高聚物注浆技术在高山隧道路面维修中的应用

摘 要：我国的高速公路和隧道工程已逐步进入到建设与养护并行时期，养护维修任务繁重。高聚物注浆修复技术正是针对这一需求发展起来的一种道路非开挖维修新技术，该技术采用落锤式弯沉仪和探地雷达等无损检测设备进行检测，分析识别路面结构层病害，然后针对性进行高聚物注浆修复。采用高聚物注浆技术对高山隧道混凝土路面进行了快速维修，取得了良好的应用效果。

关键词：无损检测；高聚物注浆；隧道；路面维修

随着改革开放以后经济的快速发展，我国的交通基础建设也进入了高速发展时期。据统计，截至2013年底，我国高速公路总里程已达104468公里，居世界第一；公路隧道11359座，总长9606公里；运营铁路隧道11074座，总长8939公里。我国高速公路与隧道建设已逐步进入建设发展与养护维修并行的时期，高速公路和隧道的养护维修正面临十分繁重的任务。

我国现有隧道多采用水泥混凝土路面，随着使用年限的增加和交通量的逐年发展，路面承受的轴载不断增长，致使多数路面产生不同程度的损坏。因此，现有隧道水泥混凝土路面的养护与修复就成了隧道养护中的一项重要内容。

常用的水泥混凝土路面修补方法有：（1）对于路面裂缝，采用灌注沥青的方式，以达到封闭裂缝的目的；（2）对于破损严重的水泥混凝土路面，在其上加铺一层沥青混凝土。这种方法只是一种应急措施，不能从根本上解决水泥混凝土路面修复的问题；（3）对于破碎路面板，采用的方法是将损坏的混凝土除掉，铺筑与原路面混凝土相同强度或略高于原设计强度的普通混凝土。但由于普通混凝土需要较长的养生时间，给路面恢复交通带来了困难。另外，由于维修路段中需大面积拆除旧混凝土，而拆除掉的混凝土如得不到再生利用，将变成污染环境的建筑垃圾；（4）对于水泥混凝土路面脱空，采用灌注水泥浆、水泥粉煤灰浆和水泥砂浆等方法进行处理。但养护时间较长，需要耗费大量人力、财力，对交通运营影响较大。

高速公路隧道路面维修迫切需要一种快速、高效、安全、对交通运营无影响的养护维修技术。针对这一需求，郑州大学王复明等研发了基于无损检测的高聚物注浆修复技术，该修复技术具有无损、快速、对交通扰动小等特点，已在多条高速公路应用中取得良好效果。

1 高聚物注浆修复技术

高聚物注浆修复技术是一种基于无损检测的快速修复技术，主要是借助落锤式弯沉仪和探地雷达等无损检测设备进行检测，分析识别路面结构层病害，然后对病害针对性进行高聚物注浆修复。

1.1 落锤式弯沉仪检测技术

落锤式弯沉仪（FWD）通过计算机控制下的液压系统提升并下落一重锤，对路面施加脉冲荷载，荷载时程和路面的变形（动态弯沉盆）均由相应的传感器测定，荷载大小荷载的大小通过改变锤重和提升高度可在相当大的范围内调整，并通过刚性圆盘作用到路面上。信息处理系统记录荷载和路面变形的全部时程信息，整个操作过程均通过微机自动控制。图1为落锤式弯沉仪多点测试模拟图。

图1 落锤式弯沉仪多点测试模拟图

由于FWD测速快（每测点约40秒），精度高（分辨率为1微米），并较好地模拟了行车荷载的动力作用，目前被认为是较为理想的路面无损检测设备。特别是FWD能够准确测定多点弯沉，从而为路面结构反分析提供了基础。

1.2 探地雷达检测技术

探地雷达主要由固体腔、天线（发射机与接收机）、信号处理器和计算机等部分组成。通过固体腔产生无载波高速脉冲作为探测地下目标的信号源，用宽带天线将高速脉冲换成脉冲电磁波进行辐射，一部分经发射天线直接到达接收天线形成直达波，可用作地下目标深度的参考；一部分进入地下传播，当遇到地下目标或不同媒质界面时产生反射，反射电磁波经地表到接收天线形成反射波。接收天线捕捉到雷达电磁波的反射信号并将其传输给信号处理器。信号处理器对采集到的信号进行放大、滤波去噪处理并数字化，然后传输给计算机系统，最后通过计算机对信号进行分析处理、显示和存储。由于电磁波在不同电性，不同形态的介质中传播时，其路径、强度、波形均随之变化，因而可根据测得的波的传播时间、幅度、波形来判断介质的结构与深度。探地雷达系统组成和工作原理如图2所示。

图2 探地雷达系统组成及工作原理

1.3 高聚物注浆维修技术

传统的水泥压浆维修方法是通过压浆泵的压力推动，将拌和好的材料经过压浆管压入到基层或底基层，直至渗透到路基，以达到充分填充孔隙的目的。与传统的水泥压浆方法不同，高聚物注浆维修技术是利用特殊注浆设备，将高聚物材料注射到拟填充或加固部位，通过高聚物材料自身强大膨胀特性，达到填充路面结构脱空或加固路基的目的。

高聚物注浆维修的主要技术特点有：（1）施工时间短。采用高聚物注浆技术来修复路面，从设备安装、注射到完成整个施工过程仅需几个小时，而传统方法至少要耗时几天或几周（如水泥的龄期），因此，该方法可以避免长时间的交通中断，对交通影响小；（2）材料注射后15分钟内即可达到90%的足够强度，交通即可放行；（3）高聚物注浆技术注射的高聚物材料能够迅速膨胀（可达液体体积的10～20倍），从而可自行填充脱空、开裂和松散区域，可以对结构材料进行再压实。另外，注射材料具有较强的抗拉和抗压强度，不易被侵蚀、冲失或结壳。（4）材料膨胀后的自重只有同体积水泥浆的10%，并具有良好的弹性，不会给地基增加额外载重；（5）注浆过程中钻孔孔径小，对结构无破坏；（6）由于高聚物注浆技术不是靠泵压来抬升混凝土板或路面，因此易于控制沉降修复区域，从而也减少了因施工而带来的裂缝与断裂。另外，快速的愈合可以减少灌浆从空洞或管缝中流失，使得整个过程更易控制、精确和有效；（7）材料防水性能优良，无收缩，耐久性好，对环境无污染；（8）整个注射过程在监控状态下完成，省时、省力，经济。

1.4 高聚物注浆技术要点

1.4.1 注浆前检测。利用落锤式弯沉仪（FWD）对拟注浆路段进行弯沉检测，判断水泥板脱空情况，为注浆提供相关数据：

荷载设置：5T；

测点位置：右板角，距板边约30cm，图3为FWD测点位置示意图。

图3 FWD测点位置示意图

利用探地雷达对拟注浆路段进行雷达检测，并判断路基情况，为注浆提供相关数据：沿测试路段行车方向布置雷达测线，在左右轮迹带共布置2条测线；根据现场情况，适当加密测线，对病害区域准确定位。

1.4.2 注浆孔布置。预防性养护。注浆孔布置沿行车方向分布，注浆孔距离板边约0.30m。横向孔数为4个，孔距平均分配；纵向孔数为4个，孔距平均分配；板中均匀加密，图4为注浆孔布置示意图。

图4 注浆孔布置示意图

裂缝板。如遇到水泥板断裂，在裂缝处增加注浆孔，注浆孔距离裂缝30cm。根据现场情况进行适当加密注浆孔，图5为裂隙位置注浆孔布置示意图。

图5 裂缝位置注浆孔布置示意图

钻孔。采用冲击钻钻孔。钻孔深至路基顶面，钻孔直径约1.6cm。

1.4.3 注浆。根据FWD检测数据，并结合路面具体情况，对注浆处实施高聚物注浆，注浆时压力约7MPa，通过输料管道分别把A及B两类高聚物材料输送到注射枪口，两种材料在注射枪口处通过注浆孔输送到路面病害处，并发生化学反应，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，达到填充脱空，挤密压实的作用。图6为高聚物注浆示意图。

图6 高聚物注浆示意图

1.4.4 注浆后检测。利用落锤式弯沉仪（FWD）对注浆路段进行弯沉检测，分析评价注浆效果。要求对弯沉值大于200微米点进行注浆后弯沉检测。注浆后弯沉平均降低30%以上；注浆后最大弯沉控制在300微米以下。并根据检测结果对注浆不足点进行补注。可采用探地雷达进行再次检测确认注浆效果。

2 工程应用

2.1 工程简介

芜合高速公路是国家高速公路规划重要干线“沪渝高速（G50）”的联络线，是安徽省通往苏、浙、沪、闽东南沿海经济发达地区的重要干线公路，全长100公里，起自肥东，经西山驿，柘皋，夏阁至沈家巷。芜合公路为全封闭，全立交，控制出入的双向四车道的高速公路，路基宽24.5米，设计时速100公里/小时。全线有裕溪河特大桥一座，隧道两座（高山隧道，试刀山隧道）。

芜合高速公路自正式通车运行以来，在交通量剧增等因素的影响下，使得高山隧道混凝土板板底脱空以及基层不密实，严重地影响了正常的交通运行。针对K51+267-K51+979段混凝土板块基层病害进行高聚物注浆处治。

2.2 工作量统计

2014年10月，利用落锤式弯沉仪以及探地雷达对高山隧道混凝土路面进行检测。从2014年10月23日至2014年10月31日，共对102块混凝土板块进行高聚物注浆处理，累计完成工程量为2093平方米。

2.3 注浆维修效果

2.3.1 注浆前后弯沉检测结果对比分析。对所有实施注浆的混凝土板块注浆前后都进行了FWD弯沉，检测统计结果如表1所示：

从注浆前后弯沉测试结果可以看出，注浆后的弯沉值和注浆前的弯沉值相比有明显下降，均值降低50%以上。并且利用三点回归法对所有板块进行了脱空判定。注浆前检测注浆板块80%以上为脱空，注浆后检测所有注浆板块均不脱空。表明注浆极好地处理了混凝土路面的脱空病害，提高了混凝土路面的承载能力。

2.3.2 注浆前后雷达检测结果对比。依据现场照片以及雷达检测结果进行注浆前后对比，本次注浆有效的改善了路基的密实情况，并排除了隧道路面板下的积水，填充了积水空间的空洞，封堵了积水源头。图7为现场施工图，图8为注浆前后雷达检测结果图。

3 结论

高聚物注浆技术在高山隧道混凝土路面的维修应用取得了良好的效果，为今后该技术在隧道维修中的应用积累了一定的经验和借鉴意义：

3.1 高聚物注浆技术是一种快速非开挖维修技术，注浆孔直径小，对结构无影响，同时具有施工速度快，对交通影响小的特点，尤其适合交通流量大，通行压力大的高速公路隧道等路段。

3.2 从现场施工和后期观测发现，高聚物注浆技术在填充空隙的同时，能够排出路面下积水，并起到防渗作用，有效的解决了唧泥现象，防止路面的进一步的水损坏。

3.3 落锤式弯沉仪和探地雷达无损检测技术是高聚物注浆技术维修质量控制的有效手段。

参考文献

[1] 陈华.水泥混凝土路面病害的防治与维修技术研究[D].重庆交通大学，2008.

[2] 高建虹.旧水泥混凝土路面维修整治技术研究[J].城市道桥与方红，2012（4）.

[3] 刘建华，乐金朝，王复明，李强.落锤式弯沉仪在道路施工质量控制中的应用[J].郑州大学学报，2002（6）.

[4] 张蓓.路面结构层介电特性及其厚度反演分析的系统识别方法――路面雷达关键技术研究[D].重庆大学，2003.

[5] 张绍权.水泥压浆治理水泥路面病害的应用[J].内蒙古公路与运输，2005（2）.