道路非开挖注浆加固技术研究综述

高 勇

（佛山市路桥建设有限公司，广东 佛山528313）

随着经济与公路交通行业的发展，道路的通车里程及日交通量呈现出逐步增长的趋势，使道路的长期运营与维护存在潜在的隐患。目前，我国大量投入运营的道路在高负荷、长时间的服役过程中，路面出现了龟裂、起伏及裂缝等质量缺陷，如果不及时进行养护维修，其使用性能将迅速下降，一定程度上为人们的出行安全带来巨大威胁，给人们的生活带来很大的不便。

传统的开挖修复技术需要挖除松散的基层与道路面层，对路基或底基层进行重新压实，以使其达到设计强度后重新铺筑路面，该处治方法一方面无法利用残余的材料，资源浪费，不符合国家有关资源重复利用的理念，对环保造成不利影响。另一方面该处治方法给交通造成很大不便，同时受外界环境条件的影响，施工质量无法保证。而采用非开挖注浆加固技术，较好地解决了传统开挖修复技术中存在的难题及对交通的负面影响，具有经济效益显著、交通影响小、施工条件宽泛、环保清洁、社会影响小等优点。因此，非开挖注浆加固技术的研究对于提高道路的使用性能具有重要的意义。

1 注浆加固原理

非开挖注浆加固技术是采用三维雷达或弯沉仪检测路面结构的质量缺陷形成注浆方案。然后通过钻孔，在一定压力作用下利用注浆管分层均匀地将浆液注入到基层或地基疏松、脱空等结构病害处。由于浆体材料具有流动性高、渗透性好、密实度大等优点，渗透至结构的浆体充填并挤压空隙处的空气与水分，占据其空间，从而使裂缝处的孔隙率降低，强度增大。经一段时间养护后，浆液中的化学离子与外界土壤中的离子相互交换发生化学反应，生成的C-S-H 凝胶与周围材料相互黏结，形成一个新结构体，使土体结构固结，病害缺陷得到弥补，最终使路面结构的承载力增大，使用寿命增长。因此，采用注浆加固技术修补后的路面结构能在短时间养护后达到开放交通的条件，具有较好的经济与社会效益。

2 注浆加固材料

注浆加固材料是注浆技术中不可或缺的重要组成部分，注浆材料的种类及性能优劣直接关系到工程的施工质量及成本，因此，正确选择注浆加固材料对于工程质量的保证具有重要意义，现有道路非开挖注浆技术中常用的注浆材料主要包括水泥基注浆材料、地质聚合物注浆材料及高聚物注浆材料。

2.1 水泥基注浆材料

2.1.1 超细水泥注浆材料

传统的水泥注浆材料通常以水泥、砂为基准材料，辅以外加剂、粉煤灰等掺和料均匀拌和而成。此类注浆材料粒径大，沉降快，稳定性较差，渗透能力有限，一般仅能渗透至宽度大于0.1 mm 的裂缝中，但针对宽度小于0.1 mm 的裂缝，注浆效果甚微［1］。为此，国内外研究者在单一水泥注浆材料的基础上，相继开展了超细水泥注浆材料的研究。如AXLESSION［2］等对水泥胶结材料渗透性能起抑制作用的影响因素及其相关机理进行了研究，结果显示水泥注浆材料渗透性能的大小与注浆粒径有关，粒径越小渗透性能越好，同时浆液的渗透面积随着水灰比的增大而增加，浆液的密封性能随着粘稠度的增大而增加。王江峰［3］等采用超细水泥注浆材料对煤矿壁进行注浆加固，并对其浆体黏度、凝结时间及结石体强度等性能进行了相关研究，在4 MPa 压力作用下，浆体凝结时间较短，结石体强度较高，浆液扩散半径大于3 m。李伟华［4］等采用注浆工艺将超细水泥注浆材料应用在某高边坡弱面加固工程中，并采取钻孔取芯的方式从填注体中直接取出芯样，通过对芯样进行观察及试验研究来判断其注浆效果，研究表明，超细水泥注浆的充填效果较好，充填效率达到95%以上。PANTAZOPOULOS［5］等分别对颗粒粒径为40 um、20 um、10 um 超细水泥注浆材料的粘度、渗透性及可注性进行了相关试验研究，结果表明，水泥注浆材料的凝结时间、早期强度率以及28 d 无侧限抗压强度均随着颗粒粒径的减少而逐步增大。李会安［1］等通过试验对水泥注浆性能及超细水泥注浆性能进行了对比分析，普通水泥注浆材料泌水率较大，结石体抗压强度较低，而超细水泥注浆材料抗压强度较高，但该材料易产生泌水，注浆填充不密实，产生二次空洞。

对比不同学者有关超细水泥注浆材料凝结时间、渗透性能及结石体强度等指标研究可知，超细水泥注浆材料具有良好的渗透性能及固结性能，但该材料成本相对较高，且收缩性能较差，因此，为改变水泥浆的稳定性及流动性，部分学者［6-7］考虑在水泥注浆材料中掺加外加剂或矿物掺合料等，使单一水泥注浆材料向复合型双液注浆材料发展，如水泥-水玻璃注浆材料，粉煤灰-水泥注浆材料等。

2.1.2 粉煤灰-水泥注浆材料

粉煤灰是我国燃煤电厂的主要固体废弃物，随着电力工业的快速发展，粉煤灰排放产量逐年增加，但随着人们环保意识的增强，粉煤灰的处理与应用引起了足够的重视。

粉煤灰注浆材料是以水泥为基体，配合粉煤灰及其他外加剂加工而成的一种新型注浆材料，具有流动性好、结实率高、强度大等优点，其原因主要是由于受粉煤灰微集料效应及形态效应的影响，粉煤灰中大量较小粒径的玻璃微珠填充至结构孔隙中，改善与增强结构的强度，增大结构的致密性及匀质性。同时受粉煤灰活性效应的影响，结石体后期强度增长较大，但由于水泥含量减少，早期强度偏小。如李会安［1］等研究了不同粉煤灰掺量作用下注浆材料的流动度、凝结时间及抗压强度，研究表明，随着粉煤灰掺量的增加，浆体流动性先增大后减小，凝结时间及早期抗压均呈降低的趋势。张刚艳［8］等利用扫描电镜ESEM、XRD 衍射与MIP 孔结构分析技术，观察了注浆材料在不同水固比作用下的致密程度、形貌及水化产物，试验表明，浆液早期水化产物主要为水泥水化作用产生的Ca（OH）2，随着水固比的增大（粉煤灰所占的比例增加），注浆材料中的孔结构朝着大孔减少、小孔细化的趋势发展，孔隙率减小，增加结构致密性。霍利杰［9］等测定了不同粉煤灰参量作用下注浆材料的浆液粘度、结实率及抗压强度，研究表明粉煤灰注浆材料的可注性好，结实率较高，浆液结实率随着粉煤灰掺量的增大而增加。并且当粉煤灰掺量超过50%后，浆液的结实率处于一个稳定值98%左右，同时随着粉煤灰掺量的增加，结石体早期抗压强度降低。郑冬宝［10］等分析了不同粉煤灰掺量对注浆材料基本性能的影响规律，随着粉煤灰掺量的增加，浆液稳定性能好，粘度大，同时由于粉煤灰二次水化需要更长的时间，早期强度降低。

2.1.3 微膨胀水泥注浆材料

为改善水泥注浆材料不密实、收缩性能大的问题，部分学者通过在注浆材料中掺入膨胀剂来补偿收缩。如MgO 膨胀剂（MEA）在水泥混凝土工程中已取得成功应用，其原理主要是利用MEA 水化反应过程中的化学预应力来补偿收缩。张世华［11］等研究了不同养护条件下MEA 对水泥浆体变形性能的影响，并利用X 射线衍射仪、同步热分析以及背散射扫描电镜分析了水泥浆体中MEA 的水化性能，试验表明，MEA 在低湿度条件下水化反应生成的Mg（OH）2产生体积膨胀，有效降低了低湿度条件下水泥浆体的收缩性能，且浆体的收缩变形随着湿度的增大而减小。刘猛［12］等通过自行设计的试验装置对掺入MEA 水泥浆体在约束条件下的膨胀应力进行了测试，通过X 射线衍射法测试了MEA 的水化程度。结果表明，MEA 的加入能有效补偿水泥浆体中的收缩应力，且膨胀应力随着MEA 水化程度的增大而增加，约束条件下，MEA 的掺入对降低水泥浆体中的孔隙率及细化孔结构具有积极作用。陈雄［13］等考虑不同养护条件下MEA 掺量和细度对水泥净浆自由变形性能的影响，水泥净浆的自由变形性能随着膨胀剂掺量的增高而增大，当膨胀剂颗粒较细时，比表面积较大，较细颗粒膨胀剂早期水化速率高于较粗颗粒的水化速率，其膨胀率也较粗颗粒大，后期两者水化速率相差不大，由于较粗颗粒的不均匀分布使得其膨胀率远高于较细颗粒膨胀剂的膨胀率。储玉婷［14］等探索了不同养护条件下掺MEA 的限制砂浆试件的限制膨胀率，试验结果表明，掺加MEA 的限制砂浆试件均会产生不同程度的限制膨胀率，有效地补偿了水泥砂浆试件的收缩，且水泥砂浆试件的限制膨胀率随着MEA 掺量的增大呈增长的趋势。

2.2 地聚物注浆材料

地聚物注浆材料是一种利用粉煤灰、矿渣等工业废料与碱激发剂充分混合均匀后，经历高温固化而凝结硬化形成的硅铝酸盐类沸石材料［15］。其最大特点是一旦与土体表面的自由结合水接触，地聚物将渗透至土颗粒深处填充与包裹被加固土体中的孔隙与裂缝，同时渗透至土颗粒深处的地聚物能激发被加固土体部分活性物质，通过化学胶结、离子交换作用把松散的渣土、碎石等道路原材料胶结成一个新的结构体，最终使土体抗渗性能增强、承载能力提高、各项指标性能得到改善。

地聚物注浆材料具有早强、快凝、渗透性好、可注性好、无收缩变形等特点，是一种绿色环保的新型无机高分子材料。近年来，地聚物材料以其独特的优势在公路工程中得到了广泛应用［16］，不少学者通过试验分析对其基本性能做了大量研究。如刘江波［17］等对比分析了水泥基注浆材料与地聚物注浆材料的异同点，传统水泥基注浆材料凝结速度快，抗水分散性能好，但不耐水溶性，虽然水玻璃等碱激发剂早期具有较好的胶凝效果，但在长期地下水作用下很难凝结，抗水分散性能难以得到保证。张海燕［18］等分别测试了地聚物净浆、砂浆和混凝土高温与常温作用下的力学性能，各配制材料的抗压及抗折强度均随着温度升高而增大，但无论是高温还是常温，地聚物强度均较砂浆、混凝土强度大。彭晖［19］等系统考察了不同配合比对地质聚合物力学性能及凝结时间的影响，以及在最优配合比作用下养护条件对力学性能的影响，试验研究表明：地聚物力学性能及凝结时间随着碱激发剂含量的增加先提高后降低；水的用量对地聚物力学性能基本无影响，但对凝结时间影响较大；养护时间及养护温度的增加均对提高地聚物强度具有积极作用。

另外，部分学者就地聚物材料在道路路基及基层加固中的效果做了大量研究与探索，如连萌［20-21］等通过无损检测技术及地聚物浅层注浆加固技术对深圳机荷高速公路路面半刚性基层进行了针对性的补强处治，处治效果主要表现为路表弯沉得到改善，大部分层间病害得到修复，验证了地聚物材料的填充及粘聚效果，达到了非开挖加固补强的效果。范宏建［22］等结合工程实际，采用地聚物注浆加固技术对某市政公路基层进行维修加固，同时为评价注浆加固技术对其承载能力及整体稳定性的改善情况，采用贝克曼梁弯沉仪对试验路段注浆加固前后弯沉进行了现场试验检测，结果显示，注浆整治后，试验路段弯沉值整体降低，均匀性显著提高，说明注浆加固后该路面整体性得到明显改善，取得了良好的工程应用效果。季晓丽［23］等探索了地聚物注浆加固技术在上海市奉贤区新林路中的应用，并采用弯沉测试、钻孔取芯法和复注法对其加固效果进行评估，试验分析表明，采用地聚物注浆加固技术能显著改善因路基路面强度不足、水稳定性不好导致的各种层间病害，提高道路承载能力，改善道路弯沉值。

2.3 高聚物注浆材料

高聚物注浆材料是道路工程中常用的化学注浆材料，由多氰酸脂和聚醚多元醇或聚酯多元醇等原料制成，具有密度小、膨胀率高、耐水性好、施工速度好、快硬早强、基本无需养护等优点，施工完成后可立即开放交通。发泡型的聚氨酯注浆材料作为一种常用的化学材料被广泛应用于道路工程的加固维修中，可分为水敏感性与非水敏感性，其中水敏感性高聚物注浆材料注入水中生成的强度小于干燥状态下的30%，而非水敏感性高聚物注浆材料生成的强度大于干燥状态下的30%，且非水敏感性注浆材料固化后生产闭合的发泡孔，具有较好的抗渗性能，但目前绝大多数高聚物属于水敏感性注浆材料。

伴随着注浆技术的快速发展，近年来国内外开发了高膨胀、对水不敏感性的非水反应高聚物注浆材料，且其材料性能及注浆后的路用性能（即注浆效果）不断被国内外学者所研究。如石明生［24］等对以双组份发泡聚氨酯为代表的非水反应类高聚物材料基本性能开展了相关研究，试验结果表明，高聚物注浆材料发生化学反应时最大可产生10 MPa 的膨胀力；高聚物抗压强度及抗拉强度均随着密度的增大而增大，且抗压强度与密度呈二次函数关系；随着注浆材料密度的增大，材料的最大弯曲应力逐步增加，破坏时的最大形变随着密度的增大而减小。李利平［25］等采用树脂与催化剂配制了一种新型高分子注浆材料，并对其黏结性、凝胶型、抗压抗折强度等开展了室内试验研究工作，结果表明，注浆材料的流动性、渗透性、粘结性及膨胀性均较好，并具有较高的强度，且注浆材料凝胶速度快，凝胶时间在几秒钟至几分钟内可控；郭成超［26］等采用落锤式弯沉仪（FWD）及高聚物注浆技术，测量了破损路段注浆加固前后弯沉值，以验证注浆加固效果，弯沉数据分析表明，注浆加固后路面弯沉值显著减小，路基模量明显增加，承载能力提高显著。路畅［27］等对比分析了水泥基注浆材料及高聚物注浆材料在道路浅层注浆加固中的应用效果，两种技术均能在一定程度上改善路面强度，但高聚物对提高上层强度效果显著，另外，水泥基材料可使松散的碎石结合成团，相对高聚物注浆材料具有更好胶结作用，但高聚物具有较好的密封作用，可形成稳定的结合体。兰青［28］等结合高聚物注浆加固技术在广惠高速公路路面维修加固中的应用，表明该技术对于路面病害的处治具有积极作用，改善效果显著。

综上述所，水泥基注浆材料、地聚物注浆材料和高聚物注浆材料的优缺点及适应范围如表1 所示。

表1 不同注浆材料的优缺点及适应范围分析

3 注浆施工效果评价方法

对于注浆加固道路路基与基层的效果检测一般采用弯沉测试，部分项目为更全面地了解注浆加固效果，钻孔取芯法和复注法［29］被应用于工程实际。

3.1 弯沉测试法

回弹弯沉是目前用来表征道路路基或基层承载能力最普遍的一种测试方法，在完成道路注浆加固后，对道路弯沉值进行检测，如发现其弯沉值较注浆加固前弯沉值小，则表明道路综合承载能力得到提高，反之则表明注浆加固效果不明显。杨冬韵［30］等采用高聚物注浆技术加固广惠高速公路试验段，并采用落锤式弯沉仪评估其加注效果，注浆加固前后弯沉比介于1.1～2.0 之间，平均弯沉比为1.51，最大弯沉比为1.9，对比注浆加固前后平均弯沉值的的两条起伏线，如图1 所示，注浆后弯沉值普遍小于注浆前弯沉值，降幅明显，且数据与注浆加固前相比较平缓，注浆加固效果显著，路面使用寿命理论上提高27%。

3.2 雷达检测法

雷达检测是一种利用天线发射和接收高频电磁波来探测介质内部物理特性和分布规律的一种物理检测方法，是一种无损探测技术，与其他常规探测方法相比，具有高精度、高效率及无损等特点，在道路检测领域应用广泛。部分学者采用雷达检测法来探索道路非开挖注浆加固技术的应用效果，通过分析注浆加固前后不同层面图像，揭示注浆材料在结构病害处的填充情况。如吴超凡［31］等对比分析了注浆加固前后雷达检测图像，探索了地聚物注浆技术在长乐市两港路中的应用效果。在桩位K248+650～K248+660 处，图像显示注浆前该处道路结构层位不连续，存在明显沉陷及层间脱空等病害，注浆后层位明显，存在两条明显的层面，初步推测为浆液填充密实沉陷区域，固结硬化所致。

图1 广惠高速公路注浆前后弯沉值对比

3.3 破损试验

破损试验包括钻孔取芯测试法及探坑开挖观察法，主要以验证注浆材料在路面结构内的分布情况、结构病害处的填充情况及浆体间的粘聚情况为目的，其中钻孔取芯法即通过钻机在注浆处钻取填注体芯样，清晰直观地观察浆体在结构病害处的填充情况，并对芯样进行相关试验检测与研究，以此为依据判断其填注效果［32］。而探坑开挖的研究对象主要以注浆材料在路面结构内的分布及浆体间的粘聚情况为主，如曹强风［33］等通过探坑开挖发现某试验路段注浆后浆液主要分布在基层间或基层与垫层之间；部分孔洞补浆后路面有起拱现象，且浆液扩散层面较深，均在1.2 m～1.3 m 之间。连萌［20］等通过探坑开挖对机荷高速公路地聚物注浆试验段进行了研究，地聚物注浆材料沿层间有较大面积分布，且地聚物材料与沥青骨料、水稳材料有较好的黏结作用，如图2～3 所示。

图2 地聚物注浆材料层间分布情况

图3 地聚物与基层材料黏结情况

3.4 复注检测法

复注检测法主要是指道路注浆加固完成并养护一段时间后，采用相同的压力在已经完成注浆的路段两侧重新进行钻孔注浆，然后对比前后两次注浆所用的浆体量，并以此为依据对注浆效果进行分析。师慧［34］等在某道路注浆加固7 d 后采用复注检测法对其加固效果进行了相关研究，道路两侧的平均复注率分别为5.4%和6.8%，均小于标准的30%，注浆效果显著，注浆加固后路基及基层的密实度有了较明显的提高。

4 注浆加固的经济与社会效益

非开挖注浆加固技术在不破坏路面结构的基础上，采用注浆管在一定的压力下将注浆材料注入路基与基层中，将原来松散的碎石或开裂的碎石凝聚成结构体，提高路面承载能力。由于该技术无须对路面结构进行开挖，可将旧路原材料重复利用，节省了大量工程材料，在工程质量得到保证的前提下，该技术具有较直观的经济效益。

非开挖注浆加固技术，避免了道路开挖，减少了施工时间，降低了路面养护过程对交通的影响，确保路面可以在短时间内恢复交通。同时由于非开挖注浆加固技术可以避免对旧路面材料的开挖、换填及废弃物处理等环节，减少施工期间碳排放及粉尘污染，对于路面养护具有较大的社会效益。

5 结语及建议

随着我国道路交通行业的迅猛发展，现有道路非开挖注浆加固技术已难以满足日渐发展的需求，本文整理分析了国内外常用的几种注浆材料种类及性能，阐述了施工工艺及其施工效果评价方法，指明了目前道路注浆加固材料存在的问题，以期为完善非开挖注浆技术体系，促进该技术的推广应用提供支撑。但现有研究还存在较多的不足，道路非开挖注浆技术的研究应在以下几方面继续深入：

（1）道路非开挖注浆加固技术在我国尚处于起步阶段，实际工况以试验路段居多，且大部分路段实施效果观测时间较短，该技术的具体长期效果如何，还应进行长期跟踪观测。

（2）并非所有注浆材料均适用于任一路面病害，应针对其不同路面病害明确最佳注浆材料，注浆材料的确定是确保该技术经济效益发挥的重要保障。

（3）现有技术中主要采用注浆加固前后路面弯沉来评估注浆效果，存在一定的局限性，质量评价验收标准的精细化需进一步完善。