重载交通路面的多维快速检测与非开挖加固一体化养护技术

吴银潭 郑志刚 黄轶春 阎利华 杜雪明 江 建 刘 涛

1. 深圳市特区建工集团有限公司 广东 深圳 518034；2. 深圳市交通运输局南山管理局 广东 深圳 518067；3. 郑州大学水利科学与工程学院 河南 郑州 450001

近年来，探地雷达技术逐渐被应用于路面检测与养护领域，其具有无损、快速、透视、持续与高精度的特点，能够较好地识别路面结构隐蔽病害、裂缝、脱空、不均匀沉降、含水量异常等详细信息[1-7]。

落锤式弯沉仪可以在一定程度上反映路面结构的力学信息，测量速度快，变形识别精度高，能够有效模拟行车荷载的动力作用，通过多点弯沉的测量，为路面结构反演打下了基础，为美国战略性公路研究计划（SHRP）路面长期跟踪观测与使用性能研究的标准设备。

聚氨酯材料是一种兼具金属和橡胶（即韧性和弹性）双重性质的聚合物，主要由异氰酸酯和多元醇反应生成，包含不少于2个异氰酸酯和羟基官能团，其性质主要取决于合成过程中的异氰酸酯、多元醇及添加剂。在1970年后，高聚物注浆材料逐渐被应用于工业与民用建筑的地基加固、地基沉陷抬升、机场跑道、车间地坪、板底脱空、板底抬升等工程中。

1 多维快速检测方法

1.1 探地雷达技术

探地雷达（ground penetrating radar，GPR）工作过程是通过探地雷达天线激发高频电磁波，传播到路面结构中，在不同介电特性的接触面上产生反射，并由接收天线予以记录，经过去噪、滤波、构建模型等一系列处理方法，获得相应路面内部雷达图像（图1）。

图1 探地雷达检测示意

结构材料的相对介电常数和磁导率越大，天线的中心频率越高，探地雷达所能探测的最大深度越小。天线频率与探测深度的关系如表1所示。

表1 不同频率天线的探测深度值

1.2 落锤式弯沉仪

路表弯沉是指在规定的标准轴载作用下，路基路面的表面轮隙位置所产生的总垂直变形（总弯沉）或者垂直回弹变形值（回弹弯沉），以0.01 mm为单位，可以有效地反映路面结构的承载能力，即达到预定的损坏状况之前，能够承受的行车荷载作用累计次数与使用年限（图2）。

图2 落锤式弯沉仪的基本原理

本文所采用的落锤式弯沉仪为Dynatest8000 FWD，由计算机控制液压系统，提升并落下一个重锤，对路面施加脉冲荷载，通过改变锤重与提升高度来调整荷载大小，荷载范围为7～120 kN，弯沉传感器分辨率为1 μm，系统误差为±2%，弯沉传感器数量为9个，荷载盘直径为30 cm。

2 非开挖加固养护技术

半刚性基层病害位于路面下方，较难识别与治理，常会引起路面表层的翻浆、坑槽等严重病害，如果仅采用加铺、挖掉重修与封缝措施，无法从根本上解决结构性破坏问题。本文采用高聚物注浆技术治理重载交通路面的中下层隐蔽病害。研究表明，高聚物注浆材料具有良好的流变性能，材料的损耗模量远大于储能模量，相位角也都大于45°，在交变应力作用下主要发生黏性变形，当材料注入到半刚性基层病害位置后，能短时间内迅速形成一定的结构强度，起到支撑自身结构的作用，如图3所示。其黏度随温度的升高而迅速增加，凝结固化时间加快，因此，在注浆时可通过改变设备的加热温度而应对不同的温度施工环境，保证材料性能。

图3 高聚物材料流变性能

同时，高聚物注浆材料具有明显的膨胀性。以密度为0.18 g/m3的高聚物材料的固定容器体积试验为例（图4），膨胀过程分为3个阶段。首先，是容器的填充阶段，为注浆开始后的20 s以内，由于浆液未能完全将空腔填满，因此，膨胀力测量结果为0 MPa；其次，为膨胀力随着时间快速增长阶段，可达最大膨胀力的80%以上，时间在20～40 s以内，材料已经完全填满注浆容器，但化学反应还在继续进行，材料体积继续快速膨胀，受注浆容器体积的限制，导致膨胀力迅速增大，注浆材料密度随之增大；最后，为膨胀力随时间缓慢增长阶段，作用时间从60 s持续到反应结束，说明材料内部有缓慢的化学反应。

图4 高聚物材料（密度为0.18 g/m3）膨胀力变化

高聚物材料具有良好的灌注流变性、膨胀性和韧性，能够与岩土体较好地协调，密度较轻，不会对结构产生额外负载。同时，其能够快速反应产生0.5～10 MPa的膨胀力，被注入到半刚性基层特定位置后，可迅速填充脱空，挤密土体进行抬升，排出下层积水，渗入孔隙胶结基层材料，提升路面强度。高聚物材料本身并不含水，不会产生干缩现象，能够密实填充脱空。

3 工程应用案例分析

3.1 工程概况

深圳市南坪快速路自2006年建成通车以来，极大地缓解了中心城区的交通压力，路面在重载交通的反复作用下，部分出现了较为严重的渗水、翻浆、坑槽等病害，常规养护措施难以彻底治理。现场地处两侧山坡谷底，为填方路段，路基是抛石挤淤成形。

3.2 多维快速检测方案设计

3.2.1 探地雷达检测方案设计

本文采用美国GSSI公司研制的SIR-30E探地雷达设备，由控制主机、天线、笔记本电脑连接件组成，采用收发一体型天线，频率为400 MHz，连续采集方式，里程轮定点，采样间距为2 cm，采集时窗为35 ns，指数增益方式。

沿测试路段行车方向布置雷达探测剖面，每个车道布置2条测线（左、右轮迹处），根据现场实际情况适当加密测线，以便对病害区域准确定位。

雷达数据的处理流程为：读取原始数据文件、编辑文件、水平校正、水平/垂直滤波、彩色变换、注释与数据资料输出。除此之外，还可采用水平与垂直高通滤波方法以消除平直横跳的系统噪声，采用水平及垂直低通滤波以消除高频噪声，采用反褶积滤波以增强垂向分辨率，采用偏移滤波以消除绕射波与倾斜干扰波，采用空间域滤波以增强倾斜界面信号。

本次采集的雷达数据经过零点校正、剖面距离校正与增益调整后，根据雷达波形构成的同相轴，以人机交互方式进行资料解释，勾画出路面各结构层界面以及路面中下层存在的缺陷。

3.2.2 落锤式弯沉仪检测方案设计

本文对南坪快速路东行段进行弯沉检测（共计100 m长），检测标号为其对应的测点，落锤式弯沉仪设备详细参数见1.2节所述，荷载设置为5 t，测点位置为车道右轮迹间隔5 m。

3.3 非开挖加固方案设计

针对不同路面病害类型选择不同的注浆布孔方式，注浆孔直径为0.016 m，钻孔深度至路基顶面，注浆管长度一般根据注浆修复需求而定，对整条车道补强加固，孔位布置宜从路肩向路中心以0.6、1.5、1.5 m依次布孔，在车道纵截面上每隔1.0 m进行布孔，如图5所示。

图5 注浆孔位布置示意

具体过程为：首先，采用冲击钻在标注的注浆孔位置钻孔至设计深度，及时清理路面，不得污染路面；其次，使用切割工具截取不同长度的注浆铁管，并将其通过注浆孔导入；再次，使用专用工具将注射帽凹形边缘清理干净，以便与注射枪更好地结合，把已清理的注射帽安装至注浆管端口；最后，根据病害修复需求确定注浆量，使用夹具把注射枪与注射帽夹牢，为设备提供固定的压力，通过输料管道分别把A及B两类高聚物材料输送到注射枪口，2种材料在注射枪口处通过注浆管输送到路面病害处，并发生化学反应，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，修复病害。

在注浆完成后，采用专用工具把注浆帽去掉，采用探地雷达与落锤式弯沉仪对注浆路段进行检测，评估加固效果，如果不满足要求则进行补注。

为了防止雨水侵蚀与路面破坏，采用道路密封胶封堵注浆孔，使灌注密封胶略低于路面，及时清扫环境后，即可开放交通。

3.4 注浆加固的效果评价

3.4.1 探地雷达检测的效果评价

通过探地雷达剖面图可基本确定路面各结构层界面，判断检测路面下存在的缺陷位置与注浆前后的效果，水平方向为测试起点的距离，竖直方向为探测深度。路面中下层病害经过注浆加固后，雷达图的反射信号幅度较小，图像均衡，反射界面不明显，能够在一定程度上说明松散、含水量过高的区域被高聚物填充挤压密实，具有良好的加固效果，如图6、图7所示。

图6 重载交通路面注浆加固前的雷达图

图7 重载交通路面注浆加固后的雷达图

3.4.2 落锤式弯沉仪检测的效果分析

由落锤式弯沉仪的检测结果可知，注浆加固前的路面检测弯沉值最大为285 μm，最小为73 μm，平均值为151 μm。在注浆完成24 h后，检测弯沉值最大为173 μm，最小为58 μm，平均值为114 μm，平均下降30 μm，满足设计弯沉要求，平均下降幅度为20%，具有良好的注浆加固效果。

3.4.3 道路修复前后的效果分析

在注浆加固修复前，雨后道路经常出现翻浆、坑槽等病害，尝试了多种类型的路面结构材料，维修效果不理想。2019年10月，实施了注浆加固方案，目前，道路使用状况良好，证明了该方案切实可行。

4 结语

1）探地雷达技术能够较为有效地识别重载交通路面中下层位置的隐蔽病害，结合日常巡查与历史资料，能够大致确定病害的范围、深度等信息，为注浆加固提供了相应的技术依据。

2）落锤式弯沉仪能够对重载交通路面的受力性能提供具体的判断依据，结合雷达图像，有效提升了路面健康评价的准确程度。

3）采用高聚物注浆技术，可以解决路面翻浆等较难根治的病害，同时也避免了对路面的开挖与回填，有效缩短了路面的封闭时间，减少了交通的中断与拥堵对社会的不利影响，且价格也相对理想，具有很好的社会效益与经济效益。