凍結法施工聯絡通道滲漏水病害的原因及治理方法

趙江濤 王笑歡 程 敏 牛曉凱 姚旭飛

(1.北京市建設工程質量第三檢測所有限責任公司,100037,北京;2.北京市市政工程研究院,100037,北京∥第一作者,高級工程師)

凍結法因不干擾地面交通、無噪聲污染、土體加固強度高、止水性能好等優點,在富水軟土、砂土環境下的聯絡通道施工中得到了廣泛的應用。隨著地鐵運營時間的增長,凍結法施工聯絡通道的滲漏水病害正在逐漸顯現并且愈發嚴重[1-2]。目前,凍結法施工聯絡通道的滲漏水病害治理基本處于“滲漏-治理-滲漏”的惡性循環中,耗損了大量的人力、物力卻效果不佳。因此,有必要深入分析凍結法施工聯絡通道的滲漏水病害發生原因及治理方法,從而為該類問題的解決提供借鑒和參考。

目前,國內外對于聯絡通道滲漏水病害機理及治理方法的研究尚處于起步階段,可供參考的文獻較少。文獻[3]對聯絡通道凍結施工完成后的滲漏水病害發生原因進行了深入分析,提出了聯絡通道滲漏水病害前期預防及后期處置措施。文獻[4]針對上海軌道交通2號線某區間聯絡通道已有加固體系失效的情況,提出了壁后化學注漿、環縱縫處理、原鋼環表面噴涂防腐材料、鋼環與管片間隙壓注環氧樹脂等二次補強及防水治理工藝。文獻[5]針對南京地鐵某凍結法施工聯絡通道運營期持續下沉的情況,提出采用“多點、均勻、少量、多次”的劈裂-擠密注漿方法對聯絡通道周圍地層加固,并驗證了該方法的有效性。

本文將針對凍結法施工工藝特點,結合結構的細部構造特點及施工質量缺陷等,對基于凍結法施工聯絡通道(主隧道采用半鋼管片)的滲漏水病害原因及治理方法進行研究,以徹底有效地解決地鐵聯絡通道運營期滲漏水病害問題。

1 凍結法聯絡通道的主要滲漏部位

通過對上海、南京、蘇州及寧波等城市的地鐵隧道調研發現,凍結法施工聯絡通道的主要滲漏部位分布如下:

1) 拱腰位置鋼管片格腔內部發生滲漏,主要表現為混凝土與肋板接縫線狀滲水、或混凝土填充不密實而出現局部涌水。

2) 鋼管片與混凝土管片接縫位置發生滲漏。

3) 結孔等穿墻孔位置發生滲漏。

4) 聯絡通道洞門位置發生滲漏,主要表現在洞門頂部混凝土開裂滲水、側墻及地板連接位置施工縫滲水等。

2 滲漏水病害原因及發生機理

2.1 地層的凍脹融沉效應

地層凍結施工過程中,會發生原位凍結與分凝凍結。分凝凍結會造成土體中水分的遷移和成冰,是造成地層凍脹的直接原因。地層凍脹后土體體積通常能增大一倍。而凍結施工完成后,土體中的冰晶融化成水,并在土體中形成孔隙;水經過孔隙排出后,土體體積會逐漸縮小,并在在自重的作用下發生持續的固結沉降,形成持續性的融沉效應。在地層凍結施工過程中,地層的凍脹與融沉過程并非完全互逆。在凍脹融沉過程中,會發生土體結構破壞[6]及土體排水固結等,且通常土體的融沉量會大于凍脹量。在現有凍結法施工工藝體系中,大多采取充填注漿或融沉補償注漿的方式來彌補地層的下沉。這些彌補方式存在以下問題:

1) 地層土性不同使得漿液可注性存在較大差異;施工過程中對注漿參數采用較粗放的經驗化控制,難以保證每次注漿的效果。

2) 融沉注漿一般按照底板→側墻→拱頂的順序。不同部位注漿的階段性目標并不明確,且實際注漿效果難以評估。

3) 對于飽和軟土而言,地層融沉是一個漫長的過程,故融沉注漿必須長期持續監測,持續注漿。然而這在工期緊迫的情況下根本無法實現。

根據現有文獻的工程案例[5,7-8],在融沉注漿不到位的情況下,聯絡通道及附近管片最大沉降能夠達到28.5～41.8 mm。這說明聯絡通道與主隧道連接部位容易產生差異沉降,造成該部位混凝土受拉或受剪破壞,從而形成滲流通道。

2.2 連接部位受力系統轉換頻繁、應力集中現象明顯

在凍結施工過程中,聯絡通道的受力體系頻繁轉換:管片開孔后,管片整體受力性能受損,預設的鋼支撐會彌補管片承載能力的不足,作用在管片上的部分水土壓力轉為由鋼支撐負荷;隨著聯絡通道的持續開挖,地層應力釋放產生的附加應力會不斷施加到管片上,并傳遞給鋼支撐,造成管片局部應力集中及鋼支撐受力不斷增大;聯絡通道施工完成后,鋼支撐的拆除使得主隧道的應力集中會逐漸向聯絡通道傳遞和轉移。由于聯絡通道與盾構管片結構的剛度差異大,應力傳遞路徑更為復雜,洞門連接部位應力集中情況也愈發明顯。

由上述分析可知:一方面,受力系統的頻繁轉換造成了管片的附加變形,使得鋼管片發生翹曲或管片接縫錯動,從而使接縫止水裝置失效而發生滲漏;另一方面,受力系統的頻繁轉換造成了聯絡通道與盾構管片連接部位的應力集中,尤其是在地層發生融沉時,極可能增大連接部位受拉開裂的風險,從而誘發滲漏水病害的發生。

2.3 鋼管片處于亞健康工作狀態

拱腰部位的鋼管片格腔由于處于仰角位置,混凝土難以填充飽滿,部分格腔混凝土厚度不足格腔深度的1/3,導致格腔混凝土背后存在天然儲水空間,鋼管片處于亞健康工作狀態。一旦外界水源進入格腔內部,極易形成滲流、噴涌。

拱腰部位的鋼管片部分會預留凍結施工所需的孔口管。孔口管與肋板接縫也極易發生彎剪破壞或張拉破壞,同樣使鋼管片處于亞健康工作狀態,進而形成滲流通道。

2.4 洞門位置細部構造存在施工質量缺陷

在聯絡通道與盾構鋼管片連接的拱頂腋角部位,由于施工空間狹小,初期支護噴射混凝土及二次襯砌模筑混凝土時極易形成三角形空洞區域。如圖1所示,匯集到三角形空洞區域的地下水一般有3種滲流路徑:路徑1為積水通過孔口管與背板的彎拉開裂位置向格腔內部滲漏,該路徑的滲流會形成格腔積水,并逐漸發生成格腔滲水,甚至噴涌;路徑2為積水沿著管片接縫向外滲漏,該路徑的滲流會逐漸發展成管片接縫滲漏水;路徑3為積水沿著二次襯砌混凝土內部微小裂隙或缺陷位置向外滲透,該路徑的滲流會形成洞門頂部混凝土的局部滲漏,并逐步引發鋼筋銹蝕、混凝土剝落等病害。

圖1 匯集到三角形空洞區域的地下水滲流路徑

2.5 凍結管封堵措施不佳

凍結施工過程中,一般會打設大量凍結管,而這些凍結管的后期封堵質量難以保證,主要表現在:① 對于拱腰位置的凍結管,由于為仰角打設,砂漿及水泥等封堵材料難以完全填充管道;② 通過對大量凍結法施工的聯絡通道的實地調研發現,凍結管表面“錨栓+鋼板”的封堵工序大多未施作,使得3道封堵工序(內部充填聚合物防水砂漿,中間封堵微膨脹水泥,表面錨栓錨固鋼板)并未完全實施,從而使得該部位成為防水薄弱環節。

3 聯絡通道滲漏水病害的綜合治理

針對滲漏水病害原因,本文結合多個工程實例經驗,提出了“檢測先行,科學評價,內外結合,綜合治理”的凍結聯絡通道滲漏水病害治理思路。聯絡通道滲漏水病害綜合治理方法的主要流程見圖2。

圖2 聯絡通道滲漏水病害綜合治理方法的主要流程

3.1 區間及聯絡通道設計資料收集

主要收集地質水文、區間隧道橫縱斷面設計、盾構管片結構形式、聯絡通道結構形式及防水構造等資料,重點收集聯絡通道與區間隧道連接位置的結構設計及細部構造資料。

3.2 二次襯砌結構及其背后土體密實度檢測

對二次襯砌及其背后的土體密實度進行雷達檢測,重點檢測二次襯砌結構及背后土體密實情況及富水情況,為二次襯砌背后注漿施工提供依據。

3.3 聯絡通道病害等級評估

根據二次襯砌結構及背后土體密實度檢測結果,對聯絡通道滲漏水病害進行評估分級。當存在下述情況之一時判定為嚴重,否則判定為輕微:① 二次襯砌背后存在明顯空洞或富水體;② 管片接縫間存在持續的線狀流水;③ 鋼管片嚴重銹蝕,且格腔內部存在持續出水或涌水;④ 洞門位置二次襯砌混凝土嚴重劣化,且存在明顯滲漏水病害。

當聯絡通道滲漏水病害等級被判定為嚴重時,應綜合采用二次襯砌背后注漿、二次襯砌滲漏處補強及在二次襯砌表面噴涂封堵材料等措施,對聯絡通道位置由外向內進行綜合治理。

當聯絡通道滲漏水病害等級被判定為輕微時,應根據結構病害狀況開展專項專治,治理措施根據結構特點及受力特征堅持剛柔相濟的原則,因地制宜,綜合治理。

3.4 二次襯砌背后注漿

二次襯砌背后注漿首選利用管片吊裝孔或預留注漿孔進行施工。注漿前應配備合適的注漿頭及球閥,確保絲扣吻合、連接牢固。當須在聯絡通道二次襯砌位置打設注漿孔時,應采取穩固的防噴涌措施。由于打設注漿孔會破壞防水層的完整性,因此必須在空洞內填塞能較好黏附防水板、初期支護及二次襯砌的柔性填充型防水材料,以確保注漿處的局部密封性。

通常情況下,發生滲漏水病害的二次襯砌背后富水嚴重,漿泥混雜。因此,注漿前應綜合考慮地質水文情況及滲漏情況,調配合適的水泥基灌漿料。灌漿料應具備耐久性好、凝固時間可控及水中不易分散等特性。注漿前須提前試驗漿液配比,以確保注漿加固效果。注漿過程中應密切注意注漿壓力變化情況:出現壓力驟增或驟降的情況,說明注漿管路可能出現堵塞或泄漏,應關閉球閥并及時采取措施;注漿結束標準為注漿壓力達到0.5 MPa;若穩壓一段時間后無明顯降壓,則認為漿液飽滿。

3.5 格腔混凝土背后空洞注漿填充

注漿孔與泄壓孔應在格腔內對角打設,其中注漿孔位于下部,泄壓孔位于上部。首先,鉆孔至背板表面;然后,注入超流態(初始流動度≥290 mm)、微膨脹(3 h豎向膨脹率≥1.0%)、初凝快(初凝時間≤3 h)的水泥基灌漿料,充填格腔混凝土背后空洞。

打注漿孔時,若發現該格腔存在持續、高壓的地下水噴涌,則說明表面該格腔混凝土背后空洞與外界水源存在連同現象。此時,為保證病害治理效果,應先實施二次襯砌背后注漿作業,再實施格腔混凝土背后空洞注漿填充。

3.6 管片接縫處的滲漏水病害治理

受地鐵列車的持續振動影響,管片接縫處的滲漏水病害具有界面特征明顯、易復發等特點。對此應選擇固化體斷裂伸長率大、且同混凝土和鋼材基面均具有較強黏附性的柔性防水材料進行治理。

對于管片接縫處的滲漏水病害治理,建議至少實施2層防水。第1層防水為在管片接縫內垂直打設注漿孔及終止孔。其中終止孔采用堵漏靈等速凝防水材料填充形成防水邊界,注漿孔注入丙烯酸灌漿料進行內部封堵。注漿孔及終止孔的打設位置如圖3所示。第2層防水為在接縫表面填補聚硫密封膠等柔性材料進行二次封堵,形成防水儲備。

圖3 注漿孔及終止孔的打設位置示意圖

3.7 凍結管口的滲漏水病害治理

凍結管口的滲漏水病害治理采用剔槽埋管治理法。首先,在管道周邊剔鑿環形深槽,露出管道與混凝土連接部位基面,仔細尋找并確定主滲漏點;然后,在主滲水點位置埋設引水軟管,將滲漏水從引水管流出后,按圖4方法對開鑿的混凝土凹槽進行封堵;最后,待凹槽內封堵的水泥基灌漿料固化后,拔出引水管,插入注漿噴嘴,使用高壓灌漿機連接噴嘴向孔內灌注聚氨酯等有機灌漿料,滲漏部位被完全封堵后,便可拆除噴嘴,遺留孔洞采用高強速干止水材料填充處理。

圖4 滲漏水病害治理剖面圖

3.8 洞門頂部的混凝土缺陷治理

根據洞門頂部的混凝土缺陷嚴重程度,應采取不同的治理措施。若洞門頂部的混凝土強度嚴重不足,或存在嚴重的混凝土碳化與剝落,則判定為混凝土缺陷嚴重,可采用局部鑿除、支模及二次澆筑的方法來治理。若洞門頂部的混凝土只存在局部開裂或滲漏水的情況,則判定為混凝土缺陷輕微,可采用鉆斜孔注漿方法對結構裂縫進行治理。斜孔傾角宜為45°～60°,注漿材料一般選用環氧樹脂及丙烯酸等,封縫材料一般選用聚合物水泥防水砂漿。

3.9 洞門側墻與底板的施工縫滲漏治理

洞門側墻與底板的施工縫滲漏可采用刻槽灌漿的方法進行治理。首先,在滲水點表面沿裂隙剔鑿U形或倒梯形槽,開槽長度須沿裂縫兩端向兩側各延伸一定距離;然后,打孔安裝注漿基座,并采用高強速干止水材料封堵U形或倒梯形槽;最后,利用埋設的注漿基座進行灌漿以堵滲漏縫隙。注漿過程中注漿壓力最大不超過0.5 MPa,注漿完畢后,應穩壓不少于5 min再封管。

3.10 治理效果實例驗證

蘇州地鐵某聯絡通道滲漏水病害嚴重。采用上述綜合治理方法后,該聯絡通道基本無滲漏水病害,驗證了上述綜合治理方法的良好效果。蘇州地鐵某聯絡通道滲漏水病害治理效果實景圖如圖5所示。

a) 治理前

4 結語

1) 凍結法施工聯絡通道在服役5～8年后,常發生較嚴重的滲漏水病害,面臨滲漏部位多、滲水量大及治理難度高等問題,甚至存在局部涌水現象,極大地影響了列車的正常運營。其主要滲漏部位為拱腰位置鋼管片格腔、管片接縫、凍結管口及洞門位置等。

2) 引發滲漏水病害的原因主要為:地層凍脹融沉效應造成結構附加沉降,施工過程中受力體系頻繁轉換導致連接部位應力集中,鋼管片服役初期處于亞健康工作狀態,洞門位置細部構造存在施工質量缺陷,凍結管封堵措施不佳等。

3) 基于滲漏水病害發生機理,結合多個工程的實例經驗,本文提出了“檢測先行、科學評價、內外結合、綜合治理”的治理思路,并提出了以監測及檢測結果為基礎的聯絡滲漏水病害綜合治理方法。該綜合治理方法具有一定的創新性,可為類似工程提供一定的借鑒。