注漿處置機場水泥混凝土道面嚴重錯臺技術研究

陸劍波

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200023）

1 概述

錯臺是水泥混凝土道面常見的一種病害。錯臺形成的原因有很多，一般常出現在柔性基層的道面。主要是由于基礎出現不均勻沉降，導致基層跟隨基礎變形，進而導致道面板底出現脫空。而如果板塊接縫傳荷能力較差，板塊與周邊板塊無有效連接時，板塊就會跟隨基層變形，與周邊板塊形成錯臺，見圖1。

圖1 道面錯臺照片

錯臺是一種病害，其危害主要體現在以下幾個方面：

（1）一旦形成錯臺，相連區域接縫嵌縫料與道面之間的粘結會失效，會形成地表水下滲通道，導致基層材料浸水。輕微時會形成唧泥病害，長期累積作用會進一步發展形成脫空病害，影響道面結構承載能力。

（2）影響道面服務水平。道面錯臺達到一定程度時，飛機在行駛通過時會有明顯的顛簸感，嚴重時，會對飛機通行形成障礙。

2 錯臺的處置方法

從處置手段來看，一般分為以下四種：

（1）不處置道面。對于錯臺較輕微時（錯臺量小于5 mm），道面可不作處置，但需要更換附近接縫的嵌縫料，防止出現唧泥和脫空病害。

（2）板塊研磨。當錯臺量較大時，可以通過板塊研磨來緩解和消除錯臺，見圖2。研磨平整后仍需更換接縫嵌縫料。

圖2 研磨消除錯臺示意圖

（3）補丁修補。當錯臺嚴重時，可以采用補丁修補方法來消除錯臺，見圖3。補丁修補后仍需更換接縫嵌縫料。

圖3 補丁修補消除錯臺示意圖

（4）注漿。前三種方法都是治標不治本的方法。錯臺的產生往往是由于基礎不均勻沉降引起，雖然通過板塊研磨和補丁修補能夠暫時緩解和消除錯臺病害，但由于基礎問題未解決，仍有可能繼續產生錯臺。從長遠來看，要消除錯臺，應先解決好基礎的問題。通過基礎注漿可加固基礎，同時通過精確抬升控制，可以有效緩解甚至消除錯臺病害，是最科學的處置手段。但由于施工難度大，工藝復雜，一般適用于大面積嚴重錯臺的處置。

以上處置方法可單獨使用，也可結合使用。如在板塊研磨和補丁修補前，可以先對基礎進行注漿加固。對于大面積嚴重錯臺，應優先選擇注漿處置方式，因為有可能該區域基礎存在嚴重問題，如只做表層修補，以后道面可能會再次出現錯臺。

3 注漿處置錯臺工程案例分析

上海某機場停機坪內排水溝與相鄰道面板塊出現大量嚴重錯臺現象，最大錯臺量超過20 mm，影響飛機的正常通行。現場統計，共有197塊板存在嚴重錯臺。由于錯臺量大，且經專家認證，錯臺是由于基礎不均勻變形導致，經過方案論證，決定采用注漿來徹底解決這一問題。錯臺區域道面與排水溝的結構剖面見圖4。

圖4 道面結構剖面圖

這是我國機場首次采用注漿來大范圍精確抬升道面板塊，工程難度非常大。機場對道面平整度要求高，注漿方案提出注漿后最大錯臺量不得大于3 mm，對施工控制要求非常嚴格。同時由于施工周邊區域24 h不停航，屬于真正的不停航施工，施工過程中任何細小的失誤都有可能影響機場運行安全，一旦出現問題后果非常嚴重。因此需要制定非常完善的注漿施工方案。其中包括確定以下幾個最為關鍵的技術參數：

（1）注漿深度

錯臺是由于基礎變形過大引起。由于新建時排水溝先施工，導致后期相鄰區域道面施工時大型壓實機械施工不便，導致墊層和基礎壓實度不足。本次注漿的目的有兩點，一是對山皮石墊層加固，用漿液填充山皮石間的空隙，防止后期進一步變形；二是對道面進行整體抬升，消除錯臺。因此，注漿部位應在山皮石墊層內。根據道面結構參數，確定本次注漿深度為1 m，即深入墊層20 cm。在實際鉆孔過程中按孔深1～1.1 m控制，注漿管深度為1 m。

（2）漿液材料

注漿漿液采用單液漿（42.5級普通硅酸鹽水泥漿液）和水泥-水玻璃雙液漿相結合的注漿材料，水玻璃的主要作用是縮短初凝時間。根據試驗段施工情況，漿液配比如下：

單液漿：

水∶水泥(P.O42.5級)=0.45～0.6∶1；

雙液漿：

水玻璃∶水泥漿（體積比）=1∶1（初凝時間一般為 45～60 s）。

（3）注漿壓力

注漿壓力不宜過大，否則易出現安全隱患。注漿壓力也不宜過小，否則道面無法抬升。注漿壓力p應大于道面抬升所需的最小注漿壓力p0。以下通過公式推導，求出p0公式推導前需作以下假定：

假定1：排水溝對道面抬升無約束。

假定2：道面板塊之間同時抬升，即板塊在抬升時相鄰板塊對其無約束。除施工區域邊界的板塊外，其他板塊是符合這一假定的。

基于以上兩個基本假定，推導公式如下：

其中：根據假定，約束力P為零。

重力G=面層重力G1+基層重力G2

抬升力F=壓強p×面積A

重力G=密度ρ×體積V×重力加速度g

因此，由式（1）可得：

式中：A為面積；V為體積；h為高度。

面層參數：水泥混凝土密度取2.4 g/cm3，高度h1為 42 cm；

基層參數：水穩基層密度取2.2 g/cm3，高度h2為40 cm。

將參數代入式（2），可以得到道面抬升所需的最小注漿壓力p0=0.185 MPa。綜合考慮在注漿過程中的水頭損失和注漿壓力過大存在安全隱患兩方面的因素，注漿過程中實際注漿壓力p控制在0.3～0.5 MPa。

（4）注漿孔布設

本次注漿分為兩個步驟：一是對注漿區域外沿進行帷幕注漿。機場對安全控制非常嚴格，因此最大注漿壓力不宜過大。而山皮石墊層滲透性好，易造成漿液水頭的損失，導致壓力過小而不足以使道面抬升。為此首先需要進行帷幕注漿。二是道面抬升注漿，注漿孔沿排水溝布設在道面板塊上。影響注漿孔布設的最主要因素是漿液的有效擴散半徑。

影響漿液擴散半徑的因素有很多，包括土體滲透系數、注漿壓力、注漿時間等。目前國際上最主流的漿液擴散半徑理論模型有Maag理論（球形擴散理論）、球形擴散Raffle理論、柱形擴散理論、袖套管法理論、Baker公式等[1～4]。根據工程的特點，本次工程選用Maag計算公式，見式（3）。

式中：

R——擴散半徑（cm）；

k——滲透系數（cm/s）；

p——注漿壓力（cm，水頭）；

r——注漿管半徑（cm），取值2.5 cm；

t——注漿時間（s），取值60 s；

n——孔隙率，取值0.25[5]；

β——漿液粘度對水的粘度比，取值30[6]。

滲透系數k，山皮石為強透水性材料，滲透系數k取值范圍為0.01～1[7]，考慮到山皮石墊層壓實后石間孔隙較小，滲透系數k實際取值0.01。

根據前文分析，注漿壓力p取值0.3 MPa。

將各參數取值代入式（3），得到注漿漿液擴散半徑為1.3 m。道面板塊寬度為4.5 m，因此每塊板布設2個注漿孔，見圖5。

圖5 注漿孔布設示意圖（單位：m）

為了使注漿充分，每一塊板2個注漿孔分2次注漿。待第1個注漿漿液終凝后再開始第2個孔的注漿。

（5）施工控制指標

以道面抬升量為最終控制指標，要求注漿后道面與排水溝高差在3 mm內。過程控制采用注漿流量和注漿壓力雙控指標，注漿流量控制在15～30 L/min，注漿壓力在 0.3～0.5 MPa。

為保證機場不停航施工安全，方案制定了嚴格的安全控制標準。當發生以下問題時立即停止注漿：

a.注漿壓力驟增

注漿壓力出現驟增時，注漿應停止。為保證注漿質量，待壓力降低后宜再次注漿，注漿壓力再次驟增后徹底停止注漿。

b.道面抬升

當道面抬升量過大時，應停止注漿。本次工程要求對道面精確抬升，當道面出現抬升趨勢時，宜降低注漿壓力、減小注漿流量，以減小抬升速度，以便于精確控制抬升量。

當道面抬升量過大時，通過壓載、吸漿等方式補救，將道面抬升量控制在要求范圍內。

（6）監測方案

施工區域為該機場停機坪最繁忙區域，且24 h不停航，任何意外都可能對機場運行帶來巨大影響。為此，施工方案制定了周密的監測方案，包括注漿壓力的監測、漿液流量的監測、漿液質量的監測和道面抬升量的監測。其中以道面抬升量的監測為重中之重。

a.抬升量的監測

為了得到板塊精確的抬升量，在板塊與排水溝相鄰一邊的兩個板角，以及板塊另一邊的中心位置上各設置一個監測點，見圖6。每個監測點設置專人不間斷時時監測。

圖6 道面抬升監測布點

b.漿液質量的監測

在拌漿前，技術員須對拌漿員進行技術交底。拌漿人員定時測試漿液比重，并書面記錄以下信息：拌漿時間；漿液初凝時間；漿液比重。

4 注漿抬升對道面的影響分析

注漿抬升是一種通過外力強制改變道面狀態的行為。前文在推導最小注漿壓力p0時雖假定相鄰板塊和排水溝對抬升板塊無約束作用，但實際上道面板塊是逐板抬升，并非整體統一抬升。由于接縫傳荷的作用，板塊在抬升過程中會受到周邊各種復雜的約束作用。為了確保施工安全，有必要對道面板塊在抬升過程中的受力進行分析，以判斷道面板塊在抬升過程中是否會出現如斷裂等極端情況。

采用有限元軟件ABAQUS為分析平臺，根據道面實際結構參數，建立足尺精細有限元模型，見圖7。

圖7 道面有限元模型

采用該模型分析道面板塊在抬升過程中的受力狀態。直觀可以判斷，板塊的抬升量不同，受力狀態也會有所區別。假定板塊抬升量分別取1 cm、2 cm和3 cm，可以計算得到相應的板塊最大荷載應力，見表1。分析模型得到的板塊在抬升過程中的荷載應力云圖和位移云圖如圖8、圖9所示。

表1 抬升板塊受力結果

圖8 道面模型抬升豎向位移云圖

圖9 基層底面最大主壓應力云圖

從表1中可以看出，抬升量越大，道面受力越大。本次工程中實際最大抬升量在2～3 cm之間，面層水泥混凝土板塊的最大荷載應力在4.0 MPa左右，而水泥混凝土材料的極限彎拉強度一般為5.0～6.0 MPa。因此可以認為道面板塊在抬升過程中的受力狀態是安全可控的。

5 結論

通過周密的部署和緊張的施工，整個工程共197塊道面板塊嚴重錯臺的處置工程歷時2個月完工。所有錯臺板塊通過注漿抬升，使錯臺量達到了3 mm以內的控制標準。圖10為各板塊注漿前后錯臺量對比圖。

圖10 處置前后道面錯臺量對比圖

這是我國首次采用注漿來大范圍精確抬升道面板塊以消除道面錯臺的工程案例，工程涉及抬升精確控制、不停航施工安全控制等多個技術難題，施工難度很大。針對工程特點，以理論分析為基礎，結合以往注漿施工經驗，制定了完善的施工技術方案。通過該工程的開展，形成了一整套采用注漿方法處置機場道面錯臺的技術，為我國機場和公路行業類似工程提供了借鑒和參考。

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