巖土工程不良地質注漿技術研究進展

秦鵬飛，王 莉，晉 芳，李 昂

（黃河科技學院 工學部，鄭州 451000）

隨著“一帶一路”倡議的縱深推進和中國經濟的快速發展，交通、礦山、水電等大型巖土工程項目不斷涌現。由于地質條件復雜，工程建設頻繁遭受塌方、突泥、涌水等災害的侵擾（圖1a 和b），嚴重威脅施工安全，阻礙城市建設進度[1-2]。注漿以其優異的防滲、加固效果（圖1c），在隧道、水利、樁基等各類工程中得到了廣闊應用[3-5]。近年來基于分形幾何、非牛頓流體、劈裂擴散的注漿理論得到了長足發展，新型復合/超細水泥、地聚物、微生物菌液注漿材料取得了重大原始創新，智能、信息化注漿設備取得了卓有成效的進步，有力推動了注漿技術在巖土工程各項建設中的應用。本文對最新研究成果進行闡釋、述評，旨在為推動裂隙巖體、富水砂層加固治理的精細化水平作出貢獻。

圖1 工程病害與注漿加固

圖2 迂曲效應

1 注漿理論

注漿理論是指導注漿工程實踐的基本準則，也是保證優良注漿效果的先決條件。面對廣闊工程建設的需求，注漿理論研究取得了豐碩成果，促使注漿理論研究體系日益豐盈。

1.1 非牛頓流體

賓漢姆（Bingham）流體和冪律（Power-law）流體漿材在隧道、水利等工程建設中得到了大量應用，因而需加強非牛頓流體注漿機理的研究。張慶松等[6]不考慮漿水界面水體對漿液的稀釋作用，建立了恒定注漿速率下Bingham 流體的水平裂隙擴散模型，并推導了擴散區內漿液的黏度、壓力時空分布方程（式1、2）。

式中，μ為漿液黏度，Pa·s；r 為漿液穩定擴散區半徑，m；b 為裂隙寬度，cm；q 為注漿速率，l/min；A、B 為漿液性能經驗參數。李培楠等[7]研究表明，賓漢姆流體漿液壓力損失的主要影響因素有，裂隙開度b、屈服應力τ0、注漿速率q及漿液黏度μ 等，冪律流體的漿液壓力損失則與流變系數n 相關（式3、4）。

式中，Δp 為漿液壓力損失，kPa；q 為注漿速率，l/min；b 為裂隙開度，cm；μ為漿液黏度，Pa·s；τ0為屈服應力，kPa；n 為流變系數；K為稠度系數，Pa·sn。楊志全等[8]基于冪律流體流變方程和多孔介質迂曲度理論，分析了層流狀態下冪律流體多孔介質的滲流規律，推導了考慮迂回曲折效應的冪律流體柱形滲透擴散方程（式5）。

式中，Δp 為注漿壓力差，kPa；n 為流變指數；c 為稠度系數，Pa·sn；ξ 為多孔介質迂曲度，ξ=(Le/L)2；Φ、k 為多孔介質孔隙率、滲透系數，cm/s；μ為水的黏度，Pa·s；L1與L0分別為漿液擴散半徑和注漿孔半徑，cm。

1.2 分形理論

分形理論是描述不規則、具有自相似特征巖土介質的有力工具，在砂礫石土、裂隙巖體等工程問題分析中得到了廣泛應用，目前成為深入開展巖土力學特性分析、解決實際工程問題的新興分支學科。鐘登華等[9]基于分形理論建立了裂隙巖體導水率和注灰量的表達式（式6、7），根據注灰量與導水率關系把灌漿區域劃分為正常區域、微細裂隙區域和水力劈裂區域。

式中，T 為裂隙巖體導水率，cm/s；β 為巖石力學強度參數；Df為分形維數，lmin、lmax分別為最小、最大裂隙跡長，cm；CT2D為二維流動下的注灰量，kg；ρg為漿液密度，g/cm3；ID 為漿液相對擴散距離；lcrit為臨界跡長(cm)。蔡德國等[10]通過盾構隧道壁后注漿試驗發現，砂樣分維數對漿液可注入時間、砂土壓密系數影響較為明顯，砂樣分維數越高，則漿液迂回流動的路徑越長，漿液的有效加固范圍越小。崔溦等[11]引入W-M分形函數表征裂隙壁面的粗糙程度，推導了賓漢姆流體在粗糙裂隙中的單寬流量（式8），分析發現漿液粗糙裂隙單寬流量遠小于光滑裂隙。

式中，q 為裂隙單寬流量，cm3/s；ρ 為漿液密度，g/cm3；df為裂隙孔徑，cm；μ 為漿液黏度，mPa·s；τ0為漿液屈服強度，kPa；D、G 為裂隙分形維數和巖體特征尺度參數；J 為水力比降。

1.3 劈裂注漿

劈裂注漿拓展了巖土介質的孔隙通道，提高了低滲透性地層的可注性，劈裂注漿作為重要的加固技術，逐漸成為注漿理論研究的重要方向。陳湘生等[12]將正常固結黏土的劈裂破壞分為2種：拉伸破壞和剪切破壞。土體單元有效小主應力大于土的抗拉強度，土體發生拉伸破壞（式9），土體單元剪應力超過其極限抗剪強度，則發生剪切破壞（式10）。剪切破壞發生后漿液及時填充土體破裂面，繼而出現拉伸破壞。

式中，σr′為徑向有效應力，kPa；σθ′為環向有效應力，kPa；c′為有效黏聚力，kPa；φ′為有效內摩擦角，°；σ3′為有效小主應力，kPa，受拉時為負值；σt為黏土的抗拉強度，kPa。劉向陽等[13]推導了考慮裂縫幾何形態及漿液流變性的縱向劈裂擴散模型（圖3a），研究發現注漿壓力、注漿速率、被注巖體強度、巖層厚度及漿液性質對劈裂擴散半徑均有顯著影響（式11），巖體強度越高，漿液黏度越大，劈裂擴展所遇阻力越高，有效加固范圍越小。

圖3 劈裂注漿機理分析

式中，KIC為巖石斷裂韌度，MPa·m1/2；E 為巖體彈性模量，MPa；m 為黏度時變參數；q 為注漿速率，L/min；σα為裂隙面上的正應力，kPa。姚茂宏等[14]發現雙孔劈裂時孔間由于干擾產生應力疊加區，孔距越小應力疊加作用越強烈，地應力與孔間應力耦合形成合力矩，改變了劈裂縫的擴展方向（圖3b）。

2 注漿材料

注漿技術的核心要素是新材料，新材料的重大原始創新會帶動注漿技術跨躍式發展。復合/超細水泥、地聚物、微生物菌液材料，價格適宜、綠色環保、結石強度高且耐久性好，近年來受到科研人員的熱切關注。

2.1 復合/超細水泥

水泥材料來源豐富，是目前工程建設的優選材料。李術才等[15]以硅酸鹽水泥、工業廢渣為原料，通過堿激發方式制備了新型水泥基材料EMCG，研究表明EMCG 具有流動性好、水化礦物致密、抗溶蝕性強等特性，廣泛適用于含黏土細砂、風化斑巖等地下工程加固。李保亮等[16]以鋼渣為礦物摻合料制備了復合水泥膠砂，研究發現鋼渣可有效延緩水泥漿液的凝結時間，而水化反應生成的C-S-H、C-A-S-H 凝膠，則可顯著提高水泥膠砂的抗硫酸鹽侵蝕性能。嚴國超等[17]通過添加水溶性聚氨酯（PU）和微量外加劑，研發了復合型硫鋁酸鹽水泥（SAC）材料，測試發現PU 改性硫鋁酸鹽水泥漿液不離析分層，凝結時間可調可控，且具有可泵性強、凝膠結構致密等優良特性。

超細水泥分散性好、比表面積大、活性高，由超細水泥制備的漿液具有良好滲透性和流動性。吳愛祥等[18]采用MCP 超細水泥/水玻璃漿液，對礦山巖體進行注漿加固，發現超細水泥對提升圍巖穩定性和整體強度效果非常顯著。周茗如等[19]對馬蘭黃土進行了超細水泥加固試驗，研究表明超細水泥漿液析水率低、穩定性好，結石體抗壓/抗折強度高、抗溶蝕性強，在濕陷性黃土治理中具有廣泛適用性。PANTAZOPOULOS 等[20]發現水灰比1.4∶1 的超細水泥漿液，析水率為4.6%，水灰比1.6∶1 的超細水泥漿液，析水率則為5.8%，水灰比超過2∶1 后漿液穩定性變差。超細水泥材料基本特性見表1。

表1 超細水泥顆粒特征及力學性能

2.2 地聚物

地聚物（Geopolymer）是一種由硅鋁酸鹽礦物、工業廢棄物為原料，經強堿激發、高溫固化形成的無機膠凝材料。地聚物空間結構呈網狀，由AlO4和SiO4四面體單元組成，具有凝結快強度高、耐高溫耐腐蝕等優良特性。地聚物制備工藝簡單、原料來源豐富，具有極高研究、開發價值[21-22]。

彭暉等[23]研究表明，固化溫度對聚合反應速度及聚合產物力學性能有顯著影響，適當提高固化溫度可以加速地聚反應各階段進程，增加膠凝體產量，但固化溫度過高( ＞80℃) 會急劇加速縮聚而抑制溶解，降低加固效果。俞家人等[24]采用堿激發礦渣微粉對軟黏土進行加固測試，發現經聚合改良后軟土形成方解石、莫來石等礦石，UCS 達5 MPa，地聚物固化軟土受堿激發劑模數、摻量等因素影響。李召峰等[25]研究了鋼渣摻量、機械粉磨、活化溫度等因素，對赤泥-高爐礦渣-鋼渣地聚物力學強度、水化歷程、膠凝性能的影響，發現鋼渣摻量10%、活化溫度700℃、粒徑2.05 mm，赤泥-高爐礦渣-鋼渣基注漿材料抗壓強度高達15.1 MPa。趙彥旭等[26]采用水玻璃堿激發粉煤灰地聚物對黃土進行加固研究，發現堿激發形成的硅鋁酸鈉凝膠產物充填于黃土顆粒間，產物相互膠結形成空間網狀結構，有效改善了黃土孔徑分布，加固后黃土黏聚力c 達550 kPa，內摩擦角達39°。

2.3 微生物菌液

微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）技術利用微生物菌液的新陳代謝活動，實現土建、水電等工程中的裂隙封堵、地基加固（圖4）。菌液可水解尿素產生碳酸根離子，碳酸根離子則與鈣溶液作用形成CaCO3凝膠體，以提高地基土的密實度和抗剪強度。微生物加固土的礦化過程與水泥相同，因而稱菌液和膠結液為生物水泥（Biocement）。MICP 技術具有施工擾動小、反應可控、加固強度高、環境污染小等優點，具有重要的研究價值和廣闊的發展前景。

圖4 微生物加固技術

DHAMI 等[27]對珊瑚砂進行了微觀結構分析和強度、滲透性能測試，發現MICP 加固后珊瑚砂壓縮系數由10-1下降到10-2MPa-1，滲透系數由10-2cm/s 下降到10-4cm/s，UCS 強度達到14 MPa 左右。尹黎陽等[28]發現MICP 加固的適宜溫度為20~40℃，適當提高膠結液中尿素-鈣離子的濃度比可提升脲酶活性，增加礦化物產量。劉鵬等[29]指出微生物固化作用改變了土的原狀結構，微生物加固后土的峰值強度、殘余強度明顯提升，具體數值受碳酸鈣生成量、試驗圍壓等因素影響。練繼建等[30]發現菌液濃度、膠結液濃度和礦化反應時間對Ca2+利用率有顯著影響，膠結液濃度高于750 mmol/L 時，CaCO3晶體在砂土內部呈簇狀發展。劉漢龍等[31]基于振動臺試驗研究了MICP 加固鈣質砂的動力性能，發現經固化處理后鈣質砂具有較高的循環剪切阻力，液化特征由“流滑”轉變為“循環活動性”。

3 注漿設備

山東大學張霄等[32]研發了流速穩定、壓力可控的手搖式注漿泵，通過內置的偏心旋轉系統可將漿液壓入受注介質。齊夢學等[33]研制了轉矩8 000 N·m、沖擊力450 kN 的履帶鉆機（圖5a），其配套有10 MPa、360 L/min 漿液輸出能力的液壓系統，能顯著提升隧道鉆孔、注漿作業速率。樊啟祥等[34]基于三區五段控制模型iGCM 與P-Q-C-t 實時聯動控制方法，研發了水泥灌漿信息采集、調控的成套設備iGC（圖5b）及管理平臺iGM，可有效實現灌漿設計、分析評價的協同管理。

圖5 新型智能注漿設備與系統

室內模型試驗可觀測漿液的擴散、分布形態，準確分析軟弱介質的注漿加固機理。秦鵬飛[35]以漿液自流方式研究了砂土滲透注漿漿液的擴散規律，探討了孔隙比、注漿壓力、水灰比等因素對擴散半徑的影響（圖6a）；王曉晨等[36]基于自主研發的裂隙注漿試驗平臺，研究了析水作用下水泥漿液的擴散特征，揭示了水灰比、漿液壓力的變化規律（圖6b）；李昂等[37]設計了一套可視化封堵注漿試驗裝置，可以監測動水環境下漿液- 骨料滲透擴散的全過程，對揭示截流堵水本質具有一定的科學意義。

圖6 室內注漿模型試驗

4 結語

注漿技術因其優異的防滲、加固效果，在隧道、水利及樁基等各項工程建設、運營維護中發揮著重要作用。近年來注漿理論、注漿材料與注漿設備研究取得了巨大的發展，全面提升了工程項目建設的質量和經濟效益。從非牛頓流體、分形理論和劈裂注漿方面對注漿理論進行了闡釋述評，并從復合/超細水泥、地聚物和微生物菌液方面對注漿材料進行了探討分析，最后對大功率鉆探、智能灌漿技術進行了梳理總結。注漿技術的發展進步，必將進一步推動巖土工程建設的精細化質量和水平。