浅析小断面水工隧洞混凝土缺陷成因及主要处理措施

杜明星

【摘要】宁夏中南部城乡饮水安全水源工程是解决宁夏南部113.53万人安全饮水的重点工程，全线共计12条隧洞，由于断面较小，地质条件复杂，地下水活动丰富，在二衬混凝土施工过程中各隧洞不同程度出现了渗水、裂缝等缺陷，在对缺陷成因进行分析的基础上，最终选择了科学合理的处理方式对工程缺陷进行了处理。

【关键词】小断面；水工隧洞；混凝土缺陷；措施

1、工程概况

宁夏中南部城乡饮水安全水源工程是将六盘山东麓水量相对丰沛的泾河水，向北输送到中南部缺水地区，解决干旱缺水的中南部地区固原市原州区、彭阳县、西吉县和中卫海原县共计44个乡镇，现状110.8万人城乡饮水安全问题。工程设计流量3.75m3/s，多年平均引水量3982万m3。工程由截引、输水和调蓄水库等工程组成。输水线路总长74公里，其中隧洞12座，总长36.5公里，输水管道及其它工程37.5公里。隧洞设计为马蹄形断面，衬砌后底宽180cm、最大净高245cm、最大净宽宽230cm。隧洞最长为7#大湾隧洞，全长10580m，最短为11#后河隧洞，全长540m。输水隧洞平均埋深32～165m，最大埋深48～310m，围岩地层岩性以白垩系下统乃家河组（K1n）泥岩夹泥灰岩为主，占66.3%，马东山组（K1m）泥页岩、泥灰岩占28.3%；第三系始新统寺口子组（E2s）砾岩夹泥岩占1.2%；第四系上更新统（Q3）黄土、壤土占3.9%，全新统（Q4）坡残积物、冲积物等0.2%。隧洞岩石属非膨胀岩，不存在高地应力问题。岩石的饱和单轴抗压强度2.26～13.4MPa，一般多在5MPa以下，属于软岩。围岩类别以Ⅳ类为主，局部Ⅴ类，围岩条件总体较差。隧洞沿线地下水位埋深变化较大，从沟谷内埋深1～5m，至山顶附近埋深65～97m不等，水位高程明显随地形变化。

2、隧洞混凝土浇筑情况及缺陷调查

宁夏中南城城乡饮水安全水源工程隧洞混凝土设计为C25F50W10，模板均采用钢模台车，其中2#胭脂川隧洞采用的是全断面钢模台车，其余隧洞先浇筑底板，边顶拱采用钢模台车浇筑。振捣采用附着式振捣器振捣，软轴式振捣器辅助。混凝土生产均采用安装有自动计量系统的拌合站拌制，定制混凝土罐车运输，地泵入仓。

根据对所有浇筑完成的隧洞永久衬砌混凝土的缺陷检查及素描，本工程除一些常见的如蜂窝、麻面、气泡，错台等缺陷外，还出现了表面裂缝、局部点状渗漏水以及结构缝因止水失效出现较为明显的渗水等问题。

3、缺陷成因分析

水工隧洞建设混凝土施工过程造成缺陷的产生主要是由于混凝土生产质量、混凝土施工工艺、外水压力、施工环境、施工组织及管理水平低等多重因素的影响。

3.1混凝土原材料质量波动，造成混凝土质量不稳定

由于工程所处地区今年基础设施建设项目较多，导致砂石骨料需求量大增，而本项目原材料均未施工单位自采，由于没有稳定的料源，导致原材料质量不稳定，进而出现混凝土生产质量波动较大，造成入仓及振捣环节控制难度增加，最终造成局部振捣不密实形成渗水通道。

3.2混凝土施工工艺不合理

水工隧洞施工现场断面较小，为科学进行施工组织设计，保证施工工期，提高施工进度，隧洞混凝土浇筑过程一般进行跳仓浇筑平行作业。跳仓浇筑平行作业需要增加一部分模具，投入相應的资源，但能够有效的保障施工工期，工程进度。但在实际工程中，部分施工队伍为了经济利益的最大化而选择连续仓浇筑施工工艺，连续仓浇筑的过程中其上一仓混凝土还没有达到一定的强度，施工过程中在施工缝与伸缩缝的处理上存在很大难度，混凝土浇筑完成后比较容易产生裂缝，造成在施工缝与伸缩缝存在渗水、漏水的现象。

3.3外水压力较大，造成混凝土局部渗水

由于该工程外水压力较大，二衬混凝土浇筑后，受施工环境狭小及进度要求影响，不能及时进行排水孔施工，而在施工过程中，现场也未能临时采用有效的排水措施对隧洞渗水进行妥善引排，致使在混凝土强度未达到设计要求时已承受了较高的外水压力，导致混凝土出现渗水。

3.4狭小的施工环境对质量产生一定影响

该工程隧洞断面狭小，衬砌后最大净高2.45m，最大净宽仅为2.3m，钢模台车支撑到位后，大部分区域施工作业人员无法进入，造成辅助振捣无法实施，局部混凝土出现漏振或者振捣不到位的情况，最终导致混凝土出现裂缝及渗水问题。

3.5 施工人员技术水平低，管理不到位

水工隧洞施工过程中，其施工素质环境较为复杂，对施工人员的混凝土施工技术提出了较高的要求，但由于混凝土施工的操作人员技术水平不足，责任心差，比较容易造成混凝土的施工缺陷。因混凝土振捣施工人员操作技术的原因容易产生漏振、过振的现象，待混凝土浇筑完成，达到强度并且成型后，在混凝土表面将产生麻面、蜂窝、露筋等现象。而质量管理不到位造成的施工过程各个工序之间不能进行有效的衔接，各个工序施工过程中机械事故频发，对原材料进场的质量把关不严，三检制度不能有效落实等也是导致混凝土缺陷的因素之一。

4、混凝土缺陷处理措施

在对缺陷成因进行分析的基础上，该工程最终确定了混凝土缺陷处理措施如下：

4.1蜂窝麻面处理

（1）缺陷深度<5mm，修补区至少凿深至5mm，边缘凿成齿槽状，边界规整，用钢丝刷刷除浮灰，用高压气水枪清理基面，保持基面潮湿无明水，再批刮高强聚合物修补砂浆HG35至与原混凝土表面基本齐平。

（2）缺陷深度≥5mm，先将缺陷部位进行凿除，其平面形状是一个四边形或多边形，内角宜≥70°；混凝土凿除的深度大于该部位最深的缺陷5mm，如果有蜂窝深度达到钢筋里面，用錾子敲打至强度满足要求的混凝土。凿除缺陷后，采用高强聚合物修补砂浆HG35修补。

4.2混凝土表面不平整、错台、挂帘处理

采用人工凿除及砂轮打磨，使其与周边混凝土平顺衔接，其顺水流向坡度不陡于1：30，垂直水流向坡度不陡于1：10，打磨面搓毛，表面批刮3mm厚的高早强聚合物修补砂浆HG35。

对漏浆挂帘处应采用角磨机进行打磨处理，打磨完成后，湿润基面，用高早强聚合物修补砂浆进行抹面，满足表面平整度要求。

4.3混凝土局部架空、钢筋外露处理

混凝土局部架空，先将缺陷部位凿成规则形状，在缺陷周围打孔压水检查，确定架空范围，对于有渗水部位，在回填时预埋止水针头，以备灌浆使用，侧面和底板采用高早强聚合物修补砂浆HG35填充修补，若尺寸较大时，在聚合物修补砂浆HG35中掺加重量比1：0.8的豆石或瓜米石。

对于表面裸露的钢筋，沿外露钢筋两侧5cm进行打磨，使钢筋露出，用钢丝刷清除裸露钢筋表面的锈斑锈迹，并用聚合物防锈胶泥SD12-III对裸露钢筋进行涂刷包裹，起到永久防锈。

对于露筋较深的处理， 划定需要处理的范围，先用切割机切槽，，形成整齐而规则的边缘，再用冲击钻对处理范围内疏松混凝土进行清除，冲洗干净后，用C30强度等级的高早强修补砂浆HG35填塞密实并表面进行批刮SD11聚合物防水砂浆，为保证涂层防渗性能并对有效过水断面无影响，SD11聚合物防水砂浆的批刮厚度控制在6～8mm为宜。

4.4麻面、气泡

对于该类缺陷，采用高早强聚合物修补砂浆进行修补填实，修补平整，确保混凝土过流面的功能。

4.5裂缝、结构缝及点状渗水

渗漏处理采用“化学灌浆”的处理方案，堵漏灌浆材料采用DF107单液聚氨酯高强疏水性堵漏材料、DF108单液聚氨酯高弹亲水性堵漏材料或GS水溶性注浆堵漏灵等新型材料进行注浆堵漏。

聚氨酯灌浆料性能指标如下：

5、弹性聚氨酯化灌工艺

5.1灌浆孔布置

经了解该隧道工程衬砌混凝土厚度约为30cm，因此，为了确保不对隧道混凝土结构物造成二次损坏，我们考虑沿裂缝两侧或渗水点布置骑缝孔或斜孔，骑缝孔孔距为30～40㎝，孔深10～15㎝，孔径为12㎜。布孔及开孔前用角磨机磨去混凝土表面的浮浆浮灰以及其他影响修补材料粘结的污染物。开孔时尽量避开钢筋，遇到有钢筋时调整开孔位置，打好灌浆孔后用压力水清洗孔内杂物，灌浆管或止水针头安装前应妥当保护好孔口，防止污水和杂物进入孔内。

5.2止水针头埋设

（1）埋入止水针头的深度约为钻孔深度的2/3。

（2）止水针头直径为ф10mm。

（3）止水针头的埋设固定采用早强聚合物水泥砂浆HG35或速凝堵漏剂，在有渗水情况的部位，埋设止水针头时可采用堵漏剂材料进行固定，待嵌固材料有一定强度后，用灌浆管连接灌浆泵，压入清水进行清洗，并检查各孔的相通情况。洗缝压力为灌浆压力的80%左右。

5.3化学灌浆前的准备工作

（1）按照裂缝的长度和宽度，计算出拟要灌注的浆材的用量，分批配制浆液。

（2）灌浆泵上安设压力表。压力表与管路之间装设隔浆装置，以防浆液进入压力表，并且灌浆泵尽可能接近孔口。

5.4灌浆压力设定

考虑到隧道混凝土结构自身情况，灌浆起始压力设定为0.2Mpa，最高压力不超过0.5Mpa，压力的控制原则是不得对混凝土结构物产生新的破坏。实际灌浆压力可在现场根据实际情况进行适当调整。

5.5化学灌浆施工

（1）按事先编制的孔号，自下向上、自中间向两边进行灌浆。

（2）采取纯压式灌注。

（3）当浆液到达相邻孔后或保压10min，才停止灌注，并将该灌浆孔进行闭浆，然后移动灌浆泵接头到相邻孔灌浆管继续灌注。

（4）灌浆时保持吸浆管口置于盛浆设备液面以下，以免灌浆时吸入空气。

（5）单孔灌浆结束标准：灌浆孔不吸浆，屏浆保压（0.3MPa）10min后灌浆即可结束。

（6）化学灌浆结束后，应仔细检查孔内是否填充密实或检查是否仍有渗漏水出现，若发现孔内未填满或仍在渗水，应及时进行二次补灌。

5.6裂缝化学灌浆后的表面处理

灌浆结束后，拆除灌浆针头，用聚合物修补砂浆HG35修补针孔眼，沿缝面铺设一层纤维网格布，再刮涂5mm厚聚合物水泥防水砂浆SD11进行表面处理，修补工艺应达到与混凝土面基本齐平并无明显的凸凹。

七、结语

水工隧洞施工是在比较复杂的水环境下进行的，工程隧洞外水压力较高，围岩地质条件较为恶劣，穩定性较差，以及施工作业人员技术水平低，管理不到位等诸多因素均会导致混凝土出现质量缺陷，合理的缺陷处理措施能够保证处理后的混凝土质量满足设计要求。宁夏中南部城乡饮水安全水源工程隧洞按照最终确定的处理方案及施工工艺对隧洞混凝土缺陷进行了有效处理，处理结果满足设计要求，工程最终通过了通水阶段验收，如期的实现了通水目标。