海底盾構管廊隧道結構病害分析及治理技術

顏庭祥，孫國慶

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055;2.中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

我國水域遼闊，交通事業的發展和隧道修建技術的進步為水下隧道的發展提供了優越的條件。大量的穿江過海隧道廣泛地分布在交通和市政管網等領域，如武漢長江隧道和天津海河共同溝隧道等。然而，隧道在施工和長期的運營過程中，各種因素的綜合影響會形成不同程度的病害，盾構隧道病害不斷出現，從而造成了諸多質量風險。隧道研究者已逐漸開展了隧道病害維修加固工作，且也已開展了相關的研究工作［1］。劉海京等［2］對隧道病害的現狀進行了深入研究，提出了要采取及時有效的維修加固措施，延緩隧道病害的發展。目前，隧道病害主要表現為開裂及滲漏水，其病害原因是多重因素作用的結果，但采取的措施都是“注漿補強、封堵補強，局部限量排放材料”，主要以傳統的水泥漿、聚氨酯化學漿以及涂抹材料為主，能夠達到一定的病害治理目標［3］。海底隧道由于其所處環境的特殊性，病害的主要誘因為隧道結構長期處于海水侵蝕下，海水長期對混凝土管片、管片連接件及管廊內的管道造成嚴重腐蝕，造成病害的迅速發展;因此，采用傳統的病害治理措施難以避免海水對隧道結構的進一步侵蝕破壞，而針對海水侵蝕下的隧道病害治理研究相對較少。

本文以某管線過海隧道病害治理為例，分析隧道結構缺陷及病害的成因，通過壁后注漿在隧道結構外形成致密的隔水層，減少海水對隧道結構的長期直接侵蝕，并通過混凝土結構的補強、裂縫粘結等技術，尤其采用抗海水侵蝕的硫鋁酸鹽水泥特種注漿材料，遵循“以堵為主、標本兼治、綜合治理”的原則，在隧道病害治理中取得了較好的效果。

1 工程概況

某管線過海隧道采用盾構法施工，隧道長度為1 448 m，內徑為2.44 m，隧道埋深24 m(至海平面)，上層覆蓋層厚度10～16 m，內襯砌為厚25 cm的C40混凝土管片，另外，隧道兩端始發井直徑18 m，深28.5 m，接收井直徑8 m，深32 m。隧道內敷設1根φ 762×15.9 mm、長1 492 m的熱油管道，管道材質為X65直縫埋弧焊鋼管，同時并行1條光纜，如圖1和圖2所示。隧道盾構始發井采用沉井法施工，隧道大部分區域采用盾構法施工，主要穿過第四系沖洪積粗砂層、第四系花崗巖殘積層和全－強風化花崗巖地層，僅在盾構法施工后部局部地段穿越中風化花崗巖地層。盾構接收井及臨近隧道部分區域采用礦山法施工，主要穿越第四系人工填石層、第四系海陸交互相淤泥質砂層、第四系沖洪積粗砂層和燕山期強－中風化花崗巖地層，采用排樁及錨噴組合支護結構。

圖1 隧道橫斷面及附屬管線設施布置圖(單位:mm)Fig.1 Cross-section of tunnel showing layout of utility lines(mm)

圖2 管廊及其管線布置圖Fig.2 Picture of utility lines in tunnel

按照隧道設計要求，隧道盾構段防水等級為一級，結構不允許滲水，結構表面無濕漬。隧道內應充淡水運行，但因故一直未能充水運營。隧道竣工后投入使用已有9年之久，隧道結構出現嚴重腐蝕，淤泥和積水較多，滲漏水問題日趨嚴重，隧道和管道安全存在潛在風險。為確保隧道運營安全及結構的使用壽命，需對隧道進行病害及結構安全檢測，并根據檢測結果及時進行修復治理。

2 隧道病害檢測

為滿足內部管線防腐技術要求和隧道結構安全，擬按原設計要求注水運行。由于隧道缺陷及病害已經發生，在注水運營前須對隧道結構的整體性能及功能狀況作出分析鑒定。通過對隧道實施相關的檢查和檢測，從而對隧道的安全性和耐久性進行全面評估，并根據檢測結果對隧道進行維修整治處理［4］。

對隧道的結構變形進行檢測發現，隧道整體外觀及結構性能現狀良好。隧道本體結構無明顯的沉降、變形和露筋，僅有極個別地方出現輕微的混凝土缺損、裂縫、腐蝕及脫落現象，但尚未影響到隧道結構的整體安全性能;隧道結構混凝土強度保持較好，能夠滿足隧道剛度、強度和耐久性的要求［5］。

管片螺栓表層銹蝕嚴重。其中，螺桿尾端銹蝕率為80%、螺母銹蝕率為92.3%、墊片銹蝕率為99.5%，部分銹蝕嚴重的螺栓已出現松動和滲漏水。隧道內附屬鋼筋構建銹蝕嚴重，已失去使用功能。

管廊滲漏檢測共記錄滲漏點114處，其中，滲水、滲滴水107處，線狀出水點4處，股狀出水點3處，并含有少量泥砂，隧道總出水量約為80 m3/d。滲漏水嚴重區域存在大量泥砂淤積，地段主要集中在盾構隧道始發段和礦山法到達空推段。

隧道壁后存在不同程度的空洞，共檢測出環片背后存在59處空洞，空洞長度在0.2～6.5 m，深度在0.25～1.3 m。漏水越嚴重的地方空洞越嚴重，漏水點與環片壁后空洞呈對應關系。

3 隧道缺陷修復

雖然目前隧道整體外觀及結構性能狀況良好，但管片螺栓表層銹蝕已較為嚴重，滲漏點較多，局部管段已超出了原設計要求的二級防水標準，隧道壁后也已出現了不同程度的空洞，并且伴隨著滲漏的發展，空洞有進一步擴大蔓延的趨勢。因此，需對隧道內出現的病害及缺陷進行整治處理。

3.1 管片背后空洞回填

管片背后空洞主要由2種因素影響形成:1)施工過程中管片背后回填注漿不密實，形成一定的蓄水空間;2)隧道構筑物長期在海水侵蝕破壞下，管片接縫止水帶破壞，出現滲漏水，逐漸形成貫通的過水通道，地層介質隨水不斷流失形成空腔。

為了保證隧道洞室結構的穩定，需對環片外側空腔進行注漿回填處理。施工工藝順序如下:

1)注漿孔定位。根據雷達檢測成果，在空腔附近區域確定注漿孔位置，采用鉆孔法鉆穿管片，鉆孔達到空腔深度。

2)安裝孔口管。鉆孔孔徑為20 mm，深度為25 cm，并裝φ15 mm孔口管和閥門，防止突水涌砂。

3)注漿管安裝。在孔口管中鉆孔，直徑為φ10 mm無縫鋼管，長度為60 cm，孔內40 cm。

4)注漿材料選擇。注漿材料采用抗海水侵蝕的硫鋁酸鹽水泥，水灰質量比為1∶1 ～1.2∶1。

5)注漿。注漿采用全孔一次壓入式，注漿結束標準按照“定壓定量相結合”的雙重控制標準，注漿壓力為0.2～0.4 MPa。注漿時應注意觀察洞身和管廊動態變化，及時調整注漿參數。

6)割除管頭。表面采用鋼刷清理干凈、抹平，并涂抹滲透結晶防水涂料。

回填注漿結束后，采用地質雷達進行空洞檢測［6］，管片外原有空腔得到有效填充，地層密實，未發現空腔存在。

3.2 滲漏水治理

滲漏水治理遵循“以堵為主、標本兼治、綜合治理”的原則，根據涌水特點和涌水區域進行分類，主要采用快凝硫鋁酸鹽水泥對涌水區域管片及圍護結構背后的蓄水孔隙、滲水裂隙和松散地層進行充填加固，提高病害區域地層的穩定性、抗滲性及耐久性。對小的滲水點、變形縫、管片受損區域采用化學漿材或滲透結晶材料進行注漿加固和補強。

3.2.1 滲漏水產生的原因［7－8］

1)滲漏水嚴重地段主要集中在盾構隧道始發段和礦山法到達空推段。始發階段盾構掘進參數還處于試驗調整階段，盾構姿態和管片拼裝控制較差，小直徑管片錯臺較為嚴重;礦山法施工盾構空推段，初期支護和盾構管片之間注漿充填不密實，是運營期滲漏水的主要原因之一。

2)盾構掘進過程中，由于掘進速度快、掘進速度和同步注漿速度不匹配、管片壁后注漿充填不密實，不能使圍巖和襯砌整體協調受力，因而造成受力不均，局部變形過大，防水失效而引起滲水。

3)管片制作和養護不合理，水灰質量比過大，出現氣孔和微裂紋。

4)遇水膨脹橡膠密封墊粘貼不牢，或過早浸水膨脹，致使止水效果降低。

5)管片拼裝質量差、管片錯臺、螺栓未擰緊，造成接縫張開過大;手孔、注漿孔等薄弱部位封孔質量差，螺栓孔未加防水密封墊等。

6)水下隧道長期處于水壓作用下，受海水的侵蝕作用，構件受侵蝕嚴重。

3.2.2 明顯股狀水治理

對于隧道區間存在嚴重的股狀、線狀出水點，先采用鉆斜孔法，對管片背后進行徑向注漿封堵，然后騎縫鉆孔安設注漿針頭對裂縫進行化學灌漿封堵。施工工藝順序如下:

1)在集中出水縫隙或點兩側鉆設斜孔，孔徑φ25 mm，孔深15 cm，并安設φ25 mm孔口管(帶有球閥，長度20 cm)。

2)通過孔口管鉆孔，孔深和探測空洞范圍以鉆穿空腔為準。

3)通過孔口管注入水泥漿，封堵裂隙水及蓄空腔，并對地層進行加固，提高地層的抗滲性，注漿終壓力為0.2～0.4 MPa。當注漿過程中注漿量大于探測空腔時，可采取調節漿液凝膠時間或采取間歇注漿的工藝，控制漿液的有效擴散范圍，必要時可通過增加注漿孔進行多次注漿，以提高地層的加固效果，如圖3所示。

圖3 股狀涌水治理示意圖Fig.3 Schematic diagram of treatment of flowing water

4)水泥注漿完成后，騎縫或與出水裂隙斜交間隔20 cm鉆設φ10 mm鉆孔，孔深20 cm，并安設注漿針頭，注入環氧樹脂進行補強，注漿壓力為0.1 MPa，如圖4所示。

5)割除管頭，表面采用鋼刷清理干凈、抹平，并涂抹滲透結晶防水涂料。

6)注漿結束后，若水沿著管片背后的其他滲水通道縱向傳遞，在其他的薄弱區域有可能會產生新的漏水點，則采用同樣的方法對新的滲漏水點進行鉆孔注漿治理。

3.2.3 滴狀滲流出水點治理

對區間內的隧道管片接縫、注漿孔、螺栓孔和管片表面滴狀滲流的治理主要采取在接縫處注入化學漿液封堵，表面采用抗滲結晶涂料進行涂抹，施工工藝如下:

1)在接縫、注漿孔、螺栓孔和管片表面微滲點騎縫或與出水裂隙斜交鉆孔(見圖4)，并安設注漿針頭。

2)通過注漿針頭注入化學漿液，對透水縫隙進行封堵，并采用隔孔注入改性環氧樹脂進行補強，注漿終壓為0.1 ～0.2 MPa。

3)注漿結束后，割除管頭，表面采用鋼刷清理干凈、抹平，并涂抹滲透結晶防水涂料。

4)注漿結束后，若在其他薄弱區域產生新的滲水點，則采用同樣的方法進行處理。

圖4 裂縫滲水治理示意圖Fig.4 Schematic diagram of treatment of water seeping from cracks

3.2.4 底部墊層滲漏水治理

對于隧底墊層部分滲水，在隧道底部滲水位置每隔5 m沿底部墊層兩側進行鉆孔回填注漿處理，鉆孔注漿施工工藝同隧道管廊集中出水點治理施工工藝。

3.2.5 注漿材料

依據“技術可行，經濟合理”的注漿材料選用原則，在能夠滿足注漿條件的前提下［9］，注漿材料的選用應充分考慮對環境及結構耐久性的影響。

對于混凝土管片及混凝土結構的細小裂隙或表面滲水，諸如水泥類的懸浮顆粒漿液很難注入或無法達到效果時，必須采取溶液型漿液的水溶性聚氨酯，但考慮到聚氨酯的耐久性較差，在達到堵水效果后需要采取耐久性強、固結強度高的環氧樹脂進行補強注漿。漿液材料配比如表2和表3所示。

表1 水泥注漿材料配比參數表Table 1 Parameters of cement mortars

表2 水溶性聚氨酯漿液配比參數表Table 2 Parameters of soluble polyurethane mortar

表3 改性環氧樹脂漿液配比參數表Table 3 Parameters of modified epoxy mortar g

3.3 螺栓孔除銹及防腐處理

1)螺栓除銹。處理時先噴1層除銹漆，再采用拋光機或鋼刷等對螺桿尾端、螺母和墊片分別進行磨刷，直至將表面的鐵銹全部清理干凈。要達到St2除銹標準，表面應無可見的油脂和污垢，并且沒有附著不牢的氧化皮、鐵銹和油漆涂層等附著物。

2)防腐刷漆。選用不燃無毒(低毒)的水性防銹漆，對外露的螺栓及附屬金屬構件進行涂刷防腐，刷漆厚度為1～2 mm。

3)螺栓封堵。采用環氧樹脂砂漿膠拌合物封裹螺栓和螺帽外露部分，隔絕空氣，防止腐蝕，并在封裹砂漿外加罩塑料帽套。

3.4 附屬構件拆除

兩側豎井的爬梯已被銹蝕，隧道注水后爬梯會進一步被腐蝕，一旦脫落會與豎井內的管線發生撞擊，產生危險，并且爬梯腐蝕嚴重時，對人員的上下亦會產生安全隱患;因此，需對爬梯進行拆除。對管廊內的原電纜支架等腐蝕嚴重的構建全部拆除。

4 治理效果

經過2個月的施工，完成了管片后空洞回填、滲漏水、螺栓除銹等病害的治理，后通過采用地質雷達檢測管片背后未見明顯空洞，管片和地層充填飽滿，無脫空。隧道區間滲漏水得到了有效控制，除局部有少量濕漬外，無明顯出水點，基本達到國家二級防水標準。根據施工過程的監測，病害治理過程隧道收斂、環片拱頂與底板沉降監測數據均未發生明顯變化，隧道結構處于穩定狀態。

5 結論與體會

1)由于地質水文條件和工程環境的復雜性，尤其是長期在海水水壓侵蝕下的隧道結構，不可避免地會出現管片背后脫空、管片開裂、接縫滲漏水以及連接螺栓銹蝕等隧道病害，對隧道的運營及結構安全造成威脅。

2)本項目滲漏水嚴重地段主要集中在盾構隧道始發段和礦山法到達空推段，因此，嚴格控制盾構掘進參數、協調控制好盾構姿態和管片拼裝質量是減少運營期隧道病害的主要措施。

3)隧道結構病害及缺陷治理前，必須對病害進行科學地調查、檢測及分析，制定出具有針對性的修復治理措施。

4)在海水環境下治理隧道病害，為了確保治理效果的有效性和耐久性，必須選擇具有一定抗海水侵蝕能力的材料。本項目選取抗海水侵蝕的硫鋁酸鹽水泥，取得了較好的治理效果。

5)該工程的病害治理實踐證明，通過全面分析病害原因，制定具有針對性的治理措施，能夠取得較好的治理效果，保證隧道結構的安全運營，延長隧道使用壽命。

［1］ 胥犇，王華牢，夏才初.盾構隧道結構病害狀態綜合評價方法研究［J］.地下空間與工程學報，2010(1):201－207.(XU Ben，WANG Hualao，XIA Caichu.Study on comprehensive evaluation of shield tunnel structural defection［J］. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010(1):201 －207.(in Chinese))

［2］ 劉海京，夏才初，朱合華，等.隧道病害研究現狀與進展［J］.地下空間與工程學報，2007(5):947 －952.(LIU Haijing，XIA Caichu，ZHU Hehua，et al.Studies on tunnel damage［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007(5):947 －952.(in Chinese))

［3］ 黃新社.隧道襯砌裂縫及滲漏水治理技術［J］.隧道建設，2006，26(3):32 － 35.(HUANG Xinshe.Technology for treatment of tunnel lining cracks and seepage water［J］.Tunnel Construction，2006，26(3):32 －35.(in Chinese))

［4］ 趙樣平，趙文成.淺談水下盾構隧道結構病害處理［J］.四川建筑，2010(2):201 – 203.(ZHAO Yangping，ZHAO Wencheng.Introduction to underwater shield tunnel structure disease treatment［J］ .Sichuan Architecture，2010(2):201 －203.(in Chinese))

［5］ 關寶樹.隧道工程維修管理要點集［M］.北京:人民交通出版社，2004.(GUAN Baoshu.Tunnel engineering maintenancemanagementpoints［M］.Beijing:China Communications Press，2004.(in Chinese))

［6］ 王永安，白明洲，王連俊.雷達探測方法在隧道病害治理中的應用研究［J］.西部探礦工程，2002(1):84－85.(WANG Yongan，BAI Mingzhou，WANG Lianjun.Application of ground penetrating radar in repairing tunnel problems［J］.West-China Exploration Engineering，2002(1):84 － 85.(in Chinese))

［7］ 楊新安.隧道病害與防止［M］.上海:同濟大學出版社，2003.(YANG Xin’an.Tunnel disease and prevention［M］.Shanghai:Tongji University Press，2003.(in Chinese))

［8］ 張鳳祥.盾構隧道施工手冊［M］.北京:人民交通出版社，2005.(ZHANG Fengxiang.Shield tunnel construction manual［M］.Beijing:China Communications Press，2005.(in Chinese))

［9］ 楊勇，鄒翀，李治國，等.化學注漿材料在滲漏水治理中的選擇和應用［J］.西部探礦工程，2006(12):197－198，201.(YANG Yong，ZOU Chong，LI Zhiguo，et al.The selection and application of chemical grouting material in seepage water governance［J］.West-China Exploration Engineering，2006(12):197 －198，201.(in Chinese))