复合注浆技术的发展及其应用要点

黄定慧　黄皓　元野

【摘 要】复合注浆技术是将高压旋喷注浆法和静压注浆法进行时序上的结合，可以发挥高压旋喷注浆的定向成桩、固结强度高的优点和静压注浆扩散范围大、浆液利用率高的优点。该技术在我国基坑、地下室、边坡、隧道、坝基等工程建设中已得到广泛应用。文章围绕复合注浆方法和复合注浆材料2个方面较为全面地论述了复合注浆技术的发展，并针对复合注浆中可能出现的固结体承载力降低、返浆量不足、冒浆量过大、既有建筑物基础加固产生附加沉降等可能出现的问题提出复合注浆的应用要点。

【关键词】复合注浆；高压旋喷；静压注浆；注浆方法；注浆材料

【中图分类号】TU472.6 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）03-0100-04

0 引言

随着人类社会的进步、科技水平的提高，大规模的土木工程建设越来越多，在改善人民生产、生活条件的同时，也使工程建设面对更多新的挑战。在工程建设中，地基加固和边坡治理是常见的工程问题，也是需要复杂工程技术和丰富工程经验进行治理的重点难题。我国建筑业发展至今，大量的软土地基需要进行加固处理，注浆技术[1]能适用各种复杂地质条件的地基加固，应用市场潜力巨大；同时，我国有大量的既有建筑物地基和新建建筑物的桩基出现质量问题，需要进行加固处理，但是单一的注浆技术有其固有的缺陷，很难满足各种复杂条件下的工程需要，复合注浆技术因其具有应用范围广、加固效果好的特点而适应了这一市场需求[2]。张成平等[3]人对高水压富水溶洞注浆机理进行研究，认为其与裂隙岩体的注浆加固有本质的区别；数值计算和分析成果说明复合注浆可起到加固围岩和堵水的作用。李鹏飞等[4]人认为通过注浆加固海底隧道衬砌堵水，结合隧道排导系统排水，能够在经济性较好的小量排水条件下有效地降低复合衬砌外水压力。张顶立等[5]人研究发现，多种注浆方式和注浆材料，针对不同的地层条件，复合注浆的加固模式也不同；海底隧道复合注浆加固效果的评价指标主要包括地层加固前、后的渗流量降低率、加固体强度及稳定性3个方面。杨悦等[6]人用均匀化方法求得复合材料的等效弹性模量值小于用体积平均法求得的数值，能更真实地反映材料的力学性能。一系列工程实例分析和理论研究成果表明，复合注浆技术应用广泛、效果显著，但应用环境复杂，针对复合注浆技术进行相关实验和理论探究，是十分必要且具有实际工程意义的。

1 复合注浆技术的发展

1.1 复合注浆方法

复合注浆方法主要是把静压注浆与高压旋喷的注浆方法完成时序融合的一种现代化注浆技术[7]。实际工程中是先采用高压旋喷注浆成桩柱体，再采用静压注浆增强旋喷效果，扩散加固浆液，防止固结收缩，消除注浆盲区[8]。

静压注浆主要利用静压力将水泥浆体注入土体中，水泥与土体黏结到一起，可以改善土体的成分并有效地将松散的土体凝结硬化，或直接填充孔洞，以此来提高整体的承载力，达到设计要求[9]。静压注浆方法的主要特点是浆液扩散范围大，对砂砾石、砂卵石地层的注浆效果好，注浆固结体强度较高，注浆浆液全部进入地层中，浆液利用率高[10]。

高压喷射注浆是利用钻机把带有喷嘴的注浆管在预定位置以高压设备使浆液或水、空气等以20～40 MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后形成固结的水泥结石体，具备一定的强度，达到预定加固的目的[11]。高压旋喷注浆的主要特点是受土层厚、土的粒径及密度、硬化剂黏性及硬化时间的影响较小，适用于淤泥、软弱黏性土、砂土甚至砂卵石等多种土质地层，加固深度和范围可自由调节，连续或分段均可[12]。

1.2 复合注浆材料

注浆材料主要可以分为无机注浆材料和有机注浆材料两大类。1802年，法国工程师查理斯·贝里格尼采用一种木制冲击筒装置，并基于人工锤击方法向地层中挤压黏土浆液，称之为注浆的开始[13]。黏土是典型的无机材料，自此之后，火山灰、生石灰等均作为早期的主要注浆材料。波特兰水泥（Portland Cement）的发明对土木工程的发展起到了重要的推动作用，同时也揭开了无机非金属材料应用的新时代。水泥及其拌和物，理所应当地成为主要注浆材料并一直应用至今。氯化钙是金属盐反应剂，可在水玻璃溶液中产生絮状的带有负电的亲水性分子胶体硅酸，添加无机盐析出沉淀，将水玻璃与氯化钙分别注入土体中，瞬间发生化学反应，胶结土体，填充空隙[14]。水泥浆在组分上与水玻璃有相似之处，都含有一定比例的碱金属和二氧化硅，故氯化钙也会与水泥浆产生类似反应。由于氯化钙经济易得、安全无毒、加固效果好，所以在工程中得到了廣泛应用。

在以水泥为代表的无机注浆材料（一般包括纯水泥浆类、水泥黏土类、水泥水玻璃浆类等）广泛应用的同时，有机高分子材料蓬勃发展，也成为重要的注浆材料。有机注浆材料以丙烯酰胺、环氧树脂、聚氨酯及不饱和酯类等有机高分子物质作为主要成分[15]。有机注浆材料通常具有较高的凝结强度、固结反应速度较快、适用性强的特点，但成本相对较高，而且一些有机注浆材料本身有毒或者需要用特殊的毒性溶剂溶解（如丙酮），因此在安全性上应着重考虑。

随着新时期材料科学的兴起，新型注浆材料也如雨后春笋，日新月异。科研工作者和工程人员一直致力于寻找性能优良的注浆材料，并将其特点归纳如下：？譹？訛凝胶或固结体的耐久性好，具有良好的抗渗性，受环境因素影响小；？譺？訛浆液的胶凝或固化时间可以根据需要进行调节，具有较满意的强度；？譻？訛浆液无毒，对环境无污染，而且灌注工艺比较简单；？譼？訛注浆材料的来源广泛，价格相对低廉，贮藏、运输方便[16]。根据以上要求，国内、外的研究學者针对超细水泥注浆材料[17]、超细粉煤灰注浆材料[18]、聚乙烯醇[19]、醋酸乙烯酯-乙烯[20]、复合纤维素、钙硅质早强剂注浆材料[21]，以及常用有机注浆材料（如聚氨酯）的改进配方[22]等进行了深入研究。

2 复合注浆应用要点

复合注浆法主要考虑浆液对原状土体的喷射切割作用，浆液与原状土体的搅拌置换固结作用，浆液对原状土体的渗透作用，浆液对原状土体的劈裂作用，浆液对原状土体的挤密作用[23]。复合注浆中可能出现的问题有注浆深度较大时，易造成上粗下细的固结体，影响承载能力；注浆过程中可能出现返浆量不足或不返浆的情况；注浆过程中也可能出现冒浆量过大的情况；在既有建筑物基础加固处理时，可能产生附加沉降[24]。针对以上可能出现的问题，在复合注浆过程中需注意以下要点。

高压旋喷注浆地基加固处理的控制关键在于固结体直径和固结体强度，在于旋喷速度、提升速度、泵压、喷嘴形式；因此，旋喷回转速度宜快不宜慢、提升速度宜慢不宜快、喷嘴水平外伸量宜大不宜小，可以保證固结体的承载性能[25]。

在注浆过程中，若将孔口完全封闭，注入的水泥浆和置换的岩土无处释放，将会引起地表隆起，隧道工程或地铁工程中会引起工作面向外推垮[26]。在注浆过程中，根据地质条件控制注浆压力，调节返浆流量和控制返浆密度对注浆安全和注浆质量非常重要。施工过程中，需注意测试返浆浆体强度，每天取样制作返浆试块，测定不同龄期强度[27]。当采用大循环注浆方式，应注意进浆管流量与返浆管流量之差（进浆量），若进浆量较小，大部分浆液回流重复泵注，对保证注浆质量、缩短工期和节约施工成本起到了很大的作用；应注意监测返浆流量与返浆温度和流动性，适当混合新浆，避免堵管事故和设备损坏[28]。

当发现喷浆量不足而影响工程质量时，可采取复喷技术；当冒浆量大于灌浆量的20%时，可采用提高喷射压力、缩小喷嘴直径、加快提升速度和旋转速度等措施，对冒出的浆液，可回收利用[29]。现场高喷固结体强度可通过进浆重度、返浆重度及返浆含砂量进行分析，返浆成型固结体强度测试可作为施工中注浆参数调整的依据[30]。注浆过程中，应用水准仪实时监测，沉降量限值为30 mm，地面隆起限值为20 mm；一旦出现沉降量或者隆起值过大，应立即停止注浆，且施工过程中应会同有关单位对既有建筑物采取有效措施，并进行必要的施工监测[31]。

3 复合注浆存在的问题及发展趋势

注浆工艺的特点是隐秘性强且受注地质条件复杂，虽然学界和工程界在复合注浆技术的相关理论及实践方面取得了相当丰硕的成果，但仍有一些不足和亟待改进的地方。

（1）新型复合注浆材料的研发。复合注浆技术的改进特别依赖于注浆材料的研发，新型注浆材料的产生会引发注浆技术的大幅度革新，研究高效、快速、安全、可靠、经济的注浆材料是推动注浆技术发展的重要动力。

（2）复合注浆理论研究相对于复合注浆材料研究的滞后。目前，材料科学迅猛发展，可以用于工程实践的材料层出不穷，但注浆理论的研究工作并未有大的改进或者突破，理论研究成果用于解释、指导实践的效果并不十分理想。

（3）复合注浆技术参数设计的科学性不足。虽然有相应的计算理论进行注浆参数设计，但由于注浆环境复杂多变，注浆效果不易可靠评估，对注浆参数的设计并不能很好地验证，实践中常常需要靠经验进行相关分析，迫切需要有效的参数设计理论和可靠的注浆效果评估方法。

（4）信息化技术的应用发展前景广阔。目前，在注浆实施过程中，并不能对注浆工程范围很好地进行整体掌控。电子化探测元件和网络信息化技术可以完成对物理参数的信息化转化和信息化处理，使工程技术人员在注浆操作过程中对浆液压力、流量、黏度及注浆效果进行实时监控，并有助于工程信息化管理。

4 结语

以高压旋喷注浆和静压注浆有机结合的复合注浆技术，是改善地基性质及地下工程施工条件的重要手段，在实际工程中应用广泛。复合注浆主要具有注浆适用范围较广、注浆材料来源广泛、经济性好、效果明显等优点。

随着材料科学的发展，注浆技术可以利用的材料逐渐增多，应根据实际情况对注浆材料凝结强度、凝结时间、工作性能、与周围土体结合性能及安全性、经济性的要求，特别关注注浆施工前对注浆材料的选择。

注浆施工过程中可能引起注浆范围不满足要求、注浆不均匀、冒浆过多、返浆不合格及注浆施工对周围土体和建筑物的扰动，应及时进行施工监测，采取必要手段优化施工工艺参数，适时采取调整措施。

今后复合注浆技术的发展主要在于新型注浆材料的研发、注浆理论的创新及复合注浆技术参数设计体系的建立和改进；此外，信息化技术将对注浆工艺的发展产生深刻影响。

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[责任编辑：陈泽琦]