注浆技术现状研究及发展前景分析.pdf

煤炭新视界CHINA COAL VISION煤 矿 采 掘0引言注浆加固又称为“注浆法”，主要通过钻孔进入预先确定的地层，并注入高压泥浆，直到泥浆填充至注浆部位附近的孔洞或裂缝，以提高地基的强度和稳定性，降低渗透性。此外，注浆技术还可用于修补各类结构中的混凝土开裂问题。注浆技术是一种成熟的工程技术，在矿山、地下建筑、大坝、隧道、地铁、桥梁、土木工程等领域有广泛的应用1。1注浆材料注浆料类型繁多，主要分为旋流式和溶剂式两大类。泥浆性能与成分、温度、时间及渗透速率等因素相关。常见的浆料有水泥浆、超细水泥浆、硅酸盐浆、高水性材料和改性环氧浆等。实际应用中，应根据注浆目的、土壤特性、工程性质、施工工艺和成本等因素，选择适当的注浆料。1.1 水泥基浆材水泥基浆材具有高强度、良好耐用性、原料丰富、生产设备简易和价格低廉等特点，在各种建筑工程中广泛应用，可应用于地下水封堵、坝基加固、堵漏、复杂地基治理及基坑支护等。然而，这种浆料容易发生分离和析出问题，稳定性较差，且由于体积较大，难以注入较小裂缝或孔洞。为改善水泥浆料性能，满足不同施工要求，可向浆料中添加多种助剂。1.2 化学浆料化学浆料具有良好的注水性，能灌注到微量裂缝和微孔土壤中。然而，其强度较低、耐久性差、价格高昂，且可能对环境和水源造成污染。因此，在加固项目中，化学浆料使用较少。化学浆料可分为三类：第一，水玻璃。用于化学注浆，通常有碱性和酸性两种。碱性水玻璃存在失水、收缩、腐蚀等问题，使用寿命较短且会对环境产生影响。酸性水玻璃在中性条件下形成凝胶，不溶于碱性溶液，无碱腐蚀和环境问题，具有良好的耐久性能。第二，聚合物化学注浆料。具有良好渗透性、固结性能和抗渗性能，能有效解决混凝土问题。近年来，聚合物浆料得到有效改进，如青海龙羊峡水库淤泥夹层工程采用中化-798 浆料，起到了良好的施工效果。第三，无机聚合物化学注浆料。作为特殊化学注浆材料，高分子聚合物可降低生产成本，同时实现单一浆料无法达到的效果。聚合物混凝土处于聚合物科学、无机化学和混凝土技术交叉领域，目前该材料已成为建筑材料领域的研究热点3。2注浆理论注浆工艺最常应用在岩土工程施工和矿山井巷工程施工中，是以堵水加固为主要功能的施工方法。英国在 1864 年就已经在井筒注浆堵水中使用了水泥注浆的方式。岩土注浆理论近几十年来发展迅速，成果主要集中在岩土介质中的浆液流动规律和可注性、裂隙充填物对围岩稳定性的影响，分析平面裂隙接触面积对裂隙渗透性的影响，通过模拟天然岩体的裂隙渗流实验研究了岩土注浆理论。根据地质条件、注浆压力、注浆机理、注浆流体的流动和排挤方式，还可以将注浆理论分为渗透注浆理论、劈裂注浆理论、压密注浆理论、喷射注浆理论。接下来，就以上四种注浆理论进行介绍。2.1 渗流注浆理论渗流注浆理论包括球状扩散理论和柱状扩散理论等。球状扩散法适用于点源注浆条件下，浆液为牛顿流体，被注的介质为均质无黏质土壤。然而，在实际注浆过程中，由于浆液存在一定的多变性，加之被注介质往往存在不均匀性，因此球状扩散的应用存在注浆技术现状研究及发展前景分析宋浩钰（山西长治雄山煤业有限公司，山西 长治 047100）摘 要：为了解决目前注浆加固技术存在的问题，分析注浆加固机理和方法，就注浆材料、注浆理论、注浆方法、注浆参数和设计、注浆技术的应用进行详细阐述，并对注浆技术的发展进行分析和预测。关键词：注浆技术；注浆材料；注浆理论；不稳固地层中图分类号：TD82文献标识码：A124CHINA COAL VISION煤炭新视界煤 矿 采 掘一定的局限性。柱状扩散原理以注浆管内的滤区作为渗流的切入点，并以圆柱形式进行扩散。由于圆柱扩散和球状扩散有类似的假设，因此也存在类似的使用限制。2.2 劈裂注浆理论劈裂理论明确表示，高压浆液会在岩土体裂缝中进行流动，进一步拓展裂缝范围，产生较宽的劈裂面，浆液沿着该劈裂面进行流动，等到其浆液固结后形成完整骨架。2.3 压密注浆理论压密注浆是将提前准备好的稠密浆液灌注到地基土中，将其钻到孔中并挤向土体，在注浆位置形成大量浆泡，随着浆液覆盖范围不断拓展，进一步压缩周围土体。等到浆体将注浆范围中的土体全部取代，在注浆邻近区中出现大规模塑性变形区，距离浆泡较远区域土体产生弹性变形，明显增加土体密度。2.4 喷射注浆理论在 喷 射 口 外 侧，泥 浆 以 喷 射 方 式 撞 击 并 破 坏 土壤，与泥土搅拌混合，形成一种固结结构，从而对基础进行强化1。固体颗粒的大小和形态与注入方法和作用时间密切相关，增加固体颗粒的粒径需要更多的注入周期。喷射注浆具有广泛的应用、良好的成型性、高强度和施工简便等特点。喷射注浆理论是指在喷射口外侧，以喷射方式使泥浆撞击并破坏土壤，与泥土搅拌混合，形成一种固结结构，从而对基础进行强化。当喷射注浆连续作用在土体时，会影响到压应力和冲蚀等因素，对小粒径细粒土至大粒径卵石、碎石土产生较强冲击力，导致浆液和土相互搅拌，形成新型固结体。固结体和桩间土相融合能形成复合地基，能全面提高地基抗剪强度，优化土变形性质，从而达到加固地基的作用。3注浆方法为 提 高 注 浆 施 工 质 量，除 了 科 学 研 发 注 浆 材 料外，注浆技术也越来越受到关注。随着注浆技术的不断发展，目前已经从最初的钻孔注浆法，发展到滤管注浆法、双层管注浆法和电渗法等2。目前，煤科院建井所开发的“综合注浆技术”集成了新型材料、新方法和新设备，受到广泛关注。该工艺已成功应用于鹤壁冷泉矿主、副井等 18 口井，并取得了良好的效果。4注浆工艺参数及工艺设计4.1 注浆参数注浆工艺参数包括注浆压力、注浆流量、注浆扩散范围和注浆孔洞的设置等。4.2 注浆设计在 注 浆 施 工 中，需 要 考 虑 技 术 和 经 济 的 合理性3-4。首先，需要明确注浆目标，如防渗加固、提高地基承载力、增强地基稳定性或减小地基可压缩性等。其次，制定合适的注浆规范，保证注浆工程的质量、进度、成本和施工安全。再次，选择适当的注浆材料也是关键，需要根据不同的注浆目标选择合适的材料，并考虑其对人体和环境的影响。最后，注浆工艺的设计也十分关键，包括注浆压力、注浆扩散范围、注浆浓度和注浆时机等。注浆压力的确定受土壤强度、密度、钻孔深度、渗透性、注浆顺序、位置以及注浆材料特性等多种因素影响。通常需要进行现场注浆试验，进而评估和确定最佳的注浆方案，达到施工要求的同时节约成本。5注浆质量监测注 浆 质 量 检 验 是 注 浆 施 工 中 的 关 键 环 节5。当前，随着相关科学技术的发展，注浆领域已广泛应用各种电子设备和相关技术。为确保注浆质量，常采用注水试验、漏水试验、潜望镜和孔内照相等方法，监测土壤的渗透率变化。此外，可以根据注浆前后的应力变化判断注浆效果。6注浆工艺在工程中的应用注浆技术是一种用于矿井岩层堵水、软岩支护、表土段地层加固和井壁堵水的施工方法，已被广泛地用 于 煤 炭、水 利、土 木 工 程、隧 道 桥 梁、河 港 工 程 等领域。6.1 工程概况张江数字产业创新平台项目位于上海市浦东新区张江镇东至 24-01 和 24-05 地块，南至郭守敬路西至 24-02 和 24-04 地块，北至李时珍路。该工程总建筑 面 积 为 58507.8m2，其 中 地 上 38670.8m2，地 下19837m2。钻孔灌注桩 685 根，其中抗压桩 332 根，抗拔桩 318 根，试桩 35 根。工程桩全面施工前，应先试成 孔，数 量 不 少 于 2 个，试 成 孔 施 工 需 满 足 DGJ08-11-2018 要求。正式施工前进行试桩，试桩数量为 35根。施工完成后的工程桩一般采用低应变动测法进行桩身完整性检测，抽检数量抗拔桩不少于总桩数的50%，抗压桩不少于总桩数的 100%，每个柱下承台抽检数量不少于 1 根。6.2 注浆补强塌陷带的试验研究经 过 实 验 室 测 试，在 冒 落 区 进 行 注 浆 时 使 用 了425 号普通硅酸盐混凝土。混凝土模量为 2.22.4，水玻璃与水配比 10.4，注浆的力学模型为筒形，注浆速 率 为 3.6，初 始 注 浆 压 强 为 0.1MPa，标 准 压 强 为0.5MPa，最 终 压 强 为 0.8MPa。提 出 了 采 用 2.5m2.5m 的 井 筒 结 构，注 浆 厚 度 1.1m，上 部 注 浆 厚 度1.5m，注 浆 段 长 度 2.3m，循 环 长 度 1.5m，并 留 出0.5m，用于下一次注浆周期的防渗。采用特殊注浆125煤炭新视界CHINA COAL VISION煤 矿 采 掘机，在基坑断面上方和两边放射状分布，钻孔间隔为1.0m。应用 YT-24 钻井器，将特殊的注浆钻柱打入冒落区。注浆机采用了 2TGA-60/120 双流式高压喷浆机，可按要求调整注浆速率和注浆压力。注浆前，施工预喷水泥砂浆，并喷洒 50mm 厚的水泥砂浆，三日后浇筑；注浆时，应在喷灌处进行 5min 的清水注入，以清洗裂缝道，改善胶接品质，并对管道进行检查；注浆次序由两帮后顶，底部两个钻孔注入的注浆数量是其他钻孔的两倍，这样可以扩大注浆区域，从而形成一个比较稳固的拱足，从而避免整个注浆过程的沉降。二次开挖方式以人工开挖为主，其次是大面积的钻孔二次破岩。在挖掘完一圈后，再用吊索和喷淋的方法进行临时支护，在经过冒落区时候进行加固，直至达到 100mm。从掘进后工作面的裸露状况来判断，其加固作用是显著的，注浆在岩石中填充致密，胶结坚固。经治理后，该地段的井眼完成度达 100%，未出现裂缝和脱落现象。6.3 不稳定地层的注浆加固在冒落区作用下，冒落区边界发生了明显松散，岩石稳定性大大下降，必须对冒落区前面的冒落区周边不稳定岩石进行注浆。经实验室测试，注浆料为单一液体水泥，水泥混合比例为 0.51.0，添加 2%氯化钙，固化期为 78360min，不稳定岩浆的孔隙比通常小于 3%。在 0.5m 的范围内，单孔注入的泥浆流量为0.031m3/min，注浆压力起始值是 0.5MPa，一般情况下是 1.5MPa，最终注浆压力是 2.0MPa。注浆孔是沿着隧道边坡方向的顶部 30进行钻探的，深度为 2.3m，直径为 40mm，孔距为 1.0m。在顶面区域内设置大约 10 个注浆孔，两侧不设置注浆孔。钻头取出后，将注浆管道插入孔中，并用胶水封闭，一天后进行注浆。注浆装置与冒落区相同，只是使用氯化钙的水槽代替，浓度为 50%，手动混合。在注浆之前，需要对井眼进行灌水，确保井眼的密封性，并清理破裂的岩石裂缝；注浆完成后，在井筒中进行约 2min的注水，然后注入水泥砂浆填充裂缝，并对注浆管道进行密封。注浆的次序是从两侧向中间依次进行，采用固定压力注浆。当注浆压力超过 2.0MPa 时，立即停止注浆。一星期后，利用光爆破法穿过已加固的不稳定岩石，尤其 是 顶 板 孔 间 距 为 400500mm，装 药 量 约 为 50ml。对不稳定的岩石进行一次喷网组合支护，即通过注浆管柱，使用螺栓和衬垫将其紧固在注浆管道的末端。二圈过后，全部穿过不稳定的岩石。经过四个多月的收敛性观测，发现在前期一个月内，隧道的收敛性比较好，第二个月的收敛率达到 0.159mm/d。7注浆技术的发展及前景注浆技术的发展主要体现在工艺和材料发展两个方面，同时需要加强对注浆设备和技术、质量的监管。在注浆材料方面，已经开发出高密度的柔软玻璃浆，排除了碱性和酸性水溶性琉璃浆液，并研发由不同原料制成的优质高质量泥浆。8结语由于岩土体和注浆工程具有较强的隐蔽性，有效增加注浆理论的研究难度系数，加上现代注浆理论研究水平滞后于注浆材料发展。已有关于注浆学术成果中，过于注重分析施工工艺过程和注浆效果，对其理论分析内容较少，现有结论以感性认识和宏观认识为主体，严重缺乏定量测试分析，所以从微观角度进行研究，是研究注浆理论研究的关键点。但由于模拟条件和实际地层结构差异性较高，其各种模拟参数和实际条件很难相互吻合，如介质粒度、裂缝、空隙状态等参数，且经常只模拟单一裂隙，导致模拟出来的浆液流动特征和实际情况差异明显，未来要注重进行仿真 模 拟，从 而 缩 短 其 差 距，提 高 注 浆 工 程 施 工 的 合理性。参考文献：1张民庆，辛维克，贾大鹏，等.高压富水深竖井工作面预注浆关键技术参数研究及应用J.现代隧道技术，2022（6）：177-186.2郎君，刘正武.基于探测技术的底板构造区注浆加固效果评价J.中国测试，2022（7）：163-168.3赵宝峰，朱明诚，李德彬.掘进巷道突水溃砂高压扰动注浆技术与应用J.煤田地质与勘探，2022（6）：65-72.4卓越，李治国，高广义.隧道注浆技术的发展现状与展望J.隧道建设，2021（11）：1953-1963.5乔光，董天杰.压密注浆堵漏止水技术在基坑工程中的应用J.中国港湾建设，2021（11）：37-40.责任编辑：陶小琳126