地下水影响隧洞衬砌混凝土质量成因分析及解决方案

2016-05-15李桐宇陈业广郎秀艳

陕西水利 2016年3期

关键词：止水条膨胀率隧洞

李桐宇陈业广郎秀艳

（1.辽宁水利土木工程咨询有限公司辽宁沈阳110166 2.辽阳县水务局辽宁辽阳111000）

地下水影响隧洞衬砌混凝土质量成因分析及解决方案

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（1.辽宁水利土木工程咨询有限公司辽宁沈阳110166 2.辽阳县水务局辽宁辽阳111000）

通过对大伙房输水工程二段输水隧洞地下水影响衬砌混凝土质量的成因分析，提出有针对性的解决方案，以提高混凝土的耐久性，保障工程安全运行。

地下水；隧洞衬砌混凝土；施工质量；影响成因

1 工程概况

大伙房输水工程二段输水隧洞全长130.88km，其中钻爆法施工段长100.95km，TBM施工段长29.93km。隧洞需要进行全断面混凝土衬砌的长度有115.39km，其施工质量的好坏直接关系到本工程的耐久性及运行安全。目前该段衬砌混凝土已累计完成约1.6km，从其外观质量效果看，除了存在常见的气泡、局部麻面等质量通病外，还出现了诸多细微裂缝，且有地下水从裂缝（包括施工缝）中渗出导致混凝土表面泛白等现象，影响了衬砌混凝土的施工质量。

2 地下水成因分析

二段输水隧洞地下水的赋存条件及分布情况主要受气象、地形地貌、岩性及构造等因素影响。大气降水是该段隧洞地下水的主要补给来源，对其丰枯程度及动态变化起控制作用；同时，地表水是另一重要补给源。浅部岩体由于受构造作用切割，促成构造裂隙与风化裂隙的连通，构成了较强的含水介质，是地下水获得渗水补给和赋存的场所。而深部岩体结构面多微张～闭合，透水性微弱，一般含水贫乏。

按地下水赋存条件与含水层的空隙性质，将二段工程区内地下水划分为松散岩类孔隙潜水、裂隙水和岩溶水三类：

（1）松散岩类孔隙潜水：主要分布于浑江、富尔江、苏子河、浑河、清河河谷及支流谷地。河谷平原的松散岩类孔隙潜水含水层具有冲积成因特点，主侧流分相明显，堆积颗粒粗，其厚度向下游有递增之势；竖直方向具有双层结构特点，即表层为粘性土，向下为砂砾石层，并与地表水关系密切。

（2）裂隙水：包括风化裂隙水、基岩裂隙水和构造裂隙水。

①风化裂隙水：分布在风化裂隙中且多数为层状裂隙水，主要受大气降水补给，有明显的随季节变化而循环交替性。由于风化裂隙彼此相连通，在一定范围内形成相互连通的地下水体，水平方向透水性均匀，竖直方向随深度而减弱，多属潜水，局部也存在上层滞水。当风化壳上部的覆盖层透水性很差时，其下部的裂隙带有一定的承压性。

②基岩裂隙水：主要赋存于成岩裂隙及碎屑岩类裂隙中。当成岩裂隙的岩层出露地表时，常赋存成岩裂隙潜水。本区岩浆岩分布较广，其裂隙水较为发育，裂隙均匀密集，张开性好，贯穿连通，常形成贮水丰富、导水畅通的潜水含水层，且多呈层状分布，在一定范围内相互连通，广泛分布于洞线区的各岩层中。

含水层岩组包括侏罗系果松组、小东沟组、白垩系小南沟组；岩层构成分为砂岩、页岩、安山岩、凝灰岩等，分布于中生代盆地内的低山丘陵区。岩组内多发育NE向和NW向两组构造裂隙，节理裂隙风化带厚度一般小于50m，接受降水补给。

③构造裂隙水：赋存于断裂带中，包括断层构造带及影响带、岩体节理裂隙等。其赋存规模直接受岩体破碎程度影响，流量差异很大，一般随季节、地形地貌、岩性，以及断裂的性质、规模、组成物质、形状等的变化而变化，主要靠大气降水补给。少数断裂带存在深循环或呈封闭状态，具有承压性；多数断裂带透水性与富水性微弱。由于穿越洞线区构造多为压性或压扭性，故不具备稍大型储存地下水的条件，多为小型地下水储存场所。

（3）岩溶水：林家沟组硅质条带大理岩是岩溶水赋存的主要区段。该洞段较短，且所含地下水一般为水量贫乏的岩溶裂隙水。另据调查，地面尚未发现岩溶现象。因此，该洞段岩溶裂隙水不发育。

经现场察看和分析，二段隧洞开挖完成后，洞内地下水主要表现为涌水、淋渗水，其中淋渗水一般为线流状态、滴水等状态。

3 混凝土裂缝渗水成因分析及解决方案

3.1 裂缝渗水成因分析

已完成混凝土衬砌的隧洞段，除了因温度应力引起的裂缝外，因地下水作用引起的裂缝也占有较大比例，其主要成因分析如下：

（1）在较大的地下水作用下，由于混凝土浇筑时地下水已掺入到其中，导致水灰比发生变化，不但影响混凝土的强度，且从其薄弱处渗出而造成裂缝。

（2）较高压力的地下水容易在混凝土未初凝时对其产生劈裂直至裂缝，导致开裂渗水。

（3）由于承压水的作用，如果混凝土的预埋排水孔失效，在其压力超过混凝土承载力时，引起破坏产生裂缝。

（4）混凝土开裂后，地下水在裂缝处与其中的CaO反应，生成Ca(OH)2被随水带出，Ca(OH)2与空气中的CO2反应生成CaC03晶体，沉积在裂缝表面或者内部，并沿着衬砌混凝土的边顶拱表面向下流动，影响其耐久性和外观质量。

3.2 解决方案

（1）灌浆

隧洞混凝土衬砌前，根据地下水的成因类型分别对地下水丰富洞段进行阻水灌浆和固结灌浆处理：

①当为松散岩类孔隙潜水、风化裂隙水时，由于受地表水的直接补给，一般对地表的环境影响较大，开挖后应尽快进行阻水灌浆。

②当为构造裂隙水时，由于水量较大，影响施工，也应及时进行阻水灌浆。

③当为基岩裂隙水时，应经排放一定时间，水量减少时再进行固结水灌浆。

（2）设置排水孔

一般情况下，节理裂隙较发育洞段在经过阻水灌浆、固结灌浆处理后，隧洞滴渗水将大幅度减少直至基本消除，在衬砌混凝土施工时无需设置排水孔。但下列情况需要设置：

①在Ⅲb类围岩洞段，因节理相对不发育，可灌性较差；在Ⅱ类、Ⅲa类围岩洞段，因局部存在单点渗漏水情况。这两种情况的洞段，即使经过灌浆处理也很难消除滴渗水，仍会存在一定范围内的滴水状态。

对此，应采用防水板和Ω型管联合排水方式，将其集中引排至一模衬砌混凝土的侧面，拆除模板后立即施作排水孔，并做好反滤处理。

②当基岩裂隙水在衬砌前减少至停止流出时，无需进行灌浆处理，但也应在该段混凝土衬砌后打设排水孔。

4 施工缝渗漏水成因分析及解决方案

4.1 施工缝渗水对混凝土的影响

主要表现为在其施工缝及周边出现水印，或者出现泛白现象，引起隧洞洞壁后方的冲填物随渗漏水流出，引起施工缝被冲刷破坏。

4.2 施工缝渗漏水成因分析

设计施工图图示在前一模混凝土浇筑时，在端部设置一条宽30mm、深10mm的止水条预留槽，待浇筑下一模混凝土前安装橡胶止水条，橡胶止水条遇水膨胀起到止水效果。预留槽构造见图1示。

实际施工过程中，部分安装止水条的施工缝仍存在渗漏水，其成因分析如下：

图1 止水条预留槽示意图

（1）膨胀率分布不均匀或膨胀时间长

为了验证橡胶止水条膨胀的均匀程度和膨胀时间，在15#支洞取3段各10m长采用完全泡水法试验，其结果见表1示。

通过试验，止水条（端部除外）12h膨胀110%左右，24h膨胀120%左右，49h膨胀130%左右，60h膨胀140%左右。经过一周后的橡胶止水条基本达到了预计的膨胀效果，膨胀率达到220%左右。

由于是室内试验，止水条完全浸泡在水里，经过一周左右达到了预计膨胀率。现场施工缝中的水量未达到室内试验的边界条件，完全膨胀需要更长的时间，这与混凝土的强度上升不相适应，造成混凝土一定的强度损失，在施工后短期内施工缝存在渗水现象，影响耐久性。

另外，其端部遇水不膨胀或膨胀率较低，在安装时未除掉，从而导致了该部位止水条不能完全填充施工缝处预留的止水条槽而形成渗漏通道。

（2）现场安装时机不规范

实际施工中发现，有的在安装止水条后间隔了几天、甚至更长时间才浇筑下一模混凝土，期间止水条已经膨胀，达不到预期的膨胀止水效果。

4.3 解决方案

（1）止水条表面涂抹缓胀剂

在止水条外表面涂抹SR缓胀剂并密封保存，其延时膨胀时间＞8h～10h，且7天的膨胀率不大于最终膨胀率的60%。在新一模混凝土浇筑前严防被水浸泡并予以安装，混凝土浇筑完成且达到7天强度后，止水条开始延时膨胀，大约20天～30天后起到止水效果。具体形式见图2示。括其他渗水裂缝）采用双组分聚硫橡胶密封膏、SH外掺剂、环氧砂浆等防水材料，按剔缝→埋管封缝→注浆→封孔的施工程序来实施。具体布置详见图3示。