热沥青在高温时具有较低的黏度, 从而保证沥青浆液良好的流动性, 使得热沥青得以渗入细微的地层裂缝及土壤空隙。早在1个世纪之前, 法、德、美等国已利用热沥青注浆技术阻止隧道漏水、水坝基础渗漏及运河两侧的冲蚀^[1]。20世纪90年代末期, 热沥青注浆技术又在亚洲一些国家及加拿大、美国西弗吉尼亚州等地取得不少成功的工程案例。在中国, 热沥青注浆技术首次应用于李家峡水电站的围堰防渗工程, 共完成围堰灌注159m, 耗用热沥青17.7t, 防渗效果显著^[2]。1998年中国台湾新永春隧道出现严重涌水问题, 涌水压力达4MPa, TypeⅢ型热沥青注浆材料用于涌水区段的地盘止水改良工程, 开挖结果显示沥青渗缝阻水效果良好, 其甚至能渗入<1mm细缝内^[3]。

由以上案例可知, 沥青注浆技术通常用于防渗堵漏工程。而道路工程脱空的发生绝大多数都与水有关, 研究将沥青注浆应用于道路脱空加固工程, 热沥青的注入有效防止了水对道路的影响。同时, 研究对注浆沥青进行改性, 提高注浆沥青的硬度与软化点, 这样随着热沥青的注入, 不仅可有效降低水的影响, 同时沥青冷却后, 还可在脱空部位形成良好的支撑, 起到防水与加固的双重作用。

传统的水泥混凝土路面在养护时通常采用水泥基注浆技术, 但是由于水泥固结并达到一定强度所需时间较长^[4], 不利于快速开放交通, 不符合现代城市道路快速维修的理念。沥青基注浆材料相比于水泥基注浆材料, 优势明显:注浆速度快且注浆完成后的养护时间短, 只需30min左右, 几乎对交通通行不造成任何影响, 有利于保障道路维修期间的公共通行安全, 符合现代交通的发展需求。一般来说, 沥青注浆技术的采用标准通过路表断裂情况和弯沉检测来决定。

沥青注浆技术可应用于水泥路面改建, 其能有效地消除板底脱空现象, 降低沥青加铺层反射裂缝的发生概率, 在日本已有大量成功案例。应用沥青注浆技术处理道路改造工程中旧混凝土板和半刚性基层的脱空损坏, 其能有效加固旧道路、降低反射裂缝的发生概率, 具有良好的社会、经济效益。

沥青注浆修复的目的在于改善或提高路面的结构性能并保持路面结构的完整性, 应保证注浆材料具备一定的可注性, 并在不影响原道路结构稳定性和整体性的前提下, 尽可能使道路横纵向空间体系内各空隙得以填充, 浆液凝固后的理想状态为“修旧如旧”, 但由于沥青浆液与原有道路材料性能具有一定差异, 故需保证浆液与道路材料的融合体尽可能与原有材料性能相同, 并能够承受一定的强度与变形量^[5]。沥青注浆加固材料的性能要求包括以下几点。

1) 考虑道路结构特点的浆液流动性和可注性一般情况下, 道路注浆为避免使道路原有结构发生损坏, 主要采取静压注浆方式, 注浆压力不宜过大。对于道路注浆中以渗入性注浆为主的工艺, 浆液必须渗入道路结构细小的孔隙, 这就需要浆液在渗入空隙后能保持流动, 保证在注浆压力较小的情况下所注浆液能不断扩散。

2) 浆液与界面的结合形式考虑到胶结作用能显著增加被灌土体的强度, 因此要求注浆材料与原道路介质接触面能良好接触^[6]。但由于实际工程的条件复杂, 浆液与介质之间往往很难有良好的接触条件。

注浆设计是注浆技术及其理论在工程设计分析中的具体应用, 更是施工工艺研究的必要条件。注浆设计建立在注浆试验的基础上, 通过对试验数据进行分析, 从而发现所采用的注浆技术是否满足技术条件及经济条件, 进而提出可行的施工程序及质量控制措施, 铺面沥青注浆技术设计流程如图1所示。

1) 道路调查

施工前应对需注浆的旧道路进行调查, 调查内容包括: (1) 旧道路注浆范围初步确定沥青注浆实际工程量; (2) 旧道路结构形式应包含面层、基层厚度及材料; (3) 旧道路损坏情况主要调查路面裂缝、唧泥、板块断裂、错台等; (4) 旧道路脱空检测及评价一般可根据弯沉测试结果判定脱空程度, 最终确定开展注浆工作的必要性; (5) 是否存在管线等地下附属设施等, 做好相应的应急措施备案。其中, 判定道路脱空是否存在及确定脱空区域所处层位在铺面沥青注浆设计中最为重要。

2) 方案选择

注浆方案选择是设计者首先要面对的问题, 但其具体内容并无严格规定, 一般包含以下部分:首先是注浆机械设备选择, 包含钻孔设备、沥青注浆设备、安全防护设备等;然后根据道路具体的损坏状况, 明确注浆目的, 进一步确定注浆层位。由于道路注浆施工的特殊性, 需考虑注浆期间的交通组织方案, 使热沥青注浆施工与日常交通组织协同进行, 同时热沥青浆液在注浆施工中往往处于高温、高压状态, 而沥青材料的性质随温度变化差异较大, 因而在温度变化时沥青的力学性质及路用性能都会发生明显变化^[7], 注浆过程安全性方案与传统水泥注浆技术相比应更值得注意。

3) 设计和计算

根据道路调查结果和注浆方案及沥青材料室内试验结果, 对施工温度、注浆压力、扩散半径、注浆孔布置形式、注浆层位与深度、注浆顺序等施工技术参数进行初步计算及设计。同时, 设计道路热沥青注浆试验段, 根据试验段结果, 对沥青注浆设计参数做进一步优化, 最终得到用于大范围道路热沥青注浆加固工程中的沥青注浆设计参数。

4) 注浆效果评价

注浆效果评价是注浆工程中重要组成部分, 也是注浆设计方案合理与否的体现。目前道路注浆加固工程效果现场测试中, 常通过比较注浆前后路表弯沉值的现场测试方法来评价。

在进行沥青注浆技术设计时, 必须综合考虑技术上是否可行以及经济上是否合理。前者还应包括沥青浆材对人体的伤害和对环境的污染, 制定相应的应急预案措施也尤为重要;后者则包括施工成本的造价是否合理和工期是否有保证等。在某些特殊条件下, 如工期过于紧迫或必须减少对交通组织的干扰, 往往把经济因素置于次要地位。

本文通过对上海某道路沥青注浆工程的实施和跟踪观察, 采用弯沉测试、GPR检测等不同手段对沥青注浆修复效果进行现场评价。

根据沥青注浆技术流程图, 首先对该道路状况进行调查, 测出该段道路27个桩位注浆前的各点弯沉值, 测量结果为: (K482, 94) , (K465, 213) , (K450, 147) , (K442, 125) , (K425, 129) , (K415, 59) , (K405, 88) , (K395, 90) , (K382, 34) , (K370, 53) , (K360, 63) , (K350, 161) , (K330, 137) , (K315, 45) , (K290, 129) , (K270, 95) , (K255, 227) , (K232, 178) , (K215, 172) , (K202, 112) , (K182, 80) , (K125, 63) , (K115, 74) , (K088, 20) , (K075, 193) , (K055, 161) , (K035, 119) 。其中, 括号内前者表示桩号, 桩号K482与K035分别为该段道路的两端, 后者表示该桩位处测得的弯沉值大小, 单位为0.01mm。由以上测量数据可看出弯沉值较大, 大部分路面基层都存在一定损坏。

从铺面注浆材料的性能分析, 要得到良好的注浆效果, 首先需考虑沥青是否具有较好的流动性和可注性;其次沥青在冷却硬化后应具有足够的强度, 适应道路交通的要求。综合考虑软化点、针入度和成本因素, 使用SBS、湖沥青对基质沥青进行改性, 得到适合道路注浆的沥青材料, 其25℃针入度为13.6 (单位为0.1mm) , 软化点为93℃。沥青注浆材料温度升高至200～220℃时, 黏度降低至0.8Pa·s以下, 可实现在泵送管中正常流动, 即200℃可作为沥青注浆温度。

通过对现有路面的弯沉试验结果进行分析, 确认需进行注浆的路段并进行编号和标记, 然后在每段注浆区域按照图2布置钻孔位置并在原路面上进行标注。考虑到实际浆液灌注情况的差异性, 可适当调整注浆布置孔大小。

标记出注浆孔的位置后, 依据所标孔位正确放置钻机, 钻机采用凿岩机, 孔径50mm, 孔深40～50cm。

由于热沥青注浆工作温度一般处于200～220℃, 因此首先要对沥青注浆设备进行加热, 使得沥青浆液由常温固态加热至流动状态。

同时, 要对管道采取保温措施, 在沥青注浆时, 沥青浆液由泵送出后要经过一段注浆管路才能注入路基, 注浆管路的保温性能对沥青现场注浆施工的连续性至关重要, 如果保温措施不当, 沥青浆液温度会降低很快, 导致浆液进入缝隙之前黏度过大, 在管路或注浆孔内冷却、凝固, 造成堵孔、堵管等注浆事故。

注浆前先清除孔内水分。注浆过程中应将压力控制在0.4MPa左右, 注浆温度控制在200℃左右, 注浆时间控制在2min左右。注浆过程中, 须对注浆管中沥青浆液的温度以及各注浆孔注浆时的沥青温度进行实时监测, 注浆完成后采用木塞将孔口堵上。

压浆结束后, 待孔内沥青浆液冷却后进行永久性封孔, 封孔材料采用快凝水泥砂浆。

每次注浆施工完成后, 应当及时清洗注浆头和注浆管道。

道路路基沥青注浆加固技术是一种全新的注浆技术, 为了分析沥青注浆试验段加固效果, 该工程采用弯沉检测、GPR检测技术手段分别对该工程的沥青注浆现场效果进行评价。

该道路工程南面半幅注浆前后弯沉测量数据对比如图3所示。

根据图3除去一些未注浆的位置及一些测试中可能存在的点位偏移及误差数据, 显然大多数区域注浆后的弯沉值较注浆前的弯沉值减小, 并可大致计算出注浆完成后老路弯沉值下降约34.4%, 降低>1/3, 可看出弯沉值的改善相当明显, 说明通过沥青注浆确实填充了部分路基孔隙、提升了路基强度。因地下管线影响, 未能进行全路段的全面注浆, 因此沥青注浆的质量有一定影响, 对该路段路基强度的提升作用有限。

根据电磁波的传播规律, 在介电常数改变的层位上电磁波会发生反射, 并且反射的信号会被雷达天线接收器接收, 因而可通过反射回的信号辨别道路结构的内部情况, 当电磁波从介电常数较高的材料传播到介电常数较低的材料时, 反射回的波形呈现正峰值;同理, 当传播的介电常数条件相反时, 反射回的波形则会呈现负峰值^[8]。

由于空气的介电常数为0, 从而电磁波到达脱空位置时反射回的波形会呈现负峰值;考虑到脱空位置的内部状况较为复杂, 各层材料的分界面并不清晰, 因而在脱空位置处的波形会较为复杂。

根据实地检测, 注浆前后的雷达图有明显区别, 可看出注浆材料填充了空洞。选取其中的2个位置对比说明。

243～250m注浆前后对比如图4所示, 注浆前图像波动明显, 有明显负波峰区域, 为脱空位置;注浆后同一位置层界面明显, 说明脱空处被注浆材料填充。

312～326m注浆前后对比如图5所示, 注浆前图像有一条偏白色横线, 代表负波峰位置, 说明该位置存在脱空;注浆后同一位置颜色明显变深, 这是因为注浆材料介电常数大于空气, 说明原脱空处被注浆材料填充。

综上所述, 根据探地雷达实地检测和图像处理分析, 本次路基的沥青注浆加固效果明显, 绝大部分脱空处被填充。

本文对沥青注浆技术的施工工艺进行研究, 同时通过在实体工程中的实施和跟踪观察, 并对实体工程进行现场试验, 能够得出以下结论。

1) 基于铺面沥青注浆修复效果要求, 提出对铺面沥青注浆材料的性能要求:足够的强度、良好的耐久性和稳定性、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以及一致的协调变形能力等。

2) 对沥青注浆修复结构性能测试方法进行研究, 提出以弯沉值和GPR检测结果作为铺面沥青注浆修复结构设计指标, 并通过道路常用路面结构性能测试方法筛选出适合的道路结构性能检测方法, 为注浆效果的检测提供理论基础, 从而进一步推广沥青注浆技术。

3) 在上海某工程中进行沥青注浆现场试验, 对沥青注浆系统的施工管理和人员管理进行规划, 并采用弯沉、GPR等不同检测方法对沥青注浆的效果进行分析, 结果说明路基的沥青注浆加固效果明显。