建构筑物倾斜注浆抬升技术研究现状

崔学栋

（北京恒祥宏业基础加固技术有限公司，北京100097）

1 引言

19世纪初，法国工程师首先开创了注浆技术应用的先河，注浆技术也是在采矿、市政及水利工程中作为防水、加固的重要方法，随后在法国、英国、美国及日本等国家逐步推广。由于采用注浆技术进行建构筑物抬升具有减少开挖量和减少基础托换的优势，所以建构筑物注浆抬升技术在国外也得到了广泛的推广[1]。在我国，注浆技术首先应用于煤矿的巷道围岩加固，随后才逐步在其他领域推广开来。注浆技术是一种实践性很强的工艺性技术，已经有许多工程使用注浆技术达到了建构筑物的倾斜纠偏的目的。目前，建构筑物注浆抬升技术的工程实践已领先于理论，应对目前的注浆抬升技术的理论、实验与实践的现状进行归纳梳理，为更深一步的注浆工程理论与实践研究打好基础。

2 理论研究现状

建筑物的倾斜抬升技术目前可以分为抬升法、迫降法和综合法。迫降法是采用掏土或者降水的方式，在建筑物沉降小的一侧采用技术手段增大沉降，达到倾斜纠偏的目的。抬升法是采用托换或打桩的方式，在建筑物沉降量较大的一侧抬高基础结构，通常采用的方法为锚杆静压桩法、坑式静压桩法和上部结构托梁抬升法[2]。上述抬升方法一般需要开挖或者托换，对建筑结构造成一定的影响。根据注浆原理，注浆抬升技术属于抬升法的一种，有效地解决了开挖或托换对建筑结构造成的影响。

建构筑物的注浆抬升设计目前仍处于“半理论、半经验”的状态，有时经验甚至大于理论。由于注浆理论涉及地质学、土力学、流体力学、岩体力学和材料学等多个学科，而且岩土条件的复杂性，所以，目前对注浆抬升技术的原理还未形成统一的认识。目前，物理注浆理论的研究成果可以概括分为渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆理论。

2.1 渗透注浆理论研究现状

渗透注浆理论是基于地下水的流动而开展的。浆液作为流体在岩土体的渗流过程与地下水的动力学原理有诸多相似之处，因此，渗流注浆原理也是发展最为全面、系统的，如球形扩散理论、柱状扩散理论等。近年来，有学者在研究马格经典理论的基础上，提出了考虑浆液黏时变性渗透注浆理论计算公式，实现了渗透注浆理论计算公式的统一，但是并未推广。

渗透注浆压力较小，浆液以一种类似于“地下水流动”的方式克服阻力，渗入土体孔隙中，在不影响原有土体结构的情况下，形成“结石体”。但由于砂土和黏性土的渗透性相差很大，因此，不少学者认为，在砂土中采用渗透注浆的方法较为妥当。在JGJ 123—2012《既有建筑物地基基础加固技术规范》条文17.7.3中规定了渗透注浆适用于渗透率大于10-4cm/s的砂性土[3]。渗透注浆速率较慢，若采用渗透注浆理论设计建筑物倾斜抬升不够现实。

2.2 压密注浆理论研究现状

压密注浆被认为是加固软弱土体最适合的理论。是指压密注浆形成的注浆压力和形成的“浆泡”对土体产生挤压作用，使得注浆孔周围形成浆泡—塑性区—弹性区的模型，类似于地基处理中的复合桩，提高土体的密实度，从而达到加固土体、提升承载力的作用。如果在工艺上能够将此原理运用得当，则可以起到抬升建构筑物的作用[4]。目前认为压密注浆适用于砂土、填土等软弱土层，但是工程经验表明，在含有淤泥质土和泥土中也能实现建构筑物的抬升。

压密注浆改善土体实际分为2个方面：一方面是出浆口对周围土体产生的附加压应力，使得周围土体的孔隙比减小，提高密实度，从而达到加固土体的目的；另一方面，注浆过程中渗流、压密和劈裂往往是同时发生的，很难控制“浆泡”的形态，因此，压密注浆通常形成的是土与浆液凝固体的“结石体”。由于注浆使得处理土层的密度加大，同时，对处理土层下部也有附加压应力，因此，压密作用的机理应是上述2种压密现象共同作用的。

2.3 劈裂注浆理论研究现状

劈裂注浆是指钻孔内的液压超过岩土体的劈裂压力，使得岩土体产生水力劈裂，形成网状浆脉，形成“浆液骨架”从而加固岩土体的注浆范围，应用最为广泛。已有学者对扩孔问题的线性与非线性解析解进行了研究，推导出了砂性土和黏性土的极限扩孔压力的理论计算公式，并推导了劈裂注浆扩散半径[5]。目前，已有学者基于球形和柱形扩张弹塑性理论，推导了劈裂注浆的理论起始压力解析解。但扩散半径和起始压力太过于理论化，在进行工程实践时，并不能完全依靠已成形和柱形扩张弹塑性理论进行设计。

劈裂注浆会破坏原有的土体结构，利用较大的注浆压力，超过土体的强度，沿着土体最弱处在土体内部形成“脉状”注浆体结构。现有的理论研究过于集中在水力劈裂机理方面，对“浆脉”形成的过程研究甚少，对于浆脉的发展过程、扩展方向和形状对加固效果的影响规律研究明显不足，因此，在工程应用中，经验领先于理论。

3 实验研究现状

注浆的实验研究通常情况下也是根据渗流理论、压密理论和劈裂理论展开的，但是，由于工程地质条件的差异，这3种注浆情况往往是伴随着发生的，通过设计实验装置，采用不同的土样，在注浆实验中能够得到注浆参数的回归公式，进而得到浆液在土样中的扩散规律，从而能够得到可以指导工程实践的注浆理论。在土体渗透性较小的黏性土和砂性土中，由于注浆压力较大，很难存在渗流的情况。因此，在注浆实验中压密和劈裂常常伴随着发生，而采用注浆技术的岩体往往较为破碎，孔隙率相对较大。相对于压密与劈裂，渗流理论更适合于疏松多孔的砂性土，因此，研究的方法与压密和劈裂有一定区别。

3.1 渗流注浆实验研究现状

有学者研发了一套基于压密注浆和劈裂注浆的室内实验装置，另外，有学者在此基础上进行改进，研发了砂土室内模型试验仪器模拟，根据试验结果认为，在砂土介质中扩散距离与砂土的渗注浆量、浆液水灰比、注浆压力、渗透系数有关。而不同的学者在多孔介质中进行模拟实验得到的结论却大相径庭，认为对浆液扩散最显著的是注浆压力，然后，才是注浆的初始黏度、凝胶时间、渗透系数和注浆时间。得出完全不同的结论是由于注浆介质的材料完全不同，这说明在不同地质条件下，其注浆效果的主要影响因素也不尽相同。另外，有学者指出，当深度达到一定程度时，注浆效果也受一定地应力及土体固结作用的影响；并且渗流注浆效果也受一定地质条件的影响，如渗流等。

3.2 压密注浆实验研究现状

土体压密注浆是指浆液形成的“浆泡”完全取代土体，在周围形成塑性区域，在距离“浆泡”更远的区域形成弹性区域。有学者在模型槽实验中发现，压密注浆形成的结石体与土体有明显的分界面，在注浆过程中，压密和劈裂是同时产生的，其过程可以概述为小孔扩张—劈裂流动—形成浆泡。针对压密注浆广泛地用于建构筑物抬升以及复合地基，中国水利工程协会批准发布了团体标准T/CWEA 5—2018《压密注浆桩技术规范》，规范了压密注浆桩的设计、材料、施工和检测等[6]，也应用到了实际的工程中，效果十分理想。有学者通过实验也证明了压密注浆在加固土体时，可以产生抬升力，从而进行地表建构筑物的抬升，并应用于煤仓地基加固纠偏中。

3.3 劈裂注浆实验研究现状

劈裂注浆常伴随着压密注浆，在其主控因素的研究工作中，有学者提出劈裂与压密的关系时指出，注浆的作用一方面由于土体劈裂形成了浆脉骨架，浆脉骨架的形状对注浆的效果也有一定的影响；另一方面，浆脉对土体有明显的挤密作用，同时可以降低渗透性，通过实验限制浆液的扩散范围，得出了挤密作用才是保证注浆加固效果的关键。

有的学者采用现场注浆实验和室内注浆实验详细研究了水力劈裂的发展过程，同时与有限元法进行对比，呈现了均匀土体和非均质土体中的裂缝启裂、二次劈裂和浆脉的扩展过程。此项研究填补了劈裂注浆浆脉发展过程的空白，同时也提供了劈裂注浆的新的研究手段。

4 实践现状

我国于20世纪50年代在煤矿巷道等地下工程运用注浆技术进行加固和止水，到了60年代，注浆技术应用于延安宝塔山宝塔的地基加固，此时注浆技术在地基加固和建构筑物倾斜纠偏的研究逐步深入。国外在20世纪初，著名的意大利比萨斜塔的地基处理中，就有学者提出了采用注浆抬升技术对已经超过倾斜预警值的塔身进行加固。

有学者利用注浆抬升技术，对地铁下穿建筑物进行了抬升，认为在此工程中70%的注浆量作用明显，并且注浆深度的选择对抬升效果有着明显的作用。有学者在处理上海某地铁沉降问题时，选择使用注浆抬升技术，有效地改善了隧道的不均匀沉降，并指出分阶段注浆能够有效地控制注浆产生的附加内力。也有在软弱土层及流沙复杂地质条件下采用注浆抬升技术修复沉降的污水管道，恢复污水管的正常运营。彭正勇在对厦门机场34#楼进行注浆抬升时，采用袖阀管注浆工艺，将沉降值控制在25 mm内，保证了既有建构筑物的安全[7]。有学者分别研究压密注浆和劈裂注浆对地表抬升的影响机制，采用数值模拟、相似模拟实验等方法，验证球形压密注浆和脉状劈裂注浆对地表抬升的影响，发现模拟结果在注浆埋深超过2 m时吻合程度较高，压密注浆能够导致地表抬升量变大，劈裂注浆对地表抬升的影响范围大。实践表明，采用后注浆技术能够提高土层的侧摩阻力，提高单桩承载力，从而达到加固桩基的目的。

目前，注浆抬升技术已广泛地用于既有建构筑物的抬升，如城市地铁、铁路、市政和建筑领域。但是，不同研究机构使用的工艺、浆液都未统一，然而注浆抬升的效果均表现良好，能够实现注浆抬升的目的，而且能保证既有建构筑的安全。

5 结语

注浆抬升的理论、实验和实践成果十分丰富，就现状来看，三者并未形成有机的统一。其理论还不能完全指导实践。但是，经验丰富的工程师依然能够通过经验完成注浆抬升项目。笔者在对注浆抬升技术研究现状进行梳理和归纳时，得到以下结论：

1）目前，注浆抬升技术理论还未形成共识，渗流注浆、压密注浆和劈裂注浆在不同的地质条件下可能有同步产生，无法利用一套理论来解释注浆抬升的机理。目前实践的结果已经领先于理论，压密注浆相对渗流与劈裂更适用于建筑物的倾斜抬升。

2）目前认为对注浆抬升效果影响最大的因素是工艺，分段注浆对注浆效果有明显的影响。

3）注浆抬升技术是一门工艺性很强的技术，在复杂多样的地质条件下，太过理想的假设不仅会导致理论与实践出现偏差，而且让实验的结果与实际工程有一定出入。