高速公路裂隙岩体地基改性浆液注浆加固技术

左连滨

（北京中交华联科技发展有限公司，北京 100101）

0 引 言

在岩土地下工程中，常遭遇富水裂隙或破碎岩溶等不良地质条件，极易诱发塌方、涌水等安全事故。注浆是上述灾害治理工程中应用较为广泛的加固措施。目前常见的水泥单液浆（Blank）、水泥-水玻璃（C-S）等传统注浆材料普遍存在流动性和初凝时间不可控、可泵期不易调节等性能缺陷［1］，导致浆材流失或注浆管堵塞、冒浆等一系列工程问题。目前国内在动水注浆材料研制方面已有较多研究成果：李召峰［2］、袁敬强等［3］研制了新型注浆材料，并对其凝胶性能和抗分散性质开展了不同程度的研究；李利平等［4］研制了一种高分子化学注浆材料，并对硬化结石体强度等方面的性能进行了系统分析。但上述研究均未尝试对注浆材料可泵期进行定量控制。

刘人太等［5］对比分析了浆液在静水与动水条件下的留存率变化；刘健等［6］通过模型试验和数值模拟研究了水泥浆液在静水和动水条件下平面裂隙中的扩散规律；湛铠瑜等［7］推导了动水条件下的裂隙注浆扩散方程；杨志全等［8］探讨了幂律型浆液渗透注浆扩散机制。目前针对岩溶裂隙动水注浆浆液扩散特征的研究多采用模型试验或数值分析，缺乏实际工程的应用与验证。

速凝剂、减水剂和保水剂均为各类水泥基材料制备中常用的功能型外加剂，虽然其掺量只占整个体系的较小比例，但速凝剂的促凝效应［9］、减水剂的分散效应［10］以及保水剂的储水作用［11］均会对新拌水泥浆体流动度、析水率等流变特性产生重要影响。基于此，本文以偏铝酸钠速凝剂（SA）、聚羧酸减水剂（Sp）及高吸水性树脂（SAP）为外掺组分，研制一种改性高聚物水泥基（MPC）注浆材料，并通过大样本、长周期室内调配试验，探究其黏度时变特性并尝试加以控制；基于试验结果推导并拟合其流变方程，用于动水条件下裂隙注浆扩散特征数值分析；结合高速公路工程实例，开展帷幕注浆现场试验，并运用钻探与物探相结合的检测手段对应用MPC浆液的注浆治理效果加以验证，旨在为富水裂隙等复杂岩溶发育地层注浆加固设计及注浆材料的性能优化提供借鉴。

1 MPC浆液流变特性研究

1.1 试验材料

（1）水泥。采用的水泥（C）来自中国建筑材料研究院研制的普通硅酸盐水泥（细度为0.5%，比表面积为341m2·kg-1），其化学组分如表1所示。

（2）水玻璃。试验选用的水玻璃（S）由山西华凯伟业有限公司生产。模数为3.2～3.4，密度为1.38g·cm-3。

（3）聚合物改性溶液。聚合物改性溶液主要由速凝剂、高效减水剂及保水剂混合而成，其中速凝剂（SA）为清华大学建筑材料研究所合成的Na2OAl2O3-H2O稳定胶体，主要组分为偏铝酸钠，质量浓度为65%。高效减水剂（Sp）主要成分为聚羧酸，折固含量为40%；其作用机理为改变水泥和矿物掺合料颗粒表面的电学及空间位阻特征，从而影响水泥颗粒间的相互搭接方式，以显著改善水泥基材料的分散性。保水剂（SAP）为北京汉力淼新技术有限公司提供的高分子吸水树脂，粒径为180～420μm；其“水库”作用可有效调节水泥浆液流变及水化进程中内部养护水及自由拌合水的供给平衡。

表1 试验用水泥化学成分组成

1.2 试验方案

试验旨在对常规水泥浆（Blank）、水泥-水玻璃（C-S）和MPC浆液的流变特性进行对比分析，不同水泥基注浆材料试样组分及掺量如表2所示。表2仅列举了各高聚物的初始掺量调配范围，以期通过大量试验获取不同可泵期下聚合物体系的最优组分及其掺量；各试样均采用注浆材料常规水灰比1∶1；高聚物溶液掺量为其折固质量与水泥质量之比。

表2 水泥基材料试样组分及其掺量比例

1.3 试样制备与测试

MPC浆液制备具体步骤为：在掺量范围内称取SA、Sp和水，采用NJ-160A型水泥净浆搅拌机进行均匀搅拌，加入普通硅酸盐水泥，参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB／T 50080—2016），先以125r·min-1的转速快速搅拌2min；将SAP置于搅拌锅，再以62r·min-1的转速慢速搅拌2min。由于SAP高分子具有一定的引气性，导致搅拌后浆液内部含有一定量气泡，需对试样进行多次振捣，使气泡悬浮于浆液表面，并加以清除至稳定状态。

流变试验采用Brookfield RV-III型流变仪对新拌MPC浆液的流变参数进行测定。在（20±2）℃、相对湿度（70±5）%的条件下，取50mL待测样品快速搅拌30s后倒入烧杯，分别选定合适量程的圆盘转子及浆式转子，在剪切速率梯度增长下对塑性黏度及屈服应力进行测定，并绘制试样的实时应力-应变曲线。

1.4 结果与分析

（1）黏度时变特性。水泥基注浆材料黏度随时间演变的规律如图1所示。由图1可见，不同注浆浆液黏度时变特征存在显著差异，C-S浆液黏度随时间呈现单调递增趋势；Blank浆液在较长时间内均处于低黏状态。

图1 不同水泥基浆液的黏度-时间曲线

MPC浆液黏度随时间呈近似阶梯型增长，将其阶梯特征划分为3阶段：上升期、稳定期及固化期。可知MPC浆液黏度首先呈小幅线性增长（上升期），至某一黏度区间并维持一定时间（稳定期），随后表现为黏度突增，并在短时间内迅速达到初凝状态（固化期）；其上升期和稳定期内浆液均具备可泵性。本研究通过大样本、长周期室内调配试验，将MPC浆液可泵期分别定量控制在10、20、30min内，以满足不同发育程度岩溶地基注浆加固的治理需求；其中，各可泵期下聚合物体系最优配合比（MPC-1、MPC-2、MPC-3）及对应黏度突变时间（T1、T2、T3）见图1。

上述不同水泥基浆液黏度时变特性对比分析表明，与C-S浆液相比，高聚物间的协调效应使MPC-2浆液、MPC-3浆液可泵期显著延长；相比于Blank浆液，避免了由于低黏状态过长而导致流动度不可控进而引发浆材流失、跑浆串浆等工程问题。MPC浆液在注浆初期具备持续高流态与扩散性，至理想充填效应时扩散能力骤降并在较短时间内迅速凝胶，且其可泵期的定量可控性在不同发育程度裂隙介质注浆充填中具有一定的工程适用性。

（2）基于广义H-B流体的MPC浆液流变方程。由流变试验观察到，MPC浆液是一类具有屈服应力的幂律型流体，其流变特性较为复杂，采用牛顿、宾汉姆等流变模式无法准确表明该类时变性流体的流变特性。由Herschel和Bulkley提出的三参数Herschel-Bulkley流变模式（H-B），综合了牛顿、宾汉姆及幂律型流变模式的特点，可描述流体的塑性及剪切稀释、膨胀特性，故采用基于H-B流体对MPC浆液流变方程进行推导及拟合。其本构关系为

式中：τ0为屈服应力（Pa）；c为稠度系数；n为流变指数，无量纲，当n=1时，浆液为宾汉姆流体；γ为剪切速率。

根据阮文军［12］的研究结论，幂律型水泥浆液的稠度系数与时间呈幂指数关系，具有时变特征；而流变指数随时间变化不大，可视为无时变性。因此，H-B型浆液时变特征可推导为

式中：n（t）为浆液t时刻流变指数，近似等于流变指数n；c（t）为其t时刻稠度系数；c0为浆液初始稠度系数；k可通过流变试验拟合获取。

在任意时刻t，流体所受剪切应力与剪切速率满足H-B流变模式，联合式（1）～（3）得到基于广义H-B流体的黏度时变性MPC浆液流变方程为

式（4）表明，基于H-B流体的MPC浆液黏度时变特征的实质为稠度系数具有时变性。

表3 H-B型MPC浆液流变方程与流变参数时变特征

结合试验结果，对基于H-B流体的3种可泵期下MPC浆液流变方程及其流变参数进行拟合，结果见表3。由表3可见：MPC浆液屈服应力、流变指数与可泵期时长呈负相关；稠度系数与时间呈幂指数变化趋势；不同可泵期MPC浆液流变指数拟合结果差率均小于5%，验证了文献［12］关于流变指数无时变性的研究结论。拟合结果的相关系数R2均在0.9以上，表明拟合方程收敛程度较高，基于广义H-B流体的MPC浆液流变方程可作为预定义黏度时间分布函数用于理论及数值计算。

2 动水条件下MPC浆液扩散特征

基于MPC浆液流变特性，运用Fluent有限元计算软件建立动水条件下裂隙注浆浆液扩散数值模型；基于两相流理论，对地下水作用下常规水泥单液（Blank）、水泥-水玻璃（C-S）以及改性高聚物-水泥浆液（MPC）的扩散规律进行对比分析，并探究动水流速与注浆压力对各浆液留存率和动水流量的影响。

2.1 两相流理论

当浆液在注浆压力作用下进入地层时，其运移过程可看作为浆液和地下水在裂隙中的两相非稳定渗流；故可应用基于达西定律的两相流理论描述水泥基浆液扩散运移过程，通过稳态计算形式描述浆液的最终扩散状态。图2为浆液驱水的两相渗流模型。

图2 浆液扩散两相流模型

在浆液扩散过程中存在一个浆液和水驱替流动的两相渗流区，两者在被注介质裂隙中所占的体积比例分别用Sc和Sw表示，则两者恒满足

两相界面控制方程为

式中：φ为水平集变量；γ为重新初始化参数；ζIS为控制界面厚度参数；u为动力黏度（Pa·s）。

2.2 几何模型及计算参数

有限元数值计算采用三维平面裂隙模型，长度为4m，宽度为2m，裂隙厚度为5mm。注浆孔位置距离进水边界1m，距离上下边界各0.5m，其直径为20mm。几何模型网格剖分及边界条件如图3所示。网格形式采用高精度矩形网格，靠近注浆孔处适当加密。模型左侧为进水边界，地下水由此进入裂隙空间。注浆孔处设置为定压力边界，浆液由此处以恒定压力垂向注入裂隙。模型右侧为无压出流边界，模型内浆液与水均从该边界流出。模型上下壁面均满足无滑移边界条件。

图3 几何模型与边界条件

计算时运用基于压力的稳态隐式求解方式，压力、速度耦合方式采用PISO。浆水混合区流体形态采用体积分数表示方法，模型计算初始状态为内部充满地下水，即水的体积分数在整个空间内为1。根据模型的网格尺寸及流体速度，确定计算时间步长为0.01s，每一时间步均对方程进行20次迭代。

为研究不同动水流速及注浆压力下3种水泥基浆液的注浆扩散规律，初始动水流速设定为0.01、0.06、0.16m·s-1三种工况，注浆压力分别设定为0.1、0.3、0.5MPa。浆液流变参数采用经上文推导及拟合的预定义黏度时变函数，以UDF文件的形式嵌入进行计算。数值模型基本计算参数及工况如表4所示。

表4 数值模型计算参数及工况

2.3 扩散形态

动水条件下，浆液在水力冲刷、注浆压力和黏度梯度的共同作用下在模型中扩散。限于篇幅，仅以动水流速为0.06m·s-1下C-S浆液、MPC-2浆液和Blank浆液扩散形态为例进行对比分析。如图4所示，云图中浆液扩散迹线上出现了不规则折曲，分析其原因为：进行网格划分时，自注浆孔由内向外遵循由密到疏原，其对浆液扩散规律的描述及计算结果准确性影响不大。

由图4可知，注浆初期不同水泥基浆液扩散形态与其黏度差异规律基本一致，其中C-S浆液和MPC-2浆液具有相似性，均呈轴对称圆形分布，浆-水界面在轴线方向与垂直水流方向上共同等速推进。而地下水对于Blank浆液在逆水方向的阻滞作用及顺水方向的冲刷效应使其在水流方向上的扩散距离及推进速率明显大于逆水方向，浆液逐渐向顺水方向扩散。水泥基材料初始扩散半径从大到小表现为Blank、C-S、MPC-2。

图4 裂隙动水注浆浆液扩散形态

当动水注浆进行至60s时，随着浆液黏度增大，动水冲刷作用下MPC-2浆液与C-S浆液沿水流方向和垂直水流方向均形成沉积留核区和动水绕流区，但MPC-2浆液留核区面积明显大于C-S浆液，且垂直水流方向的留核区宽度已抵达模型边界。这表明：与C-S浆液相比，MPC-2浆液对裂隙的充填效应及对动水的封堵能力更为显著。

3种水泥基浆液黏度的分布特征（图5）验证了上述研究观点。由图5可见，沉积留核区内C-S浆液和MPC浆液具有明显的黏度梯度优势，其抵抗动水冲刷的能力较强。由于动水的阻滞作用，Blank浆液仅在逆水方向扩散锋面处形成了面积较小的涡流区；而在动水的冲刷作用下，顺水方向上其黏度衰减趋势显著，浆-水界面存在明显过渡区，大量浆液与水共同从出流边界流失。

2.4 浆液留存率与动水流量

浆液在注浆压力作用下进入裂隙内部，动水冲刷作用造成部分浆液流失；而后浆液逐渐凝结硬化形成结石体，通过裂隙断面的动水流量逐渐降低。因此，浆液留存率与动水流量是评价水泥基注浆材料充填扩散效应和堵水效果的重要指标［13-14］。

图5 流体域黏度分布

（1）浆液留存率。浆液留存率是指注浆结束后留存下来的浆液质量占总注浆量的百分比，动水条件下浆液留存率表征了材料的抗动水冲刷能力，并与浆液的扩散能力和堵水能力紧密关联［15-18］。不同动水流速工况下注浆材料的留存率如图6所示。

图6 不同动水流速下的浆液留存率对比

由图6可见：低流速动水条件下速凝类浆液在完成对裂隙的饱满充填后迅速凝结硬化，故C-S浆液和MPC-2浆液仍保持较高的动水留存率；而当动水流速高达0.16m·s-1时，部分浆液来不及形成凝胶体便被稀释、冲刷，表现为浆液流失程度加剧。不同动水流速下C-S浆液动水留存率与MPC-2浆液差异不大，前者略高于后者。而由于Blank浆液在相当长的时间内处于低黏状态，故其在不同动水流速下均表现为较严重的浆液流失，表明其抗动水冲刷能力较差。

（2）累计动水流量。以整个注浆进程出流边界累计动水流量表征浆液的堵水能力。各水泥基材料累计动水流量变化如图7所示。图7表明不同动水流速下，MPC-2浆液及C-S浆液注浆出流边界处动水流量明显低于Blank浆液；且提高动水流速对MPC-2浆液及C-S浆液影响不大，累计动水流量保持稳定。

图7 不同水泥基浆液累计动水流量曲线

注浆压力的提高有利于C-S浆液和MPC-2浆液扩散区域的扩大，减少裂隙内部断面过水面积，使动水流量得到一定程度降低。由于增大注浆压力加剧了Blank浆液的浆-水分离程度，故其注浆断面动水流量随注浆压力的增加而明显提高。

上述研究表明，MPC浆液兼具扩散能力及堵水能力，可实现对裂隙的饱满充填并对动水进行有效封堵。

3 工程应用

3.1 工程概况

广西百色至靖西高速公路岩溶地基注浆加固试验段位于广西西南区域，属百色市境内，起讫里程为DK27+309～DK27+526，全长217m。工程地处低中山区岩溶洼地，地面标高变化较大。地层主要为第四系人工填筑层、坡积粉质黏土，下伏基岩为三叠系下统大冶群组灰岩。地表水主要为清水河上游源头引水渠流水，受大气降水补给；地下水主要为岩溶裂隙溶洞水，赋存于岩溶裂隙、溶洞内，主要受大气降水、岩溶洼地边缘泉水与洼地中积水补给。地下水位约5～30m，呈NE流向。

采用高密度电法对试验段地层进行了物理探测，解译结果揭示断面电阻率差异明显，基岩含水区域主要集中于深度8～27m范围内，其中存在2个主要赋水区域，其视电阻率较低，可判断该处为主要含水导水构造，其余区域为含水裂隙发育区域。

为验证高密度电物探技术的解译结果，沿线路中线左、右10m范围内共布置了100个勘查孔，对试验段含水裂隙发育情况进行钻探分析，如图8所示。

图8 钻孔探测结果及帷幕注浆方案

其中，59个孔钻揭露含水裂隙发育，线溶蚀率为9.2%，岩溶强烈发育。DK27+355～DK27+368段、DK27+473～DK+484段揭示较大空腔且无充填，空腔走向与线路呈大角度斜交，规模分别为22.4m和11.8m。

3.2 群孔多序帷幕注浆加固机制

单一注浆孔对于地下水的有效封堵区域有限，面对发育规模较为复杂的岩溶区域，须采用多孔多序注浆的方法实现动水封堵。浆液扩散及留核分布特征数值分析结果表明，钻孔的设计应遵循横密轴稀的原则，即浆液在水流方向（扩散轴向）的有效扩散距离较大，钻孔设计间距可适当加大，在与轴向垂直的方向（横向扩散）钻孔间距应尽量密集。

结合前期物探、钻探手段的解译结论，将试验段划分为4个注浆治理区域（图8）。根据上文不同可泵期MPC浆液黏度试验及扩散特征数值分析结果，在1＃、2＃、3＃注浆治理区的水流方向设计双序注浆孔，注浆孔间距为7m；并采用MPC-1浆液（凝胶时间较短、扩散区域较小）形成止水帷幕圈，对8～27m富水区域进行深部封堵；形成止水帷幕后，内部设计第三序列注浆孔，间距为14m，灌注MPC-2浆液（流态期较长、扩散距离较远）对裂隙发育进行径向注浆充填；最后采用静压渗透注浆方式对浅部地层完成补充加固。从而形成一套针对地下水作用下复杂岩溶发育地基、组合应用MPC浆液的“群孔多序帷幕注浆加固”的技术体系。由于4＃注浆治理区岩溶发育程度较低，故内部以灌注常规水泥单液浆为主，目的在于与MPC浆液治理区的注浆效果进行对比分析。MPC浆液治理区内部多序注浆孔的布置方案如图9所示。

图9 群孔多序组合帷幕注浆孔位布置

MPC浆液搅拌及泵送装置如图10所示。将水泥与2种液体高聚物混合加入搅拌桶内快速搅拌2min，置于储浆桶内并掺入保水剂进行慢速搅拌以待注。设计注浆压力为静水压力的2～3倍，注浆速率控制在80～100L·min-1。整个注浆过程中采用浙江大学研发的CJ-G3型注浆自动记录仪对注浆参数进行实时监控，并及时对注浆压力、注浆速率、浆液组分掺量等进行动态调整。考虑到地层局部存在大型溶洞发育，如遇吃浆量较大、注浆压力持续偏低的情况时，可采取间歇式压注方式（停注时间不得超过浆液凝胶时间）。注浆结束标准采取定压定量的双重控制，即注浆压力上升至设计终压（0.03 MPa）且注浆速率小于5L·min-1，稳定3～5min后停止本孔注浆。3.3 注浆效果与分析

（1）注浆监测结果分析。3＃治理区（MPC浆液）和4＃治理区（Blank浆液）所监测的关键注浆孔注浆压力-注浆速率-注浆时间（p-q-t）曲线见图11。由图11可见，3＃治理区帷幕处注浆孔注浆压力随时间呈快速上升趋势，在注浆进行至42min时达到设计注浆终压，且注浆速率随时间持续衰减，结束前注浆速率为1.25L·min-1。4＃治理区关键孔30min内注浆压力在0.08MPa（静水压力）上下波动，表明此阶段地层吃浆量较大，浆液均处于跑浆状态；随后注浆压力随时间缓慢增长，至147min时达到设计注浆终压，注浆速率为3.7L·min-1，虽达到注浆结束控制标准，但单孔注浆量远远高于设计注浆量。p-q-t曲线对比结果表明，相比于常规水泥单液浆，MPC浆液在更短时间内实现了对裂隙的有效充填并形成帷幕圈，且注浆量大幅下降。

图10 MPC浆液注浆装置

图11 不同注浆治理区p-q-t曲线

（2）检查孔透水率。检查孔压水试验段单位透水率是衡量注浆效果重要的指标之一，其计算公式为

式中：V为透水率（Lu）；Q为最大压力阶段单位注水量（L·min-1）；P 为最大压力阶段的压力值（MPa）；L为试验段长度。

在1＃、2＃注浆治理区和3＃帷幕内各布置若干检查孔，于注浆前、后分别进行透水率试验，试验装置如图12所示。

注浆前、后不同治理区帷幕内关键检查孔透水率试验结果如表5所示。分析表5可知，注浆前治理区内检查孔平均透水率高达80Lu以上，属强透水地层；注浆后1＃、2＃和3＃治理区内检查孔透水率均低于10Lu以下，较注浆前分别降低90%、91.8%和91%，表明针对富水地层应用MPC浆液注浆堵水的效果明显。

表5 治理区帷幕内检查孔透水率试验

（3）探地雷达。采用SIR-2000型地质雷达（GPR）以及频率为80MHz的收发一体天线进行检测，检测时将天线紧贴检测剖面并沿测线移动，数据采集主要参数为：采样数为879，扫描率为60次·s-1，主机脉冲重复频率为100kHz。

采用自带分析软件对DK27+355～DK27+365段富水区域的原始雷达图像进行滤波、回波变换等一系列数字化信号处理，解译结果见图13。由图13（a）可见：注浆前基岩深度2～8m范围内存在明显的反射波峰，表明该处富水裂隙极发育；而深度位于8～15m范围内存在大片连续的信号异常区域，揭示该处受地下水溶蚀严重，基岩破碎程度较高，为极薄弱区域。注浆治理后，视野内异常区域基本消失，浅层原富水裂隙处波形及其振幅与完整石灰基岩无明显差异，表明浆液实现了对裂隙水的驱替效应；且深层破碎岩体得到有效加固，岩体稳定性显著增强。

图13 典型富水区域GPR探测剖面

4 结 语

（1）针对富水裂隙等复杂岩溶发育地层，研制了一种改性高聚物-水泥基（MPC）注浆材料。流变特性试验结果表明，MPC浆液黏度随时间呈阶梯形增长。与传统注浆材料相比，大样本调配试验及聚合物体系的协调效应可实现对其可泵期的定量控制，使MPC浆液表现出“注浆初期具备持续高流态，临界可泵期时黏度突增、扩散能力骤降并迅速凝胶硬化”的性能优越性。

（2）结合流变参数试验结果，推导并拟合了基于广义Herschel-Bulkley流体的黏度时变性浆液流变方程。拟合结果相关系数R2均在0.9以上，表明该流变方程可作为预定义黏度时间分布函数运用于理论及数值计算。

（3）黏度梯度优势使MPC-2浆液在其扩散迹线内形成沉积留核区，此为实现动水封堵效应的关键所在。动水冲刷作用下，MPC-2浆液留存率明显高于常规水泥单液浆（Blank）；且在不同动水流速下，其封堵断面累计动水流量显著较少。研究表明MPC浆液兼具扩散能力及堵水能力，可满足对裂隙的饱满充填和对动水的有效封堵。

（4）结合广西百色至靖西高速公路岩溶发育地基现场注浆试验，提出了组合应用MPC浆液的群孔多序帷幕注浆加固方法；并采用了钻探与物探相结合的检测手段对注浆治理效果进行评价。压水试验表明：注浆后治理区帷幕内透水率较注浆前大幅下降；探地雷达解译结果揭示浅层含水裂隙及深层破碎岩体得到有效充填及加固。