輸水隧洞襯砌空洞處理措施分析

張 鑫，霍俊亮，王志偉，王拴路

（北京市南水北調(diào)環(huán)線管理處，北京 100176）

城市地下輸水隧洞多采用復(fù)合式襯砌。在隧洞開挖時同步實施一次襯砌，使用模板臺車現(xiàn)澆鋼筋混凝土完成二次襯砌。在工程建設(shè)過程中，二次襯砌在拱頂及附近區(qū)域容易出現(xiàn)混凝土澆筑不密實、空洞等問題，給有壓隧洞輸水運行帶來不利影響，危及工程結(jié)構(gòu)安全。地下輸水隧洞需要同時防止內(nèi)水外滲、外水內(nèi)滲，外滲水量滿足《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268-2008）[1]要求。然而，根據(jù)類似輸水隧洞檢修經(jīng)驗，在清除嵌縫材料后，灌注丙烯酸鹽凝膠材料耗用量較大，部分倉段丙烯酸鹽凝膠從相鄰倉段伸縮縫處滲出，表明存在襯砌空洞聯(lián)通的情況。如不加以處置，襯砌空洞將成為運行期滲水通路，危及輸水工程的運行安全。本研究使用地質(zhì)雷達檢測隧洞襯砌空洞分布情況，分析二次襯砌空洞產(chǎn)生原因、危害，從工程防滲角度提出空洞處置措施，對紫銅與防水板之間空洞、洞身二襯空洞進行灌漿處理。通過復(fù)檢部分隧洞段灌漿后密實度情況，驗證處置效果。

1 工程概況

北京市某地下輸水隧洞全長44.7 km，內(nèi)徑為4.6 m，埋深為6.5～29.4 m，最大過水流量為26 m3/s。沿線設(shè)置2座調(diào)壓塔、58座排氣閥井，隧洞主體采用盾構(gòu)法施工、復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，其中一襯為預(yù)制鋼筋混凝土盾構(gòu)管片，厚度300 mm；二襯為采用模板臺車全圓一次澆筑的鋼筋混凝土襯砌，厚度400 mm，兩倉之間設(shè)置伸縮縫，通過紫銅、閉孔泡沫板、聚硫密封膠密閉止水，每倉長度為9～12 m。輸水隧洞斷面型式，如圖1所示。

圖1 輸水隧洞斷面型式

2 襯砌空洞檢測結(jié)果

本研究采用地質(zhì)雷達法檢測二襯空洞不密實情況。檢測時，電磁波由空氣進入二襯的混凝土，會出現(xiàn)強反射；當(dāng)電磁波由二襯傳播至一襯繼而由一襯傳播到巖層時，如果交界處貼合不好或存在空隙，也會導(dǎo)致雷達剖面相位和幅度發(fā)生變化，由此可以確定襯砌厚度和識別襯砌缺陷。

本研究選用750 MHz 屏蔽天線無線模塊，參數(shù)設(shè)置如下：主頻12 100 MHz，采樣點428，時間窗口40 ns。在輸水隧洞檢修段拱頂12 點鐘位置、拱腰10 點鐘位置共布設(shè)2 條測線，利用可移動腳手架對二襯背后空洞進行檢測。檢測段隧洞包括2處分水口、2 處排空井、14 處排氣閥井，總長10.24 km。地質(zhì)雷達檢測測線布置，如圖2所示。除去鋼襯段，拱頂、拱腰的測線長度均為10.00 km。經(jīng)檢測，拱頂空洞數(shù)量為139處，拱腰空洞數(shù)量為86處，拱頂空洞不密實情況多于拱腰。

圖2 雷達檢測測線布置

3 襯砌空洞成因與危害分析

3.1 成因分析

地下輸水隧洞二襯拱頂及其附近空洞與混凝土材料特性、施工工法特點和質(zhì)量控制水平有關(guān)。

（1）混凝土材料特性?；炷辆哂心淌湛s的特點，拱頂不可避免地出現(xiàn)小空隙；且水灰比越大，收縮越明顯。添加減水劑、泵送劑能夠降低混凝土水灰比；采用自密實混凝土代替普通商品混凝土能夠提高混凝土的流動性[2]。

（2）施工工法特點。使用模板臺車澆筑二襯時，普通商品混凝土振搗困難，自密實混凝土未經(jīng)振搗；且混凝土是自下而上澆筑的，導(dǎo)致二襯中下部密實性較好，拱頂附近密實性較弱。模板臺車拱頂一般設(shè)置3 個及以上的泵送孔，處于較高處、遠(yuǎn)離泵送孔的位置很難澆筑密實[3]。此外，鋼筋對混凝土的流動產(chǎn)生一定的阻力，鋼筋越多，襯砌不密實，空洞更多。

（3）質(zhì)量控制水平。泵送壓力不足會導(dǎo)致模板內(nèi)混凝土不能充分填充模板，尤其是距離泵送孔較遠(yuǎn)的位置。襯砌臺車剛度不夠、脫模作業(yè)過早引發(fā)二襯混凝土明顯下沉，極易造成二襯不密實、空洞[4]。

3.2 危害分析

（1）影響結(jié)構(gòu)受力和結(jié)構(gòu)安全。二襯厚度不足，一襯管片和二襯混凝土之間出現(xiàn)不密實、空洞，導(dǎo)致隧洞結(jié)構(gòu)無法真正實現(xiàn)聯(lián)合受力，因受力不均勻而發(fā)生破壞，降低結(jié)構(gòu)承載能力。一襯失去約束，在重力、地下水作用下發(fā)生變形、松弛[5]。二襯在正常情況下是內(nèi)側(cè)受拉、外側(cè)受壓，由于空洞的存在使脫空襯砌處于內(nèi)側(cè)受壓、外側(cè)受拉的狀態(tài)，襯砌結(jié)構(gòu)受力不合理，影響工程結(jié)構(gòu)安全。

（2）引發(fā)地表滲水和管路沉降。二次襯砌的上邊緣會發(fā)生開裂，若有滲漏水發(fā)生，則沿著空洞和裂縫進入襯砌[6]。空洞成為隧洞周邊地下水、隧洞內(nèi)外滲水的通路。在內(nèi)水壓力作用下，逐漸形成地下滲流，水量長期外滲，有可能引起地表滲水或者管路沉降等，嚴(yán)重危害社會發(fā)展及城市安全。

4 襯砌背后空洞防滲措施

4.1 灌漿設(shè)計

為保障混凝土一襯、二襯緊密貼合，使圍巖的壓力能夠均勻地傳遞到襯砌上；同時，封閉滲漏通道，減少隧洞內(nèi)外滲水，確定以下灌漿設(shè)計要點。

（1）灌漿部位。一方面考慮填充隧洞洞體二襯空洞，有效減少或消除二襯混凝土內(nèi)外滲水；另一方面將注漿管伸入紫銅與防水板之間，通過填充伸縮縫處紫銅附近的空洞、空隙，使每個倉段成為獨立的結(jié)構(gòu)體，阻隔滲漏通道，因此選擇在伸縮縫兩側(cè)設(shè)置注漿管，如圖3所示。

圖3 重點灌漿部位

（2）灌漿次序。考慮到水泥漿的凝固收縮特性，為保證回填灌漿質(zhì)量，分為2個次序進行灌漿，填充二襯空洞。在一序孔灌注漿液初凝后進行二序孔灌漿。灌漿次序，如圖4所示。

圖4 灌漿次序

4.2 灌漿施工

（1）鉆孔設(shè)計參數(shù)。在伸縮縫兩側(cè)各設(shè)置1 個注漿孔，注漿孔位于頂拱12點鐘。沿伸縮縫兩側(cè)鉆灌漿斜孔，鉆孔的角度為30°～45°。鉆孔到達二襯與一襯之間，不破壞防水層，深度不超過565 mm。使用直徑28 mm 的電錘鉆進行鉆孔，孔內(nèi)插入直徑25 mm注漿管。

（2）注漿參數(shù)。采用P.O42.5水泥。經(jīng)過現(xiàn)場注漿試驗確定灌漿水灰比，一序孔采用水灰比為0.8∶1～0.5∶1 的普通水泥漿，二序孔采用水灰比為1∶1 的超細(xì)水泥漿。水泥漿灌漿壓力控制在0.2～0.35 MPa。

（3）灌漿流程。①定位打孔：借助移動式腳手架平臺，在隧洞頂部伸縮縫兩側(cè)打孔。②埋設(shè)注漿管：埋設(shè)直徑25 mm的回填注漿管2根，注漿管頂部貼近防水板，但不能刺破防水板，底部留在混凝土外側(cè)。③灌漿：先對一序孔進行灌漿，漿液初凝后再對二序孔進行灌漿，一般在一序孔灌漿后3～7 d后進行。壓力表設(shè)置在進漿口處，屏漿15 min 即可結(jié)束灌漿。④灌漿孔封堵：灌漿結(jié)束后待漿液達到設(shè)計強度后，需對埋管進行拆除清理并利用快硬水泥封孔，表面利用2 mm厚300 mm×300 mm手刮聚脲進行封閉。

4.3 灌漿效果

灌漿后對輸水隧洞部分洞段二襯拱頂和拱腰混凝土密實情況進行復(fù)檢。復(fù)檢涉及6 個隧洞段，頂拱、拱腰的雷達測線長度均為2.05 km，總長度為4.1 km。頂拱檢測位置為12 點鐘位置，拱腰檢測位置為10 點鐘位置。復(fù)檢段灌漿前拱頂空洞數(shù)量為31 處，灌漿后拱頂空洞數(shù)量為12 處；灌漿前拱腰空洞數(shù)量為12 處，灌漿后拱腰空洞數(shù)量為9 處。灌漿后空洞缺陷大幅降低。拱頂缺陷降低61.3%，拱腰缺陷降低25.0%。灌漿處理對于拱頂缺陷的修復(fù)作用優(yōu)于拱腰。

灌漿前后分別對典型斷面的拱頂襯砌空洞不密實情況進行對比分析，如圖5 所示。灌漿前伸縮縫斷面號為K30493、K30505，灌漿后伸縮縫斷面號為K30493.2、K30505.2，二者伸縮縫位置基本一致。灌漿前在斷面號K30501—K30506有2處缺陷位置，深度0.3～0.4 m 處存在連續(xù)脫空區(qū)域。灌漿后相應(yīng)位置不存在脫空區(qū)。灌漿處置對隧洞洞頂脫空不密實區(qū)域有較大的改善。

圖5 地質(zhì)雷達檢測拱頂灌漿前后二襯空洞對比（斷面號K30490—K30510）

灌漿前后分別對典型斷面的拱腰襯砌空洞不密實情況進行對比分析，如圖6 所示。灌漿前伸縮縫斷面號為K22264.8、K22276.8，灌漿后伸縮縫斷面號為K22265.2、K22277.1，二者伸縮縫位置基本一致。灌漿前在斷面號K22265—K22270 有連續(xù)的不密實區(qū)，經(jīng)過灌漿處理后，可以看到脫空不密實區(qū)有所改善，但還存在局部不連續(xù)的不密實區(qū)域。

圖6 地質(zhì)雷達檢測拱腰灌漿前后二襯空洞對比（斷面號K22260—K22280）

綜上，灌漿處置對于填充地下輸水隧洞二襯空洞具有良好的效果。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

（1）受混凝土材料凝固收縮、二襯澆筑工法特點和施工現(xiàn)場質(zhì)量控制等因素影響，二次襯砌在拱頂及附近區(qū)域出現(xiàn)混凝土澆筑不密實、空洞等情況，致使一襯、二襯不能聯(lián)合受力，甚至?xí)l(fā)輸水工程滲漏和管路沉降。

（2）為防治內(nèi)外滲水、控制隧洞滲漏量，采用在地下輸水隧洞伸縮縫兩側(cè)設(shè)置注漿管、分序灌注“普通水泥漿+超細(xì)水泥漿”方式，對紫銅與防水板之間空洞、洞身二襯空洞進行灌漿處理，可以有效降低二襯空洞。灌漿后，拱頂缺陷降低61.3%，拱腰缺陷降低25.0%。

5.2 建議

（1）建議采用地質(zhì)雷達法檢測地下輸水隧洞二襯密實度，為輔助判別工程結(jié)構(gòu)安全提供技術(shù)支撐。

（2）在制定地下輸水隧洞檢修方案時，建議在實施伸縮縫修復(fù)前對二襯進行灌漿處理，提高二襯混凝土密實度，降低隧洞運行期滲漏風(fēng)險，保障隧洞工程結(jié)構(gòu)安全和運行安全。