公路隧道二次襯砌滲漏水注漿加固效果分析

摘要：文章基于某公路隧道二次襯砌滲漏水注漿加固實踐，對超細水泥、普通硅酸鹽水泥及聚合物水泥3種注漿材料的注漿效果進行對比分析。通過開展二次襯砌注漿試驗，對0°、30°、45°三種裂隙傾角的襯砌裂縫進行注漿加固效果分析，確定聚合物水泥為最佳注漿材料。

關(guān)鍵詞：高速公路;隧道;滲漏水;注漿加固

中圖分類號：U445. 49文獻標識碼：A DOI：1 0.13282/j. cnki. wccst. 201 9. 12. 038

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0141 - 04

0 引言

現(xiàn)今，我國已成為世界上隧道建設規(guī)模最大，發(fā)展速度最快的國家。隧道可有效縮短行車距離，提高公路交通運輸效率，有效促進地方經(jīng)濟發(fā)展。然而，由于設計階段對隧道地質(zhì)條件調(diào)查不夠，對隧道地應力的作用和施工監(jiān)管不嚴，很多隧道在運營使用后出現(xiàn)二次襯砌開裂，出現(xiàn)不同程度的滲漏水情況。隧道滲漏水是公路隧道的主要病害之一，嚴重影響隧道內(nèi)行車安全，降低隧道結(jié)構(gòu)的耐久性。目前，國內(nèi)對隧道滲漏水注漿加固處治尚沒有完善的無損評價方法，對隧道滲漏水注漿封堵研究不夠深入。文章基于某公路隧道運營使用后二次襯砌滲漏水注漿止水處治方法，分別采用超細水泥、普通硅酸鹽水泥和聚合物水泥對隧道二次襯砌滲漏水部位進行注漿加固處理，并通過試驗對加固效果進行分析，確定最佳注漿材料，提高加固效果。

1 工程概況

某公路隧道全長1 552.4 m，地質(zhì)構(gòu)造復雜，圍巖級別多為Ⅳ、V，裂隙紋理發(fā)育，巖石軟硬相間，易風化。該地區(qū)氣候四季分明，夏季濕潤多雨，裂隙水發(fā)育，受地下水影響大，隧道易受滲漏水病害影響。隧道施工中設置了防排水設施，在初支與二次襯砌之間加設了土工布和防水板，排水工程由環(huán)形排水管、縱向排水管、橫向排水管和中央排水溝組成。施工中在施工縫和變形縫位置設置了止水帶，做了防滲設計。

隧道運營使用一段時間后，出現(xiàn)了嚴重的滲漏水情況，造成襯砌混凝土侵蝕破壞。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，滲漏水位置主要分布在隧道邊墻和拱腰位置，主要形式為線性滲漏、變形縫和接縫處滲水量大，流向路面，造成大面積積水，導致道路濕滑，影響行車安全。通過對K32+350～K33+ 130段進行調(diào)查，得到隧道滲漏水現(xiàn)場調(diào)查情況部分統(tǒng)計如下頁表1所示。

2 隧道滲漏水成因分析

2.1 圍巖地質(zhì)原因

公路隧道運營使用階段，襯砌結(jié)構(gòu)受到地應力、地下水壓力等因素的影響。隧道圍巖出現(xiàn)地應力，造成隧道襯砌受力情況變化，尤其是隧道處于斷層破碎帶區(qū)域，地應力變化顯著，對隧道襯砌影響大。地下水量增加，造成水壓力增加，水分從襯砌缺陷處滲漏。地質(zhì)情況變化，造成襯砌變形破壞。環(huán)境溫度變化，造成隧道襯砌混凝土出現(xiàn)干濕交替或凍害。在多種因素的綜合作用下，造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞，出現(xiàn)滲漏水。

2.2 設計原因

隧道襯砌結(jié)構(gòu)厚度不足，強度不足，沒有充分考慮極端地質(zhì)條件對襯砌結(jié)構(gòu)的影響，尤其是侵蝕性地下水，很容易造成襯砌開裂破損。如設計襯砌厚度不足，會造成隧道圍巖出現(xiàn)凍害，在反復的凍融破壞作用下風化破碎，最終造成襯砌開裂。由于設計原因，造成隧道排水能力不足，導致隧道運營后大量地下水不能及時排除。本隧道受到季節(jié)性影響明顯，排水能力不足是造成隧道出現(xiàn)滲漏的一個主要原因。另外，該地區(qū)屬于季節(jié)性冰凍地區(qū)，隧道結(jié)構(gòu)處于凍結(jié)圈內(nèi)，隧道排水結(jié)構(gòu)在冬季結(jié)冰后產(chǎn)生冰塞，地下水無法及時排除，使排水系統(tǒng)凍脹破壞造成襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏水。

2.3 施工原因

隧道圍巖開挖時機不對，施工工序不規(guī)范，都是造成隧道滲漏水的重要影響因素。隧道開挖時機不對主要是開挖時機選擇不當，隧道圍巖還處于開挖后的重分布調(diào)整狀態(tài)，沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)，容易產(chǎn)生地應力，造成襯砌開挖變形。在施工過程中，個別施工企業(yè)為了提高收益，不按設計與規(guī)范施工，使用不符合要求的混凝土，襯砌厚度不夠、防水能力差，防排水結(jié)構(gòu)施工不合格，混凝土振搗不當，養(yǎng)護不到位等都是降低襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量，造成滲漏水的原因。

3 隧道襯砌滲漏水注漿加固效果分析

3.1 試驗方案

施工前選取試驗段進行注漿試驗，分別選取超細水泥、普通硅酸鹽水泥及聚合物水泥3種注漿材料，注漿襯砌結(jié)構(gòu)采用裂隙傾角為0°、30°、45°三種工況。注漿前先進行襯砌預制，制作不同裂隙傾角的襯砌結(jié)構(gòu)，然后對襯砌裂縫進行封堵處理，對不同傾角的裂縫進行注漿，注漿后進行鉆芯取樣，對比分析注漿前后襯砌強度的變化情況。

3.2 襯砌與裂隙預制

選擇同原隧道二次襯砌混凝土相同的強度和配合比，嚴格按要求進行混凝土拌和，在成形模板內(nèi)澆筑成型。為了模擬隧道襯砌裂隙工況，采用3 mm厚的鋼板插入到二次襯砌內(nèi)部制作裂隙，分別得到0°、30°、45°三種裂隙傾角，二次襯砌混凝土澆筑養(yǎng)護10 h后，抽出鋼板，完成裂隙制作。

裂隙制作完成后.由于襯砌內(nèi)部的裂隙不均勻，注漿過程中容易出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，需要進行開槽處理。開槽后裂隙完全張開，按要求制作止?jié){槽，以保證注漿飽滿。同時，為了防止注入裂隙內(nèi)部的漿液流失，降低注漿效果，在裂隙內(nèi)部設置隔水膠條密封，并使用環(huán)氧樹脂進行密封，以提高密封和隔水效果。預制二次襯砌完工28 d后，處理裂隙，使用切割機對裂隙處進行開槽處理，并制作寬1 cm、深2 cm的止?jié){槽，使用聚合物水泥漿封閉裂隙。

3.3 裂隙注漿與鉆芯取樣

止?jié){槽施工3d后，對二次襯砌裂隙進行注漿。注漿使用止水針頭進行施工，并設置至少一個注漿孔和一個排氣孔。實驗過程中分別使用超細水泥、普通硅酸鹽水泥及聚合物水泥3種注漿材料進行注漿，并對施工過程進行觀察，比較注漿效果。當采用速凝類漿液進行注漿時，注漿孔沿裂隙上下呈梅花形布置，距離為400 mm。裂隙注漿采用自上而下的施工順序，排氣孔位于裂隙的最頂部，注漿終壓為1 MPa。當采用非速凝類漿液進行注漿時，分別在裂隙上端和下端設置一個注漿孔，其中上端孔為排氣孔，下端孔為注漿孔，注漿終壓為1 MPa。注漿過程中如出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，應封閉排氣孔，直到壓力恢復。裂隙注漿3d后，鉆芯取樣進行單軸抗壓強度試驗，檢測注漿加固效果。

3.4 襯砌裂隙注漿加固效果分析

對注漿加固體進行鉆芯取樣，分別對注漿加固前試樣和加固后試樣進行單軸抗壓強度試驗。試樣分別選取注漿加固前后裂隙傾角為0°、30°、45°的試樣各一組，同時對沒有裂隙的襯砌取樣進行對比試樣。通過對沒有裂隙的區(qū)域襯砌混凝土試樣進行單軸抗壓強度試驗，測定試樣的抗壓強度為27 MPa。不同類型注漿材料注漿加固后襯砌試樣單軸抗壓強度試驗結(jié)果如表2所示。

分析表2數(shù)據(jù)可知，對不同裂隙傾角的襯砌裂縫進行注漿加固，加固前后二次襯砌強度明顯提高。注漿加固前后，二次襯砌混凝土強度采用超細水泥注漿加固后提高2～6 MPa，采用普通硅酸鹽水泥加固后強度提高幅度為1. 5～5.5 MPa，采用聚合物水泥加固后強度提高幅度為4. 5～7.3 MPa。由此可見，采用聚合物水泥注漿加固效果最佳，超細水泥次之，普通硅酸鹽水泥最差。不同裂隙傾角注漿前后二次襯砌強度關(guān)系曲線如圖1～3所示。

分析圖1～3所示曲線，裂隙傾角對襯砌加固后抗壓強度的影響差異較大。其中0°和30°傾角對二次襯砌注漿加固效果影響不顯著，這主要是由于裂隙傾角較小，注漿前后襯砌強度增長不明顯。45°裂隙傾角對二次襯砌加固效果影響明顯，這主要是由于45°裂隙傾角的襯砌結(jié)構(gòu)的單軸抗壓強度試驗破壞形式主要為剪切破壞，使襯砌試樣本身的物理力學參數(shù)通過裂隙的物理力學參數(shù)體現(xiàn)出來，進而增加了對試樣抗壓強度的影響。

3.5 隧道注漿材料比選

在對二次襯砌試樣進行注漿試驗過程中，采用不同注漿材料開展現(xiàn)場注漿試驗，對注漿壓力、注漿速率、注漿時間之間的關(guān)系進行研究。同時，為了有效控制注漿漿液的擴散時間與擴散范圍，注漿過程中加入了一定比例的胺鹽（0.05%）和鈉鹽（0.5%）。注漿試驗過程中控制注漿終壓為2.0 MPa，注漿時間為60 min。根據(jù)施工現(xiàn)場施工情況，繪制三種不同注漿材料的P-Q—t曲線如圖4～6所示。

從施工現(xiàn)場三種不同注漿材料的P- Q-t曲線可以看出：在注漿初期，注漿壓力均不斷提高，注漿速率不斷下降;注漿中期速率下降，注漿壓力在一定范圍內(nèi)波動，漿液注漿進入穩(wěn)定階段;注漿后期注漿壓力達到標準值，注漿速率不斷下降。通過對曲線進行分析可知，超細水泥漿液在注漿時間達到60 min后注漿壓力仍然很低，注漿速率穩(wěn)定，可注性良好。普通硅酸鹽水泥漿液注漿壓力在注漿后55 min達到1.8 MPa。聚合物水泥漿液在注漿44 min后注漿壓力上升迅速，60 min未達到注漿壓力，可注性較超細水泥漿液略差。

通過對注漿施工過程進行分析得出，普通硅酸鹽水泥漿液粒徑大，可注性較差，在注漿過程中漏漿現(xiàn)象嚴重。超細水泥粒度較細，注漿壓力上升慢，漿液擴散半徑大，可有效填充裂隙，注漿效果好。聚合物水泥注漿性質(zhì)與超細水泥漿液相似，且水化后可形成聚合物一膠凝礦物結(jié)合體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可塑性好。經(jīng)過現(xiàn)場試驗比選，聚合物水泥漿液對隧道滲漏水注漿加固最好，應優(yōu)先選用。

4 結(jié)語

本文采用三種不同注漿材料對隧道滲漏水進行注漿加固，分析了注漿前后試樣單軸抗壓強度變化，并對三種漿液的現(xiàn)場注漿施工過程進行對比分析，得出了以下結(jié)論：

（l）對不同裂隙傾角的襯砌結(jié)構(gòu)加固前后二次襯砌強度變化情況進行對比分析，得出采用聚合物水泥注漿加固效果最佳，超細水泥次之，普通硅酸鹽水泥最差。

（2）0°和30°傾角由于角度較小，對二次襯砌注漿加固效果影響不顯著，45°裂隙傾角的襯砌結(jié)構(gòu)的單軸抗壓強度試驗破壞形式主要為剪切破壞，使襯砌試樣本身的物理力學參數(shù)通過裂隙的物理力學參數(shù)體現(xiàn)出來，對試樣抗壓強度的影響顯著。

（3）通過對三種漿液注漿施工過程分析，得出聚合物水泥可注性好，可有效填充裂隙，注漿效果好，可塑性好，對隧道滲漏水注漿加固效果最好，應優(yōu)先選用。

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作者簡介：陳藝（1983-），講師，碩士，研究方向：橋梁與隧道工程。