水工隧洞衬砌混凝土渗水裂缝处理研究

2016-07-16孙晓英

水利水电工程设计 2016年1期

孙晓英　徐　升

水工隧洞衬砌混凝土渗水裂缝处理研究

孙晓英徐升

摘要水工地下隧洞衬砌混凝土为满足抗冲耐磨要求，一般其设计标号高、水泥用量大，同时因基岩硬度大、弹性模量高等原因，导致该类混凝土即使采用低温混凝土浇筑，其最高温度也超过允许标准。在隧洞衬砌混凝土浇筑形成后，结构混凝土由于受到内外温差所引起的温度应力影响，会因不均匀收缩而出现裂缝，特别是在地下水位较高的隧洞会出现垂直于水流方向的有一定水压的环向渗水裂缝。为处理这类渗水裂缝问题，在施工过程中采用高渗透改性环氧浆材，并采用打斜孔埋管和无损贴嘴灌浆的灌浆施工工艺方法，裂缝处理的效果满足设计的质量要求。

关键词水工隧洞衬砌混凝土渗水裂缝处理

一般对于水工地下隧洞混凝土出现的裂缝进行化学灌浆处理，其目的主要是进行防渗堵漏和补强加固。防渗堵漏要求缝面灌后具有较高的抗渗性和抗老化性能，能阻止外来水气碳化混凝土和锈蚀钢筋，满足结构耐久性和安全运行；补强加固要求缝面浆液固化后有较高的粘接强度，并最终能恢复混凝土结构的整体性。目前裂缝处理一般采用高渗透改性环氧浆材，但均存在一定的局限性，需研究环保型、低黏度、无收缩、抗老化强、粘接强度高以及能满足温度缝反复收缩开裂的处理要求的弹性改性环氧浆材。

目前裂缝处理方法主要有开槽埋管法、打斜孔埋管法和无损贴嘴法。开槽埋管法由于对原混凝土结构破坏较大、浆材损耗大、开槽处难以修复好等问题已普遍不再采用；打斜孔埋管法能解决开槽法的诸多不利，但管容耗浆大，微细粉尘易堵塞缝面影响灌浆质量，由于该方法施工简单目前被普遍采用；无损贴嘴法具有工艺简单、无钻孔、无孔容耗浆、易找准裂缝、对混凝土无损伤和成本低等优点，值得大力推广，无损贴嘴法处理裂缝的难点是渗水缝的贴嘴，采用ECH水下粘结胶进行渗水缝的贴嘴能最大承受1.3 MPa的压力，为贴嘴法处理渗水裂缝提供了条件。

1　裂缝处理化学浆材的选择

化学浆材选择应掌握如下原则：

（1）浆材的可灌性。所选化学浆材必须能够灌入裂缝，充填饱满，灌入后能凝结固化，以达到补强和防渗加固的目的。

（2）浆材的耐久性。所选用材料在使用环境条件下性能稳定，不易引起化学变化，并且与混凝土裂缝有足够的粘接强度，不易脱开。

水工地下隧洞衬砌混凝土裂缝的特点是裂缝开度较小、外水压力大、浆液较难灌入，一般处理要求既要满足补强又要防渗堵漏，灌浆材料一般采用高渗透改性环氧浆材。为了解不同化学浆材的力学性能，在渗水裂缝处理过程中分别采用EAA、CW、LPL三种高渗透改性环氧浆材进行对比试验，其比较结果详见表1。

表1　采用的化学浆材性能比较表

通过试验比较可知，以上3种材料各有优缺点，EAA、CW属糠醛、丙酮改性系列，具有亲水性、黏度低、可灌性较好等优点，缺点是凝固时间长、脆性大，不适宜对变化的裂缝进行处理；LPL浆材属活性稀释剂改性系列，具有亲水性、凝固时间快、脆性小、浆材本身不收缩的优点，但黏度大，对于细小裂缝的可灌性差。

2　打斜孔埋管法处理渗水裂缝

2.1工艺流程

打斜孔埋管法基本工艺流程包括：裂缝清洗→钻斜孔→清孔、埋管→表面封缝→通风检查→浆液配制→注浆→封孔处理→待凝检查→表面处理。

2.2重要工艺技术要求

为保证打斜孔埋管法处理渗水裂缝的有效性，一般需保证以下重要工艺技术满足相应要求。

2.2.1裂缝清洗

对缝面用高压水进行清洗，直至清晰地露出裂缝为止。

2.2.2钻孔

在裂缝中心线10～15 cm两侧钻斜孔，孔径18 mm，孔距40 cm，深浅孔交替布置，浅孔孔深25～30 cm，倾角约50°，深孔孔深40～45 cm，倾角约70°。

2.2.3清孔、埋管

用高压水将孔清洗干净，每孔分上下2层埋设2根注浆管，一进一出，下层管径为8 mm，埋至距孔底5 cm处，作为主注浆管；上层管径为8 mm，埋入孔内10 cm左右，作为排水排气回浆管，埋管材料用速凝水泥。

2.2.4表面封缝

用玻璃丝布或堵漏灵剂进行封堵，应保证封闭密闭可靠。

2.2.5通风检查

待埋管材料有一定的强度后，在裂缝和管口处涂少量肥皂水，采用0.2 MPa的风压进行通风检查，对于盲孔应在附近重新打孔埋管。

2.2.6浆液配制

根据灌前压丙酮试验的漏量大小配制浆液，配浆时将固化剂、表面活性剂缓慢注入EAA（或CW）主液中，边注入边搅拌，保持浆液在25℃以下，以提高浆材的可灌性。

2.2.7化学灌浆

2.2.7.1注浆方式

灌前单孔压丙酮量不小于10 ml者应单孔灌注，漏量小于10 ml者则可多孔灌注；灌注过程中若有串漏孔，可在排出积水和稀浆后进行并灌，灌浆应由下而上进行。

2.2.7.2注浆方法

先灌深孔，从下层进浆管开始注浆，待上层回浆管排出孔内水、气后，封闭回浆管。根据吸浆量情况逐步升至设计压力，当吸浆率小于1 ml/ min时，应保持压力延续灌注30 min即可扎管待凝。4～5 h后检查注浆效果，对管口不饱满的胶管进行第二次注浆直至饱满。

2.2.7.3灌浆压力

开灌压力为0.4 MPa，当吸浆率小于5 ml/min时，逐渐加压至0.5～0.6 MPa，二次注浆孔压力可提高至0.8 MPa。

2.2.7.4注浆过程监控

加强结构的抬动变形监测，如出现异常应及时降压并采取相应措施。

2.2.8质量检查

裂缝化学灌浆结束14 d后采用压水和钻孔取芯相结合的方法进行灌浆质量的检查。

2.2.8.1检查孔压水

采用单点法压水，压力0.5 MPa，孔径28 mm，孔深30 cm，合格标准为透水率q≤0.1 Lu。

2.2.8.2钻孔取芯

孔径89 mm，孔深浅于灌浆孔10 cm，粘接强度应达到设计要求。

2.3打斜孔埋管法施工存在的缺点

（1）温度裂缝走向是个曲面，在混凝土内的走向复杂，一般从钢筋边通过，钻孔时易碰到钢筋，造成的 “废”孔较多，对原混凝土结构的整体性造成损坏。

（2）钻孔时的微细粉尘难清出，粉尘易堵塞灌浆通道，浆液难以进入缝面，降低化灌质量。

（3）渗水缝中不能有效地赶水，浆液和水混合影响环氧灌浆材料的固化；也不能满足浆液“从宽处往窄处灌浆最有利”的原则；一旦发现“死孔”无法及时采取补救措施。

（4）施工工序较多，施工工艺繁琐，管容、孔容大，浪费浆材（据统计孔容占58%以上）；灌后的裂缝复灌量较大，且需多次复灌，增加了资金投入。

3　无损贴嘴法处理渗水裂缝

3.1工艺流程

无损贴嘴法基本工艺流程包括：注浆嘴加工→打磨→冲洗→裂缝描述→贴嘴→封缝→压风检查→灌浆→注浆嘴清除→质量检查。

3.2重要工艺技术要求

为保证无损贴嘴法处理渗水裂缝的有效性，一般需保证以下重要工艺技术满足相应要求。

3.2.1注浆嘴加工

在外径为6 mm、长度大于6 cm的铜管一端焊上边长为3～4 cm、厚度为1.5 mm左右的方形铁片，铁片中间开直径等于铜管外径的进浆孔，铁片周边钻排列规则的小孔。

3.2.2打磨

采用砂轮机沿裂缝的两边各打磨20 cm的宽度，除去混凝土表面杂物，以免影响注浆嘴的粘贴及封缝效果。

3.2.3冲洗

是贴嘴法施工最重要的工序，用高压冲毛机沿裂缝开口向两边冲洗，以保证缝口敞开无杂物。

3.2.4裂缝描述

用刻度放大镜测量裂缝宽度，并对裂缝走向及缝长进行描述，用以调整布置注浆嘴间距及灌浆压力。

3.2.5贴嘴

根据裂缝描述进行注浆嘴的布置。规则裂缝缝宽小于0.3 mm时，按间距20 cm布嘴，缝宽大于0.3 mm时，按间距30 cm布嘴；不规则裂缝的交叉点及端部均布置注浆嘴。将ECH-Ⅰ型胶抹在注浆嘴底板上，贴嘴时用定位针穿过进浆管，对准缝口插上，然后将注浆嘴压向混凝土表面抽出定位针，定位针未粘附胶认定注浆嘴粘贴合格。

3.2.6封缝

贴嘴3 h后用堵漏灵胶泥将渗水缝口封堵住，2 h后用碘钨灯将混凝土表面烘干并用无水酒精洗抹1遍；待干后刮抹1层ECH-Ⅱ型粘胶；当不粘手时再刮抹ECH-Ⅲ型面胶3遍，待ECH-Ⅲ型面胶基本固化后，用堵漏灵加固形成中间高，两边低的伞形封盖。

3.2.7压风检查

封缝完成并养护2 h后即可进行压风检查各孔的贯通情况，压风压力小于0.25 MPa；对于不串通的孔应查明原因进行分析和处理。

3.2.8灌浆

采用多点同步灌注方式，从下至上，从宽至窄，逐步推进，采用Lily CD-15双组分注射泵灌注LPL浆材，施工中采用稳压慢灌，每孔纯灌时间不少于90 min，以保证灌浆质量。灌浆压力见表2。

表2　裂缝宽度与灌浆压力关系

3.2.9注浆嘴的清除

灌浆结束48 h后铲除注浆嘴，混凝土表面采用环氧胶泥封堵平整。

3.2.10质量检查及验收

灌后质量检查在注射树脂LPL灌浆结束7 d后进行。

（1）压水检查：现场布骑缝孔，冲击钻造孔（孔径18～20 mm、孔深10～15 cm）后，采用单点法压水，压水检查压力为0.3 MPa。合格标准：压水检查透水率q≤0.1 Lu。

（2）钻孔取芯：取芯直径89 mm，并进行岩芯鉴定、描述，绘制钻孔柱状图。

3.3无损贴嘴法的工艺特点

（1）不破坏混凝土的整体性，适合薄型结构的裂缝处理。

（2）由于从缝的表面进行打磨冲洗，可避免微细粉尘对灌浆的影响，从缝口进浆可灌性得到了保证。

（3）使 “以浆赶水”，多点依序同步灌浆成为可能。

（4）贴嘴封缝、采用多点同步灌浆的无损灌浆工艺，可在不破坏混凝土结构的条件下极大地提高可灌性，裂缝的灌入深度也能满足要求，加上使用低黏度、低收缩的化灌浆材，达到了 “堵水、保护钢筋、恢复结构的整体性”的效果。

（5）工艺简单、复灌率低，节约昂贵的化学浆材，降低了成本，加快了施工进度。

3.4特殊情况处理

3.4.1渗漏点的复灌

（1）对有规律的渗漏点，即一段裂缝仍渗水，采用原施工方法进行复灌。

（2）对单独的渗漏点采用打辅助孔的方法进行复灌，先在渗漏点贴嘴、封缝。然后用冲击钻在距渗漏点10 cm沿原裂缝钻3个辅助斜孔（孔径18～20 mm，孔距10～20 cm，倾角50°，孔深25 cm），并预埋外径为6 mm的铜管。再用堵漏灵进行封堵埋管，在渗漏点贴嘴及封缝、辅助孔埋管及封堵完成后，其他工序按原方法进行施工。

3.4.2浆液配比出现问题时的处理

灌浆时如出现长时间不进浆，且浆液黏度增加，即浆液配比出现问题。处理方法是打开机箱盖，清理两活塞杆运行系统，直至两活塞杆运行同步后，排弃部分混合液，然后重新注浆。

4　复灌后仍局部渗水的处理

（1）经复灌后仍有渗水的部位采用嵌缝措施：开槽槽深×槽宽为5 cm×5 cm，并在槽内每1.5 m用电钻打一个Φ22 mm排水孔，孔深大于70 cm；从孔底部埋1根铝管，在管口用堵漏灵封闭将水引出；将槽面清洗干净并尽量烘干，若无法烘干则在缝面用堵漏灵先堵水，然后涂环氧基液，再用丙乳砂浆锤填密实，并满足过流面平整度要求。

（2）嵌缝后再在表面粘贴玻璃丝布防渗，玻璃丝布宽15 cm。粘贴方法：先将缝面清理干净，均匀刷1层1438胶，再贴1层玻璃丝布，三胶二布。对于灌浆后延伸的裂缝，若渗水不大或不渗水，则直接在缝面粘贴玻璃丝布，并延伸1.0 m左右。

（3）待丙乳砂浆封闭7 d后封闭引水管孔。先用干塑性水泥砂浆填充并用细钢筋捣密实，离孔口5 cm时，改用预缩砂浆填充密实，对其表面涂刷环氧胶泥。

5　结语

混凝土裂缝处理难度较大，对有渗水的裂缝处理难度更大。通过对水工地下隧洞混凝土渗水裂缝的处理研究，笔者认为在其处理过程中主要应注意以下几个问题：

（1）灌浆材料的正确选择。应选择低黏度、低收缩的环氧浆材。收缩大的材料需多次复灌，不但增加投入，而且复灌成功率小。目前主要采用的两种系列的改性环氧浆材，各有优缺点，应根据裂缝的宽度、渗水情况及处理的结构要求，选择适宜的浆材。

（2）推广无损贴嘴法施工工艺。混凝土温度缝一般较细，且不在一个平面上，裂缝很难找准，浆材难以灌入，最好是采用无损贴嘴法施工，既减少了钻孔量，又可减少孔容、管容的浆材耗用量，降低成本；结构的厚薄、裂缝的深浅对钻孔的要求较高，为了找准裂缝的深度以便准确地布置灌浆孔，不得不打出大量的检查孔，对结构造成严重破坏。

（3）避免微细粉尘对化学灌浆的影响。混凝土裂缝内部极不规则，其宽度受骨料、钢筋等的影响，宽窄变化复杂，当化学浆液夹着微细粉尘在裂缝中灌入时，碰到较窄处，就会累积阻塞浆液通路，因此，微细粉尘对化学灌浆的危害极大，但钻孔处理工艺无法避免粉尘影响。

（4）从宽处往窄处灌浆最为有利。“从上至下，从宽至窄，从一边至另一边”，这是化灌的基本原则。温度裂缝的形成最先在混凝土表面形成，随着温度应力的作用持续向纵深方向发展，在混凝土表面的裂缝开合度最大，从缝口进浆对灌浆质量的提高极为有利。

（5）必须保证连续稳定的灌浆压力。稳定的灌浆压力是保证浆液能否使裂缝充填饱满的关键，采用手摇泵灌浆很难做到这一点，应采用双液气压泵进行施工。

（6）有效降低外水压力。裂缝中只要有水就会增加灌浆难度，应通过打排水孔的方法来降低外水压力，或采用封闭渗水岩体的方法减少裂缝的渗水量，提高浆材的粘接强度和灌浆效果。

（7）灌浆施工中有效的排水排气。裂缝灌浆时应通过有效措施把孔中及缝面的水气排出，来提高可灌性。采用在孔中埋双管或在裂缝的缝口处埋排气嘴的方法可有效地排除裂缝中的水和气。

参考文献

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