鐵路工程中注漿技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

耿琳 蔡德鉤 魏少偉 姚建平

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不同程度的病害在軌道、路基、隧道、橋梁等基礎(chǔ)構(gòu)筑物中時(shí)有發(fā)生［1-5］，影響行車安全。典型病害有：軌道板開(kāi)裂、變形和偏移；路基沉降、偏移；隧道襯砌表面裂縫，底部結(jié)構(gòu)下沉，基底翻漿冒泥；橋墩偏移等。

注漿技術(shù)能在維修天窗時(shí)間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)營(yíng)條件，廣泛應(yīng)用于鐵路線路各類基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維護(hù)工程。為適應(yīng)鐵路提速需要，保證列車運(yùn)行安全，勢(shì)必要求注漿技術(shù)能夠達(dá)到質(zhì)量更可靠、控制更精細(xì)等高標(biāo)準(zhǔn)。為此，鐵路部門結(jié)合施工場(chǎng)地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件差異性，在注漿材料、理論、工藝等方面開(kāi)展了大量的創(chuàng)新研究，發(fā)展了高效、可靠的高速鐵路無(wú)砟軌道沉降病害抬升、結(jié)構(gòu)糾偏技術(shù)，路基沉降偏移整治技術(shù)，隧道底部結(jié)構(gòu)下沉維護(hù)技術(shù)，基底翻漿冒泥病害整治技術(shù)，橋墩糾偏整治技術(shù)。

為促進(jìn)我國(guó)鐵路工程注漿材料研發(fā)與注漿技術(shù)研究，本文在鐵路沿線調(diào)研資料的基礎(chǔ)上，對(duì)鐵路工程中注漿材料、理論、工藝3 方面進(jìn)行綜述，闡述注漿工程研究中存在的問(wèn)題，分析注漿工程發(fā)展趨勢(shì)。

1 鐵路注漿工程類型及特點(diǎn)

鐵路注漿工程（表1）多采用快硬早強(qiáng)，流動(dòng)性、親水性、耐久性好，膠結(jié)能力強(qiáng)的材料，對(duì)軌道、路基、隧道、橋梁等基礎(chǔ)構(gòu)筑物中的巖土體、結(jié)構(gòu)體進(jìn)行加固。

表1 鐵路注漿工程類型

2 注漿理論

漿液在被注體里滲流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，漿液和被注體之間發(fā)生一系列物理、化學(xué)作用，顯著地改變著被注體的力學(xué)特性與工程性能。建立精細(xì)的注漿理論有益于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)注漿擴(kuò)散范圍，合理控制注漿參數(shù)，避免注漿的盲目性，提高效率。

發(fā)展注漿理論首先要考慮的是漿液在被注體中運(yùn)動(dòng)的方式與基本規(guī)律，涉及不同的受注介質(zhì)假定理論以及漿液擴(kuò)散理論。

2.1 受注介質(zhì)假定理論

1）多孔介質(zhì)理論。該理論將巖土體視為由固體礦物組成的土骨架和由土骨架分隔形成的大量密集的微孔隙組成的多孔結(jié)構(gòu)體系。這種多孔結(jié)構(gòu)體系包括各向異性和同性的多孔介質(zhì)。

2）裂隙介質(zhì)理論。該理論將巖土體視為由裂隙分割而成的、漿液在巖土體內(nèi)部裂隙網(wǎng)絡(luò)中自由滲流的不連續(xù)體。

3）等價(jià)連續(xù)介質(zhì)理論。該理論將巖土體中的裂隙在空間上等效處理為連續(xù)裂隙，內(nèi)部每一點(diǎn)均由相通的固體連續(xù)介質(zhì)和孔隙介質(zhì)組成，漿液在孔隙介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)。

4）孔隙-裂隙介質(zhì)理論。該理論假定巖土體由裂隙介質(zhì)體系和巖土介質(zhì)體系組成，裂隙介質(zhì)體系透水性強(qiáng)，巖土介質(zhì)體系透水性弱。漿液能夠在巖土體和裂隙中流動(dòng)，且在裂隙和巖土體中分別流動(dòng)的漿液之間存在顯著的質(zhì)量交換現(xiàn)象。

2.2 漿液擴(kuò)散理論

漿液擴(kuò)散理論是進(jìn)行注漿工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化和評(píng)估的重要技術(shù)依據(jù)，主要可分為牛頓流體漿液擴(kuò)散理論和非牛頓流體漿液擴(kuò)散理論。

2.2.1 牛頓流體漿液擴(kuò)散理論

牛頓流體漿液擴(kuò)散理論將漿液處理為牛頓流體，基于達(dá)西定律發(fā)展了相應(yīng)的柱形擴(kuò)散理論、袖套管法理論、球形擴(kuò)散理論等［6-7］。19 世紀(jì) 40 年代，Maag 提出漿液在巖土體中呈現(xiàn)球面擴(kuò)散的基本假定，率先建立了砂土層中漿液擴(kuò)散的數(shù)學(xué)公式。同時(shí)，Kaorl 等［8］建立了類似的漿液球形擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型?？紤]到靜水壓力作用效應(yīng)，Raffle 等［9］基于球形擴(kuò)散假設(shè)，建立了點(diǎn)源注漿條件下漿液的擴(kuò)散流量與半徑、注漿壓力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了注漿理論的研究工作，并據(jù)此發(fā)展了相應(yīng)的注漿擴(kuò)散理論體系。

2.2.2 非牛頓流體漿液擴(kuò)散理論

實(shí)際注漿工程漿液具有時(shí)變特性，呈現(xiàn)明顯的非牛頓流體特征。建立更符合實(shí)際的非牛頓流體漿液擴(kuò)散理論，對(duì)于工程實(shí)踐更有意義。

文獻(xiàn)［10］研究了均勻砂層的滲透規(guī)律，發(fā)展了考慮漿液黏度和凝結(jié)的球形擴(kuò)散理論。文獻(xiàn)［11］考慮冪律型流體的黏度時(shí)變基本特征，建立了樁端壓力漿液上返理論。文獻(xiàn)［12］發(fā)展了能夠反映外部水環(huán)境、滲濾效應(yīng)且更符合實(shí)際的滲透注漿理論。文獻(xiàn)［13］基于賓漢體漿液的流變方程，進(jìn)一步構(gòu)建了時(shí)變性賓漢體漿液柱-半球形滲透注漿理論模型。文獻(xiàn)［14-15］建立了反映孔隙率、滲透率、孔隙壓縮系數(shù)等參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確描述了多孔介質(zhì)的多場(chǎng)耦合作用?；谄桨逭p模型，文獻(xiàn)［16-17］利用流體流變方程，建立了層流賓漢體漿液理論公式，用于預(yù)測(cè)破裂注漿擴(kuò)散半徑。

可見(jiàn)，為了建立更能反映漿、水兩相液體相互驅(qū)替的復(fù)雜物理過(guò)程，準(zhǔn)確模擬注漿在土層中的滲透過(guò)程，將漿液理論轉(zhuǎn)換為賓漢流體、冪律流體理論，并由此逐步發(fā)展出了賓漢流體型滲透注漿理論和基于驅(qū)替機(jī)制的變流體滲透注漿理論、滲透注漿理論等。

3 注漿材料

注漿材料作為鐵路加固技術(shù)中必不可少的功能性材料，可分為膠結(jié)材料、化學(xué)材料及復(fù)合材料3 類。膠結(jié)漿材包括不穩(wěn)定粒狀漿材（水泥砂漿等）和穩(wěn)定粒狀漿材（水泥黏土等）；化學(xué)漿材包括無(wú)機(jī)漿材（水玻璃類）和有機(jī)漿材（環(huán)氧樹(shù)脂類、聚氨酯類）。常見(jiàn)注漿材料的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用范圍及在鐵路注漿工程中的應(yīng)用見(jiàn)表 2［18］。

表2 常見(jiàn)注漿材料的特性及應(yīng)用

3.1 膠結(jié)注漿材料

膠結(jié)注漿材料通常以水泥漿液為代表，在實(shí)際工程應(yīng)用中，逐漸演化出含有減水劑、速凝劑、膨潤(rùn)土等不同添加劑的復(fù)合膠結(jié)注漿材料［19-23］。減水劑可使?jié){液在保持原有流動(dòng)性的基礎(chǔ)上提高結(jié)石體強(qiáng)度；速凝劑可減少水泥漿的初凝和終凝時(shí)間，使水泥漿液在惡劣的工程條件下仍具有適用性［24］。張超凡等［25］發(fā)現(xiàn)添加適量的膨潤(rùn)土可以使水泥漿液的懸浮性顯著提高。因此，如何發(fā)揮水泥注漿材料優(yōu)勢(shì)、彌補(bǔ)其自身不足，是鐵路工程注漿技術(shù)研究領(lǐng)域的重要課題。

3.2 化學(xué)注漿材料

化學(xué)漿液中丙烯酰胺、脲醛樹(shù)脂等材料普遍具有毒性或需在使用過(guò)程中添加腐蝕性外加劑，不適用于鐵路工程注漿作業(yè)。綜合比較之下，水性聚氨酯類材料作為少見(jiàn)的環(huán)保型有機(jī)高分子注漿材料，具有遇水反應(yīng)快、收縮率低、耐久性高等特點(diǎn)。同時(shí)，其形成的固結(jié)體性質(zhì)比較穩(wěn)定，不受干濕循環(huán)、凍融循環(huán)影響，在寒區(qū)、旱區(qū)鐵路隧道工程中應(yīng)用獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。因此，研制綠色環(huán)保、性質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度較高的注漿材料是鐵路注漿加固工程的發(fā)展趨勢(shì)之一。

3.3 復(fù)合注漿材料

單一組分注漿材料總會(huì)有其獨(dú)具的優(yōu)良特性與不足之處，為兼顧注漿體強(qiáng)度、耐久性、環(huán)境友好程度等因素，復(fù)合材料不失為一種有效提高注漿效果的重要手段［26-28］。例如，復(fù)合材料nano-SiO2由于其表面存在的大量氫鍵和化學(xué)鍵及其較大的比表面積和特有的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水性聚氨酯的機(jī)械性能有明顯增強(qiáng)。因此，充分考慮實(shí)際工程的地質(zhì)條件，研發(fā)對(duì)應(yīng)地質(zhì)條件的復(fù)合注漿材料十分必要。

4 注漿工藝

注漿工藝主要包括注漿施工過(guò)程中所選擇的注漿方法、注漿順序和注漿參數(shù)。針對(duì)不同的注漿對(duì)象，注漿方法可分為對(duì)結(jié)構(gòu)體注漿和對(duì)巖土體注漿。施工過(guò)程中工程和水文地質(zhì)條件決定了注漿順序。注漿參數(shù)有漿液凝膠時(shí)間、注漿分段長(zhǎng)度、注漿量、注漿速度、注漿終壓等。注漿參數(shù)在施工過(guò)程中應(yīng)合理地進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4.1 注漿方法

被注體為巖土體時(shí)，根據(jù)土體孔隙大小及滲透性選擇適用的注漿方法。被注體為結(jié)構(gòu)體時(shí)，根據(jù)裂隙開(kāi)度及貫通情況選擇適用的注漿方法。常用的注漿方法有滲透注漿、壓密注漿及劈裂注漿［29-32］。

4.1.1 滲透注漿

滲透注漿是指在相對(duì)較小的壓力作用下，巖土體孔隙中的自由水和氣體被漿液擠出，土中孔隙或巖石中的裂隙被漿液填充，并與巖土體黏結(jié)結(jié)塊。在整個(gè)滲入過(guò)程中不改變?cè)袔r土體的結(jié)構(gòu)，而改善巖土體物理性能和力學(xué)性能。這種方法適用于砂層注漿。

4.1.2 壓密注漿

壓密注漿是指在相對(duì)較大的壓力作用下，漿液由鉆孔進(jìn)入土體從而加固土體。該方法便于控制漿液用量，適用于加固中砂及能夠充分排水的非飽和土。

壓密注漿主要的加固方法有改良加固和補(bǔ)償損失。加固后的被注體可以很好地滿足上覆結(jié)構(gòu)物糾偏抬升的需求，在抬升的同時(shí)滿足對(duì)被注體的加固。

4.1.3 劈裂注漿

利用較大的壓力將黏稠度較低的水泥或化學(xué)漿液注入受體中，此過(guò)程會(huì)在受體產(chǎn)生一定的附加壓應(yīng)力，受體發(fā)生剪切破壞，劈裂裂縫在此過(guò)程中產(chǎn)生。沿裂隙流動(dòng)的漿液也使得受體中的裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，在此過(guò)程中受注體中會(huì)形成網(wǎng)絡(luò)狀或條帶狀的漿脈結(jié)石體。該結(jié)石體形成具有一定強(qiáng)度的骨架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升受注體的強(qiáng)度和承載力。

劈裂注漿在巖土工程中具有廣泛應(yīng)用，是軟弱土層加固的常用方法，對(duì)于滲透性好的砂層或是滲透性較差的黏土層均有較好的應(yīng)用效果［33-35］。

4.2 注漿參數(shù)

影響工程注漿效果的因素主要有注漿量、分段長(zhǎng)度、速度、終壓以及凝膠時(shí)間。但是，巖土體、結(jié)構(gòu)裂隙具有離散性，漿液擴(kuò)散路徑具有隱蔽性、復(fù)雜性和隨機(jī)性。目前的研究成果難以提供具有針對(duì)性的成套設(shè)計(jì)參數(shù)，致使注漿參數(shù)的確定更多依靠工程經(jīng)驗(yàn)。因此，在鐵路工程注漿病害施工整治中，對(duì)注漿指標(biāo)的參數(shù)化研究、發(fā)展先進(jìn)的注漿信息化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)對(duì)保證注漿質(zhì)量及其經(jīng)濟(jì)效益均具有至關(guān)重要的作用。

5 鐵路注漿技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)外注漿工程研究成果較多，但鐵路注漿工程面臨復(fù)雜地質(zhì)與工程環(huán)境，仍存在一些不足亟待解決。

5.1 注漿理論

注漿理論發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于注漿實(shí)踐，目前關(guān)于漿液擴(kuò)散范圍等的理論公式研究遠(yuǎn)未成熟。大部分計(jì)算漿液在孔隙裂隙中的滲流理論，都會(huì)對(duì)被注介質(zhì)孔隙裂隙進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，故難以反映真實(shí)擴(kuò)散情況，而且大多經(jīng)驗(yàn)公式都是為特定地質(zhì)條件推導(dǎo)得出的，不具有普遍意義。完善注漿漿液擴(kuò)散理論是具有十分重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值的。同時(shí)，模擬是注漿理論研究的常用手段，快捷高效的理論模型能為優(yōu)化漿液用量、科學(xué)設(shè)計(jì)注漿壓力等提供依據(jù)。傳統(tǒng)模型由于非線性的存在，其計(jì)算效率并不樂(lè)觀，導(dǎo)致在有數(shù)百條裂縫的復(fù)雜裂縫巖土體網(wǎng)絡(luò)中模擬注漿滲透過(guò)程需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，實(shí)用性較差。

5.2 新型注漿材料

結(jié)構(gòu)體、巖土體注漿加固技術(shù)在鐵路路基中應(yīng)用廣泛。實(shí)際工程中，往往忽略二者性能需求的差異性而采用同種材料進(jìn)行注漿，導(dǎo)致注漿效果不理想，甚至危害工程安全穩(wěn)定。對(duì)于結(jié)構(gòu)物注漿而言，防水及裂隙填補(bǔ)是首要目的。因此，針對(duì)工程服役作用的異同，研發(fā)滲透性與韌性兼顧的柔性注漿材料是鐵路工程結(jié)構(gòu)物注漿材料研究的發(fā)展趨勢(shì)。研發(fā)聚氨酯與水玻璃復(fù)合而成的有機(jī)-無(wú)機(jī)混合注漿材料有望綜合水玻璃、聚氨酯2 種材料的優(yōu)點(diǎn)，避免各自的缺點(diǎn)，得到兼具低滲透性與韌性的柔性注漿材料，改善單聚氨酯注漿材料的易燃特性。此外，生化領(lǐng)域的發(fā)展推動(dòng)了注漿新材料創(chuàng)新研發(fā)，新材料一經(jīng)應(yīng)用就會(huì)給注漿技術(shù)帶來(lái)巨大突破，非水反應(yīng)聚合物、CW 環(huán)氧樹(shù)脂、MICP、無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合材料等均有待改良創(chuàng)新。

5.3 注漿工藝智能化技術(shù)

鐵路工程病害的注漿整治施工中，常因缺乏先進(jìn)的注漿信息化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，使得實(shí)際注漿施工時(shí)盡量多注，常會(huì)引起加固巖土體過(guò)大沉降、偏移或瞬時(shí)上拱，造成更為嚴(yán)重的二次變形病害。為了確保運(yùn)營(yíng)高鐵軌道的高平順性狀態(tài)，須嚴(yán)格控制注漿量［36］。因此，可能使得施工變形的影響需要更多時(shí)間才能凸顯，常會(huì)引起工期拖延，或在保證工期前提下質(zhì)量達(dá)不到要求，起不到消除病害的作用。

6 有待研究的課題

1）結(jié)合工程地質(zhì)與水文地質(zhì)信息網(wǎng)絡(luò)，借助先進(jìn)計(jì)算機(jī)算法，合理優(yōu)化模型計(jì)算效率。

2）研制注漿新材料，改進(jìn)現(xiàn)有注漿材料，針對(duì)巖土體及結(jié)構(gòu)物特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)水性聚氨酯復(fù)合注漿材料。

3）建立先進(jìn)且高精度的鐵路注漿過(guò)程巖土加固體狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)注漿加固過(guò)程鐵路線路狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋。

4）針對(duì)鐵路線路服役的特征與要求，結(jié)合注漿加固時(shí)效，制定并優(yōu)化與加固體服役狀態(tài)聯(lián)動(dòng)的注漿工藝控制與調(diào)整對(duì)策。