岩石力学与工程学报

第25卷增2岩石力学与工程学报Vol.25Supp.22006年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.，2006收稿日期：2006–06–30；修回日期：2006–07–11作者简介：葛家良(1963–)，男，博士，1995年于中国矿业大学采矿工程专业获博士学位，现任研究员，主要从事岩土力学与市政工程技术方面的研究与管理工作。E-mail：[e-mail]化学灌浆技术的发展与展望葛家良(广州市建设科学技术委员会办公室，广东广州510030)摘要：从灌浆材料、灌浆方法、灌浆工艺、灌浆设备、灌浆施工监控、灌浆效果检测、灌浆理论及灌浆技术的应用规模等几个方面对化学灌浆技术的发展进行综述。同时，展望未来化学灌浆技术的发展，为化学灌浆技术的研究及其工程应用指出一条捷径。关键词：土力学；化学灌浆技术；灌浆理论；化学灌浆发展；展望中图分类号：TU472.5；TV543+.2文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)增2–3384–09DEVELOPMENTANDPROSPECTOFCHEMICALGROUTINGTECHNIQUESGEJialiang(OfficeofGuangzhouConstructionScienceandTechnologyCommittee，Guangzhou，Guangdong510030，China)Abstract：Thedevelopmentofchemicalgroutingtechniqueissummarizedandanalyzedfromgroutingmaterial，groutingmethodanditstechnology，facilities，constructionsupervision，effectivedetection，andgroutingtheoriesandapplicationscope.Moreover，thedevelopmenttreadsofchemicalgroutingtechniqueisexpounded.Itcanprovidereferencestoengineeringapplicationofchemicalgroutingtechnique.Keywords：soilmechanics；chemicalgroutingtechnique；groutingtheory；developmentofchemicalgrouting；prospect1引言灌浆技术昀早在1802年由法国用木制冲击泵注入黏土和石灰浆液加固地层开始的[1～3]。1826年英国研制发明硅酸盐水泥后，灌浆材料发展以水泥浆液为主。由于水泥浆液存在可注性较差的原因，因而其工艺得以改进。1884年化学浆液在印度问世，并用于建桥固砂工程。1887～1909年，德国和比利时先后获得水玻璃灌浆材料和双液单系统灌浆法专利。1920年乔斯顿发明水玻璃、氯化钙灌浆的“乔斯顿灌浆法”[1～4]。20世纪40年代，灌浆技术的研究和应用进入一个鼎盛时期，各种水泥浆材和化学浆材相继问世，尤其是60年代以来，有机高分子化学浆材得到迅速的发展，各国大力发展和研制化学灌浆材料及其灌浆技术。随着灌浆材料的飞速发展，灌浆工艺和灌浆设备也得到巨大发展，灌浆技术应用工程规模越来越广，几乎涉及到所有的岩土和土木工程领域[5]，比如矿山、铁道、油田、水利水电、隧道、地下工程、岩土边坡稳定、市政工程、建筑工程、桥梁工程、地基处理和地面沉陷等各个领域。但是自从1974年日本福冈发生丙烯酰胺灌浆引起环境污染造成中毒事故后，化学灌浆材料及其技术的研究和应用曾一度跌入低潮，日本禁止水玻璃之外的所有其他化学浆液的应用，世界各国也禁止使用毒性较大的化学浆材[3，6，7]。20世纪80年代，由于化学浆材的改性，化学灌浆技术又得到继续发展。灌浆技术的发展普及世界各地，研究和施工队伍不断壮大。日本研究机构有东京大学、京都大学、第25卷增2葛家良.化学灌浆技术的发展与展望•3385•成蹊大学、东邦化学工业及其研究所、日本化学工业株式会社等。另外，日本灌浆工程公司达几十家，其中日本综合防水株式会社在东南亚和香港等地承包灌浆工程享有盛誉。美国从事灌浆研究的单位有西北大学、斯坦福大学和氰胺公司等。美国联邦公路署主持两项研究，一是研究灌浆现状和工艺；二是评价现有的化学灌浆材料。从1919年英国开始成立灌浆公司以来，其灌浆技术得到很大的发展，目前，英国有6个大的灌浆工程公司在国内外承包灌浆工程。德国从事灌浆研究的有柏林大学、卡尔斯路赫大学、慕尼黑大学、纽伦堡地基研究所及埃森矿业研究中心。此外，如前苏联全苏水工科学研究院，A.A.斯阔琴斯基矿业研究所和法国的索莱坦修灌浆公司都是世界著名的灌浆技术研究机构或施工单位[5，6]。我国化学灌浆技术的研究和应用较晚，20世纪50年代初期才开始在煤矿竖井堵水、加固工程中使用灌浆技术比西方国家约晚30a，应用于工程建设大致始于1953年。作为国家科研攻关课题立项则是1958年，第一项攻关课题是三峡工程基岩裂隙化学灌浆研究。化学灌浆技术全国学术交流活动先于学会活动(始于1968年)，而全国性化学灌浆学会组织是在1982年12月才正式宣告成立。我国系统介绍化学灌浆技术的第一部专著出版于1980年，仅水利系统开展主要学术活动有17次，近年来每2a至少有一次化学灌浆学术活动，并出版8部学术交流论文集，开辟化学灌浆网页。50a来，我国在灌浆技术方面的研究和工程应用发展迅速、规模较大。本文主要从灌浆材料、灌浆方法、灌浆工艺、灌浆设备、灌浆施工监控和效果检测、灌浆理论试验研究及灌浆技术的应用规模等几个方面综述化学灌浆技术的发展和展望。2灌浆材料灌浆材料的发展具有悠久的历史，早期人们使用水泥为主要灌浆材料。19世纪后期，灌浆材料从水泥发展到以水玻璃类浆材为的化学浆材。第二次世界大战后，化学浆材得到飞速发展，尤其是近50a来，有机高分子灌浆材料发展迅速。灌浆材料大体分为两大类(见表1)[8～11]，一般又分为水泥类浆材和化学类浆材。表1灌浆材料分类[8～11]Table1Classificationofgroutingmaterials[8～11]系别浆液类别浆液名称单液水泥类水泥–氯化钙浆液，水泥–三乙醇胺–氯化钙，水泥–膨润土等水泥–水玻璃类水泥–水玻璃双浆液黏土类黏土–膨润土浆液等水玻璃类水玻璃–氯化钙浆液，水玻璃–铝酸钠浆液等无机物水泥黏土类丙烯酰胺类木质素类纸浆废液–重铬酸钠(铬木素)浆液，纸浆废液–过硫酸铵(硫木素)浆液脲醛树脂类脲醛树脂–硫酸浆液，尿素–甲醛–三氯化铁浆液等聚氨酯类水溶性聚氨脂浆液，油液性聚氨脂浆液环氧树脂类糠醛树脂类聚乙烯醇类有机物其他水泥浆材结石体强度高、造价低廉、材料来源丰富、浆液配制方便、操作简单，但是由于普通水泥颗粒粒径大，这种浆液一般只能注入到直径或宽度大于0.2mm的孔隙或裂隙中。化学浆液可注性好，浆液黏度低，能注入到细微裂隙中，但是一般的化学浆液都具有毒性并价格昂贵，且结石体强度比水泥浆液的结石体强度低等缺点。因此，化学浆液的应用范围受到限制。针对水泥浆材和化学浆材的缺点，世界各国展开改善现有灌浆材料和研制新的灌浆材料工作，推出一批低毒或无毒、高效能的改进型浆材。仅日本市场就出现30多种化学浆材，同时水玻璃浆材的品种达50～60种。至今，国内外各种灌浆浆材品种已达百余种。我国基本上拥有国外的所有灌浆浆材，同时也自己研制出新的浆材品种，各类浆材的使用范围见表2所示。下面主要阐述工程中常用的几种灌浆浆材。2.1单液水泥类浆液这种浆液是一种悬浊液，粒径为60～100µm，难以注入较小的孔隙或裂隙中。但是，由于水泥类•3386•岩石力学与工程学报2006年表2各种浆材使用范围Table2Groutingmaterialsfacilities砾石砂粒系别浆液类别大中小粗中细粉粒黏粒单液水泥类––––水泥黏土类–––––水泥–水玻璃类–––––水玻璃类––––––黏土类–––––无机物超细水泥类––––––丙烯酰胺类–––––––木质素类––––––脲醛树脂类–––––––聚氨酯类–––––––糠醛树脂类–––––––有机物环氧树脂类–––––––注：“–”表示为可选项。浆液来源丰富、价格低廉、结石体强度高和抗渗性能好等优势，近年来，研制出各种改进水泥类浆液的可注性、凝胶时间、提高结石体早期强度和稳定性的化学附加剂，水泥浆液的应用范围才得到扩大。目前，水泥类浆液是灌浆工程中应用昀多、使用昀广的一种灌浆材料[2]。近几年来，日本和我国先后研制出超细水泥[10，11]，这种水泥平均粒径为4µm，昀大粒径为10µm，这种特性使超细水泥浆液能渗入到渗透系数为10－4cm/s的粉细砂岩中，其可注性与化学浆液相当。超细水泥浆液具有普通水泥浆液和化学浆液的优点，是一种具有广泛应用前景的灌浆材料。2.2水泥–水玻璃类浆液水泥–水玻璃浆液(简称“CS浆液”)克服单液水泥浆液凝固时间长且不能控制、结石率低等缺点，而又具备单液水泥浆液的基本优点。同时，水泥–水玻璃类浆液具有结石体强度高、抗渗性能好(浆液凝固时间可准确地在几秒至几十分钟范围内可调)、结石率高、材源丰富、价格便宜等优点，而且可注性比单液水泥浆液略高。近30a来，水泥–水玻璃浆液灌浆技术在工程实践中得到不断的改进、完善和提高，使水泥–水玻璃浆液发展成为一种十分重要的灌浆材料[2，11～13]。2.3高水速凝材料高水速凝材料[12]是选用铝矾土、石灰和石膏为主要原料，配以多种无机原料和附加剂，经磨细、均化等工艺，而配制成甲、乙两种粉料的水硬性胶结材料。该材料是国家“八五”重点科技成果，是一种具有独特性能的新型材料，其主要技术特征如下：(1)该材料由甲乙两种固体粉料组成。(2)材料具有高含水性，其水和固体粉料体积比高达6.7∶1.0～9.0∶1.0，质量水固比(即水灰比)为2.20∶1～2.57∶1。(3)材料具有可注性。甲乙两种固体粉料与水搅拌制成的甲乙两种浆液，单独放置可达24h以上不凝固、不结底，流动性好，适应于远距离输送。(4)材料具有速凝性。甲乙两种浆液混合后30min内即可凝结成固体。(5)材料的强度性能。甲乙两种材料浆液混合后开始凝固，1h抗压强度可达0.5～1.0MPa，2h可达2MPa，1d可达4MPa，7d后可达5MPa以上。(6)材料本身无毒、无害、无腐蚀。(7)材料的酸碱性：甲料的pH=9～10，为弱碱性；乙料的pH=11～12，为碱性。(8)高水材料所形成的结石体早期破坏后还具有重结晶恢复强度的特性。2.4丙烯酰胺类浆液(MG–646或丙凝浆液)丙烯酰胺类浆液是以有机化合物丙烯酰胺为主剂，配合其他药剂而制成的水溶性浆液，并采用双液浆注入地层中。这种浆液具有黏度低(仅1.2×10－3Pa·s)、渗透能力好、抗渗性能好、耐久性强、凝胶时间可准确地控制在几秒至几个小时之间等优点，但是它也同时具有毒性、结石体强度低、材源少和价格昂贵等缺点。由于这种浆材的独特特性，往往被用在其他浆材难以注入的细砂岩和细微裂隙岩层的防水防渗工程中。这种浆液一般在不会造成环境污染和危及人体健康的特殊工程中使用[14]。2.5水玻璃类浆液此类浆液系指水玻璃(Na2O•nSiO2)在固化剂作用下，产生凝胶的一种灌浆材料。由于水玻璃来源丰富、价格低、污染小，加上不断研制的各种新型固化剂，从而使水玻璃类浆液成为一种品种繁多、有实用价值和重要发展前途的浆液，是化学浆液中应用昀广、用量昀大的灌浆材料[6，7，14]。2.6环氧树脂类浆液环氧树脂类浆液的凝胶结石体抗压强度和抗拉强度高、黏结力大、收缩性小、能抗酸碱溶液侵蚀第25卷增2葛家良.化学灌浆技术的发展与展望•3387•等，但存在浆液黏度大、可注性差、与潮湿裂隙黏结力差等弱点。为改进环氧树脂的缺点，近20a来，国内进行大量试验研究和工程实践，已逐渐形成一套具有低黏度、高亲水性的改性环氧树脂浆材，其浆液黏度可调至(6～