瀝青混凝土路面市政道路管線檢查井病害成因與防治

劉春明，魏慧勇，司殿臣，張海軍

(保定金迪地下管線探測工程有限公司，河北 保定 071051)

1 前 言

瀝青混凝土路面市政道路檢查井病害的表現(xiàn)形式主要為檢查井沉陷、井周路面破損、井蓋支座松動、井具損壞，嚴重時表現(xiàn)為井周路面塌陷；井內(nèi)病害的表現(xiàn)主要有抹面脫落、砌縫砂漿破碎流失、砌縫滲漏、砌塊松動掉落等。檢查井路面病害直接導致行車舒適性降低、道路通行能力下降；檢查井內(nèi)部病害引發(fā)井周土體流失，加劇檢查井路面病害，嚴重時引發(fā)井周路面塌陷等。相對于地下管線病害而言，檢查井病害表現(xiàn)直觀，對城市道路交通的影響直接且頻繁發(fā)生，因此市政道路檢修井和井周路面破損的修復是市政維護部門的日常工作之一。瀝青混凝土路面市政道路檢修井病害成因復雜，檢修井和井周路面破損的修復工作長期處于周而復始狀態(tài)，既導致市政維護部門維護工作效果大打折扣，也導致市民的出行體驗不高。

2 現(xiàn)場調(diào)查

為了更詳細地了解瀝青混凝土路面市政道路道檢查井病害情況，筆者于2018年10月～2020年9月分別調(diào)查了某市紅旗大街(東風路-西關大街)、紅陽大街(五四路-東風路)兩個路段市政管線檢查井的損害狀況。

兩條道路橫斷面結構相同，行車道為瀝青混凝土面層、人行道為彩磚道板，其中排水管道位于機動車道，給水和熱力管道分別位于兩側自行車道，電力電纜、路燈電纜、燃氣管道和通信電纜分別位于兩側人行道。道路橫斷面結構如圖1所示。

圖1 道路橫斷面結構

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計可知，井周路面裂縫和檢查井沉陷病害主要發(fā)生在埋設于機動車道的排水管道檢查井，其中個別檢查井井周存在明顯塌陷；自行車道和人行道各類管道檢查井則比較完好。具體如表1所示。

檢查井破壞情況統(tǒng)計表 表1

通過現(xiàn)場開井調(diào)查發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)發(fā)生井周路面裂縫和檢查井沉陷病害的排水管道檢查井普遍存在井座和圈梁之間的水泥砂漿破碎、漏失，如圖2所示。個別井周明顯凹陷的檢查井無水泥砂漿內(nèi)抹面，鋼筋混凝土圈梁與井筒頂部磚砌體間、磚砌塊之間水泥砂漿已經(jīng)嚴重破碎、脫落，砌塊松動，具體如圖3所示。另通過現(xiàn)場調(diào)查分析，個別高出路面檢查井是由于維護施工高程控制不當所致。

圖2 井周路面裂縫病害

圖3 井周路面塌陷病害

2020年8月1日，市政維護人員對紅陽大街井周病害嚴重的檢查井進行修繕。9月25日筆者再次到現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，修繕55天后的檢查井井周混凝土再次出現(xiàn)裂縫，開裂范圍還是在井筒外側與瀝青混凝土交接處，具體如圖4所示。

圖4 2020年8～9月份某市紅陽大街某檢查井

通過現(xiàn)場調(diào)查和參考文獻可知，瀝青混凝土路面機動車道檢查井井周路面破損多發(fā)生在井周 500 mm范圍內(nèi)，如圖5所示。

圖5 井周破損

3 病害的成因分析

市政管線檢查井貫穿道路面層、基層、墊層，深入土基，和城市道路相互依存、相互影響。當?shù)缆烦休d力不足、路基失穩(wěn)、沉降、位移、疏松、塌陷可以引發(fā)或加劇檢查井病害；反之，檢查井的修建和存在破壞了城市道路整體結構，當檢查井發(fā)生沉降、砌縫滲漏會還導致井周路基土體流失，形成疏松、富水、空洞等情況。

3.1 材料差異

檢查井結構復雜，砌體材料多為磚石砌筑，也有部分混凝土結構檢查井，為剛性結構，其中磚石砌筑檢查井砌縫填充材料一般為水泥砂漿。檢查井周圍填充材料多用砂石、原狀土或灰土，為密實度較低的柔性結構。市政道路的路基多為原狀土、灰土，墊層為礫石、碎石、爐渣、石灰土或煤渣土，基層材料多為石灰穩(wěn)定土、水泥穩(wěn)定土、粉煤灰砂礫層等，瀝青混凝土路面和基礎為密實度較高的柔性結構。檢查井砌體材料與檢查井周圍填充材料、路基路面材料抗壓強度等指標存在明顯差異。檢查井不同材料強度如表2～表4所示：

(1)根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》(GBJ10-89)，混凝土強度標準值按表2采用。

混凝土強度標準值(兆帕) 表2

(2)根據(jù)《燒結普通磚》GB5101-2003，燒結普通磚抗壓強度標準值按表3采用。

燒結普通磚強度標準值(兆帕) 表3

(3)根據(jù)《砌體結構設計規(guī)范》GB 50003-2011，燒結多孔磚砌體的抗壓強度設計值(兆帕)和砌體砂漿強度值按表4采用。

磚砌體的抗壓強度標準值 表4

(4)路基強度指標以回彈模量衡量，其中快速路和主干路路基頂面設計回彈模量值不應小于 30 MPa；次干路和支路不應小于 20 MPa。

(5)檢查井與井周路面路基結構如圖6所示。對于磚石砌筑檢查井，差異沉降的重要原因之一是由于井砌體本身與井周路面路基、井周路面路基與周邊道路路面路基抗壓強度、彈性模量等物理力學性能指標存在明顯的差異，在外力作用下會引起形變不一致。

圖6 井周結構

3.2 施工工藝

(1)新建道路由于檢查井的存在，壓實機具設備很難將井周材料壓實，一般采用夯實機具夯實，但是夯實機具在近井周也很難實現(xiàn)精準壓實，導致道路竣工后井周路面結構層和填充材料沉降變形程度大于道路結構層和基礎層沉降變形，進而導致檢查井與路面順接高差變大。

(2)現(xiàn)狀道路改擴建地下管線，由于地下管線密集、空間狹窄，不宜擴大或改變空間尺度，難以按照市政管線綜合規(guī)范敷設居各類市政管線，導致施工工作面狹小(如圖7所示)。受檢查井和原有道路限制，機械夯實機具難以展開，人工夯實力度不足，導致檢查井周邊回填材料壓實度不足。檢查井施工竣工后，由于原有道路已經(jīng)過自然沉降，道路恢復后的檢查井周回填區(qū)域與原有道路密實度有差異，更易產(chǎn)生差異沉降。

圖7 現(xiàn)狀道路檢查井施工

3.3 道路病害

(1)當車輛荷載作用在路面上，使路面結構內(nèi)產(chǎn)生應力和應變，如果路面結構整體或某一結構層的強度或抗變形能力不足以抵抗這些應力和應變時，面層便出現(xiàn)開裂或變形。同時，面層暴露在大氣中，受到溫度和濕度的周期性影響，會出現(xiàn)老化，加劇面層開裂或變形。面層開裂、變形可致使路面的使用功能逐漸喪失，面層開裂透水還會影響路基含水量，導致路基富水和土體流失。

(2)車輛超載、拉鏈馬路對基層、墊層的整體性影響大，導致基層、墊層整體性和承載力不降低，引發(fā)或加劇面層變形開裂、路基不均勻沉降。

(3)城市道路路基多為土路基。土可分為砂性土、黏性土和粉性土。砂性土、粉性土易于水土流失，形成地下疏松、水囊或空洞；黏性土易產(chǎn)生塑性變形和不均勻沉降。當發(fā)生面層透水、基層和墊層整體性降低、地下水位變化、管道破損等，均會導致或加劇路基富水、疏松、沉降或土體流失。路基病害直接作用于地下管線，直接引發(fā)地下管線病害或加劇地下管線病害發(fā)展。

(4)路堤路基、路塹路基易發(fā)生下沉，路基下沉力量巨大，尤其是路基不均勻沉陷，將引起管道和井體縱向偏移、豎向偏移。半填半挖路基還易發(fā)生滑坡，滑坡會導致管道和井體側向偏移。當壓應力、拉應力、剪切應力超過管體和井體強度，便使管道發(fā)生脫節(jié)、錯口、斷裂和井體結構破壞。

(5)管道和檢查井埋設路基土壤中，理想狀態(tài)下管道和井體與周邊土壤共同作用形成穩(wěn)定結構承載來自土壤自重、路面荷載的作用力——管土作用。當路基土體疏松、富水、土體流失形成空洞體或土質太差、水位變化等，均會導致管道和檢查井周邊支撐不足、不均勻，管土作用部分或全部失效，進而導致管道和檢查井變形、開裂等。

(6)荷載變形引起水土流失、富水，井周路基沉降，土體疏松流失，路堤路基與路塹路基不均勻沉陷，管土作用失效等各種道路病害引發(fā)檢查井井體、局部受力不均勻，導致檢查井變形。變形含垂直位移、水平位移、傾斜、裂縫、撓度等，各類變形導致檢查井病害發(fā)生。

3.4 車輛荷載

井體剛性、井周柔性，車輛行駛過程中的沖擊荷載導致井蓋和周邊路面變形不協(xié)調(diào)加大對檢查井的沖擊。現(xiàn)場調(diào)查也證明，市政檢查井井周病害基本都發(fā)生在機動車道，因而可以認為車輛荷載沖擊是檢查井病害的主要成因。

(1)檢查井受汽車荷載沖擊受力分析如圖8所示，汽車荷載作用位置如圖9所示。車輛荷載由 -1 250 mm位置駛入，沿X軸方向向前行駛，到達 1 250 mm位置，車輛荷載移動過程中不同位置應力會發(fā)生變化。

圖8 受力分析點位置圖

圖9 汽車荷載作用位置示意圖

(2)車輛荷載從進入檢查井周邊到離開的過程中，砌體井身上不同點(A、B、C)的壓應力先由小變大，然后又由大變小，當車輛荷載作用在井座中心位置時，C點還出現(xiàn)了小幅的拉應力，如圖10所示。

圖10 不同汽車荷載位置時井身砌體壓應力圖

(3)車輛荷載從進入檢查井周邊到離開的過程中，砌體身上不同點(A、B、C)，砌體邊緣道路面層中豎向分布的不同點(D、E、F)的剪應力變化，如圖11所示，不同點都經(jīng)歷了2次反復剪切的作用。

圖11 不同荷載作用位置時徹體井身剪應力圖

(4)由于井座下墊層、圈梁與井體之間、砌塊之間砂漿材料的抗壓強度要遠小于道路瀝青混凝土面層、井體砌塊或混凝土的強度，在車輛荷載的循環(huán)作用下，砂漿材料首先破碎、流失，導致井座下沉，所以砌體井身的破壞將優(yōu)先于瀝青混凝土面層發(fā)生。井座下砌體井身發(fā)生破壞后，井圈周圍的瀝青混凝土面層將成為一個懸臂結構，在車輛荷載的作用下，懸臂結構的瀝青混凝土面層將出現(xiàn)裂縫，裂縫一般沿井周呈圓形或者放射狀。井周路面破損與檢查井沉陷相互影響和伴隨，但絕大多數(shù)情況下，井周路面破損的發(fā)生多是由于檢查井自身沉陷引起的后期病害表現(xiàn)形式。

(5)大量案例和現(xiàn)場調(diào)查可知，在車輛沖擊荷載作用下，檢查井上部砌體砂漿層首先發(fā)生變形破壞，并對井周差異沉降影響明顯。水泥砂漿材料的破壞首先發(fā)生于井座下墊層，然后才是圈梁與井筒頂面之間、砌塊砌縫砂漿。

(6)根據(jù)表1調(diào)查案例統(tǒng)計可知，市政檢查井井周病害發(fā)生的比例高低依次為機動車道>自行車道>人行道，且機動車道檢查井病害的嚴重程度遠高于自行車道和人行道。

4 病害的防治

瀝青混凝土路面機動車道檢查病害的成因包括車輛沖擊荷載、井周回填不實以及材料差異所致，其中井周回填不實和材料差異又是導致車輛沖擊荷載加重的根本原因。城市道路是車輛通行的通道，限制超載車輛通行是預防市政道路和檢查井病害的必要措施，另一方面改善檢查井砌體材料、井周路基路面材料、施工工藝，提高檢查井與路面承接平順度是解決瀝青混凝土路面機動車道檢查病害的可行和有效措施。

4.1 施工階段預防

(1)適當延長工期：新建檢查井井周回填分層、分時進行，給檢查井基礎和井周回填材料沉降足夠時間，減少施工后沉降落差。

(2)合理選擇填料：合理選擇井周回填材料，選擇易壓實、透水性好、沉降速度快、密實度強，后期不易被壓碎的材料，減少施工后沉降落差。

(3)增設圈梁：磚石砌筑檢查井加鋼筋混凝土圈梁，井座與圈梁、圈梁與井筒之間選用高標號混凝土澆筑整平，分散來自井蓋的沖擊力；圈梁預埋螺栓，用來固定井座，防止滑移。

(4)井座高程控制：井座與路面高程一致、坡度一致，井蓋安裝高度可低于路面 0 mm～5 mm，以減少車輛荷載沖擊。

(5)設置過渡材料：針對井周與井蓋變形不協(xié)調(diào)的問題，設置過渡性材料，提高平順度，可降低車輛沖擊荷載。部分城市采用鋼纖維混凝土，其彈性模量介于球墨鑄鐵井蓋和瀝青混凝土面層之間，有效解決了變形不協(xié)調(diào)問題。

4.2 運行階段治理

現(xiàn)狀檢查井病害的治理應從井內(nèi)、井周和路面三個方面著手。

4.2.1 井內(nèi)病害治理

(1)當檢查井內(nèi)存在抹面脫落；砌縫砂漿破碎、砌縫滲漏、砌塊松動掉落；圈梁與井筒之間、井座與圈梁之間砂漿墊層破碎、脫落等應及時進行修補。

(2)當檢查井砌塊結構基本完好，應首先對砌縫進行嵌補，圈梁與井筒之間、井座與圈梁之間選用高標混凝土或水泥砂漿替換、整平，保證井座頂面與周邊路面順接高差在運行范圍內(nèi)。

(3)當檢查井結構或砌體破壞嚴重，不具備修復更新條件時應從新砌筑檢查井。

(4)檢查井內(nèi)抹面脫落應進行修復更新，修復方法可選擇水泥基噴涂修復、樹脂噴涂修復或玻纖樹脂原位固化修復等工藝。

4.2.2 井周與路面病害治理

(1)井周沉陷的重要原因之一是井周填充材料壓實度、密實度不夠，對此可以采取高標號水泥砂漿注漿回填，以強度換密度，以減少修復后檢查井井周再次沉陷。

(2)為減少井蓋頂面與井周路面變形不協(xié)調(diào)的問題，井周路面病害的修復應選擇過渡性材料，具體見本文4.1相關內(nèi)容。

5 結 語

檢查井病害的成因復雜，與設計、施工和運維管理三個階段不可分，應該分別采取措施，改善檢查井與路面的銜接度，降低差異沉降和車輛荷載沖擊的影響，保證道路行車安全。