岩土工程不良地质注浆技术研究进展

秦鹏飞，王 莉，晋 芳，李 昂

（黄河科技学院 工学部，郑州 451000）

随着“一带一路”倡议的纵深推进和中国经济的快速发展，交通、矿山、水电等大型岩土工程项目不断涌现。由于地质条件复杂，工程建设频繁遭受塌方、突泥、涌水等灾害的侵扰（图1a 和b），严重威胁施工安全，阻碍城市建设进度[1-2]。注浆以其优异的防渗、加固效果（图1c），在隧道、水利、桩基等各类工程中得到了广阔应用[3-5]。近年来基于分形几何、非牛顿流体、劈裂扩散的注浆理论得到了长足发展，新型复合/超细水泥、地聚物、微生物菌液注浆材料取得了重大原始创新，智能、信息化注浆设备取得了卓有成效的进步，有力推动了注浆技术在岩土工程各项建设中的应用。本文对最新研究成果进行阐释、述评，旨在为推动裂隙岩体、富水砂层加固治理的精细化水平作出贡献。

图1 工程病害与注浆加固

图2 迂曲效应

1 注浆理论

注浆理论是指导注浆工程实践的基本准则，也是保证优良注浆效果的先决条件。面对广阔工程建设的需求，注浆理论研究取得了丰硕成果，促使注浆理论研究体系日益丰盈。

1.1 非牛顿流体

宾汉姆（Bingham）流体和幂律（Power-law）流体浆材在隧道、水利等工程建设中得到了大量应用，因而需加强非牛顿流体注浆机理的研究。张庆松等[6]不考虑浆水界面水体对浆液的稀释作用，建立了恒定注浆速率下Bingham 流体的水平裂隙扩散模型，并推导了扩散区内浆液的黏度、压力时空分布方程（式1、2）。

式中，μ为浆液黏度，Pa·s；r 为浆液稳定扩散区半径，m；b 为裂隙宽度，cm；q 为注浆速率，l/min；A、B 为浆液性能经验参数。李培楠等[7]研究表明，宾汉姆流体浆液压力损失的主要影响因素有，裂隙开度b、屈服应力τ0、注浆速率q及浆液黏度μ 等，幂律流体的浆液压力损失则与流变系数n 相关（式3、4）。

式中，Δp 为浆液压力损失，kPa；q 为注浆速率，l/min；b 为裂隙开度，cm；μ为浆液黏度，Pa·s；τ0为屈服应力，kPa；n 为流变系数；K为稠度系数，Pa·sn。杨志全等[8]基于幂律流体流变方程和多孔介质迂曲度理论，分析了层流状态下幂律流体多孔介质的渗流规律，推导了考虑迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透扩散方程（式5）。

式中，Δp 为注浆压力差，kPa；n 为流变指数；c 为稠度系数，Pa·sn；ξ 为多孔介质迂曲度，ξ=(Le/L)2；Φ、k 为多孔介质孔隙率、渗透系数，cm/s；μ为水的黏度，Pa·s；L1与L0分别为浆液扩散半径和注浆孔半径，cm。

1.2 分形理论

分形理论是描述不规则、具有自相似特征岩土介质的有力工具，在砂砾石土、裂隙岩体等工程问题分析中得到了广泛应用，目前成为深入开展岩土力学特性分析、解决实际工程问题的新兴分支学科。钟登华等[9]基于分形理论建立了裂隙岩体导水率和注灰量的表达式（式6、7），根据注灰量与导水率关系把灌浆区域划分为正常区域、微细裂隙区域和水力劈裂区域。

式中，T 为裂隙岩体导水率，cm/s；β 为岩石力学强度参数；Df为分形维数，lmin、lmax分别为最小、最大裂隙迹长，cm；CT2D为二维流动下的注灰量，kg；ρg为浆液密度，g/cm³；ID 为浆液相对扩散距离；lcrit为临界迹长(cm)。蔡德国等[10]通过盾构隧道壁后注浆试验发现，砂样分维数对浆液可注入时间、砂土压密系数影响较为明显，砂样分维数越高，则浆液迂回流动的路径越长，浆液的有效加固范围越小。崔溦等[11]引入W-M分形函数表征裂隙壁面的粗糙程度，推导了宾汉姆流体在粗糙裂隙中的单宽流量（式8），分析发现浆液粗糙裂隙单宽流量远小于光滑裂隙。

式中，q 为裂隙单宽流量，cm3/s；ρ 为浆液密度，g/cm3；df为裂隙孔径，cm；μ 为浆液黏度，mPa·s；τ0为浆液屈服强度，kPa；D、G 为裂隙分形维数和岩体特征尺度参数；J 为水力比降。

1.3 劈裂注浆

劈裂注浆拓展了岩土介质的孔隙通道，提高了低渗透性地层的可注性，劈裂注浆作为重要的加固技术，逐渐成为注浆理论研究的重要方向。陈湘生等[12]将正常固结黏土的劈裂破坏分为2种：拉伸破坏和剪切破坏。土体单元有效小主应力大于土的抗拉强度，土体发生拉伸破坏（式9），土体单元剪应力超过其极限抗剪强度，则发生剪切破坏（式10）。剪切破坏发生后浆液及时填充土体破裂面，继而出现拉伸破坏。

式中，σr′为径向有效应力，kPa；σθ′为环向有效应力，kPa；c′为有效黏聚力，kPa；φ′为有效内摩擦角，°；σ3′为有效小主应力，kPa，受拉时为负值；σt为黏土的抗拉强度，kPa。刘向阳等[13]推导了考虑裂缝几何形态及浆液流变性的纵向劈裂扩散模型（图3a），研究发现注浆压力、注浆速率、被注岩体强度、岩层厚度及浆液性质对劈裂扩散半径均有显著影响（式11），岩体强度越高，浆液黏度越大，劈裂扩展所遇阻力越高，有效加固范围越小。

图3 劈裂注浆机理分析

式中，KIC为岩石断裂韧度，MPa·m1/2；E 为岩体弹性模量，MPa；m 为黏度时变参数；q 为注浆速率，L/min；σα为裂隙面上的正应力，kPa。姚茂宏等[14]发现双孔劈裂时孔间由于干扰产生应力叠加区，孔距越小应力叠加作用越强烈，地应力与孔间应力耦合形成合力矩，改变了劈裂缝的扩展方向（图3b）。

2 注浆材料

注浆技术的核心要素是新材料，新材料的重大原始创新会带动注浆技术跨跃式发展。复合/超细水泥、地聚物、微生物菌液材料，价格适宜、绿色环保、结石强度高且耐久性好，近年来受到科研人员的热切关注。

2.1 复合/超细水泥

水泥材料来源丰富，是目前工程建设的优选材料。李术才等[15]以硅酸盐水泥、工业废渣为原料，通过碱激发方式制备了新型水泥基材料EMCG，研究表明EMCG 具有流动性好、水化矿物致密、抗溶蚀性强等特性，广泛适用于含黏土细砂、风化斑岩等地下工程加固。李保亮等[16]以钢渣为矿物掺合料制备了复合水泥胶砂，研究发现钢渣可有效延缓水泥浆液的凝结时间，而水化反应生成的C-S-H、C-A-S-H 凝胶，则可显著提高水泥胶砂的抗硫酸盐侵蚀性能。严国超等[17]通过添加水溶性聚氨酯（PU）和微量外加剂，研发了复合型硫铝酸盐水泥（SAC）材料，测试发现PU 改性硫铝酸盐水泥浆液不离析分层，凝结时间可调可控，且具有可泵性强、凝胶结构致密等优良特性。

超细水泥分散性好、比表面积大、活性高，由超细水泥制备的浆液具有良好渗透性和流动性。吴爱祥等[18]采用MCP 超细水泥/水玻璃浆液，对矿山岩体进行注浆加固，发现超细水泥对提升围岩稳定性和整体强度效果非常显著。周茗如等[19]对马兰黄土进行了超细水泥加固试验，研究表明超细水泥浆液析水率低、稳定性好，结石体抗压/抗折强度高、抗溶蚀性强，在湿陷性黄土治理中具有广泛适用性。PANTAZOPOULOS 等[20]发现水灰比1.4∶1 的超细水泥浆液，析水率为4.6%，水灰比1.6∶1 的超细水泥浆液，析水率则为5.8%，水灰比超过2∶1 后浆液稳定性变差。超细水泥材料基本特性见表1。

表1 超细水泥颗粒特征及力学性能

2.2 地聚物

地聚物（Geopolymer）是一种由硅铝酸盐矿物、工业废弃物为原料，经强碱激发、高温固化形成的无机胶凝材料。地聚物空间结构呈网状，由AlO4和SiO4四面体单元组成，具有凝结快强度高、耐高温耐腐蚀等优良特性。地聚物制备工艺简单、原料来源丰富，具有极高研究、开发价值[21-22]。

彭晖等[23]研究表明，固化温度对聚合反应速度及聚合产物力学性能有显著影响，适当提高固化温度可以加速地聚反应各阶段进程，增加胶凝体产量，但固化温度过高( ＞80℃) 会急剧加速缩聚而抑制溶解，降低加固效果。俞家人等[24]采用碱激发矿渣微粉对软黏土进行加固测试，发现经聚合改良后软土形成方解石、莫来石等矿石，UCS 达5 MPa，地聚物固化软土受碱激发剂模数、掺量等因素影响。李召峰等[25]研究了钢渣掺量、机械粉磨、活化温度等因素，对赤泥-高炉矿渣-钢渣地聚物力学强度、水化历程、胶凝性能的影响，发现钢渣掺量10%、活化温度700℃、粒径2.05 mm，赤泥-高炉矿渣-钢渣基注浆材料抗压强度高达15.1 MPa。赵彦旭等[26]采用水玻璃碱激发粉煤灰地聚物对黄土进行加固研究，发现碱激发形成的硅铝酸钠凝胶产物充填于黄土颗粒间，产物相互胶结形成空间网状结构，有效改善了黄土孔径分布，加固后黄土黏聚力c 达550 kPa，内摩擦角达39°。

2.3 微生物菌液

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术利用微生物菌液的新陈代谢活动，实现土建、水电等工程中的裂隙封堵、地基加固（图4）。菌液可水解尿素产生碳酸根离子，碳酸根离子则与钙溶液作用形成CaCO3凝胶体，以提高地基土的密实度和抗剪强度。微生物加固土的矿化过程与水泥相同，因而称菌液和胶结液为生物水泥（Biocement）。MICP 技术具有施工扰动小、反应可控、加固强度高、环境污染小等优点，具有重要的研究价值和广阔的发展前景。

图4 微生物加固技术

DHAMI 等[27]对珊瑚砂进行了微观结构分析和强度、渗透性能测试，发现MICP 加固后珊瑚砂压缩系数由10-1下降到10-2MPa-1，渗透系数由10-2cm/s 下降到10-4cm/s，UCS 强度达到14 MPa 左右。尹黎阳等[28]发现MICP 加固的适宜温度为20~40℃，适当提高胶结液中尿素-钙离子的浓度比可提升脲酶活性，增加矿化物产量。刘鹏等[29]指出微生物固化作用改变了土的原状结构，微生物加固后土的峰值强度、残余强度明显提升，具体数值受碳酸钙生成量、试验围压等因素影响。练继建等[30]发现菌液浓度、胶结液浓度和矿化反应时间对Ca2+利用率有显著影响，胶结液浓度高于750 mmol/L 时，CaCO3晶体在砂土内部呈簇状发展。刘汉龙等[31]基于振动台试验研究了MICP 加固钙质砂的动力性能，发现经固化处理后钙质砂具有较高的循环剪切阻力，液化特征由“流滑”转变为“循环活动性”。

3 注浆设备

山东大学张霄等[32]研发了流速稳定、压力可控的手摇式注浆泵，通过内置的偏心旋转系统可将浆液压入受注介质。齐梦学等[33]研制了转矩8 000 N·m、冲击力450 kN 的履带钻机（图5a），其配套有10 MPa、360 L/min 浆液输出能力的液压系统，能显著提升隧道钻孔、注浆作业速率。樊启祥等[34]基于三区五段控制模型iGCM 与P-Q-C-t 实时联动控制方法，研发了水泥灌浆信息采集、调控的成套设备iGC（图5b）及管理平台iGM，可有效实现灌浆设计、分析评价的协同管理。

图5 新型智能注浆设备与系统

室内模型试验可观测浆液的扩散、分布形态，准确分析软弱介质的注浆加固机理。秦鹏飞[35]以浆液自流方式研究了砂土渗透注浆浆液的扩散规律，探讨了孔隙比、注浆压力、水灰比等因素对扩散半径的影响（图6a）；王晓晨等[36]基于自主研发的裂隙注浆试验平台，研究了析水作用下水泥浆液的扩散特征，揭示了水灰比、浆液压力的变化规律（图6b）；李昂等[37]设计了一套可视化封堵注浆试验装置，可以监测动水环境下浆液- 骨料渗透扩散的全过程，对揭示截流堵水本质具有一定的科学意义。

图6 室内注浆模型试验

4 结语

注浆技术因其优异的防渗、加固效果，在隧道、水利及桩基等各项工程建设、运营维护中发挥着重要作用。近年来注浆理论、注浆材料与注浆设备研究取得了巨大的发展，全面提升了工程项目建设的质量和经济效益。从非牛顿流体、分形理论和劈裂注浆方面对注浆理论进行了阐释述评，并从复合/超细水泥、地聚物和微生物菌液方面对注浆材料进行了探讨分析，最后对大功率钻探、智能灌浆技术进行了梳理总结。注浆技术的发展进步，必将进一步推动岩土工程建设的精细化质量和水平。