钢衬加固在水工隧洞中的应用

王亚莉，李保红，李保英

（湖北大禹水利水电建设有限责任公司 ,湖北 武汉 430061）

1 概 述

张家嘴水库是一座集发电、灌溉、防洪、养殖等综合利用的大型水利工程，大坝全长1108 m。坝身下设有东西两条圆形混凝土隧洞，东隧洞为输水隧洞直径1.5 m，西隧洞为发电引水隧洞直径2.0 m，两条隧洞与大坝同期建于1976年。

由于当时的技术条件的限制，混凝土管内壁经过几十年过水冲刷严重，不少部位出现蜂窝麻面、裂缝，有的部位裂缝宽度达到2 cm，严重影响着运行安全。

2 方案选择

在讨论处理方案时，曾提出过二种方案：其一是在现有混凝土管内再衬砌一道混凝土管，其它是在现有混凝土管内再衬砌一道钢衬同时结合接触灌浆处理。经过技术方案、经济成本等多方面比较，认为采用第二种方案施工技术可靠、没有太多地减少过流面积、且投资少、见效快，比较切实可行，故最后采用该方案。

3 灌浆前准备工作

3.1 混凝土表面处理

3.2 钢管外喷砂浆粘结层

在衬砌钢管进入隧洞焊接前需要对其外壁除锈后进行喷射一层厚度为3～5 mm砂浆，以期为增强后续灌浆效果，更好地将钢管与原混凝土管粘结。

3.3 管内支撑

钢衬接触灌浆是有一定得灌浆压力的，当浆液在某一部位集中，会造成内衬钢管向内凸起，俗称“鼓包”，为了最大限度的减少这种情况的出现，在灌浆前需要采取一些预防措施。比如张家嘴水库隧洞灌浆在管内全面设置“米”型木支撑，支撑间距为1.5 m。

3.4 钢衬分段

衬砌钢管每一节长1.5 m，为了灌浆需要，在衬砌钢管安装时将隧洞进行了分段，段长度为30 m左右，目的是为了一旦灌浆期间出现意外也只要处理本段的问题即可，不会影响到其它灌浆段。分段的方法是在每段钢衬管的两端用水泥砂浆进行封堵，防止段间灌浆时漏浆和串浆。

4 灌浆施工

4.1 灌浆孔布设

灌浆孔的布置根据衬砌钢管的直径而定，一般直径为1.5～2.0 m的钢衬，每环可布设6个孔，孔间夹角为60°，且最高和最低处都应布1个孔。环间距为4～5 m。

灌浆孔可在衬砌钢管上预留，孔径为Φ15～20 mm，孔内有丝扣，便于安装灌浆管和丝堵。在灌浆管上配安装阀门和灌浆孔口装置（包括压力表、调压球阀和进回浆管等）。

4.2 串通检查及冲洗

在正式灌浆前需要对灌浆段内进行串通检查和冲洗，其目的是：一是清除缝隙内由于焊接过程留下的污物，二是湿润原混凝土表面，三是检查了解掌握缝隙的串通情况。检查串通和冲洗遵循水洗后风吹的顺序。水洗时从底部灌浆管孔通水，看高处灌浆管是否出水流畅，而后打开最底部灌浆孔阀门，利用水流将缝隙间的污物带出孔外，同时将缝隙内的积水排除干净。风吹是也是从低处灌浆管孔通风，但从高处灌浆管孔排出污物积水。

4.3 灌浆方式和顺序

接触灌浆环内分三次进行，先灌底部，接着灌下腰部，最后灌上腰部和灌顶部。环间从高程低处向高处依次推进。无论是环内还是环间，下部的灌浆管在灌浆时将高处的管孔作为排气孔、排水孔和出浆孔。

首次灌浆尤为重要，如果灌入浆液过多，下腰部灌浆管排出浓浆封堵后仍继续灌注，则可能会引起衬砌钢管在压力和浆液作用下发生漂浮事故。因此首次灌浆待下腰部灌浆管一旦排出水泥浆，则立刻停止灌浆待凝24 h。而后再将下腰部灌浆管改为进浆管改继续灌注，直到上腰部灌浆管排出水泥浆，与首次灌浆一样待凝。最后灌注上腰部和顶部灌浆管，直至灌浆结束。

国内企业的现代企业管理尚存在诸多不足。一方面来自于国内市场经济发展尚不成熟，企业在管理方面受限于现实条件，在现代企业管理优化上存在一定的滞后性。另一方面来自于企业本身对现代信息经济的把握能力不足，无论是现代企业管理理念、企业文化的塑造、企业制度的完善还是企业技术流程的优化等，都尚未与数字化模式进行最优的结合，使得企业的发展仍然受限。

4.4 灌浆浆液

浆液质量好坏是直接影响灌浆效果的重要因素之一。配制浆液使用的水泥要满足DL/T5148-2001《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》的要求。所用水泥的出厂日期不得超过3个月，水泥标号不低于42.5，细度宜为通过80 μm方孔筛的筛余量不大于5%。

一般来说钢衬与混凝土间缝隙较小，当灌入太多的稀浆失水凝结后会留有较多缝隙，因此应多灌入浓浆，也就是只要进浆顺畅多灌入水灰比较小的浆液，同时为了保持浆液的流动性，必要时还可加入减水剂。水灰比控制在 0.8∶1～0.5∶1，遇到较大的缝隙，可在水泥浆中掺入一定量的细沙，其掺量可为水泥质量的30%～200%，掺沙量可根据施工情况进行调整。

水泥浆从制备到使用完成不超过4 h，超过应予以废弃。

4.5 灌浆压力

灌浆压力的大小是影响灌浆效果的另一重要因素。从理论上来说，使用较大的灌浆压力能使浆液结石收缩比小，能很大程度上减少出现二次脱空。但是同时由于钢衬能承受的最大压力有限，超过则钢衬会拱起。而较浓的浆液流动性能较差，易引起堵塞，需要相对较大的灌浆压力才能使得浓浆流入较小的缝隙。张家嘴水库隧洞钢衬接触灌浆压力不超过0.1 MPa，对于无法使用较大灌浆压力的小缝隙，为使得浆液充填密实，施工中采用了一台灌浆泵同时接4个灌浆管，并延长了屏浆时间，以保证灌浆质量。

4.6 灌 浆

1）灌浆期间观测。安装在灌浆管口压力表应完好准确，同时在脱空区段安装2～3个千分表，用以监测钢衬在灌注浆液过程中的变形情况。压力表和千分表都有专人观测，并每隔2～3 min向泵站送浆人员读报一次数值，以供泵站人员决定是否停止送浆。同时巡查人员注意支撑有无异常变形或响动。

2）灌浆过程控制。灌浆过程中派专人敲击震动钢衬，按照预定的灌浆方式和顺序待顶部管孔分别排出浓浆后将其孔口阀门关闭。由小到大逐级提升灌浆压力，在浆液灌入量正常情况下不增加压力，浆液的输送保持均匀连续，不随意加大送浆量，防止脱空区已经灌满的情况下，后续仍有大量浆输送过来，引起钢衬“鼓包”。

严格控制供浆的连续性，杜绝发生灌浆中断，导致出现进浆管孔堵塞的现象。张家嘴隧洞灌浆为防止发生突然停电、机械故障等导致灌浆中断事故，另外配备了柴油发电机等备用设备，还制备了足够的浆液以确保灌浆畅通。

当脱空区未灌满而发生灌浆中断时，则采用风水冲洗该灌区段，将脱空区内已灌进的浆液全部清除，以便重新灌浆，坚决杜绝出现因灌浆中断导致灌浆管孔堵塞需要进行二次布孔的状况。

3）灌浆结束。张家嘴隧洞钢衬接触灌浆结束条件：在设计给定的灌浆压力（不大于0.1 MPa）下，灌浆管孔停止吸浆，用比重称测得出浆孔排出的浆液浓度与进浆孔进入的浆液浓度相同，延续灌注5 min，即结束灌浆。

灌浆结束后继续稳压、延续灌注30～60 min，进行屏浆，为防止钢衬拱起，此时虽然灌浆结束但是不可拆除支撑。

4.7 检查与补灌

灌浆结束3 d后，通过锤击敲打法检查，发现仍有对面积大约为1.5～3.0 m2的8处脱空区需要补灌。脱空区集中在衬砌顶部，分析主要是由于浆液收缩导致。在脱空区布置不少于2个孔，且最低处和最高处都布了孔，进行补灌。钻孔采用磁座电钻，孔径12 mm，内攻丝，安装灌浆管，按照正常的程序再次灌浆，一边灌注一边在灌浆范围内敲击震动，并采取稳压、延时屏浆，先后补灌二次。

4.8 封 孔

灌浆孔灌浆结束后，应用丝堵加焊或填焊法封孔，孔口用砂轮打磨平整。封孔焊接质量随机抽取20%，经过需超声波探测检查合格后，涂刷防锈材料。

5 质量检查及效果

灌浆结束后，业主、设计、监理与施工一道对整个钢衬内壁面进行检查，没有发现明显的凸起，总体上比较流畅，结合对施工期间安设的千分表观测数据分析，认为外观满足设计要求。

灌浆结束7 d后，采用锤击法对灌浆质量进行检查，经查98%的部位敲击回声密实，仍有个别部位虽然经过二次补灌仍有脱空的感觉，但是其脱空面积小于0.5 m2，根据规范可认为脱空程度不严重，灌浆质量合格。

由于西隧洞为发电引水之用，业主对简单的敲击检查法不放心，施工单位又聘请专业的检测单位利用物探法对整个隧洞灌浆质量进行检查，各参数描述分析结果与敲击法基本一致。

6 结 语

水工隧洞钢管衬砌接触灌浆项目较多，加强其施工技术管理有现实意义，由于钢衬接触灌浆很难保证一次性就达到预期要求，加强灌浆前的准备工作是减少脱空区的有效措施。

在不能保证钢衬不“鼓包”的情况，不要过分的追求大的灌浆压力，只要灌浆压力能够保证将浆液顺畅送达脱空区并从出浆管流出即可。尤其是在补灌时，灌浆压力可根据脱空区的性状而进行调整。

钢衬接触灌浆的质量合格标准没有一个硬性规定，根据现行规范的解释说明：有的工程经过3次以上灌浆，仍有脱空感。所以每一个项目依据自身需求确定合格标准，但是建议须满足局部脱空区不大于0.5 m2，且部位不要集中的要求。

目前对钢衬接触灌浆检查的方法是敲击法，有的项目已开始采用物理仪器探测法，虽然其自身也有一定的误差，但是将二者结合起来综合对灌浆质量进行检查分析，也是一个好的选择，值得推广。