重載交通路面的多維快速檢測與非開挖加固一體化養(yǎng)護技術

吳銀潭 鄭志剛 黃軼春 閻利華 杜雪明 江 建 劉 濤

1. 深圳市特區(qū)建工集團有限公司 廣東 深圳 518034；2. 深圳市交通運輸局南山管理局 廣東 深圳 518067；3. 鄭州大學水利科學與工程學院 河南 鄭州 450001

近年來，探地雷達技術逐漸被應用于路面檢測與養(yǎng)護領域，其具有無損、快速、透視、持續(xù)與高精度的特點，能夠較好地識別路面結構隱蔽病害、裂縫、脫空、不均勻沉降、含水量異常等詳細信息[1-7]。

落錘式彎沉儀可以在一定程度上反映路面結構的力學信息，測量速度快，變形識別精度高，能夠有效模擬行車荷載的動力作用，通過多點彎沉的測量，為路面結構反演打下了基礎，為美國戰(zhàn)略性公路研究計劃（SHRP）路面長期跟蹤觀測與使用性能研究的標準設備。

聚氨酯材料是一種兼具金屬和橡膠（即韌性和彈性）雙重性質的聚合物，主要由異氰酸酯和多元醇反應生成，包含不少于2個異氰酸酯和羥基官能團，其性質主要取決于合成過程中的異氰酸酯、多元醇及添加劑。在1970年后，高聚物注漿材料逐漸被應用于工業(yè)與民用建筑的地基加固、地基沉陷抬升、機場跑道、車間地坪、板底脫空、板底抬升等工程中。

1 多維快速檢測方法

1.1 探地雷達技術

探地雷達（ground penetrating radar，GPR）工作過程是通過探地雷達天線激發(fā)高頻電磁波，傳播到路面結構中，在不同介電特性的接觸面上產(chǎn)生反射，并由接收天線予以記錄，經(jīng)過去噪、濾波、構建模型等一系列處理方法，獲得相應路面內部雷達圖像（圖1）。

圖1 探地雷達檢測示意

結構材料的相對介電常數(shù)和磁導率越大，天線的中心頻率越高，探地雷達所能探測的最大深度越小。天線頻率與探測深度的關系如表1所示。

表1 不同頻率天線的探測深度值

1.2 落錘式彎沉儀

路表彎沉是指在規(guī)定的標準軸載作用下，路基路面的表面輪隙位置所產(chǎn)生的總垂直變形（總彎沉）或者垂直回彈變形值（回彈彎沉），以0.01 mm為單位，可以有效地反映路面結構的承載能力，即達到預定的損壞狀況之前，能夠承受的行車荷載作用累計次數(shù)與使用年限（圖2）。

圖2 落錘式彎沉儀的基本原理

本文所采用的落錘式彎沉儀為Dynatest8000 FWD，由計算機控制液壓系統(tǒng)，提升并落下一個重錘，對路面施加脈沖荷載，通過改變錘重與提升高度來調整荷載大小，荷載范圍為7～120 kN，彎沉傳感器分辨率為1 μm，系統(tǒng)誤差為±2%，彎沉傳感器數(shù)量為9個，荷載盤直徑為30 cm。

2 非開挖加固養(yǎng)護技術

半剛性基層病害位于路面下方，較難識別與治理，常會引起路面表層的翻漿、坑槽等嚴重病害，如果僅采用加鋪、挖掉重修與封縫措施，無法從根本上解決結構性破壞問題。本文采用高聚物注漿技術治理重載交通路面的中下層隱蔽病害。研究表明，高聚物注漿材料具有良好的流變性能，材料的損耗模量遠大于儲能模量，相位角也都大于45°，在交變應力作用下主要發(fā)生黏性變形，當材料注入到半剛性基層病害位置后，能短時間內迅速形成一定的結構強度，起到支撐自身結構的作用，如圖3所示。其黏度隨溫度的升高而迅速增加，凝結固化時間加快，因此，在注漿時可通過改變設備的加熱溫度而應對不同的溫度施工環(huán)境，保證材料性能。

圖3 高聚物材料流變性能

同時，高聚物注漿材料具有明顯的膨脹性。以密度為0.18 g/m3的高聚物材料的固定容器體積試驗為例（圖4），膨脹過程分為3個階段。首先，是容器的填充階段，為注漿開始后的20 s以內，由于漿液未能完全將空腔填滿，因此，膨脹力測量結果為0 MPa；其次，為膨脹力隨著時間快速增長階段，可達最大膨脹力的80%以上，時間在20～40 s以內，材料已經(jīng)完全填滿注漿容器，但化學反應還在繼續(xù)進行，材料體積繼續(xù)快速膨脹，受注漿容器體積的限制，導致膨脹力迅速增大，注漿材料密度隨之增大；最后，為膨脹力隨時間緩慢增長階段，作用時間從60 s持續(xù)到反應結束，說明材料內部有緩慢的化學反應。

圖4 高聚物材料（密度為0.18 g/m3）膨脹力變化

高聚物材料具有良好的灌注流變性、膨脹性和韌性，能夠與巖土體較好地協(xié)調，密度較輕，不會對結構產(chǎn)生額外負載。同時，其能夠快速反應產(chǎn)生0.5～10 MPa的膨脹力，被注入到半剛性基層特定位置后，可迅速填充脫空，擠密土體進行抬升，排出下層積水，滲入孔隙膠結基層材料，提升路面強度。高聚物材料本身并不含水，不會產(chǎn)生干縮現(xiàn)象，能夠密實填充脫空。

3 工程應用案例分析

3.1 工程概況

深圳市南坪快速路自2006年建成通車以來，極大地緩解了中心城區(qū)的交通壓力，路面在重載交通的反復作用下，部分出現(xiàn)了較為嚴重的滲水、翻漿、坑槽等病害，常規(guī)養(yǎng)護措施難以徹底治理。現(xiàn)場地處兩側山坡谷底，為填方路段，路基是拋石擠淤成形。

3.2 多維快速檢測方案設計

3.2.1 探地雷達檢測方案設計

本文采用美國GSSI公司研制的SIR-30E探地雷達設備，由控制主機、天線、筆記本電腦連接件組成，采用收發(fā)一體型天線，頻率為400 MHz，連續(xù)采集方式，里程輪定點，采樣間距為2 cm，采集時窗為35 ns，指數(shù)增益方式。

沿測試路段行車方向布置雷達探測剖面，每個車道布置2條測線（左、右輪跡處），根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當加密測線，以便對病害區(qū)域準確定位。

雷達數(shù)據(jù)的處理流程為：讀取原始數(shù)據(jù)文件、編輯文件、水平校正、水平/垂直濾波、彩色變換、注釋與數(shù)據(jù)資料輸出。除此之外，還可采用水平與垂直高通濾波方法以消除平直橫跳的系統(tǒng)噪聲，采用水平及垂直低通濾波以消除高頻噪聲，采用反褶積濾波以增強垂向分辨率，采用偏移濾波以消除繞射波與傾斜干擾波，采用空間域濾波以增強傾斜界面信號。

本次采集的雷達數(shù)據(jù)經(jīng)過零點校正、剖面距離校正與增益調整后，根據(jù)雷達波形構成的同相軸，以人機交互方式進行資料解釋，勾畫出路面各結構層界面以及路面中下層存在的缺陷。

3.2.2 落錘式彎沉儀檢測方案設計

本文對南坪快速路東行段進行彎沉檢測（共計100 m長），檢測標號為其對應的測點，落錘式彎沉儀設備詳細參數(shù)見1.2節(jié)所述，荷載設置為5 t，測點位置為車道右輪跡間隔5 m。

3.3 非開挖加固方案設計

針對不同路面病害類型選擇不同的注漿布孔方式，注漿孔直徑為0.016 m，鉆孔深度至路基頂面，注漿管長度一般根據(jù)注漿修復需求而定，對整條車道補強加固，孔位布置宜從路肩向路中心以0.6、1.5、1.5 m依次布孔，在車道縱截面上每隔1.0 m進行布孔，如圖5所示。

圖5 注漿孔位布置示意

具體過程為：首先，采用沖擊鉆在標注的注漿孔位置鉆孔至設計深度，及時清理路面，不得污染路面；其次，使用切割工具截取不同長度的注漿鐵管，并將其通過注漿孔導入；再次，使用專用工具將注射帽凹形邊緣清理干凈，以便與注射槍更好地結合，把已清理的注射帽安裝至注漿管端口；最后，根據(jù)病害修復需求確定注漿量，使用夾具把注射槍與注射帽夾牢，為設備提供固定的壓力，通過輸料管道分別把A及B兩類高聚物材料輸送到注射槍口，2種材料在注射槍口處通過注漿管輸送到路面病害處，并發(fā)生化學反應，材料由液體變?yōu)楣腆w，體積迅速膨脹，修復病害。

在注漿完成后，采用專用工具把注漿帽去掉，采用探地雷達與落錘式彎沉儀對注漿路段進行檢測，評估加固效果，如果不滿足要求則進行補注。

為了防止雨水侵蝕與路面破壞，采用道路密封膠封堵注漿孔，使灌注密封膠略低于路面，及時清掃環(huán)境后，即可開放交通。

3.4 注漿加固的效果評價

3.4.1 探地雷達檢測的效果評價

通過探地雷達剖面圖可基本確定路面各結構層界面，判斷檢測路面下存在的缺陷位置與注漿前后的效果，水平方向為測試起點的距離，豎直方向為探測深度。路面中下層病害經(jīng)過注漿加固后，雷達圖的反射信號幅度較小，圖像均衡，反射界面不明顯，能夠在一定程度上說明松散、含水量過高的區(qū)域被高聚物填充擠壓密實，具有良好的加固效果，如圖6、圖7所示。

圖6 重載交通路面注漿加固前的雷達圖

圖7 重載交通路面注漿加固后的雷達圖

3.4.2 落錘式彎沉儀檢測的效果分析

由落錘式彎沉儀的檢測結果可知，注漿加固前的路面檢測彎沉值最大為285 μm，最小為73 μm，平均值為151 μm。在注漿完成24 h后，檢測彎沉值最大為173 μm，最小為58 μm，平均值為114 μm，平均下降30 μm，滿足設計彎沉要求，平均下降幅度為20%，具有良好的注漿加固效果。

3.4.3 道路修復前后的效果分析

在注漿加固修復前，雨后道路經(jīng)常出現(xiàn)翻漿、坑槽等病害，嘗試了多種類型的路面結構材料，維修效果不理想。2019年10月，實施了注漿加固方案，目前，道路使用狀況良好，證明了該方案切實可行。

4 結語

1）探地雷達技術能夠較為有效地識別重載交通路面中下層位置的隱蔽病害，結合日常巡查與歷史資料，能夠大致確定病害的范圍、深度等信息，為注漿加固提供了相應的技術依據(jù)。

2）落錘式彎沉儀能夠對重載交通路面的受力性能提供具體的判斷依據(jù)，結合雷達圖像，有效提升了路面健康評價的準確程度。

3）采用高聚物注漿技術，可以解決路面翻漿等較難根治的病害，同時也避免了對路面的開挖與回填，有效縮短了路面的封閉時間，減少了交通的中斷與擁堵對社會的不利影響，且價格也相對理想，具有很好的社會效益與經(jīng)濟效益。