城市道路挖掘修复路面病害与实用修复技术
随着我国城市发展和城镇化进程的不断推进，城镇道路地下管线工程日益增多。当前，国内外地下管线的调整和增设方式主要采用掘路明埋施工手段，但其不仅影响沿线交通、对城市环境产生不良影响，而且破坏了既有路基路面的整体结构，导致修复后的路面使用性能和运营寿命较开挖前大为下降。为最大限度降低掘路明埋工程对城市既有路基路面结构整体性和周边环境产生的不良影响，采用既有工程及资料调研相结合的方法，系统地论述了道路挖掘明埋工程的分类因素、常用方式、相应的病害类型和成因机理，并根据损坏原因提出了满足不同工程特点的实用修复技术与措施。
1.掘路明埋工程的分类因素及方式
掘路明埋工程的分类因素与开挖走向、埋设位置和路基回填厚度有关。开挖走向指沟槽开挖方向与道路走向的关系。埋设位置指管线在道路横断面上的具体布置位置，其决定了修复区域有无行车荷载作用。路基回填厚度则决定了沟槽开挖宽度和施工机械的操作状况。将各分类因素的特征描述如表1。据此，可将掘路明挖的工程方式分别6种方式，表2汇总了各工程方式及其工程特点。
表1掘路开挖方式的分类因素
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特征描述 |
分 类 因 素 |
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Ⅰ.开挖走向 |
Ⅱ.埋设位置 |
Ⅲ.路基回填厚度 |
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① |
纵向开挖 |
人行道 |
较薄 |
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② |
横向开挖 |
非机动车道 |
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③ |
块状开挖 |
机动车道 |
较厚 |
2.掘路明埋修复路面常见病害
道路开挖后，其整体结构受到破坏，路基和路面受到剪切，严重损坏了路基、路面的强度和稳定性，降低了道路整体功能，以致出现不同类型的路面损坏。当前福州城市掘路明埋修复常规情况下，在交通压力不是特别大的地方，白色路面按白色路面修复，黑色路面按黑色路面修复，人行道按原状修复。在交通压力大的路段就都按黑色路面修复，修复后路面结构形式是20cm山皮石垫层、20~30cm水泥稳定砂砾（碎石）基层、沥青面层，或者是15~20cm级配碎石垫层、20~30cm的C20商品混凝土基层、沥青面层。
调研结果表明：在沥青混凝土路面掘路修复中，挖掘修复区域道路在行车荷载作用下主要出现沉降、平行开裂、龟裂、路面坑洞和突起（如图1-4）。其中，沉降破损是沿着行车轨迹，修复区域道路出现明显的路表沉降；平行开裂是开挖与非开挖区域接触位置出现两条相平行的裂缝；龟裂是修复区域道路出现不同程度的龟裂现象，其中横向开挖尤为严重；路面坑洞和突起是修复区域道路边缘出现坑洞损坏，其中部分的修复区域道路出现路面突起。在水泥混凝土路面掘路修复中，除了局部出现一些坑洞和填缝料损坏之外，并未出现严重的路面损坏。
表2掘路明挖的工程方式
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特征描述 |
工程方式 |
工程特点 |
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① |
人行道或非机动车道开挖 |
开挖深度不定，无行车荷载作用，修复后路面状况良好。 |
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② |
机动车道＋纵向开挖＋路基回填厚度大于40cm |
管道埋设深、沟槽宽度大、小型夯实机械操作方便，但路基回填厚度较大，需要分层夯实。 |
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③ |
机动车道＋纵向开挖＋路基回填厚度0~40cm |
管道埋设浅，路基回填厚度较薄，不需要分层夯实，但沟槽宽度较窄，施工机械操作不便。 |
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④ |
横向开挖＋路基回填厚度大于40cm |
管道埋设深、沟槽较宽、小型夯实机械操作方便。但路基回填厚度较大，需要分层夯实，同时繁忙路段要求尽快恢复交通。 |
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⑤ |
横向开挖＋路基回填厚度0~40cm |
管道埋设浅、回填土厚度较薄，不需要分层夯实。但沟槽宽度较窄，施工机械操作较便，同时繁忙路段要求尽快恢复交通。 |
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⑥ |
“块”状修复 |
工程特点是沟槽开挖常伴有明水出现，要求施工速度快，并即刻恢复交通。 |
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3.病害的成因机理分析
道路挖掘后修复区域路面出现的各种病害，其产生的原因是多方面的，如沟槽本身空间有限给施工带来困难、设计未充分重视、施工质量未达到要求等。调研资料分析表明：道路挖掘区域（开挖区域）产生了过大的变形，导致与非开挖区域之间存在差异变形，是导致修复区域路面破损的主要原因。
3.1回填材料压密变形
现有沟槽路基多数采用挖出的原状土、路面弃料以及砂进行回填。这些材料往往未经晒干和疏松处理就用于回填，不利于回填料间的相互挤密，达不到整体密实的效果，容易留下空隙。在施工过程中，有些单位在回填管两边及管顶20~30cm时，为了怕管体移位，而采用人工回填，中上层则用自卸汽车从高处自然落下，然后用压力减小石料间空隙，既不分层整平，也不全面振捣，回填难以达到一定的压实度及强度要求。此外，沟槽回填的压实机械存在许多不足。受到沟槽宽度的限制，普通道路的压实机械难以发挥效应，多数沟槽夯实采用平板夯和振动夯，在夯实中易留下死角。由于上述填料、施工及机械等原因，在自重和行车荷载作用下，新回填土路基继续趋于密实，导致路基顶面出现不均匀沉降，表现为路表的局部沉陷或严重车辙。当路面出现裂缝等病害后，雨水由此进入，进一步降低回填材料的强度，加剧其压密变形。
3.2不均匀沉降导致路面破坏
当路基顶面出现不均匀沉降后，在行车荷载的作用下，路面结构发生跟随位移，在路面结构内产生位移附加应力。附加应力表现为两种形式：一、在不均匀沉降的作用下，路面基层产生弯拉应力；二、若在回填和非回填区域产生错台，则在该部位产生剪切应力。当位移附加应力和行车荷载引起的荷载应力之和超过路面材料强度时，路面结构产生破坏，表现为回填区域与原道路结合部位置出现两条相平行的裂缝，如图1所示。
3.3路面整体强度不足
道路挖掘工程的难点之一在于施工期间难以封闭交通。在交通量大且不能中断的情况下，半刚性基层的施工与养生困难，在行车荷载作用下，基层极易变形破坏，导致路面整体强度急剧下降。养护过程中不同程度地产生断板、错台，其原因在于半刚性基层施工期间7d劈裂强度约0.15~0.25MPa，20cm左右厚的基层不足以承受超载车辆产生的弯拉应力，导致其产生强度破坏，即使基层在施工期间承受行车荷载作用而未暴露断裂、网裂等破损，其损伤已潜伏在基层中，随着损伤的积累，基层刚度逐渐降低，最终导致路面破坏。
3.4坑洞和突起
修复区域由于沉降变形易在路表形成凹洼面而积水或开挖与非开挖区域接缝未处理好而使雨水侵入，致使沥青路面长期受水浸泡，并在车辆荷载作用下出现坑洞。有时管线埋置人员考虑到沟槽路基回填不易压实，为避免路面下陷而在回铺沥青混凝土时预留下陷高度。但是，若该修复道路在回填时路基压实较好，则预留部分无法下降，反而造成路面突起，不利于车辆行驶。
4实用修复技术与措施
4.1分类方法
掘路工程的病害根源是修复区域存在过量变形，因此，掘路修复处治的根本目的就是控制修复区域的变形。不同工程条件下（如开挖方式、道路等级、交通量、开挖位置、深度和宽度），修复区域的主导变形不尽相同，因而掘路修复处治措施应当在明确变形控制途径的基础上，根据具体工程的特点和各项措施的适用条件选择修复技术和处治措施。按照修复部位，将变形控制技术划分为3大类：沟槽内部处治、外部处治和综合处治。按照修复时间将修复技术分为：常规修复技术和快速修复技术（如表3）。
表3修复技术分类
道路挖掘
修复技术 |
分
类因素 |
处治位置 |
沟槽内部处治 |
提高沟槽路基抗变形能力
合理选用槽内管材类型 |
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外部处治 |
两侧开挖台阶式修复结构 |
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综合处治 |
接触面处治、路面结构连续修复 |
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修复时间 |
常规修复 |
选用普通修复材料 |
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快速修复 |
选用快速修复材料 |
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4.2修复机理与技术要求
4.2.1提高沟槽路基抗变形能力
沟槽回填土路基超过一定厚度时，在道路恢复运营过程中容易产生压密变形，进而增大修复区域在行车荷载作用下的路表变形，此时新回填土路基占据变形的主导因素。所以减小行车荷载作用下新回填土路基的压密变形为此类开挖方式下沟槽处治的核心措施。
工程实践表明：企图采用原状土回填沟槽，并通过压实度来提高路基抗变形能力是不可行的。若整个沟槽均采用中粗砂回填，由于其整体稳定性较差，一旦遇到流水后，易发生冲刷和流砂现象而导致沟槽沉降。为此，经过多方面调研，结合材料施工简便、造价经济和整体稳定性等，提出采用水泥稳定砂（水泥剂量为2~3%）作为回填材料，并要求管顶以上25cm范围内回填路基表层的压实度不应小于87%，其它部位回填路基的压实度应符合表4的规定。
表4沟槽回填路基的最小压实度
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由路槽底算起的深度范围（cm） |
道路类别 |
最低压实度（%） |
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重型击实标准 |
轻型击实标准 |
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≤80 |
快速路及主干路 |
95 |
98 |
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次干路 |
93 |
95 |
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支 路 |
90 |
92 |
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＞80~150 |
快速路及主干路 |
93 |
95 |
|
次干路 |
90 |
92 |
|
支 路 |
87 |
90 |
|
＞150 |
快速路及主干路 |
87 |
90 |
|
次干路 |
87 |
90 |
|
支 路 |
87 |
90 |
4.2.2合理选用污水管类型
现行污水管一般采用UPVC、HDPE或者是玻璃夹砂管，采用柔性管常规情况下没有混凝土管基、管座；雨水管再直径大于500的一般采用钢筋混凝土管，钢筋混凝土管一般都采用C15混凝土管基和C15混凝土管座，小于500的雨水管也多数采用柔性管，柔性管一般只设计碎石灌砂垫层或是砂垫层。现在福州在进行城市水环境建设很多地方在旧路下埋设污水管，在回填材料密实度上要求管顶50cm内密实达87%以上，管两侧及其他位置密室度要求达到95%以上。
4.2.3开挖台阶式修复结构
浅层埋设管道时（路基回填土厚度介于0~40cm），路基回填土厚度较薄，行车荷载作用下压密变形小，此时沟槽回填路基为非主导因素。但是管道埋设浅，相应的沟槽宽度窄，纵向开挖时施工机械操作不便，以致结构层的压实度达不到要求；横向开挖时修复区域受轮载作用大，比纵向开挖增大了2倍、4倍、6倍甚至8倍，以致增大修复区域的路表变形，此时轮载占据变形的主导因素。因此，减小修复区域轮载作用为该类开挖方式下沟槽处治的核心措施。通常减小修复区域轮载作用的途径是提高开挖与非开挖区域的共同作用，增设过渡段，具体表现为结构层向沟槽两侧扩宽形成台阶式修复结构。
原有《规程》要求路面修复时整修沟槽两侧各50cm宽的结构层，但若施工时完全按照此要求实施，需要占据很大的道路空间，影响道路交通。因此，结合实际可操作状况，采用台阶式修复结构的沟槽处治方法应遵循以下两个原则：#p#分页标题#e#
（1）台阶式修复结构适用于慢车道掘路，开挖台阶所占据道路空间不影响交通；
（2）开挖宽度越狭窄，根据实际开挖宽度来适当调整扩宽宽度，扩宽后的沟槽宽度不应小于小型二轮压路机最小的操作宽度。通常比较合适的台阶宽度和设置原则，见表5。
表5台阶宽度和台阶设置
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开挖状况 |
开挖宽度＜80cm |
80cm≤开挖宽度< 120cm |
开挖宽度≥120cm |
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台阶设置 |
面层各扩宽30cm、
基层各扩宽15cm |
面层各扩宽20cm、
基层各扩宽10cm |
建议采用其他
修复技术 |
4.2.4路面结构连续修复与加筋处治
通常掘路修复后，路面结构沿某个方向是不连续的层体，存在接触界面。但少数掘路工程，在沟槽修复后，将面层铣刨一定厚度重新铺筑沥青混凝土，则该新铺层是连续的层体。同样部分翻新改造道路，在铺设管道之后将半幅或整幅路的基层和面层重新铺筑，从而使路面结构形成连续的层体。沟槽路面结构形成连续层体后，对行车荷载作用下的变形和应力将重新分布。
沟槽结构修复加筋位置通常位于土基和基层之间，或者基层与面层之间，如图2和图3所示，根据实际掘路状况，加筋层数可以为1~2层。
4.2.5加强接触界面处治
行车荷载作用下，开挖与非开挖区域的不协调变形，导致接触界面产生剪切应力，当剪切应力大于接触界面的极限摩阻力时，便发生剪切破坏。所以，沟槽处治一方面减小修复区域变形，控制与非开挖区域之间的不协调变形，另一方面采取处治措施来加强接触界面的摩阻力。
通常管道两侧的回填土路基难以夯实，易留下空隙，因此沿两侧接触界面贯入水泥净浆，形成水泥处治土，提高界面的摩阻力。对于沟槽开挖采用钢板支撑，在拔出钢板桩后留下的空隙位置，可选用水泥砂浆灌入，以利粘结周边的回填料和旧路基，增强界面摩阻力，同时提高路基强度。
结构层接触面处治除了加强开挖与非开挖区域良好结合外，还应防止路表雨水的侵入，减少修复区域的水损坏。选用粗粒式沥青碎石或粗粒式沥青混凝土作为修复结构基层以及沥青混凝土作为修复结构面层时，采用乳化沥青处治接触界面；选用水泥稳定粒料作为修复结构基层时，则采用水泥净浆处治接触面。沟槽不同接触界面位置的处治方法见表6。
表6接触界面处治方法
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处治部位 |
处治状况 |
处治方法 |
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回填路基 |
两侧机械难以夯实，易留下空隙 |
水泥净浆 |
|
采用钢板桩支撑沟槽，拔出钢板桩后留下空隙 |
水泥砂浆 |
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路面结构 |
采用粗粒式沥青碎石或粗粒式沥青混凝土作为修复结构基层，及沥青混凝土作为修复结构面层 |
乳化沥青 |
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三渣、水泥稳定作为修复结构基层 |
水泥净浆 |
5结论
通过对福州市城镇道路工程实践的调研与总结，借鉴国内外已有研究成果，系统地论述了道路挖掘明埋工程的主要工程方式、常见病害及其成因机理，并提出了满足不同条件的实用修复技术与措施，如下：
（1）在大量调研工作的基础上，采用概化分析的方法，以开挖走向、埋设位置和路基回填厚度作为掘路工程的分类因素，将掘路工程分为6大类，为掘路修复设计和施工提供了依据。
（2）现场调研结果表明，掘路工程常见病害有沉降、平行式开裂、龟裂及坑洞（突起）等四大类。掘路工程的病害根源是由于沟槽修复后出现过大变形，以致与非开挖区域产生不协调变形。#p#分页标题#e#
（3）在明确掘路修复病害机理和路表变形控制途径的基础上，按照处治部位和修复时间，将掘路修复处治技术分为内部处治、外部处治和综合处治及常规修复、快速修复等五大类，并提出了不同开挖条件下各类处治技术的技术要求。
参考文献
1、钱金石.污水管道槽的砂回填新方法.[J]中国给水排水,2000,16(10):50-51
2、胡锡隆.粉煤灰混合料在旧路沟槽回填中的应用研究. [J]粉煤灰.1995,(4):28-32
3、刘邵元，赵磊，李学民.旧城市政管道改造中的沟槽快速回填. [J]南华大学学报（理工版）2002,16（3）:34-36
4、佟泽林.市政工程施工手册[M]. 北京市政工程局.1990.
5、 段绍伟.沈蒲生.深基坑开挖引起邻近混凝土路面断裂分析. [J]工程力学,2004, 21(3):40-43.
