注浆综述

1 概述

注浆又称为灌浆，是将一定材料配制成浆液，用压送设备将其通过钻孔注入地层中颗粒的间隙、土层的界面或岩层裂隙内，使其扩散、胶凝、固化，以达到加固地层或防渗堵漏的目的[1]。

注浆主要起加固和防渗作用。加固体现在某些浆液发生了能产生胶结力的化学反应，把碎石或土粘结起来，使岩体或土体的整体性得到加强；或特殊的施工工艺如挤密注浆，在将浆液压入地层的过程中，对周围的土体产生挤密作用，使土层的承载力或抗液化能力得到提高。防渗体现在浆液在岩土裂隙、孔隙中凝固结石，把地层中的孔隙充填起来，以阻止水流，提高地层的抗渗性。

注浆技术因其工期短、见效快等特点，在众多领域得到广泛应用，如地基加固及防止建筑物沉降、地铁隧道加固、路基路面加固、边坡支护中锚杆加固、大坝提防的防渗帷幕等。

注浆一般根据注浆压力及作用方式分为静压注浆和高压喷射注浆两大类[2]。根据地质条件、注浆压力、浆液对土体的作用机理、浆液的运动形式和替代方式，静压注浆又可分为充填注浆、渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆四种。本文主要研究其中的渗透注浆。

渗透注浆是指在不破坏地层土颗粒排列的条件下，浆液充填于颗粒间隙中，从而取代、排出其中的空气和水，将颗粒胶结成整体[3]。

2 注浆技术的发展史

2.1 国外注浆技术发展史

1802年，法国人查理斯·贝里格尼在修理第厄普冲刷闸时，用一种木制冲击筒装置，人工锤击方法向地层挤压粘土浆液，被称为注浆的开始。1826年英国的阿斯普丁发明了硅酸盐水泥，1838年英国汤姆逊隧道开始用水泥进行充填注入。大约在1856年~1858年间，英国人W.R.Kinippe第一次把水泥用于注浆。1880年~1905年，美国的托马斯、霍克斯莱相继研制了压缩空气注浆机和类似现在使用的压力注浆泵，用于注浆施工。

荷兰采矿工程师尤斯登在1920年首次采用水玻璃、氯化钙双液双系统二次压注

法，被认为是应用化学注浆技术的开始。注浆技术有系统的改进始于美国科罗拉多河上的胡佛坝基的帷幕注浆，为了补救因开挖基坑引起的裂缝，进行了加固注浆。根据胡佛坝基的注浆工程实践，首次制定了注浆工程设计和施工规范。1951年美国首先研制出了粘度接近于水、凝胶时间可任意调节的丙烯酞胺类树脂浆液AM-9，后来又研发了丙烯酸盐类、脉醛树脂类、木质素类等化学注浆材料。20世纪80年代初，日本率先研制成功了MC-500型超细水泥注浆材料。随后美国、德国、瑞士等也相继研制出了一批高质量的超细水泥注浆材料，并成功应用于水电、地铁、隧道、油井等防渗补强施工中。到目前为止，各种各样的化学注浆材料已达上百种。

2.2 国内注浆技术发展史

现代注浆技术在我国的发展历史较短，五十年代才开始应用于土建工程中。1953年，黑龙江佳木斯市首次采用水玻璃进行注浆堵水。从1959年起我国开始对化学注浆进行研究，先后研究和开发出了丙烯、铬木素、聚氨酷、甲醛、环氧树脂、粉醛树脂等各种浆材，并用到水利水电工程、矿山坑道建设和地质钻孔漏失问题的处理等工程建设中。

70年代我国开始在岩溶发育地区修建高坝，为解决这类地质条件下坝基渗透的问题，发展了帷幕注浆法。我国于1975年首先在铁道部门进行单管法的试验和应用。1977年冶金部建筑研究总院在宝钢工程中首次应用三重管法喷射注浆获得成功[4]，并于1986年又开发了高压喷射注浆的新工艺──干喷法，并取得了国家专利。

注浆材料方面，中科院化学家戴安邦研究员提出的硅酸聚合机理，较好地解释了水玻璃的凝胶现象，推动了我国水玻璃注浆材料的发展；中科院广州化学研究所叶作舟研究员研制出高渗透性的“中化-7980”环氧树脂类补强固结化材料；2001

年但新民对湖泥作为注浆材料的前景作了初探[5]；2002年殷素红、文梓芸对低品位石灰岩用作注浆材料的性能及其反应机理进行了试验研究[6][7]。除此之外，我国近几年在超细水泥[8]、水泥粉煤灰[9]、水泥粘土[10]、新型水泥复合浆液[11]、大掺量煤矸石粉[12]、高分子化学注浆材料[13]、轻质速凝堵漏注浆材料[14]等方面的应用研究也非常多。目前我国可自行生产多种浆材，且这些浆材具有可注性能好、抗渗能力强、胶凝时间易于控制及固结强度高等特点。

3 渗透注浆理论研究现状

注浆理论是借助于流体力学和固体力学的理论发展而来的，对浆液的单一流动形式进行分析，建立压力、流量、扩散半径、注浆时间之间的关系。确定浆液扩散半径是进行注浆设计及质量评价的重要环节，直接影响注浆效果。几十年来，国内外学者对渗透注浆进行了众多理论和试验研究，发展了渗透注浆理论。主要有球形扩散理论、柱形扩散理论、卡洛尔理论、袖套管法理论和拉夫莱理论等。

Maag 于1938年，首先应用达西定律作为物理方程推导出浆液球形扩散理论公式。该理论作出以下假定：①被注砂土为均质的和各向同性的；②浆液为牛顿流体；③采用填压法注浆，浆液从注浆管底端注入地层；④浆液在地层中呈球状扩散；⑤重力影响作用忽略不计。简化模型如下图。

图1 浆液球形扩散示意图

根据达西定律

k g Q Ait = （1）

其中

k k =g β，2=4r A π，d =h i di

根据边界条件，由式（1）推出

00111h 4Q H Kt r r βπ??-=- ???

，()0014h 11=Kt H r r Q πβ-??- ??? （2） 已知01h H h -=，34r 3Q n π=，同时考虑，于是010

111r r r -≈，式（1）、（2）可化简为

3103r n t kh r β=

，1r = （3） 式中，K ──砂砾层的渗透系数(cm/s)；

Q ──注浆量(cm 3)；

k g ──浆液在地层中的渗透系数(cm/s)；

β──浆液粘度对水的粘度比；

A ──渗透面积(cm 2)；

r 、r 1──浆液的扩散半径(cm)；

h 、h 1──注浆压头(cm)；

h 0──注浆点以上的地下水承压水头(cm)；

H ──地下水压头和注浆压头之和(cm)；

r 0──注浆管半径(cm)；

t ──注浆时间(s)；

n ──砂土的孔隙率。

球形扩散理论将具有一定粘度浆液的运动状态当成与地下水运动状态相同的匀速运动，适用于浆液为牛顿流体、均质各向同性的无粘性土，并且是在点源注浆情况下。实际注浆时，浆液并非全是牛顿流体，被注介质也不是均质土。因此，球形扩散理论既有普遍的适用性，又有很大的局限性。

1961年Raffle 考虑了地下水的静压作用，同时认为浆液的灌入使孔隙水运动并产生粘性阻力损失，推导出了比Magg 公式更准确有效的公式

1011111h 4n Q

K r r r β????=++?? ?????

（4）

232011321001t 1132nr r r Kh r r ββ??????-=---?? ? ???????

（5） 柱形扩散理论是以注浆管的一部分注浆作为研究出发点，浆液呈柱状扩散。其假设：①被注介质为均质的和各向同性的；②浆液为牛顿流体；③花管式分段注浆，浆液在地层中呈柱状扩散。计算模型如下图。

图2 浆液柱状扩散示意图

根据达西定律

q k g Ai = （6）

当0r r =时，h H =；1r r =时，0h h =。由式（6）推导出

1010

h ln 2r q H h aK r βπ-== （7）

110

2ln aKh q r πβ= （8） 已知21r Q an π=，Q qt =，于是

1r =()21101

ln t 2n r r r Kh β= （9） 由于柱形扩散理论存在与马格理论类似的假设，这些假设往往与实际相抵触，从而导致该理论的应用受到限制。 此外还有假设浆液在砂粒中作紊流运动的袖套管法理论，该法得到的扩散半径

e

d r kvh n t r 0112= （10） 式中：

e d ──被灌土体的有效粒径；

v ──浆液的运动粘滞系数。

国内学者在这些理论的基础上进行拓展，对不同情况的注浆理论做了不少研究，取得了不错了成果。

潘志强等[15]在考虑浆液粘度随时间变化的情况下，通过对牛顿流体在均匀砂层中的渗透规律进行研究，得到了球形扩散的理论公式，并对Raffle 公式进行了改进。

杨秀竹等[16][17]基于广义达西定律和球形扩散理论模型，推导出幂律型和宾汉型浆液在砂土中进行渗透注浆时有效扩散半径的隐式表达式。

杨志全等[18]基于宾汉体浆液的流变方程与流体黏度时变性方程，建立了黏度时变性宾汉体浆液的流变方程与渗流运动方程，推导了时变性宾汉体浆液柱-半球形渗透注浆机制。

钱自卫等[19][20]综合考虑了注浆孔与被注岩层层面夹角及浆液的黏度时变性因素，推导出新的渗透注浆浆液扩散半径的计算公式。之后采取模型试验的方法，研究了弱胶结孔隙介质化学注浆浆液充填及减渗的基本规律。

4 渗透注浆数值模拟研究现状

随着计算机技术的飞跃发展，多种基于有限元、离散元、有限差分等方法的数

值分析模拟软件被应用到岩土工程计算中。国内外学者利用这些软件进行渗透注浆的数值模拟，深入研究注浆理论并为工程实际提供依据。

杨锋[21]编写了二维有限元渗流计算程序，结合下坂地工程现场灌浆试验情况进行渗流计算，确定灌浆后各地层在渗流过程中承担的水力比降，进一步分析灌后砂砾石层的渗透稳定性，并对现场试验结果进行了补充。

杨坪[22]基于浆液的扩散理论和物理试验结果，以Net Framework为平台，用Visual Studio 2003编制了计算机程序，对注浆扩散半径等进行了预测。

李振刚[23]采用有限元软件ADINA和数值分析软件MATLAB，在考虑装液粘度随时间变化的基础上，对现有的理论公式进行了修正，使其更符合工程应用实际。

张金娟[24]应用FLAC3D软件对粘土固化浆液在砾砂、卵石土层中的渗透扩散进行计算机模拟，得到结论：采用柱面渗透注浆时，浆液在重力影响下其扩散范围沿着注浆体高度是不断变化的；随着注浆时间延长，浆液渗透速度在开始阶段会增大，之后随着时间增长速度会不断减小，最后趋于一个稳定值；浆液在土体中扩散但是尚未凝固过程中,土体有效应力暂时减小，孔隙压力增大，最终会使得注浆压力增大，压差增大。

李慎刚等[25]应用FLAC3D计算程序，通过改变受注围岩体的力学性质，研究注浆后隧道及围岩体开挖时的应力分布规律以及地表沉降情况。该数值模拟方法能对注浆加固的效果进行预测并且和实际情况差距不大，对注浆工程的设计和施工具有科学指导意义。

Jong-Ho Shin等人[26]建立了粒状地层的隧道小导管注浆全尺寸模型，研究其注浆加固机理，用以指导设计。并应用有限元程序PENTAGON 3D，计算了导管长度对注浆加固效应的影响。

5 渗透注浆技术中存在的问题

尽管国内外学者在渗透注浆理论研究方面已做出重大突破，但是大多数理论研究着重于牛顿流体浆液，且未考虑浆液的时变性，而工程中常用的水泥浆液并非牛顿流体，而是幂律流体或宾汉流体。杨秀竹等虽然给出了幂律型和宾汉型浆液扩散半径的表达式，但是计算需要借助数值方法，无法在工程实践中推广。其他方面的

研究也只是初级阶段，还未与工程实际结合。这些情况使得目前渗透注浆的工程实践主要依据经验，给注浆工程成本、效果及注浆参数的确定带来了困难。

结合目前国内注浆的研究现状，渗透注浆技术中存在的主要问题可以归为以下几点：

（1）由于被注介质的隐蔽性和特殊性、注浆施工方法及注浆材料的多样性，模拟注浆试验困难较大，理论研究工作难以开展。因此，实验室模拟研究和理论研究落后于注浆工程实践。

（2）渗透注浆理论没有考虑被注介质的非均质性和各向异性。实际注浆时，只有软土层或松散砂土才需要处理，而这种地基通常是非均质地基，因而应建立一种适用于各向异性地基的渗透注浆理论。

（3）注浆与环境污染问题有待于进一步得到解决。要解决的问题主要有三个方面：改进现有化学注浆材料的特性、研究新型注浆材料、评价注浆施工对周围环境的短期及长期影响。

（4）渗透注浆施工过程的监控及注浆效果的检测技术目前还不成熟，仍然是注浆技术中的一个薄弱环节。注浆效果也没有一个明确的判别标准，往往凭经验定性判别。

（5）渗透注浆工程的注浆效果与被注介质的工程地质、水文地质有相当密切的关系，特别是在大水情况下，而目前的注浆理论仅对注浆技术本身进行研究，缺乏对被注介质的研究。

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