大口徑輸水隧洞變形縫修復技術探討

張會敏

（北京市河湖流域管理事務中心,北京 102600）

南水北調(diào)中線工程一期全長1276 km,北京段大部分為地下輸水管道或隧洞,總長260 km。其中大口徑輸水隧洞長約98 km,占南水北調(diào)北京段總長38%,大口徑輸水隧洞已成為城市輸水干線的重要組成部分,也被普遍應用于水利市政工程中。其安全運行對大城市供水穩(wěn)定起到至關重要的作用。

1 大口徑鋼筋混凝土輸水隧洞應用

隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展和土地資源稀缺,大口徑輸水隧洞被越來越廣泛地應用于長距離供水、引水和調(diào)水工程中,且發(fā)揮著穩(wěn)定持久的經(jīng)濟效益和社會效益。如南水北調(diào)工程穿黃工程隧洞累計長8.5 km（圓涵DN7000 mm）[1]；深圳市東江水源工程有86.3 km隧洞（分為城門洞型、馬蹄型、圓涵和箱涵4 種）[2-3]；引灤入津工程有12.39km隧洞（主要以箱型和城門型兩種,其中：箱型洞高有5.6m和5.7m兩種、城門型洞寬有5.7 m和6.26 m兩種）[4]；南水北調(diào)天津干線工程輸水箱涵145.81 km,分為3600 mm×3600 mm和 4400 mm×4400 mm方涵兩種[5]。再如南水北調(diào)北京段位于中線工程的末端,大部分也采用地下暗涵輸水模式,即沿著南、東、北五環(huán)及西四環(huán)形成的大口徑地下輸水隧洞工程；從總干渠開始,近百公里,按照逆時針方面分別為：南干渠工程（全長26.8 km、圓涵分為DN3400 mm和DN4700 mm兩種）,東干渠工程（全長44.7 km、圓涵DN4600 mm）,團城湖至第九水廠一期工程（全長8.2 km、圓涵DN4700 mm）,西四環(huán)暗涵（全長12.6 km、方涵3800 mm×3800 mm）和盧溝橋暗涵（全長5.3 km、方涵3800 mm×3800 mm）。

但隨著大口徑輸水隧洞長期運行或因地質(zhì)結(jié)構變化、地上物變化等諸多因素影響下,大口徑輸水隧洞必然存在滲漏水問題,其滲漏的關鍵部位就是變形縫處,因此變形縫的修復技術在大口徑輸水隧洞檢修和搶險過程是一個極難攻克的技術問題。變形縫修復技術首先要保證變形縫原設計結(jié)構功能不變,即填充材料須柔性材料。其次,要考慮到變形縫修復作業(yè)條件,大部分輸水隧洞內(nèi)低溫潮濕,且周邊土壤含水量較高,導致隧洞內(nèi)部混凝土表面含水率高,作業(yè)現(xiàn)場無法滿足防水材料的施工作業(yè)條件。同時,要考慮變形縫連接的鋼筋混凝土隧洞兩倉之間的表面平整度和變形縫縫寬不均勻,變形縫填充或封閉材料若采用定制類橡膠制品,剛性混凝土與柔性橡膠之間粘結(jié)度很難管控,如采用粘結(jié)劑,材料在潮濕條件下粘結(jié)效果很難保證。另外,充分考慮“內(nèi)水外滲、外水內(nèi)滲”兩種滲水工況。大部分防水材料防止迎水面變形縫滲漏效果極佳。隧洞檢修排空時,隧洞周邊的外水可能通過變形縫向隧洞內(nèi)部滲漏,其背水面防滲效果不佳。部分輸水隧洞在前期建設中未設計檢修通道,檢修搶修的人員、材料、設備只能通過直徑0.7 m的井口進入隧洞底部,修補的材料、設備尺寸均要滿足井口直徑的要求才能使用。現(xiàn)場的實際條件使得搶修工藝選擇面小,材料、設備選擇有限。

制定變形縫修復技術方案要充分考慮存在諸多不利因素。目前,國內(nèi)在大口徑輸水隧洞工程變形縫修復取得了一些實踐經(jīng)驗,針對修補加固新材料、新技術也進行了大量研究和試驗,有的已經(jīng)應用于工程實踐[6-13]。

2 大口徑輸水隧洞變形縫修復技術進展

2.1 南水北調(diào)中線穿黃工程和北京段隧洞工程早期變形縫修復

南水北調(diào)穿黃隧洞運行初期,對于結(jié)構縫采用縫內(nèi)填充聚脲（深度2 cm～4 cm）,表面采用噴涂聚脲封閉技術方案。北京市南水北調(diào)配套南干渠工程和東干渠工程在試運行初期,采取了變形縫內(nèi)采用油麻、聚氨酯和雙組份聚硫密封膏填塞,表面采用SK手刮單組份聚脲封閉。

經(jīng)過長時間通水運行,聚硫密封膏填塞泥化或老化現(xiàn)象嚴重,也是導致變形縫滲水的原因之一。

2.2 南水北調(diào)天津干線工程變形縫修復

天津干線4 號至5 號保水堰段箱涵先對變形縫內(nèi)進行灌漿處理,封堵滲漏通道,采用手刮聚脲加強變形縫的閉水效果。灌漿的具體工藝為：封蓋→鉆孔→充填灌漿→復灌漿液。該工藝采用天津大學天海新材料有限公司研制的用于變形縫漏水搶險處理的工藝和專用材料。該材料為TPT化學高分子灌漿材料,氰凝高效灌漿防水堵漏材料TPT-2 具有吸潮遇水反應固化、漿液粘度低可滲透到混凝土細微裂縫的特點,TPT-1 型材料具備再遇水再膨脹的功能。對滲漏的變形縫,采用手刮聚脲的方式進行補強。手刮聚脲厚度2 mm,寬度為430 mm。

TPT在隧洞頂部施工過程中,粘結(jié)性能較好,但在長時間通水運行過程中防水材料易被剝離。

2.3 蘭州水源隧洞和地下工程變形縫修復

研制了新型的中貼式橡膠止水帶,其止水線高度32 mm、3 條止水線、翼板寬度為192 mm。在中埋式橡膠止水帶迎水面增設了遇水膨脹止水條,變形縫的縫隙之間及止水面板之間采用BW閉孔泡沫板填塞[14]。

中埋式橡膠止水帶方案較廣泛應用于堤壩、涵洞、地鐵、人防、地下室等工程中,施工過程中膠止水帶與混凝土表面粘結(jié)強度很難控制。在水流沖刷下,填塞材料容易被沖走。

2.4 深圳市東江水源工程變形縫修復

深圳市東江水源曾經(jīng)對于箱涵和渡槽變形縫滲漏做過多種試驗。東江水源工程壓力箱涵變形縫處理采用化學灌漿及快速堵漏劑堵漏,縫內(nèi)嵌填2 cm～3 cm厚高彈性砂漿,在變形縫表面錨貼GB復合三元乙丙橡膠板。渡槽變形縫漏水處理采用快速堵漏劑堵水,槽內(nèi)嵌填高彈性聚脲砂漿,表面涂刷界面劑,表面涂刷SK抗沖磨型手刮聚脲復合胎基布[3]。

錨貼橡膠板施工過程中,對作業(yè)面的平整度要求極高,且粘貼材料性能很難控制。

3 大口徑輸水隧洞變形縫處理方案

3.1 粘貼橡膠板方案

南水北調(diào)中線穿黃隧洞工程在2019 年實施檢修工作。其變形縫修復采用自主研究的T型橡膠板方案。將結(jié)構縫原聚脲以及其一體噴涂的低位錨具聚脲拆除后,對其進行銑縫和打磨。沿結(jié)構縫中心線刻矩形槽,并對結(jié)構縫全斷面進行清理,在結(jié)構縫內(nèi)安裝T型橡膠板。結(jié)構縫、槽壁等,與橡膠板接觸的混凝土基面,先刷底涂進行預處理,將橡膠板內(nèi)側(cè)全部刷粘結(jié)膠,再安裝橡膠板。橡膠板與槽兩側(cè)壁之間的空隙,使用環(huán)氧砂漿回填,回填與內(nèi)襯混凝土面順接。若同一側(cè)縫壁與槽側(cè)壁之間空隙≤4 cm,該側(cè)槽側(cè)壁、底面需要滿刷。利用專用設備清除結(jié)構縫內(nèi)的閉孔泡沫板,邊頂拱清除深度距內(nèi)壁5 cm,車道平臺清除深度距內(nèi)壁6 m。打磨結(jié)構縫兩側(cè)內(nèi)襯混凝土面,打磨寬度超出結(jié)構縫原聚脲兩側(cè)各5 cm,總寬度42 cm,并在打磨區(qū)設倒三角嵌槽,嵌槽深5 cm,寬2 cm。

3.2 高彈砂漿及手刮聚脲方案

3.2.1 排水理念隧洞變形縫修復

北京市南水北調(diào)南干渠工程下段內(nèi)徑4.7 m,采用排水理念設計。于2019 年上半年實施了應急檢修工作,其中97%變形縫采用了自主研究的高彈砂漿及手刮聚脲方案進行修復。清除原變形縫位置的聚硫密封膠和填縫材料,深150 mm,并使界面清潔、干燥；分縫位置填塞拌和水泥的油麻,表層采用堵漏劑壓填；打磨變形縫兩側(cè)迎水面混凝土各寬150 mm,縫體部位兩側(cè)混凝土面深2 mm～3 mm；分縫位置兩側(cè)及縫體內(nèi)部滿涂界面劑及SK手刮單組份聚脲1mm；分縫位置聚脲外塞填高彈性砂漿；表面外粘胎基布,變形縫兩側(cè)各外延100 mm；涂刷SK手刮單組份聚脲厚3 mm,變形縫兩側(cè)各外延150 mm。

3.2.2 防水理念隧洞變形縫修復

北京市南水北調(diào)東干渠工程內(nèi)徑4.6 m,內(nèi)設防水板,采用防水理念設計。南干渠工程檢修完畢后,東干渠工程在2019 年下半年也實施了隧洞檢修工作,在南干渠工程變形縫修復基礎上,結(jié)合東干渠自身特點進行了改進。將伸縮縫內(nèi)填物清除：對伸縮縫內(nèi)部的舊有的內(nèi)填物進行清除,清除深度為150 mm～170 mm。將油麻砸入到伸縮縫的內(nèi)部,且砸入到伸縮縫內(nèi)部的油麻與嵌槽之間留有20 mm～40 mm的距離；在砸入油麻的過程中,在伸縮縫的五處不同位置分別插入注漿管,進漿嘴位于油麻的外部且伸至嵌槽的內(nèi)部。伸縮縫的內(nèi)部填充堵漏靈,當堵漏靈達到設計要求的強度后,對伸縮縫內(nèi)部灌注丙烯酸鹽漿液。再對伸縮縫內(nèi)和嵌槽兩側(cè)涂刷界面劑和手刮聚脲；待手刮聚脲表干,向嵌槽內(nèi)填充彈性砂漿；在彈性砂漿表面涂刷界面,在界面劑的外表面上涂刷活化劑,再手刮一層聚脲,并在聚脲的表面外粘一層胎基布,最后在胎基布的外側(cè)表面手刮多層聚脲封閉[15]。

3.3 錨粘橡膠止水帶方案

2019 年,南干渠工程下段應急檢修工作中3%變形縫采用了錨粘橡膠止水帶方案進行修復。清除原變形縫位置的聚硫密封膠,并使界面清潔、干燥；打磨變形縫兩側(cè)迎水面混凝土露出新鮮基面并清理干凈；變形縫凹槽部分采用環(huán)氧砂漿找平；分縫位置混凝土面采用環(huán)氧膠粘貼定型橡膠止水帶,變形縫兩側(cè)各外延130 mm。止水帶外側(cè)采用5 mm不銹鋼壓板和直徑8 mm錨栓固定。兩側(cè)不銹鋼壓板寬各150 mm,壓板可以根據(jù)現(xiàn)場情況沿洞周長自行分塊。錨拴間距不大于200 mm,采用植筋膠植入混凝土,距離變形縫面約90 mm,可以根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整。不銹鋼壓板與止水帶之間加丁基橡膠墊片。

4 方案比選

為提升大口徑隧洞變形縫日常檢修和應急搶修處置能力,將目前較為先進的3 種變形縫處理方案的優(yōu)缺點進行對比。

4.1 粘貼橡膠板方案

優(yōu)點：方案可靠性較高；封閉性較好；后續(xù)維修時更換橡膠板即可,節(jié)約后續(xù)隧洞檢修變形縫維修資金。適用于準備充分的日常隧洞檢修。

缺點：施工難度大；施工周期較長；對結(jié)構縫處理、粘結(jié)劑要求高。

4.2 高彈砂漿及手刮聚脲方案

優(yōu)點：施工簡便；手刮聚脲在混凝土面不平整條件下也可實現(xiàn)密閉效果。在變形縫內(nèi)填充油麻及堵漏靈,適應性強,施工作業(yè)面小；SK手刮聚脲具有良好的抗?jié)B性能、延伸率大、與混凝土結(jié)合好、無毒無害,對于濕度較大、低溫環(huán)境依然可以使用；施工周期短,較錨粘橡膠板止水帶處理工序縮短45%。適用于時間緊破的應急隧洞搶修。

缺點：方案可靠性一般；對洞內(nèi)通風及干燥環(huán)境要求高。

4.3 錨粘橡膠止水帶方案

優(yōu)點：方案可靠性較高施工工序少；便于后期維修時止水帶替換。適用于準備充分的日常隧洞檢修。

缺點：洞內(nèi)施工難度大；遇混凝土面錯臺不易實現(xiàn)密封效果；錨栓外露,水力條件較差,易引發(fā)水生生物附著,對混凝土、止水帶及錨栓產(chǎn)生危害。施工作業(yè)條件要求高、橡膠板與混凝土表面粘貼密實度不易控制；周期較長,處理工序需要12 工時,但錨粘橡膠板止水帶穩(wěn)固需要3 d,無法滿足搶修進度要求。

上述3 種較為成熟的變形縫修復技術方案實施后,經(jīng)過所在運行管理單位安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,滲漏情況均得到顯著的減少,地面再無漏水情況發(fā)生,有效提高南水北調(diào)水的利用效率。