注浆处置机场水泥混凝土道面严重错台技术研究

陆剑波

（上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市 200023）

1 概述

错台是水泥混凝土道面常见的一种病害。错台形成的原因有很多，一般常出现在柔性基层的道面。主要是由于基础出现不均匀沉降，导致基层跟随基础变形，进而导致道面板底出现脱空。而如果板块接缝传荷能力较差，板块与周边板块无有效连接时，板块就会跟随基层变形，与周边板块形成错台，见图1。

图1 道面错台照片

错台是一种病害，其危害主要体现在以下几个方面：

（1）一旦形成错台，相连区域接缝嵌缝料与道面之间的粘结会失效，会形成地表水下渗通道，导致基层材料浸水。轻微时会形成唧泥病害，长期累积作用会进一步发展形成脱空病害，影响道面结构承载能力。

（2）影响道面服务水平。道面错台达到一定程度时，飞机在行驶通过时会有明显的颠簸感，严重时，会对飞机通行形成障碍。

2 错台的处置方法

从处置手段来看，一般分为以下四种：

（1）不处置道面。对于错台较轻微时（错台量小于5 mm），道面可不作处置，但需要更换附近接缝的嵌缝料，防止出现唧泥和脱空病害。

（2）板块研磨。当错台量较大时，可以通过板块研磨来缓解和消除错台，见图2。研磨平整后仍需更换接缝嵌缝料。

图2 研磨消除错台示意图

（3）补丁修补。当错台严重时，可以采用补丁修补方法来消除错台，见图3。补丁修补后仍需更换接缝嵌缝料。

图3 补丁修补消除错台示意图

（4）注浆。前三种方法都是治标不治本的方法。错台的产生往往是由于基础不均匀沉降引起，虽然通过板块研磨和补丁修补能够暂时缓解和消除错台病害，但由于基础问题未解决，仍有可能继续产生错台。从长远来看，要消除错台，应先解决好基础的问题。通过基础注浆可加固基础，同时通过精确抬升控制，可以有效缓解甚至消除错台病害，是最科学的处置手段。但由于施工难度大，工艺复杂，一般适用于大面积严重错台的处置。

以上处置方法可单独使用，也可结合使用。如在板块研磨和补丁修补前，可以先对基础进行注浆加固。对于大面积严重错台，应优先选择注浆处置方式，因为有可能该区域基础存在严重问题，如只做表层修补，以后道面可能会再次出现错台。

3 注浆处置错台工程案例分析

上海某机场停机坪内排水沟与相邻道面板块出现大量严重错台现象，最大错台量超过20 mm，影响飞机的正常通行。现场统计，共有197块板存在严重错台。由于错台量大，且经专家认证，错台是由于基础不均匀变形导致，经过方案论证，决定采用注浆来彻底解决这一问题。错台区域道面与排水沟的结构剖面见图4。

图4 道面结构剖面图

这是我国机场首次采用注浆来大范围精确抬升道面板块，工程难度非常大。机场对道面平整度要求高，注浆方案提出注浆后最大错台量不得大于3 mm，对施工控制要求非常严格。同时由于施工周边区域24 h不停航，属于真正的不停航施工，施工过程中任何细小的失误都有可能影响机场运行安全，一旦出现问题后果非常严重。因此需要制定非常完善的注浆施工方案。其中包括确定以下几个最为关键的技术参数：

（1）注浆深度

错台是由于基础变形过大引起。由于新建时排水沟先施工，导致后期相邻区域道面施工时大型压实机械施工不便，导致垫层和基础压实度不足。本次注浆的目的有两点，一是对山皮石垫层加固，用浆液填充山皮石间的空隙，防止后期进一步变形；二是对道面进行整体抬升，消除错台。因此，注浆部位应在山皮石垫层内。根据道面结构参数，确定本次注浆深度为1 m，即深入垫层20 cm。在实际钻孔过程中按孔深1～1.1 m控制，注浆管深度为1 m。

（2）浆液材料

注浆浆液采用单液浆（42.5级普通硅酸盐水泥浆液）和水泥-水玻璃双液浆相结合的注浆材料，水玻璃的主要作用是缩短初凝时间。根据试验段施工情况，浆液配比如下：

单液浆：

水∶水泥(P.O42.5级)=0.45～0.6∶1；

双液浆：

水玻璃∶水泥浆（体积比）=1∶1（初凝时间一般为 45～60 s）。

（3）注浆压力

注浆压力不宜过大，否则易出现安全隐患。注浆压力也不宜过小，否则道面无法抬升。注浆压力p应大于道面抬升所需的最小注浆压力p0。以下通过公式推导，求出p0公式推导前需作以下假定：

假定1：排水沟对道面抬升无约束。

假定2：道面板块之间同时抬升，即板块在抬升时相邻板块对其无约束。除施工区域边界的板块外，其他板块是符合这一假定的。

基于以上两个基本假定，推导公式如下：

其中：根据假定，约束力P为零。

重力G=面层重力G1+基层重力G2

抬升力F=压强p×面积A

重力G=密度ρ×体积V×重力加速度g

因此，由式（1）可得：

式中：A为面积；V为体积；h为高度。

面层参数：水泥混凝土密度取2.4 g/cm3，高度h1为 42 cm；

基层参数：水稳基层密度取2.2 g/cm3，高度h2为40 cm。

将参数代入式（2），可以得到道面抬升所需的最小注浆压力p0=0.185 MPa。综合考虑在注浆过程中的水头损失和注浆压力过大存在安全隐患两方面的因素，注浆过程中实际注浆压力p控制在0.3～0.5 MPa。

（4）注浆孔布设

本次注浆分为两个步骤：一是对注浆区域外沿进行帷幕注浆。机场对安全控制非常严格，因此最大注浆压力不宜过大。而山皮石垫层渗透性好，易造成浆液水头的损失，导致压力过小而不足以使道面抬升。为此首先需要进行帷幕注浆。二是道面抬升注浆，注浆孔沿排水沟布设在道面板块上。影响注浆孔布设的最主要因素是浆液的有效扩散半径。

影响浆液扩散半径的因素有很多，包括土体渗透系数、注浆压力、注浆时间等。目前国际上最主流的浆液扩散半径理论模型有Maag理论（球形扩散理论）、球形扩散Raffle理论、柱形扩散理论、袖套管法理论、Baker公式等[1～4]。根据工程的特点，本次工程选用Maag计算公式，见式（3）。

式中：

R——扩散半径（cm）；

k——渗透系数（cm/s）；

p——注浆压力（cm，水头）；

r——注浆管半径（cm），取值2.5 cm；

t——注浆时间（s），取值60 s；

n——孔隙率，取值0.25[5]；

β——浆液粘度对水的粘度比，取值30[6]。

渗透系数k，山皮石为强透水性材料，渗透系数k取值范围为0.01～1[7]，考虑到山皮石垫层压实后石间孔隙较小，渗透系数k实际取值0.01。

根据前文分析，注浆压力p取值0.3 MPa。

将各参数取值代入式（3），得到注浆浆液扩散半径为1.3 m。道面板块宽度为4.5 m，因此每块板布设2个注浆孔，见图5。

图5 注浆孔布设示意图（单位：m）

为了使注浆充分，每一块板2个注浆孔分2次注浆。待第1个注浆浆液终凝后再开始第2个孔的注浆。

（5）施工控制指标

以道面抬升量为最终控制指标，要求注浆后道面与排水沟高差在3 mm内。过程控制采用注浆流量和注浆压力双控指标，注浆流量控制在15～30 L/min，注浆压力在 0.3～0.5 MPa。

为保证机场不停航施工安全，方案制定了严格的安全控制标准。当发生以下问题时立即停止注浆：

a.注浆压力骤增

注浆压力出现骤增时，注浆应停止。为保证注浆质量，待压力降低后宜再次注浆，注浆压力再次骤增后彻底停止注浆。

b.道面抬升

当道面抬升量过大时，应停止注浆。本次工程要求对道面精确抬升，当道面出现抬升趋势时，宜降低注浆压力、减小注浆流量，以减小抬升速度，以便于精确控制抬升量。

当道面抬升量过大时，通过压载、吸浆等方式补救，将道面抬升量控制在要求范围内。

（6）监测方案

施工区域为该机场停机坪最繁忙区域，且24 h不停航，任何意外都可能对机场运行带来巨大影响。为此，施工方案制定了周密的监测方案，包括注浆压力的监测、浆液流量的监测、浆液质量的监测和道面抬升量的监测。其中以道面抬升量的监测为重中之重。

a.抬升量的监测

为了得到板块精确的抬升量，在板块与排水沟相邻一边的两个板角，以及板块另一边的中心位置上各设置一个监测点，见图6。每个监测点设置专人不间断时时监测。

图6 道面抬升监测布点

b.浆液质量的监测

在拌浆前，技术员须对拌浆员进行技术交底。拌浆人员定时测试浆液比重，并书面记录以下信息：拌浆时间；浆液初凝时间；浆液比重。

4 注浆抬升对道面的影响分析

注浆抬升是一种通过外力强制改变道面状态的行为。前文在推导最小注浆压力p0时虽假定相邻板块和排水沟对抬升板块无约束作用，但实际上道面板块是逐板抬升，并非整体统一抬升。由于接缝传荷的作用，板块在抬升过程中会受到周边各种复杂的约束作用。为了确保施工安全，有必要对道面板块在抬升过程中的受力进行分析，以判断道面板块在抬升过程中是否会出现如断裂等极端情况。

采用有限元软件ABAQUS为分析平台，根据道面实际结构参数，建立足尺精细有限元模型，见图7。

图7 道面有限元模型

采用该模型分析道面板块在抬升过程中的受力状态。直观可以判断，板块的抬升量不同，受力状态也会有所区别。假定板块抬升量分别取1 cm、2 cm和3 cm，可以计算得到相应的板块最大荷载应力，见表1。分析模型得到的板块在抬升过程中的荷载应力云图和位移云图如图8、图9所示。

表1 抬升板块受力结果

图8 道面模型抬升竖向位移云图

图9 基层底面最大主压应力云图

从表1中可以看出，抬升量越大，道面受力越大。本次工程中实际最大抬升量在2～3 cm之间，面层水泥混凝土板块的最大荷载应力在4.0 MPa左右，而水泥混凝土材料的极限弯拉强度一般为5.0～6.0 MPa。因此可以认为道面板块在抬升过程中的受力状态是安全可控的。

5 结论

通过周密的部署和紧张的施工，整个工程共197块道面板块严重错台的处置工程历时2个月完工。所有错台板块通过注浆抬升，使错台量达到了3 mm以内的控制标准。图10为各板块注浆前后错台量对比图。

图10 处置前后道面错台量对比图

这是我国首次采用注浆来大范围精确抬升道面板块以消除道面错台的工程案例，工程涉及抬升精确控制、不停航施工安全控制等多个技术难题，施工难度很大。针对工程特点，以理论分析为基础，结合以往注浆施工经验，制定了完善的施工技术方案。通过该工程的开展，形成了一整套采用注浆方法处置机场道面错台的技术，为我国机场和公路行业类似工程提供了借鉴和参考。

[1]Lombad G.The role of the cohesion in cement grouting of rock[A].In:Fifteen Congress on Large Dams[C].Laruanne,1985.

[2]杨米加,陈明雄,贺永年.注浆理论的研究现状及发展方向[J].岩石力学与工程学报,2001,20(6):839-841.

[3]卓越.饱水砂层渗透注浆加固理论探讨[J].岩土工程技术,2002（5）:284-289.

[4]Cambefort H.The principles and Applications of grouting[J].J.Engng.Geol.,1977（10）:57-95.

[5]阙云,刘强华,李丹,等.渗透注浆扩散理论探讨[J].重庆交通学院学报,2006,25（5）:105-108.

[6]王雄鹰,等.水泥浆液粘度随时间变化的试验研究[J].山西建筑,2009,35（16）:10-11.

[7]GB50487-2008,水利水电工程地质勘察规范[S].北京:中国计划出版社,2008.