復(fù)合注漿技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用要點(diǎn)

黃定慧　黃皓　元野

【摘 要】復(fù)合注漿技術(shù)是將高壓旋噴注漿法和靜壓注漿法進(jìn)行時(shí)序上的結(jié)合，可以發(fā)揮高壓旋噴注漿的定向成樁、固結(jié)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)和靜壓注漿擴(kuò)散范圍大、漿液利用率高的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)在我國(guó)基坑、地下室、邊坡、隧道、壩基等工程建設(shè)中已得到廣泛應(yīng)用。文章圍繞復(fù)合注漿方法和復(fù)合注漿材料2個(gè)方面較為全面地論述了復(fù)合注漿技術(shù)的發(fā)展，并針對(duì)復(fù)合注漿中可能出現(xiàn)的固結(jié)體承載力降低、返漿量不足、冒漿量過(guò)大、既有建筑物基礎(chǔ)加固產(chǎn)生附加沉降等可能出現(xiàn)的問(wèn)題提出復(fù)合注漿的應(yīng)用要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合注漿；高壓旋噴；靜壓注漿；注漿方法；注漿材料

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU472.6 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）03-0100-04

0 引言

隨著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步、科技水平的提高，大規(guī)模的土木工程建設(shè)越來(lái)越多，在改善人民生產(chǎn)、生活條件的同時(shí)，也使工程建設(shè)面對(duì)更多新的挑戰(zhàn)。在工程建設(shè)中，地基加固和邊坡治理是常見(jiàn)的工程問(wèn)題，也是需要復(fù)雜工程技術(shù)和豐富工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行治理的重點(diǎn)難題。我國(guó)建筑業(yè)發(fā)展至今，大量的軟土地基需要進(jìn)行加固處理，注漿技術(shù)[1]能適用各種復(fù)雜地質(zhì)條件的地基加固，應(yīng)用市場(chǎng)潛力巨大；同時(shí)，我國(guó)有大量的既有建筑物地基和新建建筑物的樁基出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，需要進(jìn)行加固處理，但是單一的注漿技術(shù)有其固有的缺陷，很難滿足各種復(fù)雜條件下的工程需要，復(fù)合注漿技術(shù)因其具有應(yīng)用范圍廣、加固效果好的特點(diǎn)而適應(yīng)了這一市場(chǎng)需求[2]。張成平等[3]人對(duì)高水壓富水溶洞注漿機(jī)理進(jìn)行研究，認(rèn)為其與裂隙巖體的注漿加固有本質(zhì)的區(qū)別；數(shù)值計(jì)算和分析成果說(shuō)明復(fù)合注漿可起到加固圍巖和堵水的作用。李鵬飛等[4]人認(rèn)為通過(guò)注漿加固海底隧道襯砌堵水，結(jié)合隧道排導(dǎo)系統(tǒng)排水，能夠在經(jīng)濟(jì)性較好的小量排水條件下有效地降低復(fù)合襯砌外水壓力。張頂立等[5]人研究發(fā)現(xiàn)，多種注漿方式和注漿材料，針對(duì)不同的地層條件，復(fù)合注漿的加固模式也不同；海底隧道復(fù)合注漿加固效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括地層加固前、后的滲流量降低率、加固體強(qiáng)度及穩(wěn)定性3個(gè)方面。楊?lèi)偟萚6]人用均勻化方法求得復(fù)合材料的等效彈性模量值小于用體積平均法求得的數(shù)值，能更真實(shí)地反映材料的力學(xué)性能。一系列工程實(shí)例分析和理論研究成果表明，復(fù)合注漿技術(shù)應(yīng)用廣泛、效果顯著，但應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，針對(duì)復(fù)合注漿技術(shù)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和理論探究，是十分必要且具有實(shí)際工程意義的。

1 復(fù)合注漿技術(shù)的發(fā)展

1.1 復(fù)合注漿方法

復(fù)合注漿方法主要是把靜壓注漿與高壓旋噴的注漿方法完成時(shí)序融合的一種現(xiàn)代化注漿技術(shù)[7]。實(shí)際工程中是先采用高壓旋噴注漿成樁柱體，再采用靜壓注漿增強(qiáng)旋噴效果，擴(kuò)散加固漿液，防止固結(jié)收縮，消除注漿盲區(qū)[8]。

靜壓注漿主要利用靜壓力將水泥漿體注入土體中，水泥與土體黏結(jié)到一起，可以改善土體的成分并有效地將松散的土體凝結(jié)硬化，或直接填充孔洞，以此來(lái)提高整體的承載力，達(dá)到設(shè)計(jì)要求[9]。靜壓注漿方法的主要特點(diǎn)是漿液擴(kuò)散范圍大，對(duì)砂礫石、砂卵石地層的注漿效果好，注漿固結(jié)體強(qiáng)度較高，注漿漿液全部進(jìn)入地層中，漿液利用率高[10]。

高壓噴射注漿是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管在預(yù)定位置以高壓設(shè)備使?jié){液或水、空氣等以20～40 MPa的高壓射流從噴嘴中噴射出來(lái)，沖切、擾動(dòng)、破壞土體，同時(shí)鉆桿以一定速度逐漸提升，將漿液與土粒強(qiáng)制攪拌混合，漿液凝固后形成固結(jié)的水泥結(jié)石體，具備一定的強(qiáng)度，達(dá)到預(yù)定加固的目的[11]。高壓旋噴注漿的主要特點(diǎn)是受土層厚、土的粒徑及密度、硬化劑黏性及硬化時(shí)間的影響較小，適用于淤泥、軟弱黏性土、砂土甚至砂卵石等多種土質(zhì)地層，加固深度和范圍可自由調(diào)節(jié)，連續(xù)或分段均可[12]。

1.2 復(fù)合注漿材料

注漿材料主要可以分為無(wú)機(jī)注漿材料和有機(jī)注漿材料兩大類(lèi)。1802年，法國(guó)工程師查理斯·貝里格尼采用一種木制沖擊筒裝置，并基于人工錘擊方法向地層中擠壓黏土漿液，稱之為注漿的開(kāi)始[13]。黏土是典型的無(wú)機(jī)材料，自此之后，火山灰、生石灰等均作為早期的主要注漿材料。波特蘭水泥（Portland Cement）的發(fā)明對(duì)土木工程的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用，同時(shí)也揭開(kāi)了無(wú)機(jī)非金屬材料應(yīng)用的新時(shí)代。水泥及其拌和物，理所應(yīng)當(dāng)?shù)爻蔀橹饕{材料并一直應(yīng)用至今。氯化鈣是金屬鹽反應(yīng)劑，可在水玻璃溶液中產(chǎn)生絮狀的帶有負(fù)電的親水性分子膠體硅酸，添加無(wú)機(jī)鹽析出沉淀，將水玻璃與氯化鈣分別注入土體中，瞬間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，膠結(jié)土體，填充空隙[14]。水泥漿在組分上與水玻璃有相似之處，都含有一定比例的堿金屬和二氧化硅，故氯化鈣也會(huì)與水泥漿產(chǎn)生類(lèi)似反應(yīng)。由于氯化鈣經(jīng)濟(jì)易得、安全無(wú)毒、加固效果好，所以在工程中得到了廣泛應(yīng)用。

在以水泥為代表的無(wú)機(jī)注漿材料（一般包括純水泥漿類(lèi)、水泥黏土類(lèi)、水泥水玻璃漿類(lèi)等）廣泛應(yīng)用的同時(shí)，有機(jī)高分子材料蓬勃發(fā)展，也成為重要的注漿材料。有機(jī)注漿材料以丙烯酰胺、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯及不飽和酯類(lèi)等有機(jī)高分子物質(zhì)作為主要成分[15]。有機(jī)注漿材料通常具有較高的凝結(jié)強(qiáng)度、固結(jié)反應(yīng)速度較快、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，但成本相對(duì)較高，而且一些有機(jī)注漿材料本身有毒或者需要用特殊的毒性溶劑溶解（如丙酮），因此在安全性上應(yīng)著重考慮。

隨著新時(shí)期材料科學(xué)的興起，新型注漿材料也如雨后春筍，日新月異?？蒲泄ぷ髡吆凸こ倘藛T一直致力于尋找性能優(yōu)良的注漿材料，并將其特點(diǎn)歸納如下：？譹？訛?zāi)z或固結(jié)體的耐久性好，具有良好的抗?jié)B性，受環(huán)境因素影響??；？譺？訛漿液的膠凝或固化時(shí)間可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有較滿意的強(qiáng)度；？譻？訛漿液無(wú)毒，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，而且灌注工藝比較簡(jiǎn)單；？譼？訛注漿材料的來(lái)源廣泛，價(jià)格相對(duì)低廉，貯藏、運(yùn)輸方便[16]。根據(jù)以上要求，國(guó)內(nèi)、外的研究學(xué)者針對(duì)超細(xì)水泥注漿材料[17]、超細(xì)粉煤灰注漿材料[18]、聚乙烯醇[19]、醋酸乙烯酯-乙烯[20]、復(fù)合纖維素、鈣硅質(zhì)早強(qiáng)劑注漿材料[21]，以及常用有機(jī)注漿材料（如聚氨酯）的改進(jìn)配方[22]等進(jìn)行了深入研究。

2 復(fù)合注漿應(yīng)用要點(diǎn)

復(fù)合注漿法主要考慮漿液對(duì)原狀土體的噴射切割作用，漿液與原狀土體的攪拌置換固結(jié)作用，漿液對(duì)原狀土體的滲透作用，漿液對(duì)原狀土體的劈裂作用，漿液對(duì)原狀土體的擠密作用[23]。復(fù)合注漿中可能出現(xiàn)的問(wèn)題有注漿深度較大時(shí)，易造成上粗下細(xì)的固結(jié)體，影響承載能力；注漿過(guò)程中可能出現(xiàn)返漿量不足或不返漿的情況；注漿過(guò)程中也可能出現(xiàn)冒漿量過(guò)大的情況；在既有建筑物基礎(chǔ)加固處理時(shí)，可能產(chǎn)生附加沉降[24]。針對(duì)以上可能出現(xiàn)的問(wèn)題，在復(fù)合注漿過(guò)程中需注意以下要點(diǎn)。

高壓旋噴注漿地基加固處理的控制關(guān)鍵在于固結(jié)體直徑和固結(jié)體強(qiáng)度，在于旋噴速度、提升速度、泵壓、噴嘴形式；因此，旋噴回轉(zhuǎn)速度宜快不宜慢、提升速度宜慢不宜快、噴嘴水平外伸量宜大不宜小，可以保證固結(jié)體的承載性能[25]。

在注漿過(guò)程中，若將孔口完全封閉，注入的水泥漿和置換的巖土無(wú)處釋放，將會(huì)引起地表隆起，隧道工程或地鐵工程中會(huì)引起工作面向外推垮[26]。在注漿過(guò)程中，根據(jù)地質(zhì)條件控制注漿壓力，調(diào)節(jié)返漿流量和控制返漿密度對(duì)注漿安全和注漿質(zhì)量非常重要。施工過(guò)程中，需注意測(cè)試返漿漿體強(qiáng)度，每天取樣制作返漿試塊，測(cè)定不同齡期強(qiáng)度[27]。當(dāng)采用大循環(huán)注漿方式，應(yīng)注意進(jìn)漿管流量與返漿管流量之差（進(jìn)漿量），若進(jìn)漿量較小，大部分漿液回流重復(fù)泵注，對(duì)保證注漿質(zhì)量、縮短工期和節(jié)約施工成本起到了很大的作用；應(yīng)注意監(jiān)測(cè)返漿流量與返漿溫度和流動(dòng)性，適當(dāng)混合新漿，避免堵管事故和設(shè)備損壞[28]。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)噴漿量不足而影響工程質(zhì)量時(shí)，可采取復(fù)噴技術(shù)；當(dāng)冒漿量大于灌漿量的20%時(shí)，可采用提高噴射壓力、縮小噴嘴直徑、加快提升速度和旋轉(zhuǎn)速度等措施，對(duì)冒出的漿液，可回收利用[29]?，F(xiàn)場(chǎng)高噴固結(jié)體強(qiáng)度可通過(guò)進(jìn)漿重度、返漿重度及返漿含砂量進(jìn)行分析，返漿成型固結(jié)體強(qiáng)度測(cè)試可作為施工中注漿參數(shù)調(diào)整的依據(jù)[30]。注漿過(guò)程中，應(yīng)用水準(zhǔn)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，沉降量限值為30 mm，地面隆起限值為20 mm；一旦出現(xiàn)沉降量或者隆起值過(guò)大，應(yīng)立即停止注漿，且施工過(guò)程中應(yīng)會(huì)同有關(guān)單位對(duì)既有建筑物采取有效措施，并進(jìn)行必要的施工監(jiān)測(cè)[31]。

3 復(fù)合注漿存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

注漿工藝的特點(diǎn)是隱秘性強(qiáng)且受注地質(zhì)條件復(fù)雜，雖然學(xué)界和工程界在復(fù)合注漿技術(shù)的相關(guān)理論及實(shí)踐方面取得了相當(dāng)豐碩的成果，但仍有一些不足和亟待改進(jìn)的地方。

（1）新型復(fù)合注漿材料的研發(fā)。復(fù)合注漿技術(shù)的改進(jìn)特別依賴于注漿材料的研發(fā)，新型注漿材料的產(chǎn)生會(huì)引發(fā)注漿技術(shù)的大幅度革新，研究高效、快速、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的注漿材料是推動(dòng)注漿技術(shù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?/p>

（2）復(fù)合注漿理論研究相對(duì)于復(fù)合注漿材料研究的滯后。目前，材料科學(xué)迅猛發(fā)展，可以用于工程實(shí)踐的材料層出不窮，但注漿理論的研究工作并未有大的改進(jìn)或者突破，理論研究成果用于解釋、指導(dǎo)實(shí)踐的效果并不十分理想。

（3）復(fù)合注漿技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性不足。雖然有相應(yīng)的計(jì)算理論進(jìn)行注漿參數(shù)設(shè)計(jì)，但由于注漿環(huán)境復(fù)雜多變，注漿效果不易可靠評(píng)估，對(duì)注漿參數(shù)的設(shè)計(jì)并不能很好地驗(yàn)證，實(shí)踐中常常需要靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)分析，迫切需要有效的參數(shù)設(shè)計(jì)理論和可靠的注漿效果評(píng)估方法。

（4）信息化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展前景廣闊。目前，在注漿實(shí)施過(guò)程中，并不能對(duì)注漿工程范圍很好地進(jìn)行整體掌控。電子化探測(cè)元件和網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)可以完成對(duì)物理參數(shù)的信息化轉(zhuǎn)化和信息化處理，使工程技術(shù)人員在注漿操作過(guò)程中對(duì)漿液壓力、流量、黏度及注漿效果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并有助于工程信息化管理。

4 結(jié)語(yǔ)

以高壓旋噴注漿和靜壓注漿有機(jī)結(jié)合的復(fù)合注漿技術(shù)，是改善地基性質(zhì)及地下工程施工條件的重要手段，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。復(fù)合注漿主要具有注漿適用范圍較廣、注漿材料來(lái)源廣泛、經(jīng)濟(jì)性好、效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，注漿技術(shù)可以利用的材料逐漸增多，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)注漿材料凝結(jié)強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間、工作性能、與周?chē)馏w結(jié)合性能及安全性、經(jīng)濟(jì)性的要求，特別關(guān)注注漿施工前對(duì)注漿材料的選擇。

注漿施工過(guò)程中可能引起注漿范圍不滿足要求、注漿不均勻、冒漿過(guò)多、返漿不合格及注漿施工對(duì)周?chē)馏w和建筑物的擾動(dòng)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)，采取必要手段優(yōu)化施工工藝參數(shù)，適時(shí)采取調(diào)整措施。

今后復(fù)合注漿技術(shù)的發(fā)展主要在于新型注漿材料的研發(fā)、注漿理論的創(chuàng)新及復(fù)合注漿技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)體系的建立和改進(jìn)；此外，信息化技術(shù)將對(duì)注漿工藝的發(fā)展產(chǎn)生深刻影響。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]