引滦隧洞重点病害低强混凝土治理问题分析
2022-03-14王峥，张伟
王 峥，张 伟
（天津市引滦工程隧洞管理中心，河北 迁西 064300）
引滦入津工程输水隧洞起点是河北省迁西县大黑汀水库，终点是河北省遵化市黎河接官厅村之间的分水岭地带，是整个引滦入津工程的关键部分。引滦隧洞在1982 年5 月开始施工，1983 年底建成通水。隧洞工程是引滦输水线的咽喉，是天津人民的生命线，为保证隧洞工程安全运行，天津市引滦工程隧洞管理中心需要定期对隧洞进行检查和维护。
2012 年，天津市引滦工程隧洞管理中心委托南京水利科学研究院对隧洞工程进行了系统全面的安全鉴定，鉴定结论提出隧洞衬砌混凝土离散型较大、存在大面积低强混凝土，隧洞长期阴暗潮湿且担负引滦通水功能，低强混凝土危及隧洞安全，亟待处理。针对上述病害，对病害明显的隧洞洞段进行了检测试验，分析其产生的原因。在此基础上，笔者借鉴以往隧洞低强混凝土情况的解决方案，研究提出一套能够解决引滦隧洞存在问题的方案。
1 试验安全评价
本次采用超声回弹综合法，结合少量钻芯取样，对衬砌混凝土强度进行检测。
1.1 超声回弹检测
超声回弹检测结果为：各隧洞试验洞段混凝土强度平均值最大为42.9 MPa，最小为18.7 MPa；所有测区中，强度最小值为8.5 MPa；各洞段衬砌混凝土强度的离差系数为0.15～0.33。
1.2 钻芯检测
钻芯检测结果为：强度最大值为55.3 MPa，最小值为9.6 MPa；强度平均值为28.2 MPa，离差系数为0.34；强度不小于20 MPa的芯样占82.0%。
1.3 强度质量评价
20个洞段中，评价等级为“正常”的洞段7个，占35%；等级为“基本正常”的洞段5 个，占25%；等级为“不良”的洞段4 个，占20%；等级为“差”的洞段4个，占20%。
如果按照长度范围统计，等级为“差”的洞段长度约1.22 km，占隧洞总长度的10.7%。
1.4 与历次检测结果的比较
将本次检测与1991、1992、2000、2003和2008年进行过的5 次检测的结果比较，发现历次检测与本次检测所对应洞段的衬砌混凝土强度质量水平是基本吻合的，符合隧洞衬砌混凝土强度质量实际情况。
隧洞衬砌混凝土强度质量评价结果，详见表1。
表1 隧洞衬砌混凝土强度质量评价结果
低强混凝土外观，如图1所示。
图1 低强混凝土外观
2 低强混凝土成因分析
2.1 低强混凝土缺陷特征
在低强混凝土部位钻取的芯样内部缺陷明显，具有以下特征。
（1）芯样密实性差，断裂或不成型，有气孔，蜂窝状缺陷相连贯。
（2）芯样骨料不匀，骨料少或集中在某一部分，有的部位全为砂，形成砂石或砂夹层，深度一般为100～300 mm。砂石夹层内无水泥胶结的“胶凝结构”，呈松散体。
（3）芯样均质性差，有的中间夹20～30 mm粉状凝结物，有的中部有异物。
（4）低强混凝土衬砌表面大面积常年阴湿而致的渗水溶蚀（隐渗或表层明流）在边墙上形成悬挂的“白色帷幕”或淡黄色的贴壁凸起的混结不规则柱体。
2.2 低强混凝土形成主要原因
（1）施工期混凝土搅拌不均匀，水泥浆与粗细骨料分离，是工程运用中形成麻面、砂石夹层的根源。
（2）施工中对毛洞壁面的集中渗水（股流、线流）未能彻底引排，导致渗水将液态混凝土中的水泥浆冲失，是后期形成贯穿性孔洞（穴）的根源。
（3）施工中对毛洞壁面的大面积渗水未能集中引排，导致渗水掺混到液态混凝土中，从而使其水灰比增大，造成分布不均匀的低强混凝土产生。
（4）隧洞运用期内，地下水补给丰沛洞段的混凝土长期处在压力渗水作用的不利环境中，加速其溶蚀进程，这也是衬砌表面长期维持潮湿渗水（隐渗及表面明流）的根本原因。
3 低强混凝土衬砌结构内力分析方法
计算考虑岩石弹性抗力作用，按照力法计算城门形衬砌断面原理，采用积分简化的查表法进行计算。计算及结构简图如图2 所示，衬砌分段示意如图3所示。
图2 计算及结构简图
图3 衬砌分段示意
4 衬砌结构内力分析计算
主要参数计算结果，详见表2。
表2 主要参数计算结果
为简化计算，不计侧向山岩压力及内水压力，同时不计拱座即侧墙底部转角影响，β=0。
4.1 计算主要公式
计算以衬砌中心线作为拱轴线。
4.1.1 刚臂长度
其计算公式为：
式中：r为顶拱计算半径（m）；Ac为计算系数，根据计算矢高与顶拱计算半径比值查表得到。
4.1.2 各截面轴力
其计算公式为：
式中：Np为各种外荷载作用下的轴力（kN）；X2为弹性中心处多余未知力（kN）；φ为各截面位置处与轴线夹角（0）。
4.1.3 应力计算
其计算公式为：
式中：σ外为外缘应力（MPa）；σ内为内缘应力（MPa）；N为截面轴向力（kN）；F为衬砌截面面积（m2）；e为轴向力对截面中心的偏心距（m）；d为衬砌厚度（m）。
4.2 计算结果
各衬砌截面边缘应力计算结果，详见表3。
表3 各衬砌截面边缘应力计算结果
4.3 衬砌结构内力分析结论
由应力计算结果可知，衬砌外缘最大压应力为1.52 MPa，内缘最大压应力为1.75 MPa，均小于安全鉴定报告混凝土强度检测值，由此表明目前衬砌结构基本是稳定的。
5 低强混凝土治理方案
5.1 危险等级划分
经分析计算发现，目前低强混凝土洞段衬砌结构基本是稳定的。为避免混凝土强度进一步降低对衬砌结构安全造成影响，治理方案主要考虑最大限度地提高混凝土强度，增加其耐久性。
低强混凝土治理部位可结合2009 年上海交通大学对隧洞混凝土衬砌质量进行的全洞无损检测成果确定。根据检测到的混凝土强度取值，将衬砌结构分为不同的危险等级：①高危险级别，对应混凝土强度为设计强度的50%以下，由A 表示；②中危险级别，对应混凝土强度为设计强度的50%～75%，由B 表示；③低危险级别，对应混凝土强度为设计强度的75%～100%，由C 表示；④安全等级，对应混凝土强度为设计强度的100%及以上，由D表示。
经统计，本次治理范围3+800—4+800洞段内不满足设计强度的混凝土总面积为3 398.66 m2，其中高、中危险级别面积625.03 m2，占18.39%；低危险级别面积2 773.63 m2，占81.61%。
为比较彻底解决低强混凝土问题，对不满足混凝土设计强度75%的洞段（高危险级别、中危险级别）采取边墙局部凿除后重建的治理方案，以完全恢复原设计强度值；对混凝土强度为设计强度的75%～100%的洞段（低危险级别）采用化学灌浆治理，适当提高混凝土强度，增强其耐久性。
5.2 低强混凝土局部凿除重建
对不满足混凝土设计强度75%的洞段采取局部凿除重建的治理方案，以完全恢复原设计强度值。
先对低强范围内混凝土凿除，凿除深度25 cm。对连续大面积低强混凝土凿除应分块进行，每块原则上不得超过3 m，待重新浇筑、混凝土强度达到设计强度后，再进行下一块凿除。
凿除施工中，应对原衬砌钢筋予以保留，若发现原钢筋已锈蚀或损坏，应割断原钢筋重新进行焊接，双面焊不小于5 d（d 为钢筋直径），单面焊不小于10 d，焊接应满足《钢筋焊接及验收规程》要求。焊接新钢筋后，再对新老混凝土接触面涂丙乳界面剂，最后浇筑C25 混凝土。混凝土在浇筑完毕后的12 h以内（视施工气候条件定），应加以覆盖和洒水，当气温低于0.5℃时，应覆盖保温，不得向混凝土洒水，可先覆盖1层塑料膜，再加盖保温层。低强混凝土凿除重建布置，如图4所示。
图4 低强混凝土凿除重建布置
5.3 低强混凝土灌浆处理
对混凝土强度为设计强度的75%～100%的洞段采用化学灌浆治理，适当提高混凝土强度。
通过试验，化学灌浆是目前低强混凝土补强加固的最有效措施，可以最大限度地阻止混凝土病害进一步发展，增加混凝土强度和耐久性。
5.3.1 清理基面，封堵排水孔
隧洞输水结束后，应对边墙低强混凝土区域表面进行清理，其目的是露出混凝土面，查找渗漏点；并对已有排水孔进行封堵，封堵采用C10 素混凝土或M10砂浆。
5.3.2 表面局部松散混凝土凿除
在清理基面过程中发现的表面局部松散混凝土应予以凿除，并重新填筑C25混凝土，表面用砂浆抹平。
5.3.3 化学灌浆
化学灌浆选用环氧类浆材，可最大限度地提高混凝土强度。灌浆采用纯压式灌浆方式。正式灌浆施工之前，先进行现场灌浆试验，包括对浆材配置、施工组织、施工工艺和技术措施的检验。
灌浆孔为300 mm×300 mm 矩形布置，以斜向45°钻孔，孔深为结构尺寸决定，深入底板或边墙厚度的1/2 位置。钻孔孔径在满足正常灌浆的前提下采用较小的灌浆孔径，钻孔原则上不得截断受力钢筋，应采用超声波等探测受力钢筋分布。
灌浆过程中发现冒浆、漏浆时，应根据具体情况采用低压、限流、浓浆、间歇等方法进行处理。如效果不明显，应停止灌浆，待浆液凝固后重新扫孔复灌。灌浆应连续进行，若因故中断应尽快恢复灌浆。否则，应进行冲孔或扫孔，再恢复灌浆。
灌浆结束标准如下：当灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于0.02 L/min 后，继续灌注30 min 以上，可结束灌浆。灌浆布孔示意，如图5所示。
图5 灌浆孔布置示意
5.3.4 灌浆安全监测
灌浆过程中，应对衬砌变形、漏浆等进行监测，如出现因灌浆而致衬砌出现新裂缝，则应立即停止灌浆或减压灌浆（应设专人巡视现场）。灌浆完成后，须对封堵的排水孔进行开孔检查，如发现因灌浆而封堵的排水孔，则应重新打通或疏通排水孔。
灌浆完成后，选择典型点，取混凝土芯样试验，观察混凝土增强效果。
6 结语
综上所述，低强混凝土是水利水电工程中常见的工程病害。在引滦输水隧洞中，由于低强混凝土的存在，严重影响了隧洞输水安全。隧洞工程建成通水至今，经过几次专项补强加固，隧洞低强混凝土问题得到有效改善，从而增强了工程结构整体性，延长了隧洞使用寿命。在其他类似工程病害治理过程中，可参考以上治理方案。
