輸水隧洞襯砌空洞處理措施分析

張 鑫，霍俊亮，王志偉，王拴路

（北京市南水北調(diào)環(huán)線管理處，北京 100176）

城市地下輸水隧洞多采用復合式襯砌。在隧洞開挖時同步實施一次襯砌，使用模板臺車現(xiàn)澆鋼筋混凝土完成二次襯砌。在工程建設過程中，二次襯砌在拱頂及附近區(qū)域容易出現(xiàn)混凝土澆筑不密實、空洞等問題，給有壓隧洞輸水運行帶來不利影響，危及工程結構安全。地下輸水隧洞需要同時防止內(nèi)水外滲、外水內(nèi)滲，外滲水量滿足《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268-2008）[1]要求。然而，根據(jù)類似輸水隧洞檢修經(jīng)驗，在清除嵌縫材料后，灌注丙烯酸鹽凝膠材料耗用量較大，部分倉段丙烯酸鹽凝膠從相鄰倉段伸縮縫處滲出，表明存在襯砌空洞聯(lián)通的情況。如不加以處置，襯砌空洞將成為運行期滲水通路，危及輸水工程的運行安全。本研究使用地質(zhì)雷達檢測隧洞襯砌空洞分布情況，分析二次襯砌空洞產(chǎn)生原因、危害，從工程防滲角度提出空洞處置措施，對紫銅與防水板之間空洞、洞身二襯空洞進行灌漿處理。通過復檢部分隧洞段灌漿后密實度情況，驗證處置效果。

1 工程概況

北京市某地下輸水隧洞全長44.7 km，內(nèi)徑為4.6 m，埋深為6.5～29.4 m，最大過水流量為26 m3/s。沿線設置2座調(diào)壓塔、58座排氣閥井，隧洞主體采用盾構法施工、復合式襯砌結構，其中一襯為預制鋼筋混凝土盾構管片，厚度300 mm；二襯為采用模板臺車全圓一次澆筑的鋼筋混凝土襯砌，厚度400 mm，兩倉之間設置伸縮縫，通過紫銅、閉孔泡沫板、聚硫密封膠密閉止水，每倉長度為9～12 m。輸水隧洞斷面型式，如圖1所示。

圖1 輸水隧洞斷面型式

2 襯砌空洞檢測結果

本研究采用地質(zhì)雷達法檢測二襯空洞不密實情況。檢測時，電磁波由空氣進入二襯的混凝土，會出現(xiàn)強反射；當電磁波由二襯傳播至一襯繼而由一襯傳播到巖層時，如果交界處貼合不好或存在空隙，也會導致雷達剖面相位和幅度發(fā)生變化，由此可以確定襯砌厚度和識別襯砌缺陷。

本研究選用750 MHz 屏蔽天線無線模塊，參數(shù)設置如下：主頻12 100 MHz，采樣點428，時間窗口40 ns。在輸水隧洞檢修段拱頂12 點鐘位置、拱腰10 點鐘位置共布設2 條測線，利用可移動腳手架對二襯背后空洞進行檢測。檢測段隧洞包括2處分水口、2 處排空井、14 處排氣閥井，總長10.24 km。地質(zhì)雷達檢測測線布置，如圖2所示。除去鋼襯段，拱頂、拱腰的測線長度均為10.00 km。經(jīng)檢測，拱頂空洞數(shù)量為139處，拱腰空洞數(shù)量為86處，拱頂空洞不密實情況多于拱腰。

圖2 雷達檢測測線布置

3 襯砌空洞成因與危害分析

3.1 成因分析

地下輸水隧洞二襯拱頂及其附近空洞與混凝土材料特性、施工工法特點和質(zhì)量控制水平有關。

（1）混凝土材料特性?；炷辆哂心淌湛s的特點，拱頂不可避免地出現(xiàn)小空隙；且水灰比越大，收縮越明顯。添加減水劑、泵送劑能夠降低混凝土水灰比；采用自密實混凝土代替普通商品混凝土能夠提高混凝土的流動性[2]。

（2）施工工法特點。使用模板臺車澆筑二襯時，普通商品混凝土振搗困難，自密實混凝土未經(jīng)振搗；且混凝土是自下而上澆筑的，導致二襯中下部密實性較好，拱頂附近密實性較弱。模板臺車拱頂一般設置3 個及以上的泵送孔，處于較高處、遠離泵送孔的位置很難澆筑密實[3]。此外，鋼筋對混凝土的流動產(chǎn)生一定的阻力，鋼筋越多，襯砌不密實，空洞更多。

（3）質(zhì)量控制水平。泵送壓力不足會導致模板內(nèi)混凝土不能充分填充模板，尤其是距離泵送孔較遠的位置。襯砌臺車剛度不夠、脫模作業(yè)過早引發(fā)二襯混凝土明顯下沉，極易造成二襯不密實、空洞[4]。

3.2 危害分析

（1）影響結構受力和結構安全。二襯厚度不足，一襯管片和二襯混凝土之間出現(xiàn)不密實、空洞，導致隧洞結構無法真正實現(xiàn)聯(lián)合受力，因受力不均勻而發(fā)生破壞，降低結構承載能力。一襯失去約束，在重力、地下水作用下發(fā)生變形、松弛[5]。二襯在正常情況下是內(nèi)側受拉、外側受壓，由于空洞的存在使脫空襯砌處于內(nèi)側受壓、外側受拉的狀態(tài)，襯砌結構受力不合理，影響工程結構安全。

（2）引發(fā)地表滲水和管路沉降。二次襯砌的上邊緣會發(fā)生開裂，若有滲漏水發(fā)生，則沿著空洞和裂縫進入襯砌[6]?？斩闯蔀樗矶粗苓叺叵滤?、隧洞內(nèi)外滲水的通路。在內(nèi)水壓力作用下，逐漸形成地下滲流，水量長期外滲，有可能引起地表滲水或者管路沉降等，嚴重危害社會發(fā)展及城市安全。

4 襯砌背后空洞防滲措施

4.1 灌漿設計

為保障混凝土一襯、二襯緊密貼合，使圍巖的壓力能夠均勻地傳遞到襯砌上；同時，封閉滲漏通道，減少隧洞內(nèi)外滲水，確定以下灌漿設計要點。

（1）灌漿部位。一方面考慮填充隧洞洞體二襯空洞，有效減少或消除二襯混凝土內(nèi)外滲水；另一方面將注漿管伸入紫銅與防水板之間，通過填充伸縮縫處紫銅附近的空洞、空隙，使每個倉段成為獨立的結構體，阻隔滲漏通道，因此選擇在伸縮縫兩側設置注漿管，如圖3所示。

圖3 重點灌漿部位

（2）灌漿次序?？紤]到水泥漿的凝固收縮特性，為保證回填灌漿質(zhì)量，分為2個次序進行灌漿，填充二襯空洞。在一序孔灌注漿液初凝后進行二序孔灌漿。灌漿次序，如圖4所示。

圖4 灌漿次序

4.2 灌漿施工

（1）鉆孔設計參數(shù)。在伸縮縫兩側各設置1 個注漿孔，注漿孔位于頂拱12點鐘。沿伸縮縫兩側鉆灌漿斜孔，鉆孔的角度為30°～45°。鉆孔到達二襯與一襯之間，不破壞防水層，深度不超過565 mm。使用直徑28 mm 的電錘鉆進行鉆孔，孔內(nèi)插入直徑25 mm注漿管。

（2）注漿參數(shù)。采用P.O42.5水泥。經(jīng)過現(xiàn)場注漿試驗確定灌漿水灰比，一序孔采用水灰比為0.8∶1～0.5∶1 的普通水泥漿，二序孔采用水灰比為1∶1 的超細水泥漿。水泥漿灌漿壓力控制在0.2～0.35 MPa。

（3）灌漿流程。①定位打孔：借助移動式腳手架平臺，在隧洞頂部伸縮縫兩側打孔。②埋設注漿管：埋設直徑25 mm的回填注漿管2根，注漿管頂部貼近防水板，但不能刺破防水板，底部留在混凝土外側。③灌漿：先對一序孔進行灌漿，漿液初凝后再對二序孔進行灌漿，一般在一序孔灌漿后3～7 d后進行。壓力表設置在進漿口處，屏漿15 min 即可結束灌漿。④灌漿孔封堵：灌漿結束后待漿液達到設計強度后，需對埋管進行拆除清理并利用快硬水泥封孔，表面利用2 mm厚300 mm×300 mm手刮聚脲進行封閉。

4.3 灌漿效果

灌漿后對輸水隧洞部分洞段二襯拱頂和拱腰混凝土密實情況進行復檢。復檢涉及6 個隧洞段，頂拱、拱腰的雷達測線長度均為2.05 km，總長度為4.1 km。頂拱檢測位置為12 點鐘位置，拱腰檢測位置為10 點鐘位置。復檢段灌漿前拱頂空洞數(shù)量為31 處，灌漿后拱頂空洞數(shù)量為12 處；灌漿前拱腰空洞數(shù)量為12 處，灌漿后拱腰空洞數(shù)量為9 處。灌漿后空洞缺陷大幅降低。拱頂缺陷降低61.3%，拱腰缺陷降低25.0%。灌漿處理對于拱頂缺陷的修復作用優(yōu)于拱腰。

灌漿前后分別對典型斷面的拱頂襯砌空洞不密實情況進行對比分析，如圖5 所示。灌漿前伸縮縫斷面號為K30493、K30505，灌漿后伸縮縫斷面號為K30493.2、K30505.2，二者伸縮縫位置基本一致。灌漿前在斷面號K30501—K30506有2處缺陷位置，深度0.3～0.4 m 處存在連續(xù)脫空區(qū)域。灌漿后相應位置不存在脫空區(qū)。灌漿處置對隧洞洞頂脫空不密實區(qū)域有較大的改善。

圖5 地質(zhì)雷達檢測拱頂灌漿前后二襯空洞對比（斷面號K30490—K30510）

灌漿前后分別對典型斷面的拱腰襯砌空洞不密實情況進行對比分析，如圖6 所示。灌漿前伸縮縫斷面號為K22264.8、K22276.8，灌漿后伸縮縫斷面號為K22265.2、K22277.1，二者伸縮縫位置基本一致。灌漿前在斷面號K22265—K22270 有連續(xù)的不密實區(qū)，經(jīng)過灌漿處理后，可以看到脫空不密實區(qū)有所改善，但還存在局部不連續(xù)的不密實區(qū)域。

圖6 地質(zhì)雷達檢測拱腰灌漿前后二襯空洞對比（斷面號K22260—K22280）

綜上，灌漿處置對于填充地下輸水隧洞二襯空洞具有良好的效果。

5 結論與建議

5.1 結論

（1）受混凝土材料凝固收縮、二襯澆筑工法特點和施工現(xiàn)場質(zhì)量控制等因素影響，二次襯砌在拱頂及附近區(qū)域出現(xiàn)混凝土澆筑不密實、空洞等情況，致使一襯、二襯不能聯(lián)合受力，甚至會引發(fā)輸水工程滲漏和管路沉降。

（2）為防治內(nèi)外滲水、控制隧洞滲漏量，采用在地下輸水隧洞伸縮縫兩側設置注漿管、分序灌注“普通水泥漿+超細水泥漿”方式，對紫銅與防水板之間空洞、洞身二襯空洞進行灌漿處理，可以有效降低二襯空洞。灌漿后，拱頂缺陷降低61.3%，拱腰缺陷降低25.0%。

5.2 建議

（1）建議采用地質(zhì)雷達法檢測地下輸水隧洞二襯密實度，為輔助判別工程結構安全提供技術支撐。

（2）在制定地下輸水隧洞檢修方案時，建議在實施伸縮縫修復前對二襯進行灌漿處理，提高二襯混凝土密實度，降低隧洞運行期滲漏風險，保障隧洞工程結構安全和運行安全。