引灤隧洞重點病害低強混凝土治理問題分析

王 崢，張 偉

（天津市引灤工程隧洞管理中心，河北 遷西 064300）

引灤入津工程輸水隧洞起點是河北省遷西縣大黑汀水庫，終點是河北省遵化市黎河接官廳村之間的分水嶺地帶，是整個引灤入津工程的關鍵部分。引灤隧洞在1982 年5 月開始施工，1983 年底建成通水。隧洞工程是引灤輸水線的咽喉，是天津人民的生命線，為保證隧洞工程安全運行，天津市引灤工程隧洞管理中心需要定期對隧洞進行檢查和維護。

2012 年，天津市引灤工程隧洞管理中心委托南京水利科學研究院對隧洞工程進行了系統全面的安全鑒定，鑒定結論提出隧洞襯砌混凝土離散型較大、存在大面積低強混凝土，隧洞長期陰暗潮濕且擔負引灤通水功能，低強混凝土危及隧洞安全，亟待處理。針對上述病害，對病害明顯的隧洞洞段進行了檢測試驗，分析其產生的原因。在此基礎上，筆者借鑒以往隧洞低強混凝土情況的解決方案，研究提出一套能夠解決引灤隧洞存在問題的方案。

1 試驗安全評價

本次采用超聲回彈綜合法，結合少量鉆芯取樣，對襯砌混凝土強度進行檢測。

1.1 超聲回彈檢測

超聲回彈檢測結果為：各隧洞試驗洞段混凝土強度平均值最大為42.9 MPa，最小為18.7 MPa；所有測區中，強度最小值為8.5 MPa；各洞段襯砌混凝土強度的離差系數為0.15～0.33。

1.2 鉆芯檢測

鉆芯檢測結果為：強度最大值為55.3 MPa，最小值為9.6 MPa；強度平均值為28.2 MPa，離差系數為0.34；強度不小于20 MPa的芯樣占82.0%。

1.3 強度質量評價

20個洞段中，評價等級為“正?！钡亩炊?個，占35%；等級為“基本正?！钡亩炊? 個，占25%；等級為“不良”的洞段4 個，占20%；等級為“差”的洞段4個，占20%。

如果按照長度范圍統計，等級為“差”的洞段長度約1.22 km，占隧洞總長度的10.7%。

1.4 與歷次檢測結果的比較

將本次檢測與1991、1992、2000、2003和2008年進行過的5 次檢測的結果比較，發現歷次檢測與本次檢測所對應洞段的襯砌混凝土強度質量水平是基本吻合的，符合隧洞襯砌混凝土強度質量實際情況。

隧洞襯砌混凝土強度質量評價結果，詳見表1。

表1 隧洞襯砌混凝土強度質量評價結果

低強混凝土外觀，如圖1所示。

圖1 低強混凝土外觀

2 低強混凝土成因分析

2.1 低強混凝土缺陷特征

在低強混凝土部位鉆取的芯樣內部缺陷明顯，具有以下特征。

（1）芯樣密實性差，斷裂或不成型，有氣孔，蜂窩狀缺陷相連貫。

（2）芯樣骨料不勻，骨料少或集中在某一部分，有的部位全為砂，形成砂石或砂夾層，深度一般為100～300 mm。砂石夾層內無水泥膠結的“膠凝結構”，呈松散體。

（3）芯樣均質性差，有的中間夾20～30 mm粉狀凝結物，有的中部有異物。

（4）低強混凝土襯砌表面大面積常年陰濕而致的滲水溶蝕（隱滲或表層明流）在邊墻上形成懸掛的“白色帷幕”或淡黃色的貼壁凸起的混結不規則柱體。

2.2 低強混凝土形成主要原因

（1）施工期混凝土攪拌不均勻，水泥漿與粗細骨料分離，是工程運用中形成麻面、砂石夾層的根源。

（2）施工中對毛洞壁面的集中滲水（股流、線流）未能徹底引排，導致滲水將液態混凝土中的水泥漿沖失，是后期形成貫穿性孔洞（穴）的根源。

（3）施工中對毛洞壁面的大面積滲水未能集中引排，導致滲水摻混到液態混凝土中，從而使其水灰比增大，造成分布不均勻的低強混凝土產生。

（4）隧洞運用期內，地下水補給豐沛洞段的混凝土長期處在壓力滲水作用的不利環境中，加速其溶蝕進程，這也是襯砌表面長期維持潮濕滲水（隱滲及表面明流）的根本原因。

3 低強混凝土襯砌結構內力分析方法

計算考慮巖石彈性抗力作用，按照力法計算城門形襯砌斷面原理，采用積分簡化的查表法進行計算。計算及結構簡圖如圖2 所示，襯砌分段示意如圖3所示。

圖2 計算及結構簡圖

圖3 襯砌分段示意

4 襯砌結構內力分析計算

主要參數計算結果，詳見表2。

表2 主要參數計算結果

為簡化計算，不計側向山巖壓力及內水壓力，同時不計拱座即側墻底部轉角影響，β=0。

4.1 計算主要公式

計算以襯砌中心線作為拱軸線。

4.1.1 剛臂長度

其計算公式為：

式中：r為頂拱計算半徑（m）；Ac為計算系數，根據計算矢高與頂拱計算半徑比值查表得到。

4.1.2 各截面軸力

其計算公式為：

式中：Np為各種外荷載作用下的軸力（kN）；X2為彈性中心處多余未知力（kN）；φ為各截面位置處與軸線夾角（0）。

4.1.3 應力計算

其計算公式為：

式中：σ外為外緣應力（MPa）；σ內為內緣應力（MPa）；N為截面軸向力（kN）；F為襯砌截面面積（m2）；e為軸向力對截面中心的偏心距（m）；d為襯砌厚度（m）。

4.2 計算結果

各襯砌截面邊緣應力計算結果，詳見表3。

表3 各襯砌截面邊緣應力計算結果

4.3 襯砌結構內力分析結論

由應力計算結果可知，襯砌外緣最大壓應力為1.52 MPa，內緣最大壓應力為1.75 MPa，均小于安全鑒定報告混凝土強度檢測值，由此表明目前襯砌結構基本是穩定的。

5 低強混凝土治理方案

5.1 危險等級劃分

經分析計算發現，目前低強混凝土洞段襯砌結構基本是穩定的。為避免混凝土強度進一步降低對襯砌結構安全造成影響，治理方案主要考慮最大限度地提高混凝土強度，增加其耐久性。

低強混凝土治理部位可結合2009 年上海交通大學對隧洞混凝土襯砌質量進行的全洞無損檢測成果確定。根據檢測到的混凝土強度取值，將襯砌結構分為不同的危險等級：①高危險級別，對應混凝土強度為設計強度的50%以下，由A 表示；②中危險級別，對應混凝土強度為設計強度的50%～75%，由B 表示；③低危險級別，對應混凝土強度為設計強度的75%～100%，由C 表示；④安全等級，對應混凝土強度為設計強度的100%及以上，由D表示。

經統計，本次治理范圍3+800—4+800洞段內不滿足設計強度的混凝土總面積為3 398.66 m2，其中高、中危險級別面積625.03 m2，占18.39%；低危險級別面積2 773.63 m2，占81.61%。

為比較徹底解決低強混凝土問題，對不滿足混凝土設計強度75%的洞段（高危險級別、中危險級別）采取邊墻局部鑿除后重建的治理方案，以完全恢復原設計強度值；對混凝土強度為設計強度的75%～100%的洞段（低危險級別）采用化學灌漿治理，適當提高混凝土強度，增強其耐久性。

5.2 低強混凝土局部鑿除重建

對不滿足混凝土設計強度75%的洞段采取局部鑿除重建的治理方案，以完全恢復原設計強度值。

先對低強范圍內混凝土鑿除，鑿除深度25 cm。對連續大面積低強混凝土鑿除應分塊進行，每塊原則上不得超過3 m，待重新澆筑、混凝土強度達到設計強度后，再進行下一塊鑿除。

鑿除施工中，應對原襯砌鋼筋予以保留，若發現原鋼筋已銹蝕或損壞，應割斷原鋼筋重新進行焊接，雙面焊不小于5 d（d 為鋼筋直徑），單面焊不小于10 d，焊接應滿足《鋼筋焊接及驗收規程》要求。焊接新鋼筋后，再對新老混凝土接觸面涂丙乳界面劑，最后澆筑C25 混凝土?；炷猎跐仓戤吅蟮?2 h以內（視施工氣候條件定），應加以覆蓋和灑水，當氣溫低于0.5℃時，應覆蓋保溫，不得向混凝土灑水，可先覆蓋1層塑料膜，再加蓋保溫層。低強混凝土鑿除重建布置，如圖4所示。

圖4 低強混凝土鑿除重建布置

5.3 低強混凝土灌漿處理

對混凝土強度為設計強度的75%～100%的洞段采用化學灌漿治理，適當提高混凝土強度。

通過試驗，化學灌漿是目前低強混凝土補強加固的最有效措施，可以最大限度地阻止混凝土病害進一步發展，增加混凝土強度和耐久性。

5.3.1 清理基面，封堵排水孔

隧洞輸水結束后，應對邊墻低強混凝土區域表面進行清理，其目的是露出混凝土面，查找滲漏點；并對已有排水孔進行封堵，封堵采用C10 素混凝土或M10砂漿。

5.3.2 表面局部松散混凝土鑿除

在清理基面過程中發現的表面局部松散混凝土應予以鑿除，并重新填筑C25混凝土，表面用砂漿抹平。

5.3.3 化學灌漿

化學灌漿選用環氧類漿材，可最大限度地提高混凝土強度。灌漿采用純壓式灌漿方式。正式灌漿施工之前，先進行現場灌漿試驗，包括對漿材配置、施工組織、施工工藝和技術措施的檢驗。

灌漿孔為300 mm×300 mm 矩形布置，以斜向45°鉆孔，孔深為結構尺寸決定，深入底板或邊墻厚度的1/2 位置。鉆孔孔徑在滿足正常灌漿的前提下采用較小的灌漿孔徑，鉆孔原則上不得截斷受力鋼筋，應采用超聲波等探測受力鋼筋分布。

灌漿過程中發現冒漿、漏漿時，應根據具體情況采用低壓、限流、濃漿、間歇等方法進行處理。如效果不明顯，應停止灌漿，待漿液凝固后重新掃孔復灌。灌漿應連續進行，若因故中斷應盡快恢復灌漿。否則，應進行沖孔或掃孔，再恢復灌漿。

灌漿結束標準如下：當灌漿段在最大設計壓力下，注入率不大于0.02 L/min 后，繼續灌注30 min 以上，可結束灌漿。灌漿布孔示意，如圖5所示。

圖5 灌漿孔布置示意

5.3.4 灌漿安全監測

灌漿過程中，應對襯砌變形、漏漿等進行監測，如出現因灌漿而致襯砌出現新裂縫，則應立即停止灌漿或減壓灌漿（應設專人巡視現場）。灌漿完成后，須對封堵的排水孔進行開孔檢查，如發現因灌漿而封堵的排水孔，則應重新打通或疏通排水孔。

灌漿完成后，選擇典型點，取混凝土芯樣試驗，觀察混凝土增強效果。

6 結語

綜上所述，低強混凝土是水利水電工程中常見的工程病害。在引灤輸水隧洞中，由于低強混凝土的存在，嚴重影響了隧洞輸水安全。隧洞工程建成通水至今，經過幾次專項補強加固，隧洞低強混凝土問題得到有效改善，從而增強了工程結構整體性，延長了隧洞使用壽命。在其他類似工程病害治理過程中，可參考以上治理方案。