化学灌浆技术在富水环境下隧洞堵漏中的应用

陈少凯/CHEN Shaokai

（中交水利水电建设有限公司，浙江 宁波 315200）

化学灌浆是一种建立在化学、材料、岩土工程学等学科基础上的施工方法，采用加压泵送工艺，将特定的化学制剂注入混凝土结构的裂缝、结构缝或施工缝内，解决富水环境下水工隧洞渗水问题，并对混凝土结构起到一定程度的加固补强作用，改善效果显著。随着社会的发展，科技的进步，化灌工艺在建设工程中运用越来越受到重视。水工隧洞一般会考虑有水泥灌浆，在一定程度上，化学灌浆技术弥补了水泥灌浆无法根治混凝土结构裂缝的缺点，以其原位增强、简便快捷的优势，在疑难杂症工程的处理上，达到省时、省钱、环保的目标。

1 工程简介

贵阳花溪水库至南郊、中曹水厂输水工程是以输水为主的中型水利工程，由花溪水库取水，主要向南郊、中曹水厂输水，是保障贵阳市城市供水安全的重点项目。工程等别为Ⅲ等，工程规模属中型。工程主要构成是长距离输水隧洞，总长约14km，全线位于地下水位以下。主洞中部设置检修竖井1座，竖井底部通过检修平洞与主洞连接，隧洞检修时，作为人员及设备进出的通道。

平洞开挖揭露岩体呈微风化状态、碎裂结构，地下水发育，开挖面有多股集中出水点，流量与降雨呈正相关。支护完成后净断面为4m×4m（宽×高）城门洞形，顶拱高2m，为180°圆弧，直墙高2m；衬砌后长度42.8m，JX0+015～JX0+42.8 段衬砌完成后，断面为3.2m×3.2m 城门洞形，钢筋混凝土厚0.4m；JX0+003～JX0+015 段衬砌完成后，断面为1.5m×2m 人行通道，混凝土厚0.7～3m 不等，无配筋设计。衬砌完成后，按设计图纸要求，实施回填灌浆，设计图纸未布置固结灌浆。检修平洞平面布置如图1 所示。

2 渗水成因分析

由于平洞开挖面能明显看到渗水，且渗水流量与降雨呈正相关，故渗水点排查选在大雨过后，避免疏漏。经排查，衬砌、回填灌浆完成后，整条平洞共发现渗水点6 处，渗水量大小不一，其中，检修竖井和平洞交接施工缝（JX0+042.8）和人通结构缝（JX0+003），能明显看到有水流出，带有一定压力；其余渗水点为衬砌混凝土冷缝，已产生白色结晶，无明显水流，以渗水为主，无压。

JX0+042.8 虽设置橡胶止水带，因圆形井筒和城门洞型洞身为异形结构相接，止水带形状不能和结构完全吻合，导致施工缝部分止水带未起到预期效果。JX0+003 结构缝两侧为素混凝土，无法安装、固定止水带。主洞段衬砌、固结灌浆完成后，地下水集中聚集在检修平洞周边，导致结构缝薄弱位置出现明显渗水。

在施工层面，平洞段衬砌依靠拼装散模，利用满堂支架，做为模板支撑体系。架体及模板无法安装附着式振捣器，顶拱混凝土入仓后，不能使用机械振捣，结构混凝土本身密实性下降，产生冷缝。

3 施工方法

3.1 钻孔

化学灌浆采用钻孔灌浆和注浆针灌浆相结合的方法，钻孔对称布置在裂缝的两侧，斜孔倾角与混凝土面呈60°，孔深穿过裂缝，排数根据渗水量最少布置2 排（图2）。靠近裂缝为第一排，距裂缝10cm，主要作用为渗水点周边混凝土的加固补强，提高处理的效果；第二排，起堵水作用，排距根据实际情况灵活调整。灌浆时，首先实施第二排。

图2 钻孔布置图

整条检修平洞，划分一个灌浆单元，单元内所有混凝土裂缝、灌浆孔统一编号。化学灌浆是在混凝土中进行，透水率已经较小，使用冲击式或冲击回转式钻机钻进灌浆孔，利于提高工效，因为是无岩芯钻进，岩粉、岩屑较多，容易堵塞裂隙而影响灌浆质量，因此必须对成孔进行裂隙冲洗。终孔后，及时用洁净压力水、压缩空气冲（吹）洗干净钻孔内的粉末、碎屑，并检查、记录钻孔参数（孔径、孔向、倾角和孔深）。

3.2 灌浆

1）钻孔清洗完成后，在孔内安装止水针头（或称之为灌浆嘴），使用配套的内六角扳手拧紧，确保止水针头周边与钻孔之间密闭、无空隙，不漏水。灌浆前，再次采用压缩空气或压力水，检查裂缝与埋管、贴嘴之间的畅通性、密封性及管路安装的牢固性、可靠性，吹出缝内积水、浮尘及碎屑，并详细记录。风压按照设计要求，通常不超过最大灌浆压力的30%，即0.15MPa（灌浆压力0.3～0.5MPa）。

2）化学灌浆对灌注时的连续性要求更高，制浆能力和浆液类型和灌浆泵的排浆量相匹配就显得尤其重要。近几年来，建筑市场引进或新开发出多种型号的化灌泵，有电动、液压、气动、手压等型式，其中多数产品具有体积小、重量轻以及压力、流量可自动调节等优点。化学灌浆采用纯压式灌浆，不允许浆液在孔内循环，不能靠调节回浆量来控制灌浆压力，灌浆过程中，灌浆泵的排浆量能从零到最大额定值范围内无级调节。手压泵结构简单，拆卸、清洗和安装方便，易于搬运，只要排浆量和注浆压力能满足要求，也可选用。立面竖向裂缝或斜缝灌浆自下而上、由深孔到浅孔进行；立面水平或近似水平裂缝灌浆自一端向另一端、由深孔到浅孔进行；平面裂缝，首选通畅性最好的孔开灌，同时向两端，依次进行（图3）。灌浆过程中逐级提升灌浆压力，每级提升量值控制为0.05MPa，在最大灌浆压力下吸浆量＜0.01L/min，延长灌浆30min，即可结束。

图3 化学灌浆模型

3）灌浆结束，确认无漏水，割除外露的止水针头。将溢漏出已固化的浆液清理干净；用快干、速凝水泥修补灌浆口，并做封口处理。

4 特殊情况处理

检修平洞实施化学灌浆过程中，JX0+003 结构缝发生串浆。该结构缝呈1.5m×2m 矩形，顶部渗水明显，有压，两侧渗水沿混凝土墙壁流淌，无压。因设计无止水构造，灌前初步研判，四周结构缝有连通的可能性。灌浆从边墙开始，遵循“自下往上、两侧对称、先深后浅”的原则。过程中，明显发现渗点沿墙体上移，顶部渗水流量和压力均增大。随着灌点上移，顶部发生明显串浆，说明结构缝内部已经连通。

化学浆液达到堵水目的，首先要经过乳化分散，其次凝胶固化。整个过程中，水既是稀释剂，又充当了固化剂的角色。乳化阶段，浆液与水的比例不能超过包水率倍数（一般可达30 倍），如果水量偏大，特别是在动水的环境下，浆液一旦被稀释，将无法进入凝胶固化阶段，这就是施工过程中，出现串浆的主要原因。除了渗径太短，导致浆液乳化时间不够外，更多的则是因为注浆时，注入量远小于渗漏水量，浆液被水流裹挟冲散，导致严重稀释，无法在缝内进行凝胶固化。若持续灌注，会导致大量浆液被冲出缝外，达不到预期效果，随即暂停作业。

针对此情况，采取“两步走”的处理方式：①利用环氧胶泥将顶部缝隙填塞密实，在缝隙两侧对称布置浅孔，采用低压（0.1MPa）、小流量，即“低压慢灌”措施，两孔同时灌注；②凿除环氧胶泥，观察缝隙情况，确定无明显有压渗水时，再次开深孔，采用较高灌浆压力（0.5MPa），小流量持续灌注，使浆液在混凝土内部充分扩散，固化，达到局部补强、深层堵漏的效果。

5 主要结论

1）灌浆材料选取 化学灌浆浆液均为真溶液，不含固体颗粒，可灌性极好，是水泥灌浆的有效补充，一般在水泥灌浆或其他方法达不到设计要求时使用。化学灌浆常用的材料有聚氨酯类、环氧树脂类、水玻璃类等，也可按灌浆目的分为防渗堵漏和固结补强两类。考虑到结构缝要经受反复的张拉变形，因此要求所采用的灌浆材料固化后，还应具有较好的弹性，能满足变形要求。本工程灌浆材料选用水溶性聚氨酯类，该材料为单组份合成高分子材料，具有低黏度，固化后具有较好的弹性的优点。常态下，为浆体，遇水则发生交联反应，产生气泡，生成多元网状封闭弹性体。被高压注入混凝土结构裂缝中，可沿着缝隙延展，直至将所有缝隙（包括肉眼无法觉察的）填满。浆液遇到混凝土裂缝中的水分，便会迅速分散、乳化、膨胀、固化。随着交联反应的发生，释放出大量二氧化碳气体的同时，产生二次渗压，高压推力和二次渗压一起将弹性体压入、充满所有缝隙，堵塞渗水通道。将水流完全地隔离在混凝土结构体之外，以达到止水、堵漏的目的。

2）衬砌结构设计方案的优化 尽管化学灌浆针对混凝土衬砌结构，能起到止水、补强的效果，但究其根本，始终是混凝土缺陷的一种弥补手段，无法实现衬砌自防水的目的。设计工作是建设工程实施阶段的源头，其理念直接关系到工程项目在寿命周期内的运行情况。本工程平洞段位于富水地段，针对地下水发育的情况，设计图纸仅考虑回填灌浆，无固结灌浆，衬砌完成后，其背后一直存在“水囊”，为渗水埋下了伏笔。

3）施工过程中的控制措施 造成检修平洞衬砌结构渗水的根源是岩体流出的股状集中水，若直接流入仓面，会增加混凝土含水率，改变配合比，降低强度。衬砌前，恰恰忽略了引流，浇筑完成后，混凝土达到设计强度前，被击穿形成冷缝，是渗水的直接原因。

综上所述，富水环境下水工隧洞衬砌结构渗水成因较多，文中结合实例，分析了检修平洞衬砌结构渗水的成因，探讨了化学灌浆技术在富水环境中的应用，并针对异常情况，在实施的角度，提出可行性建议。为类似工程的建设，提供参考和借鉴价值。