铁路工程中注浆技术研究现状与发展趋势

2020-11-07耿琳蔡德钩魏少伟姚建平

铁道建筑 2020年10期

耿琳蔡德钩魏少伟姚建平

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

铁路运营过程中不同程度的病害在轨道、路基、隧道、桥梁等基础构筑物中时有发生［1-5］，影响行车安全。典型病害有：轨道板开裂、变形和偏移；路基沉降、偏移；隧道衬砌表面裂缝，底部结构下沉，基底翻浆冒泥；桥墩偏移等。

注浆技术能在维修天窗时间内恢复运营条件，广泛应用于铁路线路各类基础设施养护维护工程。为适应铁路提速需要，保证列车运行安全，势必要求注浆技术能够达到质量更可靠、控制更精细等高标准。为此，铁路部门结合施工场地工程地质与水文地质条件差异性，在注浆材料、理论、工艺等方面开展了大量的创新研究，发展了高效、可靠的高速铁路无砟轨道沉降病害抬升、结构纠偏技术，路基沉降偏移整治技术，隧道底部结构下沉维护技术，基底翻浆冒泥病害整治技术，桥墩纠偏整治技术。

为促进我国铁路工程注浆材料研发与注浆技术研究，本文在铁路沿线调研资料的基础上，对铁路工程中注浆材料、理论、工艺3 方面进行综述，阐述注浆工程研究中存在的问题，分析注浆工程发展趋势。

1 铁路注浆工程类型及特点

铁路注浆工程（表1）多采用快硬早强，流动性、亲水性、耐久性好，胶结能力强的材料，对轨道、路基、隧道、桥梁等基础构筑物中的岩土体、结构体进行加固。

表1 铁路注浆工程类型

2 注浆理论

浆液在被注体里渗流运动过程中，浆液和被注体之间发生一系列物理、化学作用，显著地改变着被注体的力学特性与工程性能。建立精细的注浆理论有益于准确预测注浆扩散范围，合理控制注浆参数，避免注浆的盲目性，提高效率。

发展注浆理论首先要考虑的是浆液在被注体中运动的方式与基本规律，涉及不同的受注介质假定理论以及浆液扩散理论。

2.1 受注介质假定理论

1）多孔介质理论。该理论将岩土体视为由固体矿物组成的土骨架和由土骨架分隔形成的大量密集的微孔隙组成的多孔结构体系。这种多孔结构体系包括各向异性和同性的多孔介质。

2）裂隙介质理论。该理论将岩土体视为由裂隙分割而成的、浆液在岩土体内部裂隙网络中自由渗流的不连续体。

3）等价连续介质理论。该理论将岩土体中的裂隙在空间上等效处理为连续裂隙，内部每一点均由相通的固体连续介质和孔隙介质组成，浆液在孔隙介质中运动。

4）孔隙-裂隙介质理论。该理论假定岩土体由裂隙介质体系和岩土介质体系组成，裂隙介质体系透水性强，岩土介质体系透水性弱。浆液能够在岩土体和裂隙中流动，且在裂隙和岩土体中分别流动的浆液之间存在显著的质量交换现象。

2.2 浆液扩散理论

浆液扩散理论是进行注浆工程设计、优化和评估的重要技术依据，主要可分为牛顿流体浆液扩散理论和非牛顿流体浆液扩散理论。

2.2.1 牛顿流体浆液扩散理论

牛顿流体浆液扩散理论将浆液处理为牛顿流体，基于达西定律发展了相应的柱形扩散理论、袖套管法理论、球形扩散理论等［6-7］。19 世纪 40 年代，Maag 提出浆液在岩土体中呈现球面扩散的基本假定，率先建立了砂土层中浆液扩散的数学公式。同时，Kaorl 等［8］建立了类似的浆液球形扩散数学模型。考虑到静水压力作用效应，Raffle 等［9］基于球形扩散假设，建立了点源注浆条件下浆液的扩散流量与半径、注浆压力之间的数学关系式。国内学者开展了注浆理论的研究工作，并据此发展了相应的注浆扩散理论体系。

2.2.2 非牛顿流体浆液扩散理论

实际注浆工程浆液具有时变特性，呈现明显的非牛顿流体特征。建立更符合实际的非牛顿流体浆液扩散理论，对于工程实践更有意义。

文献［10］研究了均匀砂层的渗透规律，发展了考虑浆液黏度和凝结的球形扩散理论。文献［11］考虑幂律型流体的黏度时变基本特征，建立了桩端压力浆液上返理论。文献［12］发展了能够反映外部水环境、渗滤效应且更符合实际的渗透注浆理论。文献［13］基于宾汉体浆液的流变方程，进一步构建了时变性宾汉体浆液柱-半球形渗透注浆理论模型。文献［14-15］建立了反映孔隙率、渗透率、孔隙压缩系数等参数动态变化的数学模型，准确描述了多孔介质的多场耦合作用。基于平板窄缝模型，文献［16-17］利用流体流变方程，建立了层流宾汉体浆液理论公式，用于预测破裂注浆扩散半径。

可见，为了建立更能反映浆、水两相液体相互驱替的复杂物理过程，准确模拟注浆在土层中的渗透过程，将浆液理论转换为宾汉流体、幂律流体理论，并由此逐步发展出了宾汉流体型渗透注浆理论和基于驱替机制的变流体渗透注浆理论、渗透注浆理论等。

3 注浆材料

注浆材料作为铁路加固技术中必不可少的功能性材料，可分为胶结材料、化学材料及复合材料3 类。胶结浆材包括不稳定粒状浆材（水泥砂浆等）和稳定粒状浆材（水泥黏土等）；化学浆材包括无机浆材（水玻璃类）和有机浆材（环氧树脂类、聚氨酯类）。常见注浆材料的优缺点、应用范围及在铁路注浆工程中的应用见表 2［18］。

表2 常见注浆材料的特性及应用

3.1 胶结注浆材料

胶结注浆材料通常以水泥浆液为代表，在实际工程应用中，逐渐演化出含有减水剂、速凝剂、膨润土等不同添加剂的复合胶结注浆材料［19-23］。减水剂可使浆液在保持原有流动性的基础上提高结石体强度；速凝剂可减少水泥浆的初凝和终凝时间，使水泥浆液在恶劣的工程条件下仍具有适用性［24］。张超凡等［25］发现添加适量的膨润土可以使水泥浆液的悬浮性显著提高。因此，如何发挥水泥注浆材料优势、弥补其自身不足，是铁路工程注浆技术研究领域的重要课题。

3.2 化学注浆材料

化学浆液中丙烯酰胺、脲醛树脂等材料普遍具有毒性或需在使用过程中添加腐蚀性外加剂，不适用于铁路工程注浆作业。综合比较之下，水性聚氨酯类材料作为少见的环保型有机高分子注浆材料，具有遇水反应快、收缩率低、耐久性高等特点。同时，其形成的固结体性质比较稳定，不受干湿循环、冻融循环影响，在寒区、旱区铁路隧道工程中应用独具优势。因此，研制绿色环保、性质稳定、强度较高的注浆材料是铁路注浆加固工程的发展趋势之一。

3.3 复合注浆材料

单一组分注浆材料总会有其独具的优良特性与不足之处，为兼顾注浆体强度、耐久性、环境友好程度等因素，复合材料不失为一种有效提高注浆效果的重要手段［26-28］。例如，复合材料nano-SiO2由于其表面存在的大量氢键和化学键及其较大的比表面积和特有的三维网状结构，水性聚氨酯的机械性能有明显增强。因此，充分考虑实际工程的地质条件，研发对应地质条件的复合注浆材料十分必要。

4 注浆工艺

注浆工艺主要包括注浆施工过程中所选择的注浆方法、注浆顺序和注浆参数。针对不同的注浆对象，注浆方法可分为对结构体注浆和对岩土体注浆。施工过程中工程和水文地质条件决定了注浆顺序。注浆参数有浆液凝胶时间、注浆分段长度、注浆量、注浆速度、注浆终压等。注浆参数在施工过程中应合理地进行动态调整。

4.1 注浆方法

被注体为岩土体时，根据土体孔隙大小及渗透性选择适用的注浆方法。被注体为结构体时，根据裂隙开度及贯通情况选择适用的注浆方法。常用的注浆方法有渗透注浆、压密注浆及劈裂注浆［29-32］。

4.1.1 渗透注浆

渗透注浆是指在相对较小的压力作用下，岩土体孔隙中的自由水和气体被浆液挤出，土中孔隙或岩石中的裂隙被浆液填充，并与岩土体黏结结块。在整个渗入过程中不改变原有岩土体的结构，而改善岩土体物理性能和力学性能。这种方法适用于砂层注浆。

4.1.2 压密注浆

压密注浆是指在相对较大的压力作用下，浆液由钻孔进入土体从而加固土体。该方法便于控制浆液用量，适用于加固中砂及能够充分排水的非饱和土。

压密注浆主要的加固方法有改良加固和补偿损失。加固后的被注体可以很好地满足上覆结构物纠偏抬升的需求，在抬升的同时满足对被注体的加固。

4.1.3 劈裂注浆

利用较大的压力将黏稠度较低的水泥或化学浆液注入受体中，此过程会在受体产生一定的附加压应力，受体发生剪切破坏，劈裂裂缝在此过程中产生。沿裂隙流动的浆液也使得受体中的裂缝进一步扩展，在此过程中受注体中会形成网络状或条带状的浆脉结石体。该结石体形成具有一定强度的骨架结构，进而提升受注体的强度和承载力。

劈裂注浆在岩土工程中具有广泛应用，是软弱土层加固的常用方法，对于渗透性好的砂层或是渗透性较差的黏土层均有较好的应用效果［33-35］。

4.2 注浆参数

影响工程注浆效果的因素主要有注浆量、分段长度、速度、终压以及凝胶时间。但是，岩土体、结构裂隙具有离散性，浆液扩散路径具有隐蔽性、复杂性和随机性。目前的研究成果难以提供具有针对性的成套设计参数，致使注浆参数的确定更多依靠工程经验。因此，在铁路工程注浆病害施工整治中，对注浆指标的参数化研究、发展先进的注浆信息化实时监控技术对保证注浆质量及其经济效益均具有至关重要的作用。

5 铁路注浆技术发展趋势

国内外注浆工程研究成果较多，但铁路注浆工程面临复杂地质与工程环境，仍存在一些不足亟待解决。

5.1 注浆理论

注浆理论发展远远落后于注浆实践，目前关于浆液扩散范围等的理论公式研究远未成熟。大部分计算浆液在孔隙裂隙中的渗流理论，都会对被注介质孔隙裂隙进行一定程度的简化，故难以反映真实扩散情况，而且大多经验公式都是为特定地质条件推导得出的，不具有普遍意义。完善注浆浆液扩散理论是具有十分重要的理论意义和实践价值的。同时，模拟是注浆理论研究的常用手段，快捷高效的理论模型能为优化浆液用量、科学设计注浆压力等提供依据。传统模型由于非线性的存在，其计算效率并不乐观，导致在有数百条裂缝的复杂裂缝岩土体网络中模拟注浆渗透过程需要相当长的时间，实用性较差。

5.2 新型注浆材料

结构体、岩土体注浆加固技术在铁路路基中应用广泛。实际工程中，往往忽略二者性能需求的差异性而采用同种材料进行注浆，导致注浆效果不理想，甚至危害工程安全稳定。对于结构物注浆而言，防水及裂隙填补是首要目的。因此，针对工程服役作用的异同，研发渗透性与韧性兼顾的柔性注浆材料是铁路工程结构物注浆材料研究的发展趋势。研发聚氨酯与水玻璃复合而成的有机-无机混合注浆材料有望综合水玻璃、聚氨酯2 种材料的优点，避免各自的缺点，得到兼具低渗透性与韧性的柔性注浆材料，改善单聚氨酯注浆材料的易燃特性。此外，生化领域的发展推动了注浆新材料创新研发，新材料一经应用就会给注浆技术带来巨大突破，非水反应聚合物、CW 环氧树脂、MICP、无机有机复合材料等均有待改良创新。

5.3 注浆工艺智能化技术

铁路工程病害的注浆整治施工中，常因缺乏先进的注浆信息化实时监控技术，使得实际注浆施工时尽量多注，常会引起加固岩土体过大沉降、偏移或瞬时上拱，造成更为严重的二次变形病害。为了确保运营高铁轨道的高平顺性状态，须严格控制注浆量［36］。因此，可能使得施工变形的影响需要更多时间才能凸显，常会引起工期拖延，或在保证工期前提下质量达不到要求，起不到消除病害的作用。