设计及选型
土建注浆施工与效果检测
胡 淼 胡 洁 （石家庄供电公司）
1 注浆技术发展概况
1.1 注浆工法
用压送的手段把具有一定凝胶时间的浆液注入到松散土层或含水岩层裂缝中，浆液凝结后固结土的颗粒或者充塞岩层裂缝，使土层（岩石）的力学性质得以改善。这种通过注浆来改变地层状况的方法称为注浆加固法。也称为化学注浆或化学灌浆。该工法近年来在电缆隧道的施工和加固方面取得了明显的效果.根据几年来的设计经验和心得对该工法做一个简单介绍. 1.2 注浆材料
1.2.1 材料：水玻璃浆材，水泥类浆材，高分子类浆材，或几种材料的组合。
1.2.2 浆材的选定：土质条件是选定浆材的关键，其次是环境条件，注入目的及预期的效果。选择的浆液必须与砂土层为渗透注入，粘土层为脉状劈裂注入的极力相吻合。渗透注入的机理是溶液型浆液取代土颗粒间隙中的水；而匹裂注入的机理是浆液在土层中形成纯浆液的固结脉，同时一些脉压密周围土层。为了提高脉体的固结强度，故应选择悬浊型浆液。当注浆施工在靠近公共水域的地方进行时，应选择中性或酸性水玻璃浆液，以保证水质不被污染。当工程对浆液固结体的长期耐久性有特殊要求时，应选择凝胶时间、渗透性好无硅石淋溶、凝胶收缩率小、匀凝强度高的浆液。通常，有机高分子类浆液的耐久性最好。
1.3 注浆方法：总的来说，目前的注浆方法大致有下的几大类。
1.3.1 按浆液分的布状态分类：①充填注浆；②渗透注浆；③劈裂注浆；④劈裂渗透注浆；⑤挤密注浆。
1.3.2 按注浆管的形式分类：①钻杆法；②花管法；③双层管双栓塞法；④同步注入法；⑤高压喷射搅拌法。
1.3.3 按浆液的混合方式分类：①单液单系统法；②双液双系统法；③同步注入型双液双系统法；④交替注入双液双系统法。
1.3.4 按化学反应型式分类：①复分解沉淀反应型；②聚合反应型；③悬浮液分离反应型。 1.3.5 按岩土种类分类：①粘土注浆；②砂质土注浆；③界面注浆。 1.3.6 按注浆的施工时间分类：①预注浆；②后注浆。
其中前两类分法较为普遍。就注浆方法而言，当初多采用操作简便、经济的单钻杆注浆法，近年来这种方法已遭淘汰。目前多采用双重钻杆过滤管法、双层管双栓塞工法和旋喷法，并且在国际上得以普及。
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1.4 参数的选取及施工设备
1.4.1 施工参数的选择：施工参数通常指注入量、注入率、注入压力、注入速度、孔距、节长等参数。
1.4.1.1 注入量注入对象土层的浆液的量。用Q表示。
Q=c*V C=n*a*(1+b)
式中Q为注入量；c为注入率；V为加固对象土的体积； a为填充率；b为损失系数。通常a*(1+b)=0.8—0.95，b因土质条件不同差异极大取值为0.1—1。
1.4.1.2 注入率即注入量与对象土的体积比。注入率因土质条件，注入工法的不同而不同。详见下表。
注入工法 双层钻杆过滤管法 双层管双栓塞法 砂 土 40% 40%--50% 粘 土 30% 30%--50% 1.4.1.3 注入速度注入速度即单位时间内的注入量。
1.4.1.4 注入压力注入压力是注浆施工效果好坏的关键因素之一。决定注浆压力的因素较多，并且非常复杂，故目前还无法用定量的公式表示。只能根据注浆前的注水实验的数据和以往的施工经验确定。
1.4.1.5 注入孔的间隔注入孔的间隔可按下表选取。
目 的 防渗 强化地层 浆液的种类 悬浊型 溶液型 1.4.1.6 节长节长L=20—50米
1.4.2 注入设备注浆设备包括：钻孔机、注浆泵、拌浆装置、输浆管、止浆塞、流量计、注入喷等。这里不再详细阐述。
孔间隔（米） 1.0—2.0 0.8—1.2 孔间隔（米） 0.8—1.2 1.0—1.5 2 注浆加固地层的效果
作为地层的加固工法，注浆工法具有设备简单、施工占地面积小、狭窄的场地及矮小的空间均可施工。并且施工中产生的振动噪声小、对市容交通的影响小、工期短，见效快、加固地层的深度可深可浅，这是其他加固工法所不具备的，注浆工法这一得天独厚的优点，致使该工法的应用极为广泛。
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2.1 注浆的问题及技术现状
虽然注浆技术有很大的进步，但是该领域仍存在一些急待解决的问题。比如检测注浆工法的注入范围和判断固结状态，目前尚无完好的方法。工程预定的固结区域内仍然存在未固结的部位，有时这些部位是连通的，因而易发生塌方出水事故。而这些隐患发展成事故，通常需要一段时间。虽然发展成事故的概率并不大，但仍有发生。这说明该工法的可靠性还存在着细微差距，这是该工法的最大缺点。
因为注浆是在肉眼无法观察的土层中注入，克服上述缺点作到完全可靠不是一件容易的事。但是，考虑到今后一个时期的地下工程数量的增加及大深度地下开发计划的迅速展开，必然带来注浆工法的施工数量的猛增，所以注浆工法只有克服上述缺点，方能发挥自身长处，立足不败。
注浆工法从50年代开始实用以来，至今已有50多年的施工历史了，纵观这一时期技术进步的实绩，不难发现尽管浆液自身也有进步，但贡献显赫的项目当属下面两种注浆工法的开发 2.1.1 使用瞬结型浆液的双层管型
该工法有单液型、双液型两种。其中单液型仅限于使用瞬结型浆液。单液型注入工法对渗透性高的砂层和卵石层及渗透性差的粘土而言，注入效果好。双液型注入工法的特点是先注入瞬结型浆液，该浆液在注入孔周围先有效地形成栓塞，防止浆液向预定地层范围之外喷溢，以便提高瞬结性或缓结型向预定地层注入的可靠性。 2.1.2 双层管双栓塞工法
这种工法由于注浆管外侧布设有上下两个栓塞，所以注浆管无论对地层的哪一个深度均可自由地反复注入缓结型浆液，实现分层注入加固。
尽管上述两种注入工法与以往的单管钻孔注浆工法相比，加固效果有明显的提高，但是期望这两种注浆工法的加固效果100%的满足设计要求尚有差距。这说明这两种注浆工法的可靠性存在有一定差距。
2.2 注浆加固的目标
注浆加固的主要地层对象是地下水位以下的砂层、卵石层等渗透层。注入这些地层中的浆液固化时挤走并取代地层中的间隙水，将土颗粒粘固成大棵大块固结体。另外因浆液有不被地下水稀释的性质，故浆液的固结体仅存在于注入孔附近。所以注浆可以实现某一预定位置的加固。
浆液向地层中某一部位渗透时，该部位的加固效果取决于：①土体的间隙比；②浆液的自身固结性能。
2.2.1 土体的间隙比越大，加固效果越好；土体间隙比越小加固效果响应越差。另外，离注入孔越远，浆液的压力越小，浆液充入细小间隙越困难，土体的加固效果越差。虽然，上述情形的加固效果差，但不意味着浆液稀，而是没有被浆液置换的间隙多的原因所致。再有，即使浆液注入间隙的比例相同，但表征加固效果的强度和抗渗性不同，加固效果因地层土质粒度的不同而异。当注入间隙比相同时，土中的细砂越多加固效果越好。然而通常粒径越小，浆液取代间隙水越难。综上所述，地层的加固效果是不均匀的。即存在超过要求加固值的部位，相反也存在不能满足要求加固值的部位。
2.2.2 自身的固结特性（主要取决于浓度、材料成分）对加固效果的影响，在溶液性浆液的场合
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下，固结特性主要受浓度支配，浓度越高，强度和抗渗性越好。但是浓度高会导致粘性增强，浆液渗入细小间隙困难。现时浆材多为水玻璃类，由于注入压力和土压的作用，浆材脱水凝结后被土体压密，故而出现比初始`浓度更浓的高密度的固结。由于注入压力的作用，注入孔附近容易出现这种浓缩。此外，有时浆液也会串入注入管与土体的夹缝中渗透流失，致使注入率提不高。因此，注入率必须比理论值高。如果出现浓缩作用，则强度，抗渗性等参数值变好，浓缩作用的程度有时甚至出现岩层般的高强度固化。再有，对水泥悬浊型浆液而言，固结强度可提高几个量级，但是加固效果也因地层而异。
尽管浆液可以向地层中渗透，但因上述两种因素极大程度的支配加固效果，所以实现均匀加固是不可能的。如果假定存在浆液完全没有渗透的地点，则掘削时该位置必漏水，漏水的程度因地下水和土质的不同而异，若未固结部位连通外部的滞水层，则大量的地下水和土砂同时流入，就会出现塌方淹水事故。一般情况下地下水压越高，出现事故的可能性越大。
因此，即使仅存在一个未固结部位，也会有可能使整个注浆效果报废。由此可见，加固目标是使其不出现未固结部位，注入孔与最远的邻近注入孔的中间部位，加固值往往不能满足设计要求。这一点必须特别注意。 2.3 预测注浆加固状态的方法
在实际注浆中，如果浆液选用恰当，注入方法对头，注入结果大体上也没有发现存在未固结部位，但其加固值却远低于设计的目标值，应该说注浆工法对于这种情形是为力的。也就是说这个工程不是注浆的对象工程，这并不是注浆工法自身的毛病。因此，对注浆工法的第一个要求就是浆液不应泄露到预定的加固范围之外。解决这个问题的捷径，通常有以下几点：可靠地测定注入后的加固状态；开发探查未固结部位位置的方法；对未固结部位实行两次注入，使其得以确实加固。
现时可行的方法有：①利用注浆前后地层N值、渗透系数、电阻或取样状态的变化，判别加固状况。②观测注入过程中电极间电阻的变化。③用埋设与地中的温度传感器探测固化产生的温度变化量，由此推估浆液的渗透状况。尽管这些方法有很多可取之处，如简单、易于标准化等等。但是这些方法均只能反映探查点的信息，很难完整地探查出未固结的具体部位，因此必须寻找其他有效的方法
目前希望开发的更有效的方法应该是在注入方法合理、浆液渗透作用确实的条件下，从注入参数预测预定注入范围内是否做到了无遗漏加固的方法。这些参数主要有：
P----注浆压力 （Mpa） q----注入速度 （L/min） t----注入的累计时间 （min）
开发由这些参数来预测注入浆液在地层中的渗透状况。如果这种方法成为现实，那么估算总体加固状态的可能性也就大有希望，同时还具有即时性等优点。
最后用N值等其他调查方法确认加固效果也还是必要的。但最重要的还是选择合理的注入方法，只要方法合理才能较好地预测加固状态，N值等原位调查才有意义，只有这样才能明显地提高确认整体加固状态及未加固部位的精度。
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2.4 实现合理注入的条件
注浆土质对象必须是非固结土。要想使浆液有效的固结土体，则须形成所谓的渗透注入状态，即浆液挤走土体中的间隙水，进入土中固化的情形。这种渗透注入只限于渗透性大的砂层、卵石层。当砂层中含有细粒组份时，渗透性被局限于某一程度之下，则浆液在地层中呈脉状劈裂形式向外喷射，即构成劈裂注入。因为粘土层近于不渗水，故粘土层注入时浆液为劈裂注入，提高加固效果困难。如果说劈裂注入状态下加固效果有某种程度的提高，这主要是劈裂脉的存在使设计范围内的土体密度得以提高的原因所致。但是这种提高是有限的，例如尽管采用瞬结型浆液，减小注入孔距和节长，提高注入率等措施，仍不能绝对保证加固效果的稳步提高。
设土层的渗透系数为K，当K﹥0.0005㎝/s时，要想注浆的加固效果好，必须使注入方法、注入条件选择得合理。而合理的关键是选择与土层匹配的注入速度，渗透注入中注入速度存在一个极限值，该极限值是渗透注入的关键，应严格把注入速度控制在该极限值以下。该极限值的确定方法如下：
把浆液注入速度q分成若干段,测定各个阶段的注入压力P并进行比较,会发现当注入速度小于某一值时, 注入速度与注入压力成正比,当注入速度大于该值时, 注入压力反而下降.我们把注入速度的这个临界值设为Q，也就是上述的极限速度值。因此当注入速度小于极限速度值Q时，意味着该区间属于渗透注入状态。
综上所述，极限速度值Q的大小是合理选择注入速度的重要指标。Q值取决于地层的渗透系数和注入点的深度（土层压力）。但是，目前尚无正确估算的方法。所以必须在注浆之前，先用水在这个位置作注入实验以求得到准确的极限速度值。同时也必须恰当地选择注入率、凝胶时间、注入孔距、注入顺序等。仅次于注入速度的重要参数是注入率，也应给予较高重视。 2.5 估测加固效果可靠性的必要条件
若要使注浆的加固效果令人满意，第一点就是应把实用的注入速度确定在极限速度值Q以内，多年的施工经验值为5--20 L/min。第二点是加固的地层必须只限于成为渗透注入的砂层、卵石层。对其他地层而言，无论采用什么注入工法，尽管可以获得某种程度的加固，但是期望效果特别好是不现实的。另外，由注入参数判断注入过程中浆液的渗透状况至关重要。实际上注入过程是一个浆液在设计范围内依次固结的过程，所以及时地掌握注浆开始后的各个时刻的浆液注入状况，也就是注入的累计时间t与注入速度为q的浆液向土中渗透的压力p的关系。此时注入压力p的大小及其变化的状况包含的有用信息最多。由此可以推测浆液的渗透状况，也可以预测加固效果。
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