粘度时变灌浆材料创制与复杂岩土体加固关键技术

1、四川省提名 2018 年国家科学技术奖励项目技术发明奖序号 3项目名称： 粘度时变灌浆材料创制与复杂岩土体加固关键技术提名意见灌浆是增加岩土体强度、 降低渗透性与提高稳定性的主要技术手段。 灌浆施 工中常遇有复杂地层如：陡倾宽缝、高压涌突水、大体积溶洞、多通道架空土体 及松散砂土等地层，存在“顺缝跑、灌不住、不吃浆 ”等质量问题。项目依托我 国青藏高原及其周缘大型水电工程、 重要基础设施建设中的灌浆难题， 在国家自 然科学基金委重点、面上项目，及水电、交通、能源重大工程项目的支持下，历 时 13 年，创制了粘度时变性灌浆材料与复杂岩土加固关键技术， 主要发明点有：（1）以水泥聚合物化学动力学为

2、基础，提出了水泥基灌浆材料水化过程的溶 剂化膜理论，研制了适用流动时间可控、 早凝、后期强度高的粘度时变灌浆材料；（2）以渗析凝聚和吸附胶结为理论依据，创制了强渗透、快胶凝、可降解的灌 浆材料，并利用其抗风蚀、防水冲、保水好的特点，结合草灌（木）生态恢复手 段，构建了化学加固 植物生长 化学降解草灌群落的生态友好模式； （3）研 发了浆液扩散测试装置、 粘度时变灌浆施工设备及质量控制体系， 增强了复杂岩 土体灌浆地层适应性，提高了灌浆工程质量。相关技术成果已申报专利 103项，获发明专利授权 23 项、实用新型专利授 权50项；发表论文220篇（SCI收录65篇、EI收录58篇）。“注浆扩散测

3、试装 置”获 2013年中国专利金奖、 2014 年四川省专利特等奖； “粘度时变灌浆材料扩 散与固结研究 ”获 2013 年四川省科技进步一等奖、 2016 年中国电建科学技术一 等奖、 2015 年水力发电科学技术二等奖； “天山公路地质病害评价与防治擮研究 ” 获 2012 年新疆自治区科技进步一等奖。 项目第一完成人获 2016 年第九届全国发 明创业奖 ?人物奖；该项技术于 2015 年被国家发改委遴选为国家重点推广的低 碳技术实施指南 （全国仅 29 项）；成果编入国土资源部矿山帷幕注浆规范（DZ/T0285-2015）;编写技术指南岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范 （GB 5

4、0086-2015）和水电水利工程边坡施工技术规范 （DL/T 5255-2010）；粘 度时变材料注册国家商标2个（SJP、双聚），已规模化生产。研究成果已在水电工程（如坝高 305m 的锦屏一级水电站） 、交通工程（如 海拔 4800m 的拉林高速米拉山隧道） 、市政工程（如深圳地铁）与房屋建筑工程 （如成都望江名门） 等 120 余项重大工程使用， 并在汶川地震灾后重建中发挥了 重要作用。相关技术成果已在全国 16个省市自治区应用推广，累积新增产值 21 亿元，为企业产生经济效益 4.6 亿元。提名该项目为国家技术发明奖二等奖。项目简介主要技术内容针对我国“西电东送 ”水电基地， “一带

5、一路 ”山区高速公路、铁路以及机场等 基础设施建设中， 经常遇到的陡倾宽裂缝、 架空松散、 冻融冻劈等复杂地层加固 难题，本项目在国家科技支撑计划、国家自然科学基金等课题资助下，历经 13 年科学攻关， 成功创制了粘度时变灌浆材料与复杂岩土加固技术， 实现了产业化 及推广应用，解决了岩土体灌浆速凝材料早期强度低、 后期强度高这一国际难题。 主要发明创造如下：(1) 提出了粘度时变性浆液水泥水化与稳定性理论， 构建了水泥 -外掺剂环境 的水化和硬化概化模型；(2) 以渗析凝聚和吸附胶结为理论依据， 构建了沙土材料加固 -植被适应性生 长-植物一体化生态修复体系；自主研发了浆液扩散测试装置，建立了

6、牛顿流体和宾汉流体注浆扩散模 型，发展了注浆扩散理论；结合复杂地质环境和SJP材料的水化固化性能，创建了 SJP双液法灌浆 工艺，突破了优化浆液可泵时间和凝结时间的技术难题。主要技术经济指标该项目研究已获中国发明专利授权 23 项，实用新型专利授权 50项，软件著 作权授权2项，注册国家商标2个。项目组在Nature Geoscienee等学术期刊 上共发表65篇SCI收录论文，58篇EI收录论文。上述研究成果，获得 2013年 中国专利金奖、四川省科技进步一等奖 2项(2013年和 2016年)、2012年新疆 自治区科技进步一等奖、 2014年四川省专利特等奖。 粘度时变灌浆材料固结体 3

7、 天强度，高出普通水泥浆2.5-4倍，28天强度高出1020%。使复杂岩土体注浆 加固，平均节约工时 98.6%，节约水泥 30-90%。应用推广及效益情况截止到 2017年底，粘度时变灌浆材料与复杂岩土加固技术，已在我国水利 水电工程、 交通工程及地质灾害治理等重大工程实践中，得到推广应用。 本项技术被写入矿山帷幕注浆规范 (DZ/T 0285-2015)，研发产品于 2015年被国家发 改委列入国家重点推广低碳项目 (全国仅 29项)，推广于全国 120余项重大工程， 新增产值 21 亿元，产生经济效益 4.6亿元。四川省科学技术厅组织专家进行成果鉴定。 鉴定认为 “该项研究成果解决了 速

8、凝灌浆材料早期强度高、后期强度低这一国际性难题，总体上达到了国际领 先水平。 ”客观评价成果鉴定2010年 6 月 13 日，四川省科学技术厅组织专家对 “粘度时变浆液扩散与固 结研究”项目进行了成果鉴定。鉴定委员会对本成果针对有关强卸荷、 松驰拉裂、 强震损伤岩体灌浆加固工程中，涉及到的陡倾裂隙面浆液漏量大、加固效果差这 些亟需解决的关键技术难题，提出的水泥基粘度时变浆液外掺剂选择的理论依 据、浆液扩散与固结特征，开发研制的系列粘度时变性浆液等研究工作， 给予充 分肯定，并一致认为“解决了速凝灌浆材料早期强度高、后期强度低这一国际 性难题，总体上达到了国际领先水平 ”查新结论国土资源西南地区

9、科技查新检索站对本项目研究成果进行了科技查新， 查新 结论为：本项目创制的粘度时变性灌浆材料体系及其性能指标， 在国内外文献中 均未见报道。行业机构检测 经过一级建筑工程质量检验测试机构 “四川省建业工程质量检测有限公司 ”对粘 度时变性灌浆材料的力学性能参数进行测试，表明： “粘度时变性灌浆材料的结 石体抗渗性能满足国家相关质量标准，单块结石体三天抗压强度达到13MPa。检测结果表明粘度时变灌浆材料固结体 3 天强度，高出普通水泥浆 2.5-4倍，28 天强度高出1020%。中国专利金奖 由中国知识产权局和世界产权组织举办的第十五届中国专利奖颁奖大会 上，本项目获授权的发明专利“注浆扩散测试

10、装置”获得了本届金奖，这是在本届 评出的建筑行业领域内唯一一项专利金奖， 同时也是本届大会唯一获得发明专利 金奖的高校。大会对荣获该项金奖的专利进行了评价，认为 “注浆扩散测试装置 可以模拟不同倾角、不同结构面宽度、不同充填材料浆液在动、静水条件下的扩 散特征。通过注浆装置测试，结合裂隙倾角和方位角、地下水压力、流速等影响 因素，建立了牛顿、宾汉流体注浆扩散模型，发展了注浆扩散理论 ”。该装置可 以模拟浆液在地层中的扩散范围与边界， 实现隐蔽工程“显现化”，可为工程设计 提供参数。国家技术推广“粘度时变材料可控灌浆技术”于 2015 年被国家发展和改革委员会成功列入 国家重点推广的低碳技术目录

11、 （第二批）。据悉，目录（第二批）共有 29 项国家重点推广的低碳技术， “粘度时变材料可控灌浆技术 ”作为燃料及原材料 替代技术，成功入选。同年，该技术被写入矿山帷幕注浆规范（DZ/T 0285-2015）。 2016年 5月，中国发明协会、国家科学技术部和国家知识产权局在人民大会堂 召开第七次全国会员代表大会，会上颁发了两年一度的国家发明创业奖 人物奖”，裴向军教授获此殊荣。国内工程应用本项目获授权的发明专利技术， 在锦屏一级水电站的成功应用， 得到了中国 水利水电七局、中国水利水电十四局的充分肯定。 中国水电在 “科技创新与应 用”版面，对本专利技术及研发的专用注浆材料进行了专门报道和技

12、术推广。报 道内容： “锦屏一级水电站左岸边坡受三组构造结构面及平行岸坡的卸荷裂隙影 响，岩体完整性较差，存在多处大宽度、陡倾角不利结构面，同时左岸坝肩岩体 还发育有断层 f5、f8、f42-9 等结构面延伸长度大，具有一定宽度的破碎带和影 响带，带内物质力学性质差。 在大坝左岸边坡支护锚索和各类观测孔钻孔灌浆处 理过程中，浆液常发生 “灌不住”、“顺缝跑 ”现象，或者遇到软弱破碎带而发生灌 浆不吸浆、 护壁效果差的情况， 致使灌浆施工进展缓慢， 影响边坡支护及监测孔 钻孔的正常进展， 同时造成灌浆材料浪费、 增加工程成本， 并严重影响后期大坝 固结与帷幕的可灌性， 影响大坝基础处理质量。 针

13、对上述问题， 成都理工大学地 质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室联合锦屏施工局研制出了适合此类 地层条件下既能堵漏又能护壁的冲洗液与流动性适宜、 护壁性能良好、 嵌缝效果 佳、凝固时间可调控的灌浆浆材，并成功地应用于位移监测孔及锚索（杆）施工 中，提高了钻进效率。 ”推广应用情况项目研究成果在一批重大工程建设和地质灾害防治工程中，得到推广应用 （据不完全统计达到 120 余项）。推广应用领域包括 :水利水电、交通能源、冶金 矿山、地质灾害防治及山区城市建设等行业， 尤其是在水利水电工程和交通基础 建设中得到大范围推广，累计新增产值达 21 亿元，产生经济效益 4.6 亿元。使用该技术成果的

14、重大水利水电工程施工项目， 如锦屏一级水电站、 九龙河 斜卡水电站、 泸定水电站、 云南阿墨江普西桥水电站等。 其中锦屏一级水电站为 雅砻江干流中下游控制性水电工程， 水电站挡水建筑物为混凝土双曲拱坝， 拱坝 坝高305 m,坝顶高程1885m，为世界第一双曲高拱坝。拱坝对两岸岩体的质量 要求较高， 而左岸坝肩岩体存在深部裂缝， 工程地质性状差， 对拱坝变形稳定极 为不利。通过使用本项目研究成果， 解决了宽大裂缝注浆浆液 “顺缝跑 ”和动水注 浆可控差的难题，同时提高了水电站坝基帷幕的抗渗透能力。此外该技术成果还应用于山西阳泉西环高速公路采空区和四川遂资眉高速 公路等多条公路路基的加固治理工程

15、， 西藏米拉山隧道和重庆华莹山隧道的 SJP 注浆堵水治理工程，以及深圳地铁八号线和十号线的隧道加固治理工程。同时， 在康定市寸达河坝危岩应急治理工程， 国网丹巴变电站进站公路应急改造工程以 及四川省甘孜州不稳定斜坡治理工程项目中，得到广泛应用。主要知识产权证明目录知识产权类别知识产权具体名称国家（地区）授权号授权日期证书编号权利人发明人发明专利有效状态裴向军，黄润ZL2002009发明注浆扩散测中国61002.06.05038成都理工秋,杨国春，邓有效专利试装置1638.9349大学辉,尹洪峰，靖向党,巨能攀一种粘度时ZL2012017裴向军，黄润发明变性浆液及中国51046.04.1245

16、2成都理工秋,杜野，张佳有效专利其制备方法2006.52461大学兴一种注浆固ZL2012016发明底溜砂坡防中国41047.04.02010成都理工裴向军，母剑有效专利护装置7023.16090大学桥,李天涛一种嵌固仿温继伟，裴向生喷嘴的多ZL2012015发明级扩孔钻具中国51009.03.02510成都理工军,陈礼仪杜有效专利及其扩孔方8220.75495大学野,杨华阳张佳兴法一种嵌固仿温继伟，裴向生喷嘴的钻ZL2012016发明扩一体式钻中国51009.09.22253成都理工军,陈礼仪杜有效专利具及其钻扩8055.58678大学野,杨华阳张佳兴孔方法中国水利陈旭东，杨富ZL20120

17、14发明一种地基加中国21021.08.11462水电第七平,李正兵廖有效专利固处理方法8195.83254工程局成军,任跃勤，邹都水电建刚,李红福，焦设工程有限公司瑞锋,杨军叶长文，陈礼一种固沙剂2017仪,王胜，李之发明及其制备方中国.11.2成都理工军,袁进科，霍有效专利法和应用0大学于翔，袁学武，韦猛陈礼仪，叶长一种乳液防ZL2012016文，王胜，李之发明塌剂及其制中国41037.08.22212成都理工军，袁进科，霍有效专利备方法7944.04211大学于翔，袁学武，韦猛叶长文，陈礼一种改性聚ZL2012017仪，刘建成，王发明氨酯灌浆材中国41037.02.02370成都理工胜，

18、李之军，袁有效专利料及其制备7959.78768大学进科,霍宇翔，方法和应用袁学武，韦猛ZL200高水压下试2011黄润秋，徐德发明样的密封方中国81004.10.08481成都理工敏，虞修竞，付有效专利法5254.581大学小敏X主要完成人情况表姓名裴向军排名1行政职务院长技术职称教授工作单位成都理工大学完成单位成都理工大学对本项目技术创造性贡献：主要对项目第1、2、3项技术发明点做出了创造性贡献。项目全面负责，方案评价和技 术优化。提出水泥-化学浆液的溶剂化膜理论，构建了水泥-外掺剂的水化、硬化模型，研发了双聚材料并且提出了吸附胶结 -包裹连接相互作用的固沙保水机制，研发了注浆扩散测试系统

19、。主要旁证材料为附件1-2、34-37、21-22、25、42-44、46、48-50。姓名黄润秋排名2行政职务主任技术职称教授工作单位成都理工大学完成单位成都理工大学对本项目技术创造性贡献：主要对项目第1、2项技术发明点做出了创造性贡献。主要进行技术指导和方案确定。优选出了早期流动性好、粘度突变、固结体后期强度高的SJP灌浆材料。发展了注浆扩散理论， 组织开发研制了注浆扩散测试系统，实现了浆液在动、静水条件下的扩散特征理论研究。主要旁证材料为附件 1-2、21-23、25、44、46-47、50。姓名李正兵排名3行政职务专业首席工程师技术职称教授级高级工程师工作单位中国水利水电第七工程局有限

20、公司完成单位中国水利水电第七工程局有限公司对本项目技术创造性贡献：（1）现场负责，组织实施SJP占度时变性浆液材料的现场应用。（2）根据锦屏一级水电站大坝左岸特殊的工程地质条件，适时调整浆材相关参数和性能指标，配制成与之相适应的浆材，解决了宽大陡倾裂隙破碎岩体灌不住、漏失大、注浆体锚固强度低等问题。（3）研制并实施了一套粘度时变性灌浆材料加固卸荷拉裂松弛、强震损伤岩体的施工工法。（4）通过参与该课题的研究，获得了发明专利及实用新型专利。姓名叶长文排名4行政职务技术职称副教授工作单位成都理工大学完成单位成都理工大学对本项目技术创造性贡献：主要对项目第1、3项技术发明点做出了创造性贡献。利用室内试

21、验得到了SJP灌浆材料的优化配比，验证了浆液固结体的综合性能。 开展土壤改良剂的室内研制， 实现对土壤湿化 崩解性和胶结性的理论分析和实验验证。主要旁证材料为附件3、38-39、45。姓名范宣梅排名5行政职务技术职称研究员工作单位成都理工大学完成单位成都理工大学对本项目技术创造性贡献：主要对项目第2项技术发明点做出了创造性贡献。开展裂隙发育特征的现场调查，构建野外地质原型，为注浆扩散装置的研制提供理论支持。主要旁证材料为附件23、44、46-47。姓名袁进科排名6行政职务技术职称副教授工作单位成都理工大学完成单位成都理工大学对本项目技术创造性贡献：主要对项目第1、2项技术发明点做出了创造性贡献

22、。现场组织实施新型灌浆材料现场应用，根据复杂环境条件下的地质特征，调整浆液流变参数，进行材料现场配比试验。利用浆 材性能及固结体性能测试，开展浆液扩散测试研究。主要旁证材料为附件22、27。完成人合作关系说明“粘度时变灌浆材料创制与复杂岩土加固关键技术”项目研究成果由成都理工大学的裴向军、黄润秋、叶长文、范宣梅、袁进科和中国水利水电第七工程局 有限公司李正兵等人长期合作研发、共同完成。第1完成人裴向军与第2完成人黄润秋，共同研发了注浆扩散测试装置，获 得了中国专利金奖（2013）和四川省专利特等奖（2014）;第1完成人裴向军、 第2完成人黄润秋与第6完成人袁进科，合作完成的“粘度时变性灌浆材料扩散 与固结研究”项目，共同获得了 2013年度四川省科技进步一等奖；第1完成人裴 向军、第2完成人黄润秋与第5完成人范宣梅，合作完成的“西部大型工程危岩 体灾变过程及防控技术体系研究”项目，共同获得了2016年度四川省科技进步一等奖；第1完成人裴向军和第2完成人黄润秋，合作完成的“天山公路边坡地 质灾害稳定性评价与防治对策研究”项目，共同获得了2012年度新疆自治区科技