2.4m×4 m的梅花形（或2.4m×2.4 m正方形）布孔，采取由外向内的注浆顺序，使用花管进行道路基层+路基复合式注浆。

4 结语

根据上述计算和分析，可以得出结论如下：

（1）该研究课题基于道路性能指标的配合比设计方法，展开新型无机道路注浆材料的配合比研究，采用正交试验方法确定新型注浆材料初步配方，然后通过大量的比对试验，全面地分析了缓凝剂、矿物外加剂D、膨胀剂、减水剂，以及细砂等对无机注浆材料对注浆材料流动度、抗压强度、凝结时间，以及泌水、收缩等关键路用性能的影响规律，从而最终确定新型注浆材料的配合比，并验证了新型无机注浆材料的道路适用性，并与传统地聚合物浆材固结体做对比分析，体现出该项目研发的无机注浆材料在强度、水稳定性和抗冻性能等方面突出的优越性。

（2）基于“柱形扩散理论”，设计了新型注浆花管，其可在基层层位和路基层位分别预留喷浆孔，以路基+基层复合注浆的形式进行注浆的新工艺，避免了繁琐的提管工序，提高了注浆效率和注浆效果。对采用路基+基层复合式注浆加固工艺的注浆效果与采用常规闷头管注浆工艺的注浆效果进行了对比分析，指出采用复合式注浆加固工艺的注浆效果要优于采用常规闷头管注浆加固工艺的注浆效果，且在施工过程中避免了繁琐的提管工序，可大幅度提高注浆效率，符合道路修复快速开放交通的需求。

表6 各试验路段试验结果分析表

（3）周密地考虑了道路注浆设计方案中的各关键参数的设计，进行了详细科学的试验段安排，通过依托的注浆试验，根据注浆前后路表弯沉值的对比分析，得出道路注浆加固技术参数对注浆效果的影响，并提出基于较优技术条件（即采用该课题研发的新型无机快硬性注浆材料及新型注浆工艺）下的推荐方案设计：采用该项目研发的新型无机注浆材料，采用1.3 m的注浆深度，2.4 m×4 m的梅花形（或2.4 m×2.4 m正方形）布孔，采取由外向内的注浆顺序，使用复合型花管进行道路基层+路基复合式注浆。

综上所述，采用该项目的研究成果可以控制道路维修加固投资，节省工程费用，缩短施工周期，减少施工环境污染。研究成果可以广泛地应用于上海市乃至我国道路注浆加固修复工程，为其提供参考、指导和借鉴，推广应用前景非常广阔。此外，该课题的研究成果可以为相关规范的修订提供技术依据，具有十分重要的意义。

[1]韩韧.CX型超细水泥使用性能总结[J].水泥,1996，(6).

[2]赵晶,王蕾.用于混凝土路面修补的改性砂浆[J].低温建筑技术,2008，(1).

[3]Krizerk R J等.水泥浆的泌水性与流变性[A].岩石与混凝土灌浆译文集[C].北京:水利部情报所,1993.

[4]Melbye T A.利用超细水泥进行岩石灌浆[A].岩石与混凝土灌浆译文集[C].北京:水利部情报所,1993.

[5]刘晓敏.注浆技术的发展及应用施工技术研究与应用[J].安徽建筑，2000，（3）．

[6]严永斌.注浆法在半刚性基层沥青路面修复工程中的应用.上海公路.2001，（4）：9-13.

[7]冉龙强，等.高聚物注浆补强在高速公路路面维修过程中的应用[J].交通标准化，2007，（8）.

[8]王顺兴，等.注浆法在公路基层加固中的应用[J].交通标准化.2007，（11）：104-105.

[9]蒋硕忠.注浆材料与注浆工艺研究[J].水利水电技术，2001，32（9）.

[10]周亮.考虑环境因素的沥青路面疲劳性能预估模型[D].上海：同济大学，2011.