引水隧洞混凝土裂縫化學灌漿加固技術研究

陳海鵬

（新疆水利發(fā)展投資（集團）有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

在隧道施工中,由于混凝土襯砌造成的裂縫具有不可逆性。在具有防滲要求的隧道工程中,由于襯砌裂縫的存在,會對混凝土的抗?jié)B性產(chǎn)生一定影響,從而造成鋼筋腐蝕、隧道工程主體結構耐久性下降,修復此類工程需要大量的人力、物力、財力,從而延誤施工進度。在具有高滲透能力的砂礫石軟巖環(huán)境中出現(xiàn)混凝土裂縫,會加劇隧道的危險性[1]。新疆某樞紐工程發(fā)電引水隧洞工程,隧洞混凝土襯砌后部分洞段存在混凝土裂縫,部分裂縫有滲水現(xiàn)象。為保證工程長久運行,需要對混凝土裂縫進行修復處理。施工前,對引水洞已完成混凝土襯砌洞段裂縫進行排查,依據(jù)相關技術規(guī)范及設計文件對裂縫進行分類并編制了《混凝土裂縫化學灌漿試驗大綱》。

1 工程概況

該工程引水系統(tǒng)采用一洞四級布置形式,其中引水建筑物主要由進水口、壓水管道、引水隧洞等構成,對應的引水口與排沙口位于同一個進水塔中,分左右兩孔,底板高程1175.00 m,孔口高度13.256 m,每孔凈寬5.2 m,發(fā)電最大引用流量137.8 m3/s,在進水塔后部兩孔合二為一,后部與隧洞的引水口相接[2]。對應的進水口前部位增設一道攔污柵,進水口的后部增設事故檢修閘門室,閘孔尺寸6.5 m×6.5 m（寬×高）。進水塔頂部高程為1205 m,平臺上布置啟閉機房,平臺兩側(cè)與岸坡公路分別采用7.0 m 寬的交通橋連接。

有壓引水隧洞上游接進水口,下游接調(diào)壓室,洞徑6.4 m,設計流速3.05 m/s,鋼筋混凝土襯砌。自進口至調(diào)壓室主要由三條直線段與兩條弧線段構成,對應的引水隧洞總長度約為7365.18 m,該標段引水隧洞全長5380 m,混凝土結構設計見表1（洞段為引0+012～引2+500）。

表1 引水隧洞鋼筋混凝土施工特性

其中FD 洞0+000～2+500 段混凝土襯砌斷面結構見圖1。

圖1 FD 洞0+000～2+500 段混凝土襯砌斷面

隧洞襯砌后半徑為3.1 m,設計分塊長度12 m,其中Ⅳ、Ⅴ圍巖段每倉分縫處設置伸縮縫、沉降縫,圍巖突變處設置伸縮縫或沉降縫,縫內(nèi)填充2 cm 厚聚乙烯高壓閉孔板。Ⅱ、Ⅲ類圍巖段設施工縫,縫面進行鑿毛處理[3]。鋼筋混凝土襯砌水平施工縫鍍鋅鋼板設止水帶,下游全斷面一次澆筑成型。

開挖揭露面圍巖情況：巖性為華力西中期花崗閃長巖；地質(zhì)構造為發(fā)育擠壓破碎帶；巖體結構以鑲嵌結構為主,局部碎裂結構；巖體完整性差,地面基本無滲水[4]。目前三倉的底板已經(jīng)澆筑設計同標號混凝土墊層至結構線,主要在兩側(cè)底拱存在超挖。

2 化學灌漿加固施工方案

2.1 引水隧洞混凝土裂縫分類與施工材料選擇

為確保現(xiàn)場施工可以達到預期效果,施工前,落實現(xiàn)場排查并描述裂縫,其主要描述內(nèi)容有：裂縫的位置、數(shù)量、裂縫長度、裂縫寬度、裂縫深度、裂縫走向、裂縫發(fā)展狀況、有無滲水等[5]。為了準確反映裂縫類型及數(shù)據(jù),可在施工現(xiàn)場組織技術人員及熟練工人利用電子測縫儀、皮尺、塞尺、角度測量儀等工具準確測量并記錄裂縫參數(shù),裂縫排查描述完成后,根據(jù)《水工混凝土建筑物修補加固技術規(guī)程》分類裂縫[6]。其中裂縫編號原則見圖2。

圖2 裂縫編號原則

化學灌漿材料選用CH18 潮濕型改性環(huán)氧膠,分為A（主液）和B（固化劑）,灌漿材料類型為普通型,固化物力學性能為I 級；膠泥材料選用CH-3A 潮濕型改性環(huán)氧灌縫膠（膠泥）。兩種材料均為親水性材料,進場時需要出具對應材料的出廠檢測與質(zhì)量驗收報告,進場后對材料自檢,要求化學灌漿材料符合《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》（JCT 1041-2007）標準要求；自檢合格后進行材料進場報驗,批復同意進場使用。

2.2 裂縫清理、布孔、鉆孔

清理裂縫包括兩個步驟,分別為磨縫與鑿槽,磨縫時,利用手工研磨機沿著裂縫拋光,拋光深度為2 mm,拋光后使用高壓水洗縫[7]。鑿槽時,在騎縫處開“U”形凹槽,槽寬、深度3 cm～5 cm,在此基礎上,用清水,風槍清理裂紋、吹凈。滲水部位底部預埋注漿嘴,作為前期排水管。

在縫線兩側(cè),沿著裂縫方向設置斜孔,斜孔孔徑為27 mm,間距為1 m。采用水磨鉆配金剛石鉆頭鉆孔,在距縫20 cm 處開孔,對于未貫穿的裂縫,將過縫位置控制在裂縫底部；對于貫穿裂縫,將過縫位置控制在縫深的中間并靠近基巖部位,過縫后繼續(xù)鉆入5 cm。實際施工時,現(xiàn)場需要結合不同圍巖類別的襯砌形式（主要為襯砌厚度）,確定鉆孔角度、孔深等具體參數(shù)[8]。施工時,主要按照圖3 控制鉆孔參數(shù)。鉆孔完成后并及時用壓力水洗孔,以此種方式,完成施工中的裂縫清理、布孔、鉆孔。

圖3 控制鉆孔參數(shù)

2.3 安裝注漿嘴及封槽

在上述內(nèi)容的基礎上,安裝注漿噴嘴,對齊噴漿噴頭的基座,將噴頭壓入噴頭[9]。為防止孔底與縫線錯位,注漿口的出漿口與孔底保持1/3 的深度,即注漿管只有原管的2/3 深度,以防止雜物堵塞注漿管線。

設計“U”形回填,在“U”形的凹槽中,使用一種快速的補強劑,使之與混凝土表面持平。完成上述處理后,對表面進行強化處理。處理前打磨、后清潔表面,使其保持干燥,在縫隙兩側(cè)用環(huán)氧樹脂黏合劑刮擦2 mm 厚（縫隙中央的環(huán)氧樹脂厚度稍大,兩側(cè)稍薄）,以防漏漿。封縫結束后,根據(jù)注漿的先后順序,編號從1#開始,以此類推。在環(huán)氧樹脂的強度達到要求后,再設計封槽的通風測試。

2.4 通風檢測與注漿

在封槽7 天后,環(huán)氧樹脂的強度就能滿足灌漿的需要。此時檢查裂縫的通風情況,通風壓力為0.09 MPa。

檢測過程中,封閉注漿口,保留1#和2#注漿口,用1#注漿口與管道連接,并將2#軟管插入肥皂水中,逐個檢驗[10]。在檢查注漿口的時候,將肥皂水涂到密封材料的表面,使其寬度超出密封材料,注意密封區(qū)域是否有氣泡產(chǎn)生。

在通風時觀察：相鄰的灌漿孔之間、斜孔與騎縫孔間均串通,管路周圍及封槽范圍內(nèi)均無氣泡,且裂縫與灌漿管路暢通且封閉可靠。

注漿中,按照 “由低高程向高高程灌注”的原則灌注,同時,以5∶1 的比例將 A（主液）與 B（固化劑）混合。在制漿過程中,采用“少稱勤配,分批配漿”的原則,節(jié)省漿材的同時,使?jié){液黏度維持在一個較低的水平,從而改善灌漿的質(zhì)量。

未經(jīng)固化劑灌裝在密封的塑料容器內(nèi),置于干燥、涼爽、通風的地方。在漿液配制、灌漿時,漿液溫度控制在5℃～35℃,根據(jù)現(xiàn)場實際需要配制,以避免爆漿現(xiàn)象發(fā)生。在通風地點配制漿料,并用耐酸堿的手套保護,漿料的貯存和運送都要有合適的密閉措施。

注漿的初始壓強為0.2 MPa,最大壓強為0.3 MPa。從1#孔的低端起,到2#孔的返漿,然后實施并灌,直到3#孔的返漿和1#孔完全封閉,再實施3#孔的二次注漿,以此類推。

在灌漿過程中,所有的灌漿管都會出現(xiàn)返漿現(xiàn)象。在最大壓力下,注漿速度低于0.01 L/min,在此基礎上,連續(xù)注漿10 min,當注漿壓強不降低時,完成灌漿。

混凝土裂縫灌漿所使用的灌漿機為電子單液泵,確保流量和壓力可控。灌注時觀察裂縫混凝土表面的變化,調(diào)整灌漿機的壓力,確定灌漿最高壓力后開灌。計量采用電子秤稱量,漿液配制好后開始灌漿,在灌注過程中隨時做好灌漿記錄,現(xiàn)場記錄要保證及時、準確、可靠。裂縫灌漿完成后表面無滲水,且縫面平整與周邊混凝土面平順銜接,即可證明完成施工。

3 質(zhì)量驗收

按照上文內(nèi)容,設計針對新疆某樞紐工程發(fā)電引水隧洞的加固施工,本次混凝土裂縫化學灌漿試驗選取四個試驗段,共計8 條裂縫,總長189.6 m；根據(jù)現(xiàn)場實際情況,共布置200 個斜孔及757 個騎縫孔,在通風時每條裂縫內(nèi)的所有灌漿孔全部串通。總注漿量523.36 kg,最大單耗47430.83 kg/m3,最小單耗3002.45 kg/m3；具體灌漿情況見表2（圍巖灌漿編號引0+180～引1+327,對應8 個灌漿施工點）。

表2 灌漿施工詳情

在此基礎上,設計樁號引0+612～引0+624 段的外觀質(zhì)量,在化學灌漿前,混凝土裂縫滲水現(xiàn)象明顯,局部滲水呈線狀流水。按照本文上述設計的工藝流程對該段展開施工,并落實施工過程中的質(zhì)量控制措施。灌漿結束后,監(jiān)測該段混凝土表面滲水情況,發(fā)現(xiàn)該段混凝土表面滲水量為0,即無滲水現(xiàn)象,達到對該段混凝土修復效果。

按照規(guī)范及設計技術要求,在作業(yè)面中存在貫穿性裂縫或深層裂縫的區(qū)域,布置壓水試驗檢查孔,結合現(xiàn)場具體情況,樁號引0+612～引0+624 單條裂縫較長,且裂縫多為貫穿滲水。為試驗結論提供更加全面、詳細、準確數(shù)據(jù)。在該倉較長裂縫上布置5 個檢查孔。利用工程地質(zhì)鉆機和金剛石鉆頭進行旋轉(zhuǎn)鉆進,鉆取芯樣均按照裂縫編號標記保存。鉆孔內(nèi)清洗干凈后,在鉆孔內(nèi)預先埋設注漿管和排水管,孔口采用快速堵漏劑封堵。待堵漏劑強度達標后,開始進行壓水試驗。壓水采取五點法壓水試驗,觀察并記錄10 min 累計注入流量,實驗結果見表3。

表3 壓水試驗結果

表3 中的透水率通過下式計算得出：

式中：q為施工段透水率；Q為壓入流量；p為壓力；L為孔深。

根據(jù)表3 中結果可知,施工段透水率最大為0.03 Lu,滿足引水隧洞混凝土質(zhì)量驗收需求,證明本文設計的施工方法在實際應用中可以起到加固混凝土裂縫段、防止結構出現(xiàn)滲漏的作用。

4 結語

為提高此工程在竣工投入使用后的價值與經(jīng)濟效益,本文以新疆某樞紐工程發(fā)電引水隧洞工程為例,采取相應的技術措施,設計化學灌漿加固,控制引水隧洞施工中混凝土結構的裂縫,以此提高工程結構的穩(wěn)定性、安全性與可靠性。