新型高聚物隧道注漿材料性能及應(yīng)用效果研究

中圖分類號：U457.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.028

文章編號：1673-4874（2025）01-0094-03

0 引言

在城市化進(jìn)程加快和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動下，公路作為緩解交通擁堵、改善交通流暢性和運輸效率的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)和維護(hù)變得尤為重要。隧道是公路組成中的重要部分，隨著使用時間的增加和環(huán)境的不斷變化，隧道在運行過程中往往會出現(xiàn)各種病害問題，不僅降低了行車舒適度，還嚴(yán)重威脅行車安全[1-2]。羅資清等[3]通過實地調(diào)研統(tǒng)計了廣西中西部巖溶區(qū)111座隧道的結(jié)構(gòu)病害，深入分析了病害所處位置及相關(guān)影響因素。楊凱等4通過統(tǒng)計甘肅公路隧道的病害情況發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)破碎和滲水是主要病害類型，病害發(fā)生與圍巖軟弱有關(guān)，且較長的運營時間會導(dǎo)致病害明顯增加。注漿加固是隧道病害處治的常用方法。萬勇等通過對武漢某隧道進(jìn)行現(xiàn)場洞內(nèi)注漿試驗，深入分析了二次注漿對改善隧道結(jié)構(gòu)受力和治理橫截面大變形的影響。注漿材料對隧道處治效果的影響較大?；诖?，孫立軍通過室內(nèi)配比試驗、掃描電鏡和能譜縫隙等手段，研究了水灰比和瀝灰比對陽離子水泥乳化瀝青漿液性能的影響。王振軍等提出一種WIS新型注漿材料，基于正交試驗研究了粒徑對該漿液擴(kuò)散封堵距離的影響。針對西南地區(qū)某隧道工程在運營過程中反復(fù)出現(xiàn)的底鼓病害，本文提出采用一種新型高聚物注漿材料進(jìn)行處理，通過室內(nèi)試驗系統(tǒng)研究了該材料的性能，并通過現(xiàn)場對比試驗對其應(yīng)用效果進(jìn)行深入分析。

1工程概況

本研究依托于西南地區(qū)某雙線雙向四車道隧道工程。該隧道為左右幅分離結(jié)構(gòu)，總長度為5080m，于2010年建成并投入使用。隧道初期運行狀態(tài)良好，但由于其穿越了多層泥灰?guī)r、泥巖等軟弱地層，在季節(jié)性降雨及微腐蝕性地下水的長期作用下，隧道逐漸出現(xiàn)了明顯的病害。主要表現(xiàn)為路面沉降開裂、電纜溝傾斜破損等問題，導(dǎo)致行車舒適度降低，并對行車安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

在過去十幾年中，為了治理隧道病害，相關(guān)部門多次采取了拆換結(jié)構(gòu)、增設(shè)仰拱等措施。然而，這些措施的效果并不顯著，隧道病害問題仍然存在并影響著隧道的正常使用和維護(hù)。

針對該隧道底鼓病害，擬采用新型高聚物注漿材料進(jìn)行處理。為確保注漿材料的有效性和適應(yīng)性，本文將對其配合比及性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2注漿材料性能研究

2.1材料成分

高聚物注漿材料因其優(yōu)異的防水性能和耐腐蝕性能，能夠有效應(yīng)對隧道復(fù)雜的地下水環(huán)境。相比于常規(guī)注漿材料，高聚物注漿材料具有反應(yīng)迅速、膨脹率高等優(yōu)點，能夠顯著提高施工效率并增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在隧道病害治理中表現(xiàn)出色。然而，由于其價格昂貴、環(huán)保性能不足等劣勢，這些材料在實際工程應(yīng)用中受到了較大的限制。

基于此，本文研究了一種新型高聚物注漿材料，該材料兩種不同組分按 1：1 的配比，通過凝膠反應(yīng)和發(fā)泡反應(yīng)生成。其中，組分1的主要成分為聚醚，表現(xiàn)為棕色液體，25℃黏度為0.55 密度為 .組分2的主要成分為異氰酸酯混合物，表現(xiàn)為油狀液體，25℃黏度為 密度為 。兩種組分的具體材料成分如圖1所示。

2.2 性能研究

2.2.1反應(yīng)性能

將上述兩種組分混合后約6S開始發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)持續(xù)時間約為50s，在不受任何約束條件下自然膨脹形成的聚合物泡沫密度為0 ，且未出現(xiàn)粉化現(xiàn)象。由此可見，該高聚物注漿材料具有固化迅速、質(zhì)地輕盈、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。反應(yīng)后形成的材料內(nèi)部多為封閉孔，表明該材料具有較好的防水性。

不同密度情況下，該高聚物注漿材料固化后的壓縮強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、最大膨脹力以及起滲壓力變化曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著材料密度的增加，各項指標(biāo)均有所增大，說明其內(nèi)部致密性較高，承載能力較強(qiáng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，在實際應(yīng)用中能夠提供更強(qiáng)的支撐作用。

通過檢測，反應(yīng)后的固體材料中未發(fā)現(xiàn)重金屬成分，表明該材料對環(huán)境無污染。在酸性、堿性及多種有機(jī)物溶劑條件下，材料的最大體積損失率為 5.5% ，表明該材料具有較好的耐腐蝕性。

2.2.2擴(kuò)散性能

通過自制試驗裝置，得到裂縫寬度分別為 3m m 6mm和9mm，注漿量分別為350g、650g和850g時的最終擴(kuò)散距離如表1所示。由表1及試驗過程可知，在裂縫寬度保持不變時，隨著注漿量的增加，材料的擴(kuò)散距離也越遠(yuǎn)。由此可見，當(dāng)裂縫距離注漿點較遠(yuǎn)時，可以選用增大注漿量的方式以增大填充范圍，保障注漿效果。而在注漿量保持不變時，隨著裂縫寬度的增大，材料的擴(kuò)散距離會減小，這主要是因為在其他條件保持不變時，較大的裂縫需要消耗更多的注漿材料，從而導(dǎo)致了材料擴(kuò)散距離的縮短。因此，在實際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)裂縫寬度調(diào)整材料的注漿量。

繪制上述9組試驗的注漿擴(kuò)散壓力變化如圖3所示。由圖3可知，各工況下的注漿擴(kuò)散壓力的變化規(guī)律基本一致，雖有所波動，但總體表現(xiàn)為注漿點附近壓力最大，隨著距注漿點距離的增大而逐漸減小，最終完全消散。這主要是因為兩種組分接觸后，需要一定時間才能進(jìn)行反應(yīng)，故材料會在高壓力的作用下逐漸擴(kuò)散。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，漿液體積膨脹，裂縫逐步被填充，最終形成封閉區(qū)域。此后注入的漿液只能在區(qū)域內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步導(dǎo)致封閉區(qū)域不斷縮小，內(nèi)部壓力不斷增大，最終表現(xiàn)為注漿孔附近壓力最大。

在裂縫寬度保持不變時，隨著注漿量的增加，其擴(kuò)散壓力也相對較大。而在注漿量保持不變時，隨著裂縫寬度的增大，材料的注漿壓力會減小。

2.2.3 膨脹性能

該新型高聚物注漿材料在反應(yīng)過程中的體積和密度變化曲線如圖4所示。由圖4可知，在反應(yīng)進(jìn)行的初期，聚合物的體積變化相對較小，這主要是因為兩種組分的接觸不完全。而后隨著反應(yīng)的進(jìn)行，聚合物體積出現(xiàn)了快速增長，即此階段兩種組分正快速發(fā)生反應(yīng)。最后聚合物體積逐漸穩(wěn)定，即兩種組分完全反應(yīng)。聚合物最終體積約為初始體積的19倍。在體積變化的同時，聚合物的密度也發(fā)生了明顯變化，其密度呈現(xiàn)出先快速減小后逐漸趨于穩(wěn)定的發(fā)展趨勢。

3應(yīng)用效果分析

本文使用高滲透改性環(huán)氧樹脂材料（常規(guī)高聚物注漿材料）和該新型高聚物注漿材料分別對兩段已出現(xiàn)底鼓病害的試驗段進(jìn)行注漿處理，并采用落錘式彎沉儀對處理前后隧道路面中心線處的彎沉值進(jìn)行測量，每個測點間距為5m，其結(jié)果如圖5所示。

面均勻性和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。

圖5（a）和圖5（b）中均有部分測點在經(jīng)過注漿處理后，出現(xiàn)了彎沉值增大的現(xiàn)象，這可能是由于檢測過程中銑刨降低了路面剛度所導(dǎo)致的。

4結(jié)語

針對西南地區(qū)某隧道底鼓病害，為彌補(bǔ)常規(guī)高聚物注漿材料價格昂貴、不綠色環(huán)保等缺陷，本文提出了一種基于聚醚和異氰酸酯混合物的新型高聚物注漿材料。通過室內(nèi)試驗對其反應(yīng)性能、擴(kuò)散性能和膨脹性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，并通過現(xiàn)場試驗對比了新型材料與常規(guī)高聚物注漿材料的應(yīng)用效果，得出了以下結(jié)論：

（1）通過測試新型高聚物注漿材料的反應(yīng)性能證明，該材料具有固化迅速、質(zhì)地輕盈、穩(wěn)定性高、綠色環(huán)保等優(yōu)點。聚合物內(nèi)部致密性高、整體承載力強(qiáng)，防水性和耐腐蝕性良好。

由圖5（a）可知，在進(jìn)行注漿處理前，該試驗段不同測點之間的彎沉值差距相對較大，最高處約為 而最低處僅為22 ，各測點彎沉均值約為85 而使用常規(guī)高聚物注漿材料進(jìn)行處理后，各測點彎沉值之間的差距有明顯減小，其最高處約為 ，最低處為21 ，各測點彎沉均值約為66 由此可見，常規(guī)高聚物注漿材料不僅能夠有效減小不同測點之間的彎沉差異，而且使得其彎沉均值有明顯降低，故可知該注漿材料可以有效填充裂縫，提高路面的均勻性和整體穩(wěn)定性，增強(qiáng)其抗變形能力。

由圖5（b）可知，該試驗段不同測點之間的彎沉值差距相對較大，最高處約為269 ，而最低處僅為41 各測點彎沉均值約為 而使用新型高聚物注漿材料進(jìn)行處理后，各測點彎沉值之間的差距有明顯減小，其最高處約為177 ，最低處為 ，各測點彎沉均值約為90 。使用新型高聚物注漿材料的試驗段彎沉均值降低了42 ，而使用常規(guī)注漿材料的試驗段彎沉均值僅降低了19 由此可見，新型高聚物注漿材料對路面測點彎沉值的降低效果要明顯優(yōu)于常規(guī)高聚物注漿材料，即新型材料具有更好的裂隙填充效果，在提高路

（2）該注漿材料的擴(kuò)散性能與裂縫寬度及注漿量有關(guān)，當(dāng)裂縫寬度不變時，注漿量越大，注漿壓力越大，則注漿填充范圍越大；當(dāng)注漿量不變時，裂縫寬度越大，注漿壓力越小，則注漿填充范圍越小。注漿壓力隨著距注漿孔距離的增大而逐漸減小。

（3）該材料在反應(yīng)過程中，其體積先小幅增加，后迅速膨脹，最后逐漸趨于穩(wěn)定，最終體積約為初始體積的19倍，具有高膨脹性，而其密度則表現(xiàn)為先快速減小后逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢。

（4）新型高聚物注漿材料處理后的試驗段測點彎沉均值降低了42 ，而常規(guī)高聚物注漿材料處理后的試驗段測點彎沉均值僅降低了19 ，故認(rèn)為新型材料具有更好的裂隙填充效果，在提高路面均勻性和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。

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