復合注漿技術的發展及其應用要點

黃定慧　黃皓　元野

【摘 要】復合注漿技術是將高壓旋噴注漿法和靜壓注漿法進行時序上的結合，可以發揮高壓旋噴注漿的定向成樁、固結強度高的優點和靜壓注漿擴散范圍大、漿液利用率高的優點。該技術在我國基坑、地下室、邊坡、隧道、壩基等工程建設中已得到廣泛應用。文章圍繞復合注漿方法和復合注漿材料2個方面較為全面地論述了復合注漿技術的發展，并針對復合注漿中可能出現的固結體承載力降低、返漿量不足、冒漿量過大、既有建筑物基礎加固產生附加沉降等可能出現的問題提出復合注漿的應用要點。

【關鍵詞】復合注漿；高壓旋噴；靜壓注漿；注漿方法；注漿材料

【中圖分類號】TU472.6 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）03-0100-04

0 引言

隨著人類社會的進步、科技水平的提高，大規模的土木工程建設越來越多，在改善人民生產、生活條件的同時，也使工程建設面對更多新的挑戰。在工程建設中，地基加固和邊坡治理是常見的工程問題，也是需要復雜工程技術和豐富工程經驗進行治理的重點難題。我國建筑業發展至今，大量的軟土地基需要進行加固處理，注漿技術[1]能適用各種復雜地質條件的地基加固，應用市場潛力巨大；同時，我國有大量的既有建筑物地基和新建建筑物的樁基出現質量問題，需要進行加固處理，但是單一的注漿技術有其固有的缺陷，很難滿足各種復雜條件下的工程需要，復合注漿技術因其具有應用范圍廣、加固效果好的特點而適應了這一市場需求[2]。張成平等[3]人對高水壓富水溶洞注漿機理進行研究，認為其與裂隙巖體的注漿加固有本質的區別；數值計算和分析成果說明復合注漿可起到加固圍巖和堵水的作用。李鵬飛等[4]人認為通過注漿加固海底隧道襯砌堵水，結合隧道排導系統排水，能夠在經濟性較好的小量排水條件下有效地降低復合襯砌外水壓力。張頂立等[5]人研究發現，多種注漿方式和注漿材料，針對不同的地層條件，復合注漿的加固模式也不同；海底隧道復合注漿加固效果的評價指標主要包括地層加固前、后的滲流量降低率、加固體強度及穩定性3個方面。楊悅等[6]人用均勻化方法求得復合材料的等效彈性模量值小于用體積平均法求得的數值，能更真實地反映材料的力學性能。一系列工程實例分析和理論研究成果表明，復合注漿技術應用廣泛、效果顯著，但應用環境復雜，針對復合注漿技術進行相關實驗和理論探究，是十分必要且具有實際工程意義的。

1 復合注漿技術的發展

1.1 復合注漿方法

復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序融合的一種現代化注漿技術[7]。實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旋噴效果，擴散加固漿液，防止固結收縮，消除注漿盲區[8]。

靜壓注漿主要利用靜壓力將水泥漿體注入土體中，水泥與土體黏結到一起，可以改善土體的成分并有效地將松散的土體凝結硬化，或直接填充孔洞，以此來提高整體的承載力，達到設計要求[9]。靜壓注漿方法的主要特點是漿液擴散范圍大，對砂礫石、砂卵石地層的注漿效果好，注漿固結體強度較高，注漿漿液全部進入地層中，漿液利用率高[10]。

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

1.2 復合注漿材料

注漿材料主要可以分為無機注漿材料和有機注漿材料兩大類。1802年，法國工程師查理斯·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，稱之為注漿的開始[13]。黏土是典型的無機材料，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）的發明對土木工程的發展起到了重要的推動作用，同時也揭開了無機非金屬材料應用的新時代。水泥及其拌和物，理所應當地成為主要注漿材料并一直應用至今。氯化鈣是金屬鹽反應劑，可在水玻璃溶液中產生絮狀的帶有負電的親水性分子膠體硅酸，添加無機鹽析出沉淀，將水玻璃與氯化鈣分別注入土體中，瞬間發生化學反應，膠結土體，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，故氯化鈣也會與水泥漿產生類似反應。由于氯化鈣經濟易得、安全無毒、加固效果好，所以在工程中得到了廣泛應用。

在以水泥為代表的無機注漿材料（一般包括純水泥漿類、水泥黏土類、水泥水玻璃漿類等）廣泛應用的同時，有機高分子材料蓬勃發展，也成為重要的注漿材料。有機注漿材料以丙烯酰胺、環氧樹脂、聚氨酯及不飽和酯類等有機高分子物質作為主要成分[15]。有機注漿材料通常具有較高的凝結強度、固結反應速度較快、適用性強的特點，但成本相對較高，而且一些有機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），因此在安全性上應著重考慮。

隨著新時期材料科學的興起，新型注漿材料也如雨后春筍，日新月異。科研工作者和工程人員一直致力于尋找性能優良的注漿材料，并將其特點歸納如下：？譹？訛凝膠或固結體的耐久性好，具有良好的抗滲性，受環境因素影響小；？譺？訛漿液的膠凝或固化時間可以根據需要進行調節，具有較滿意的強度；？譻？訛漿液無毒，對環境無污染，而且灌注工藝比較簡單；？譼？訛注漿材料的來源廣泛，價格相對低廉，貯藏、運輸方便[16]。根據以上要求，國內、外的研究學者針對超細水泥注漿材料[17]、超細粉煤灰注漿材料[18]、聚乙烯醇[19]、醋酸乙烯酯-乙烯[20]、復合纖維素、鈣硅質早強劑注漿材料[21]，以及常用有機注漿材料（如聚氨酯）的改進配方[22]等進行了深入研究。

2 復合注漿應用要點

復合注漿法主要考慮漿液對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作用，漿液對原狀土體的滲透作用，漿液對原狀土體的劈裂作用，漿液對原狀土體的擠密作用[23]。復合注漿中可能出現的問題有注漿深度較大時，易造成上粗下細的固結體，影響承載能力；注漿過程中可能出現返漿量不足或不返漿的情況；注漿過程中也可能出現冒漿量過大的情況；在既有建筑物基礎加固處理時，可能產生附加沉降[24]。針對以上可能出現的問題，在復合注漿過程中需注意以下要點。

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

在注漿過程中，若將孔口完全封閉，注入的水泥漿和置換的巖土無處釋放，將會引起地表隆起，隧道工程或地鐵工程中會引起工作面向外推垮[26]。在注漿過程中，根據地質條件控制注漿壓力，調節返漿流量和控制返漿密度對注漿安全和注漿質量非常重要。施工過程中，需注意測試返漿漿體強度，每天取樣制作返漿試塊，測定不同齡期強度[27]。當采用大循環注漿方式，應注意進漿管流量與返漿管流量之差（進漿量），若進漿量較小，大部分漿液回流重復泵注，對保證注漿質量、縮短工期和節約施工成本起到了很大的作用；應注意監測返漿流量與返漿溫度和流動性，適當混合新漿，避免堵管事故和設備損壞[28]。

當發現噴漿量不足而影響工程質量時，可采取復噴技術；當冒漿量大于灌漿量的20%時，可采用提高噴射壓力、縮小噴嘴直徑、加快提升速度和旋轉速度等措施，對冒出的漿液，可回收利用[29]。現場高噴固結體強度可通過進漿重度、返漿重度及返漿含砂量進行分析，返漿成型固結體強度測試可作為施工中注漿參數調整的依據[30]。注漿過程中，應用水準儀實時監測，沉降量限值為30 mm，地面隆起限值為20 mm；一旦出現沉降量或者隆起值過大，應立即停止注漿，且施工過程中應會同有關單位對既有建筑物采取有效措施，并進行必要的施工監測[31]。

3 復合注漿存在的問題及發展趨勢

注漿工藝的特點是隱秘性強且受注地質條件復雜，雖然學界和工程界在復合注漿技術的相關理論及實踐方面取得了相當豐碩的成果，但仍有一些不足和亟待改進的地方。

（1）新型復合注漿材料的研發。復合注漿技術的改進特別依賴于注漿材料的研發，新型注漿材料的產生會引發注漿技術的大幅度革新，研究高效、快速、安全、可靠、經濟的注漿材料是推動注漿技術發展的重要動力。

（2）復合注漿理論研究相對于復合注漿材料研究的滯后。目前，材料科學迅猛發展，可以用于工程實踐的材料層出不窮，但注漿理論的研究工作并未有大的改進或者突破，理論研究成果用于解釋、指導實踐的效果并不十分理想。

（3）復合注漿技術參數設計的科學性不足。雖然有相應的計算理論進行注漿參數設計，但由于注漿環境復雜多變，注漿效果不易可靠評估，對注漿參數的設計并不能很好地驗證，實踐中常常需要靠經驗進行相關分析，迫切需要有效的參數設計理論和可靠的注漿效果評估方法。

（4）信息化技術的應用發展前景廣闊。目前，在注漿實施過程中，并不能對注漿工程范圍很好地進行整體掌控。電子化探測元件和網絡信息化技術可以完成對物理參數的信息化轉化和信息化處理，使工程技術人員在注漿操作過程中對漿液壓力、流量、黏度及注漿效果進行實時監控，并有助于工程信息化管理。

4 結語

以高壓旋噴注漿和靜壓注漿有機結合的復合注漿技術，是改善地基性質及地下工程施工條件的重要手段，在實際工程中應用廣泛。復合注漿主要具有注漿適用范圍較廣、注漿材料來源廣泛、經濟性好、效果明顯等優點。

隨著材料科學的發展，注漿技術可以利用的材料逐漸增多，應根據實際情況對注漿材料凝結強度、凝結時間、工作性能、與周圍土體結合性能及安全性、經濟性的要求，特別關注注漿施工前對注漿材料的選擇。

注漿施工過程中可能引起注漿范圍不滿足要求、注漿不均勻、冒漿過多、返漿不合格及注漿施工對周圍土體和建筑物的擾動，應及時進行施工監測，采取必要手段優化施工工藝參數，適時采取調整措施。

今后復合注漿技術的發展主要在于新型注漿材料的研發、注漿理論的創新及復合注漿技術參數設計體系的建立和改進；此外，信息化技術將對注漿工藝的發展產生深刻影響。

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[責任編輯：陳澤琦]