紅砂巖路基段路面裂縫高聚物注漿處治

羅崴瑜

(廣東省南粵交通韶贛高速公路管理處，廣東 廣州 510000)

0 引 言

紅砂巖主要呈粒狀碎屑結(jié)構(gòu)和泥狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)兩種典型結(jié)構(gòu)形式，因膠結(jié)物質(zhì)和風(fēng)化程度的差異，其強(qiáng)度變化較大，一般在4～11 MPa。大多數(shù)紅砂巖在挖掘或爆破出來(lái)后，受大氣環(huán)境的作用崩解破碎，甚至泥化，其巖塊的大小及顆粒級(jí)配將隨干濕循環(huán)的時(shí)間及過(guò)程而變化。實(shí)驗(yàn)表明，隨著暴露時(shí)間和干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖塊不斷崩解碎化，經(jīng)過(guò)50～60 d(干濕循環(huán)為8次)變化可達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)。崩解后的紅砂巖顆粒具有強(qiáng)度低、軟化系數(shù)小、干濕循環(huán)易碎裂等不良工程性質(zhì)，因此一般不宜直接用于路基填筑；若直接用于路基填筑，施工過(guò)程中將會(huì)面臨壓實(shí)困難，壓實(shí)后孔隙率大，易透水等問(wèn)題。路基成型后可能會(huì)繼續(xù)崩解，造成路基不均勻沉降等病害[1-3]。

韶贛高速公路(編號(hào)G6011)位于廣東省北部韶關(guān)市境內(nèi)，起于南雄市梅嶺粵、贛兩省交界處，止于韶關(guān)市曲江區(qū)歐山，主線全長(zhǎng)125.36 km，雙向六車道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)，主線采用瀝青混凝土路面，于2011年1月1日建成通車。路面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

韶贛高速K517+000～K541+000路段為紅砂巖，且高填深挖，借方和棄放量較大，若棄用紅砂巖，將會(huì)給沿線生態(tài)造成不良影響。設(shè)計(jì)單位本著技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的原則，經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析，采用了利用紅砂巖進(jìn)行路基修筑的方案。設(shè)計(jì)主要采用了包邊土的方案，以防止雨水浸入，保證填筑的紅砂巖在路基填筑原位不再發(fā)生崩解，從而保證了紅砂巖性質(zhì)的穩(wěn)定，避免了由于崩解對(duì)填筑路基的影響。

表1 主線瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)

韶贛高速K517+000～K541+000路段通車后前四年(2011～2014年)基本未出現(xiàn)大的病害，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案基本可行。但隨著高速公路通車年限的增加，瀝青路面逐步出現(xiàn)不同程度的病害，其中裂縫發(fā)展尤為迅速，部分裂縫經(jīng)灌縫及表面處治后重新開(kāi)裂，雨水下滲后再次引發(fā)路面水損害，造成路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足等問(wèn)題。分析原因，一方面可能是由于建設(shè)期間施工工期緊，紅砂巖未完成崩解。填筑后，隨著側(cè)邊水流的滲入，崩解一直在持續(xù)，造成路基的不均勻沉降，導(dǎo)致路基開(kāi)裂，裂縫反射逐漸上傳至路面；另一方面可能是由于崩解后的紅砂巖孔隙率大易透水，且遇水后強(qiáng)度急劇下降的原因，造成路基的不均勻沉降，導(dǎo)致路面開(kāi)裂，裂縫反射至路面；其次可能是由于路面瀝青老化或半剛性基層開(kāi)裂造成瀝青上面層開(kāi)裂，形成自上而下的裂縫，水從表面裂縫下滲，導(dǎo)致紅砂巖遇水崩解，造成路基不均勻沉降，導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大。

1 歷年維修效果情況

2015～2020年K517+000～K541+000紅砂巖路基修筑段路面縱、橫向裂縫、條狀修補(bǔ)病害發(fā)展較快，裂縫較為密集(一般間距5～15 m)，該路段長(zhǎng)度占全線約20%，路面裂縫病害數(shù)量超過(guò)全線裂縫病害數(shù)量的50%。主要病害為路面嚴(yán)重縱橫縫連續(xù)，且裂縫位置路面彎沉值偏大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果顯示：大多數(shù)裂縫病害開(kāi)裂至底基層或土基內(nèi)部，其中裂縫開(kāi)裂至底基層(>44 cm)及以下的比例高達(dá)91.2%；路基內(nèi)部裂縫存在尚未發(fā)展至路表的現(xiàn)象。經(jīng)綜合檢測(cè)及診斷分析認(rèn)為：該路段裂縫主要為路基不均勻沉降引起的路面裂縫，其次是水穩(wěn)層開(kāi)裂和瀝青老化引起的路面裂縫。

1.1 銑刨重鋪

典型路段一：韶關(guān)方向K524+000～K524+600段慢車道

2015年針對(duì)該段裂縫錯(cuò)臺(tái)病害進(jìn)行上面層銑刨重鋪；2016～2018年期間路況良好，路表未出現(xiàn)明顯裂縫類病害；2019年開(kāi)始出現(xiàn)反射裂縫，并針對(duì)K524+234～K524+384.5段嚴(yán)重縱裂病害進(jìn)行上中面層銑刨重鋪；2020年該段PCI均值為81.0，其中：K524+234～K524+384.5段PCI值為100，無(wú)裂縫類病害，其兩側(cè)路段縱向裂縫已由2019年輕微開(kāi)裂發(fā)展為嚴(yán)重開(kāi)裂，并伴隨輕微錯(cuò)臺(tái)、二次開(kāi)裂及支縫等，有持續(xù)發(fā)育趨勢(shì)。

典型路段二：韶關(guān)向K519+300～K519+800段慢車道

2015年針對(duì)該段破損病害進(jìn)行上面層銑刨重鋪；2015～2019年期間路況良好，未進(jìn)行過(guò)其他養(yǎng)護(hù)措施；2020年該段PCI均值為84.5，病害主要表現(xiàn)為密集橫縫，連續(xù)長(zhǎng)縱裂縫，且部分路段橫、縱裂縫垂直交錯(cuò)。

根據(jù)典型路段一、二歷年路表病害情況判斷，銑刨重鋪上面層可有效延緩反射裂縫的發(fā)生，有效作用周期大約3年，之后路面內(nèi)部裂縫逐漸反射至路表，并成持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)；銑刨重鋪上中面層，路表出現(xiàn)破損病害時(shí)間周期約為5年，5年之后路用性能呈下降趨勢(shì)。

1.2 加鋪罩面

典型路段一：韶關(guān)向K530+351～K530+851段半幅4 cm GAC-13瀝青混合料罩面

2018年針對(duì)該段破損病害進(jìn)行半幅整體罩面加鋪，路面無(wú)明顯橫、縱裂縫，2021年該段快、主、慢車道路面PCI指標(biāo)依次為99.4、100、98.6。其前后相鄰慢車道PCI依次為73.7、84.8。

典型路段二：江西向K517+694～K518+251段半幅4 cm GAC-13瀝青混合料罩面

2018年針對(duì)該段破損病害進(jìn)行半幅整體罩面加鋪，路面無(wú)明顯橫、縱裂縫，2021年該路段快、主、慢車道PCI指標(biāo)依次為98.6、100、99.3。該段大樁號(hào)方向快慢車道PCI依次為89.4、86.47。

1.3 CAP表面處治

2020年針對(duì)韶關(guān)方向K530+851～K537+960主車道裂縫采用了CAP表面處治，共實(shí)施約7 km，2021年裂縫平均反射率約54.5%。

1.4 裂縫高聚物注漿

2019～2020年間，對(duì)韶關(guān)方向K524+220～K524+600、江西方向K530+433～K530+280路段長(zhǎng)縱裂縫進(jìn)行了高聚物注漿實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)1年的跟蹤觀測(cè)，效果良好，裂縫未重新開(kāi)裂。

1.5 效果分析

根據(jù)各典型路段歷年路表病害情況跟蹤分析，2018年采用4 cmGAC-13瀝青混合料罩面對(duì)路面結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)后，可有效延緩反射裂縫的發(fā)生，有效作用周期至少為4年(2018～2021年)，效果良好。依據(jù)裂縫原因?qū)ｍ?xiàng)診斷分析報(bào)告，結(jié)合裂縫位置路面彎沉值偏大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的實(shí)際情況，2020年對(duì)路面裂縫進(jìn)行了高聚物注漿試驗(yàn)，效果良好，裂縫未重新開(kāi)裂。2021年對(duì)高聚物注漿路段加鋪了4 cm GAC-13瀝青混合料，至今罩面路段未出現(xiàn)裂縫病害。經(jīng)比對(duì)分析，紅砂巖路基填筑路段瀝青路面密集裂縫病害采用高聚物注漿+4 cm GAC-13瀝青混合料罩面的處治方案，可有效處治路面裂縫病害問(wèn)題。

2 紅砂巖路段高聚物注漿裂縫密集路段處治

2.1 高聚物注漿概況

高聚物注漿基本原理是按照一定配比，向路面結(jié)構(gòu)中注射雙組份高聚物材料，材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后體積迅速膨脹并形成固體。材料在膨脹固化過(guò)程中，可以快速填充空隙，并向周圍介質(zhì)施加膨脹壓力，使周圍松軟結(jié)構(gòu)或路基得到擠密，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，達(dá)到填充空隙、加固結(jié)構(gòu)、排水防滲等目的。固化后的材料具有很好的韌性，不易發(fā)生脆裂引發(fā)二次病害；另外材料穩(wěn)定性強(qiáng)，耐久性好。高聚物注漿施工只需要鉆直徑1.6 cm的注漿孔，對(duì)原路表美觀基本無(wú)影響，并且施工快速，無(wú)需養(yǎng)生，可以顯著節(jié)省交通管制時(shí)間，減少對(duì)行車的干擾[4,5]。

2.2 高聚物注漿材料

聚氨酯注漿材料分A、B組份。A、B組份混合后約15秒鐘開(kāi)始膨脹，體積膨脹比在1～20之間，15分鐘左右強(qiáng)度達(dá)到90%。注漿材料固化物是一種惰性材料，呈中性，不污染土壤和水源，安全環(huán)保、耐久性好。雙組分材料的A、B組分及合成后形成的聚合物的技術(shù)要求符合表2～表5。

表2 UTK樹(shù)脂A組份參數(shù)

表3 UTK樹(shù)脂B組份參數(shù)

表4 聚合物參數(shù)

表5 聚合物其他參數(shù)

2.3 高聚物注漿施工工藝[6]

(1)交通管制

高聚物注漿施工前，先按照交通管制方案對(duì)注漿路段實(shí)施交通管制，然后按照施工流程施工。

(2)鉆孔

高聚物注漿要求鉆孔直徑為1.6 cm，注漿孔位縱向間距為15 cm，橫向距離裂縫5～6 cm；鉆孔深度易在第一層水穩(wěn)層與第二層水穩(wěn)層之間，鉆孔深度約為47 cm；結(jié)合探地雷達(dá)檢測(cè)情況，如土基表層不密實(shí)可加深鉆孔深度。

(3)注漿

測(cè)量孔深，安裝注漿管，按照設(shè)計(jì)或現(xiàn)場(chǎng)確定的注漿量進(jìn)行注漿，若發(fā)現(xiàn)路面有開(kāi)裂、抬升或相鄰的孔中有漿液冒出時(shí)，應(yīng)停止注漿。

(4)注漿后檢測(cè)

注漿后使用專用工具把注漿帽去除，待15～20 min后，利用探地雷達(dá)進(jìn)行注漿后檢測(cè)，分析注漿效果。如滿足要求，則完成注漿；如不滿足要求，則需進(jìn)行補(bǔ)注，直至滿足要求為止。

(5)封孔

為防止雨水侵蝕，影響路面耐久性，并保持路面整潔，應(yīng)使用材料性能良好的修補(bǔ)料將注漿孔封閉。

2.4 高聚物注漿驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

采用探地雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描檢測(cè)，保證基層脫空、不密實(shí)區(qū)域注漿填充密實(shí)。

(1)檢測(cè)設(shè)備

采用中國(guó)電波傳播研究所生產(chǎn)的探地雷達(dá)，型號(hào)為L(zhǎng)TD-2600。

(2)檢測(cè)布線

本項(xiàng)目主要處理長(zhǎng)縱裂縫，檢測(cè)按裂縫兩邊布線，進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。

(3)注漿檢測(cè)結(jié)果

用探地雷達(dá)對(duì)處治的路段進(jìn)行注漿前、后的檢測(cè)，檢測(cè)指標(biāo)為脫空或不密實(shí)。從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看效果良好，注漿后路基路面體內(nèi)的脫空和不密實(shí)性大為改善，達(dá)到預(yù)期的目的。

3 罩面

罩面采用了加鋪4 cm GAC-13瀝青混合料。

4 彎沉檢測(cè)結(jié)果

選取2個(gè)注漿路段進(jìn)行檢測(cè)，共分為9個(gè)評(píng)定單元，各評(píng)定單元均滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)比工前檢測(cè)結(jié)果，注漿路段各評(píng)定單元彎沉代表值提升12～53.3/(0.01 mm)。結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度結(jié)果匯總

5 結(jié)論與建議

(1)工程實(shí)踐表明，采用紅砂巖填筑路基，應(yīng)使紅砂巖經(jīng)過(guò)50～60 d(干濕循環(huán)為8次)變化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)方可。同時(shí)設(shè)置包邊土阻止側(cè)邊水滲入路基主體，防止紅砂巖巖塊進(jìn)一步崩解碎化，避免遇水崩解和軟化。

(2)針對(duì)紅砂巖路基填筑部分路面裂縫密集路段，對(duì)比觀察銑刨重鋪、加鋪罩面、CAP表面處治和高聚物注漿+加鋪4 cm GAC-13等處治方式效果，實(shí)驗(yàn)顯示高聚物注漿+加鋪4 cm GAC-13罩面的處治方案效果良好。

(3)韶贛高速紅砂巖路基填筑路段，裂縫密集路段處置選用了高聚物注漿+加鋪4 cm GAC-13罩面方案。截止目前，處治路段未出現(xiàn)反射裂縫，效果良好，基本達(dá)到了預(yù)期的效果，后續(xù)將持續(xù)跟蹤觀察。