新型高聚物隧道注漿材料性能及應用效果研究

2025-07-03 00:00:00吳杰榮

西部交通科技 2025年1期

中圖分類號：U457.3文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.028

文章編號：1673-4874（2025）01-0094-03

0 引言

在城市化進程加快和區域經濟發展的推動下，公路作為緩解交通擁堵、改善交通流暢性和運輸效率的重要基礎設施，其建設和維護變得尤為重要。隧道是公路組成中的重要部分，隨著使用時間的增加和環境的不斷變化，隧道在運行過程中往往會出現各種病害問題，不僅降低了行車舒適度，還嚴重威脅行車安全[1-2]。羅資清等[3]通過實地調研統計了廣西中西部巖溶區111座隧道的結構病害，深入分析了病害所處位置及相關影響因素。楊凱等4通過統計甘肅公路隧道的病害情況發現：結構破碎和滲水是主要病害類型，病害發生與圍巖軟弱有關，且較長的運營時間會導致病害明顯增加。注漿加固是隧道病害處治的常用方法。萬勇等通過對武漢某隧道進行現場洞內注漿試驗，深入分析了二次注漿對改善隧道結構受力和治理橫截面大變形的影響。注漿材料對隧道處治效果的影響較大。基于此，孫立軍通過室內配比試驗、掃描電鏡和能譜縫隙等手段，研究了水灰比和瀝灰比對陽離子水泥乳化瀝青漿液性能的影響。王振軍等提出一種WIS新型注漿材料，基于正交試驗研究了粒徑對該漿液擴散封堵距離的影響。針對西南地區某隧道工程在運營過程中反復出現的底鼓病害，本文提出采用一種新型高聚物注漿材料進行處理，通過室內試驗系統研究了該材料的性能，并通過現場對比試驗對其應用效果進行深入分析。

1工程概況

本研究依托于西南地區某雙線雙向四車道隧道工程。該隧道為左右幅分離結構，總長度為5080m，于2010年建成并投入使用。隧道初期運行狀態良好，但由于其穿越了多層泥灰巖、泥巖等軟弱地層，在季節性降雨及微腐蝕性地下水的長期作用下，隧道逐漸出現了明顯的病害。主要表現為路面沉降開裂、電纜溝傾斜破損等問題，導致行車舒適度降低，并對行車安全構成嚴重威脅。

在過去十幾年中，為了治理隧道病害，相關部門多次采取了拆換結構、增設仰拱等措施。然而，這些措施的效果并不顯著，隧道病害問題仍然存在并影響著隧道的正常使用和維護。

針對該隧道底鼓病害，擬采用新型高聚物注漿材料進行處理。為確保注漿材料的有效性和適應性，本文將對其配合比及性能進行系統研究。

2注漿材料性能研究

2.1材料成分

高聚物注漿材料因其優異的防水性能和耐腐蝕性能，能夠有效應對隧道復雜的地下水環境。相比于常規注漿材料，高聚物注漿材料具有反應迅速、膨脹率高等優點，能夠顯著提高施工效率并增強隧道結構的穩定性，在隧道病害治理中表現出色。然而，由于其價格昂貴、環保性能不足等劣勢，這些材料在實際工程應用中受到了較大的限制。

基于此，本文研究了一種新型高聚物注漿材料，該材料兩種不同組分按 1：1 的配比，通過凝膠反應和發泡反應生成。其中，組分1的主要成分為聚醚，表現為棕色液體，25℃黏度為0.55 密度為 .組分2的主要成分為異氰酸酯混合物，表現為油狀液體，25℃黏度為密度為。兩種組分的具體材料成分如圖1所示。

2.2 性能研究

2.2.1反應性能

將上述兩種組分混合后約6S開始發生反應，反應持續時間約為50s，在不受任何約束條件下自然膨脹形成的聚合物泡沫密度為0 ，且未出現粉化現象。由此可見，該高聚物注漿材料具有固化迅速、質地輕盈、穩定性高等優點。反應后形成的材料內部多為封閉孔，表明該材料具有較好的防水性。

不同密度情況下，該高聚物注漿材料固化后的壓縮強度、抗拉強度、最大膨脹力以及起滲壓力變化曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著材料密度的增加，各項指標均有所增大，說明其內部致密性較高，承載能力較強，表現出優異的力學性能，在實際應用中能夠提供更強的支撐作用。

通過檢測，反應后的固體材料中未發現重金屬成分，表明該材料對環境無污染。在酸性、堿性及多種有機物溶劑條件下，材料的最大體積損失率為 5.5% ，表明該材料具有較好的耐腐蝕性。

2.2.2擴散性能

通過自制試驗裝置，得到裂縫寬度分別為 3m m 6mm和9mm，注漿量分別為350g、650g和850g時的最終擴散距離如表1所示。由表1及試驗過程可知，在裂縫寬度保持不變時，隨著注漿量的增加，材料的擴散距離也越遠。由此可見，當裂縫距離注漿點較遠時，可以選用增大注漿量的方式以增大填充范圍，保障注漿效果。而在注漿量保持不變時，隨著裂縫寬度的增大，材料的擴散距離會減小，這主要是因為在其他條件保持不變時，較大的裂縫需要消耗更多的注漿材料，從而導致了材料擴散距離的縮短。因此，在實際工程應用中，需要根據裂縫寬度調整材料的注漿量。

繪制上述9組試驗的注漿擴散壓力變化如圖3所示。由圖3可知，各工況下的注漿擴散壓力的變化規律基本一致，雖有所波動，但總體表現為注漿點附近壓力最大，隨著距注漿點距離的增大而逐漸減小，最終完全消散。這主要是因為兩種組分接觸后，需要一定時間才能進行反應，故材料會在高壓力的作用下逐漸擴散。隨著反應的進行，漿液體積膨脹，裂縫逐步被填充，最終形成封閉區域。此后注入的漿液只能在區域內部發生反應，進一步導致封閉區域不斷縮小，內部壓力不斷增大，最終表現為注漿孔附近壓力最大。

在裂縫寬度保持不變時，隨著注漿量的增加，其擴散壓力也相對較大。而在注漿量保持不變時，隨著裂縫寬度的增大，材料的注漿壓力會減小。

2.2.3 膨脹性能

該新型高聚物注漿材料在反應過程中的體積和密度變化曲線如圖4所示。由圖4可知，在反應進行的初期，聚合物的體積變化相對較小，這主要是因為兩種組分的接觸不完全。而后隨著反應的進行，聚合物體積出現了快速增長，即此階段兩種組分正快速發生反應。最后聚合物體積逐漸穩定，即兩種組分完全反應。聚合物最終體積約為初始體積的19倍。在體積變化的同時，聚合物的密度也發生了明顯變化，其密度呈現出先快速減小后逐漸趨于穩定的發展趨勢。

3應用效果分析

本文使用高滲透改性環氧樹脂材料（常規高聚物注漿材料）和該新型高聚物注漿材料分別對兩段已出現底鼓病害的試驗段進行注漿處理，并采用落錘式彎沉儀對處理前后隧道路面中心線處的彎沉值進行測量，每個測點間距為5m，其結果如圖5所示。

面均勻性和穩定性方面表現出更優異的性能。

圖5（a）和圖5（b）中均有部分測點在經過注漿處理后，出現了彎沉值增大的現象，這可能是由于檢測過程中銑刨降低了路面剛度所導致的。

4結語

針對西南地區某隧道底鼓病害，為彌補常規高聚物注漿材料價格昂貴、不綠色環保等缺陷，本文提出了一種基于聚醚和異氰酸酯混合物的新型高聚物注漿材料。通過室內試驗對其反應性能、擴散性能和膨脹性能進行系統研究，并通過現場試驗對比了新型材料與常規高聚物注漿材料的應用效果，得出了以下結論：

（1）通過測試新型高聚物注漿材料的反應性能證明，該材料具有固化迅速、質地輕盈、穩定性高、綠色環保等優點。聚合物內部致密性高、整體承載力強，防水性和耐腐蝕性良好。

由圖5（a）可知，在進行注漿處理前，該試驗段不同測點之間的彎沉值差距相對較大，最高處約為而最低處僅為22 ，各測點彎沉均值約為85 而使用常規高聚物注漿材料進行處理后，各測點彎沉值之間的差距有明顯減小，其最高處約為，最低處為21 ，各測點彎沉均值約為66 由此可見，常規高聚物注漿材料不僅能夠有效減小不同測點之間的彎沉差異，而且使得其彎沉均值有明顯降低，故可知該注漿材料可以有效填充裂縫，提高路面的均勻性和整體穩定性，增強其抗變形能力。

由圖5（b）可知，該試驗段不同測點之間的彎沉值差距相對較大，最高處約為269 ，而最低處僅為41 各測點彎沉均值約為而使用新型高聚物注漿材料進行處理后，各測點彎沉值之間的差距有明顯減小，其最高處約為177 ，最低處為，各測點彎沉均值約為90 。使用新型高聚物注漿材料的試驗段彎沉均值降低了42 ，而使用常規注漿材料的試驗段彎沉均值僅降低了19 由此可見，新型高聚物注漿材料對路面測點彎沉值的降低效果要明顯優于常規高聚物注漿材料，即新型材料具有更好的裂隙填充效果，在提高路