建構筑物傾斜注漿抬升技術研究現狀

崔學棟

（北京恒祥宏業基礎加固技術有限公司，北京100097）

1 引言

19世紀初，法國工程師首先開創了注漿技術應用的先河，注漿技術也是在采礦、市政及水利工程中作為防水、加固的重要方法，隨后在法國、英國、美國及日本等國家逐步推廣。由于采用注漿技術進行建構筑物抬升具有減少開挖量和減少基礎托換的優勢，所以建構筑物注漿抬升技術在國外也得到了廣泛的推廣[1]。在我國，注漿技術首先應用于煤礦的巷道圍巖加固，隨后才逐步在其他領域推廣開來。注漿技術是一種實踐性很強的工藝性技術，已經有許多工程使用注漿技術達到了建構筑物的傾斜糾偏的目的。目前，建構筑物注漿抬升技術的工程實踐已領先于理論，應對目前的注漿抬升技術的理論、實驗與實踐的現狀進行歸納梳理，為更深一步的注漿工程理論與實踐研究打好基礎。

2 理論研究現狀

建筑物的傾斜抬升技術目前可以分為抬升法、迫降法和綜合法。迫降法是采用掏土或者降水的方式，在建筑物沉降小的一側采用技術手段增大沉降，達到傾斜糾偏的目的。抬升法是采用托換或打樁的方式，在建筑物沉降量較大的一側抬高基礎結構，通常采用的方法為錨桿靜壓樁法、坑式靜壓樁法和上部結構托梁抬升法[2]。上述抬升方法一般需要開挖或者托換，對建筑結構造成一定的影響。根據注漿原理，注漿抬升技術屬于抬升法的一種，有效地解決了開挖或托換對建筑結構造成的影響。

建構筑物的注漿抬升設計目前仍處于“半理論、半經驗”的狀態，有時經驗甚至大于理論。由于注漿理論涉及地質學、土力學、流體力學、巖體力學和材料學等多個學科，而且巖土條件的復雜性，所以，目前對注漿抬升技術的原理還未形成統一的認識。目前，物理注漿理論的研究成果可以概括分為滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿理論。

2.1 滲透注漿理論研究現狀

滲透注漿理論是基于地下水的流動而開展的。漿液作為流體在巖土體的滲流過程與地下水的動力學原理有諸多相似之處，因此，滲流注漿原理也是發展最為全面、系統的，如球形擴散理論、柱狀擴散理論等。近年來，有學者在研究馬格經典理論的基礎上，提出了考慮漿液黏時變性滲透注漿理論計算公式，實現了滲透注漿理論計算公式的統一，但是并未推廣。

滲透注漿壓力較小，漿液以一種類似于“地下水流動”的方式克服阻力，滲入土體孔隙中，在不影響原有土體結構的情況下，形成“結石體”。但由于砂土和黏性土的滲透性相差很大，因此，不少學者認為，在砂土中采用滲透注漿的方法較為妥當。在JGJ 123—2012《既有建筑物地基基礎加固技術規范》條文17.7.3中規定了滲透注漿適用于滲透率大于10-4cm/s的砂性土[3]。滲透注漿速率較慢，若采用滲透注漿理論設計建筑物傾斜抬升不夠現實。

2.2 壓密注漿理論研究現狀

壓密注漿被認為是加固軟弱土體最適合的理論。是指壓密注漿形成的注漿壓力和形成的“漿泡”對土體產生擠壓作用，使得注漿孔周圍形成漿泡—塑性區—彈性區的模型，類似于地基處理中的復合樁，提高土體的密實度，從而達到加固土體、提升承載力的作用。如果在工藝上能夠將此原理運用得當，則可以起到抬升建構筑物的作用[4]。目前認為壓密注漿適用于砂土、填土等軟弱土層，但是工程經驗表明，在含有淤泥質土和泥土中也能實現建構筑物的抬升。

壓密注漿改善土體實際分為2個方面：一方面是出漿口對周圍土體產生的附加壓應力，使得周圍土體的孔隙比減小，提高密實度，從而達到加固土體的目的；另一方面，注漿過程中滲流、壓密和劈裂往往是同時發生的，很難控制“漿泡”的形態，因此，壓密注漿通常形成的是土與漿液凝固體的“結石體”。由于注漿使得處理土層的密度加大，同時，對處理土層下部也有附加壓應力，因此，壓密作用的機理應是上述2種壓密現象共同作用的。

2.3 劈裂注漿理論研究現狀

劈裂注漿是指鉆孔內的液壓超過巖土體的劈裂壓力，使得巖土體產生水力劈裂，形成網狀漿脈，形成“漿液骨架”從而加固巖土體的注漿范圍，應用最為廣泛。已有學者對擴孔問題的線性與非線性解析解進行了研究，推導出了砂性土和黏性土的極限擴孔壓力的理論計算公式，并推導了劈裂注漿擴散半徑[5]。目前，已有學者基于球形和柱形擴張彈塑性理論，推導了劈裂注漿的理論起始壓力解析解。但擴散半徑和起始壓力太過于理論化，在進行工程實踐時，并不能完全依靠已成形和柱形擴張彈塑性理論進行設計。

劈裂注漿會破壞原有的土體結構，利用較大的注漿壓力，超過土體的強度，沿著土體最弱處在土體內部形成“脈狀”注漿體結構。現有的理論研究過于集中在水力劈裂機理方面，對“漿脈”形成的過程研究甚少，對于漿脈的發展過程、擴展方向和形狀對加固效果的影響規律研究明顯不足，因此，在工程應用中，經驗領先于理論。

3 實驗研究現狀

注漿的實驗研究通常情況下也是根據滲流理論、壓密理論和劈裂理論展開的，但是，由于工程地質條件的差異，這3種注漿情況往往是伴隨著發生的，通過設計實驗裝置，采用不同的土樣，在注漿實驗中能夠得到注漿參數的回歸公式，進而得到漿液在土樣中的擴散規律，從而能夠得到可以指導工程實踐的注漿理論。在土體滲透性較小的黏性土和砂性土中，由于注漿壓力較大，很難存在滲流的情況。因此，在注漿實驗中壓密和劈裂常常伴隨著發生，而采用注漿技術的巖體往往較為破碎，孔隙率相對較大。相對于壓密與劈裂，滲流理論更適合于疏松多孔的砂性土，因此，研究的方法與壓密和劈裂有一定區別。

3.1 滲流注漿實驗研究現狀

有學者研發了一套基于壓密注漿和劈裂注漿的室內實驗裝置，另外，有學者在此基礎上進行改進，研發了砂土室內模型試驗儀器模擬，根據試驗結果認為，在砂土介質中擴散距離與砂土的滲注漿量、漿液水灰比、注漿壓力、滲透系數有關。而不同的學者在多孔介質中進行模擬實驗得到的結論卻大相徑庭，認為對漿液擴散最顯著的是注漿壓力，然后，才是注漿的初始黏度、凝膠時間、滲透系數和注漿時間。得出完全不同的結論是由于注漿介質的材料完全不同，這說明在不同地質條件下，其注漿效果的主要影響因素也不盡相同。另外，有學者指出，當深度達到一定程度時，注漿效果也受一定地應力及土體固結作用的影響；并且滲流注漿效果也受一定地質條件的影響，如滲流等。

3.2 壓密注漿實驗研究現狀

土體壓密注漿是指漿液形成的“漿泡”完全取代土體，在周圍形成塑性區域，在距離“漿泡”更遠的區域形成彈性區域。有學者在模型槽實驗中發現，壓密注漿形成的結石體與土體有明顯的分界面，在注漿過程中，壓密和劈裂是同時產生的，其過程可以概述為小孔擴張—劈裂流動—形成漿泡。針對壓密注漿廣泛地用于建構筑物抬升以及復合地基，中國水利工程協會批準發布了團體標準T/CWEA 5—2018《壓密注漿樁技術規范》，規范了壓密注漿樁的設計、材料、施工和檢測等[6]，也應用到了實際的工程中，效果十分理想。有學者通過實驗也證明了壓密注漿在加固土體時，可以產生抬升力，從而進行地表建構筑物的抬升，并應用于煤倉地基加固糾偏中。

3.3 劈裂注漿實驗研究現狀

劈裂注漿常伴隨著壓密注漿，在其主控因素的研究工作中，有學者提出劈裂與壓密的關系時指出，注漿的作用一方面由于土體劈裂形成了漿脈骨架，漿脈骨架的形狀對注漿的效果也有一定的影響；另一方面，漿脈對土體有明顯的擠密作用，同時可以降低滲透性，通過實驗限制漿液的擴散范圍，得出了擠密作用才是保證注漿加固效果的關鍵。

有的學者采用現場注漿實驗和室內注漿實驗詳細研究了水力劈裂的發展過程，同時與有限元法進行對比，呈現了均勻土體和非均質土體中的裂縫啟裂、二次劈裂和漿脈的擴展過程。此項研究填補了劈裂注漿漿脈發展過程的空白，同時也提供了劈裂注漿的新的研究手段。

4 實踐現狀

我國于20世紀50年代在煤礦巷道等地下工程運用注漿技術進行加固和止水，到了60年代，注漿技術應用于延安寶塔山寶塔的地基加固，此時注漿技術在地基加固和建構筑物傾斜糾偏的研究逐步深入。國外在20世紀初，著名的意大利比薩斜塔的地基處理中，就有學者提出了采用注漿抬升技術對已經超過傾斜預警值的塔身進行加固。

有學者利用注漿抬升技術，對地鐵下穿建筑物進行了抬升，認為在此工程中70%的注漿量作用明顯，并且注漿深度的選擇對抬升效果有著明顯的作用。有學者在處理上海某地鐵沉降問題時，選擇使用注漿抬升技術，有效地改善了隧道的不均勻沉降，并指出分階段注漿能夠有效地控制注漿產生的附加內力。也有在軟弱土層及流沙復雜地質條件下采用注漿抬升技術修復沉降的污水管道，恢復污水管的正常運營。彭正勇在對廈門機場34#樓進行注漿抬升時，采用袖閥管注漿工藝，將沉降值控制在25 mm內，保證了既有建構筑物的安全[7]。有學者分別研究壓密注漿和劈裂注漿對地表抬升的影響機制，采用數值模擬、相似模擬實驗等方法，驗證球形壓密注漿和脈狀劈裂注漿對地表抬升的影響，發現模擬結果在注漿埋深超過2 m時吻合程度較高，壓密注漿能夠導致地表抬升量變大，劈裂注漿對地表抬升的影響范圍大。實踐表明，采用后注漿技術能夠提高土層的側摩阻力，提高單樁承載力，從而達到加固樁基的目的。

目前，注漿抬升技術已廣泛地用于既有建構筑物的抬升，如城市地鐵、鐵路、市政和建筑領域。但是，不同研究機構使用的工藝、漿液都未統一，然而注漿抬升的效果均表現良好，能夠實現注漿抬升的目的，而且能保證既有建構筑的安全。

5 結語

注漿抬升的理論、實驗和實踐成果十分豐富，就現狀來看，三者并未形成有機的統一。其理論還不能完全指導實踐。但是，經驗豐富的工程師依然能夠通過經驗完成注漿抬升項目。筆者在對注漿抬升技術研究現狀進行梳理和歸納時，得到以下結論：

1）目前，注漿抬升技術理論還未形成共識，滲流注漿、壓密注漿和劈裂注漿在不同的地質條件下可能有同步產生，無法利用一套理論來解釋注漿抬升的機理。目前實踐的結果已經領先于理論，壓密注漿相對滲流與劈裂更適用于建筑物的傾斜抬升。

2）目前認為對注漿抬升效果影響最大的因素是工藝，分段注漿對注漿效果有明顯的影響。

3）注漿抬升技術是一門工藝性很強的技術，在復雜多樣的地質條件下，太過理想的假設不僅會導致理論與實踐出現偏差，而且讓實驗的結果與實際工程有一定出入。