输水隧洞混凝土衬砌裂缝处理技术.pdf

水利与特殊构筑物防水 输水 隧 洞 混 凝 土衬砌 裂 缝处 理 技 术 曾晓燕， 贾 进 ( 四川广播电视大学， 四川 成都 6 1 0 0 3 1 ) 一 摘要： 介绍了永宁河四级电站引水隧洞的裂缝分布形式， 分析了该引水隧洞裂缝的形成原因， 提 出了裂缝的预防措施， 详细阐述了先采用水泥砂浆进行回填和固结灌浆、 再对首次灌浆后仍有渗水地段进行化学灌浆的裂缝处理工艺， 并就 此给 出了几点建议。 关键词： 引水隧洞； 混凝土衬砌； 裂缝； 治理方法； 预防措施； 灌浆 文章编号： 1 0 0 7 4 9 7 X ( 2 0 1 5 ) 一 1 0 0 0 3 1 0 5 中图分类号： T V 6 9 8 2 文献标识码 ： B Cr a c k Tr e a t me nt Te c hn o l o g y f o r Co n c r e t e Li n i n g o f W a t e r Co n v e y a n c e Tu n n e l Z e n g Xi a o y a n， J i a J i n ( S i c h u a n R a d i o a n d T V U n i v e r s i t y ， C h e n g d u ， S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e a r t i c l e i n t r o d u c e s c r a c k d i s t r i b u t i o n f o r m o f wa t e r c o n v e y a n c e t u n n e l o f Yo n g n i n g Ri v e r Hy d r o p o we r S t a t i o n 4 g r a d e ，a n a l y s e s c a u s e s o f c r a c k s f o rm a t i o n a n d p u t f o r wa r d s p r e v e n t i v e me a s u r e s I t d e t a i l s c r a c k t r e a t me n t t e c h n o l o g y b y b a c k f i l l i n g a n d g r o u t i n g u s i n g c e me n t mo r t a r a t t h e b e g i n n i n g ，t h e n c h e mi c a l g r o u t i n g for s t i l l l e a k a r e a a f t e r t h e fi r s t g r o u t i n g I t a l s o p r o v i d e s s o m e s u g g e s t i o n s b a s e d o n t h e p r o j e c t Ke y wo r d s ： wa t e r c o n v e y a n c e t u n n e l ； c o n c r e t e l i n i n g ； c r a c k ； t r e a t me n t me t h o d ； p r e v e n t i v e me a s u r e ； g r o u t i n g 隧道施工过程中， 混凝土衬砌产生的裂缝是不可 逆的。在有抗渗要求的隧道工程中， 衬砌裂缝会影响 混凝 土的抗渗性 ， 引起钢筋锈蚀 ， 降低混凝土 的耐久 性， 处理起来还会耗费大量的人力、 物力和财力， 耽误 工期。对于透水性很强的砂砾石软岩条件下运行的 隧洞， 危害性更大。因此， 必须采取有效的技术措施， 来控制和减少混凝土 中裂缝 的数量和宽度 。本文 以 四川省盐源县永 宁河四级电站引水隧洞为例 ， 分析判 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 2 0 3 作者简介： 曾晓燕， 女， 1 9 7 7年生， 建筑经济工程师， 一、 二级建 造师 ， 全国造价员， 四川广播电视大学教师， 毕业于西南交通 大学，主要从事建筑工程类与工程造价类的课程教学及施工 管理工作。联系地址： 6 1 0 0 4 4四川省成都市武候区玉林东路 1 0号 2栋 2单元 5号。 断裂缝产生的原因， 并根据施工经验提出混凝土裂缝 的预防措施 和处理方法 ，对提高工程质量有重要意 义 。 1 工 程概况 永宁河四级 电站引水隧洞总长 8 0 0 7 8 2 6 i n ， 过 水断面为城门洞形和圆形 ，过水断面宽度 b = 3 4 4 0 m。 该隧洞 l I_4 洞开挖断面为城 门洞形状 ， 顶拱半 径 2 2 6 3 in、 直墙高 3 3 7 in、 底宽 4 0 in， 采用钢筋混 凝土砌筑。隧洞 自 2 0 1 2年 4月起在 l 洞 、桩号 O + 8 5 0 7 段浇筑边顶拱，混凝土浇筑段每 1 2 in为 1 个 仓位 ，浇筑时采用钢拱架配合钢模板拼装成 1 个仓 位。混凝土的设计标号为 C 2 5 ， 采用二级配泵送混凝 土 ， 骨料为天然河卵石和河砂 。 隧 洞 设 计 类 围岩 仓 位 环 向单 层 钢 筋 1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 水 利 与 特 殊 构 筑 物 防 水 薯 誊 臻 曩 豫 黥 鞭 ，嘲 鞭 嘲 融 城矧 澍 糍 舞 艋嚣 2 0 0 ， 纵向钢筋 q b l O 2 0 0 ； IV 类围岩仓位环向单层 钢筋 1 6 2 0 0 ， 纵 向钢筋 1 0 2 0 0 ； V类 围岩仓 位 环 向双层 钢筋 q 1 6 2 0 0 ， 纵 向钢筋 q b l O 2 0 0 ； 钢筋 保护层均为 3 c m。工程 区域 内出露地层 主要为四迭 系上统杨家坪组玄武岩和黑泥哨组砂岩 、 炭质泥岩 、 泥质灰岩 ， 工程 区内地质基本烈度为度。 2 裂缝分布形式 引水隧洞施工经历夏、 秋 、 冬 3个季节 ， 衬砌裂缝 一 般在混凝土浇筑完成后 1 0 d左右产生 ，开裂部位 一 般出现在、 V类围岩地段， 规律性较强， 基本都是 在混凝土仓位中间部位 出现不规则开裂 ， 开裂形式为 环 向全断面开裂或局部环向( 横向一周 ) 开裂 ， 并伴有 水渗出 ； 在夹泥层及炭质泥岩 出水地带 ， 少部分裂缝 为水平裂缝， 并伴有水渗出。 3 裂缝成因分析 3 1 原材料 该隧洞衬砌混凝土配制时 ， 首先在骨料场将 中石 和小石分开筛分 ， 分类堆放 。骨料是经过筛分的连续 级配的河卵石，砂为经过河水冲洗的河砂。配制时， 河砂用清水再次冲洗后拌制 ， 不含能与水泥活性物质 发生碱骨料反应 的成分 ， 因此工地所用的骨料不会导 致裂缝产生。 3 2 混凝土配比 工程所用混凝土的配合比为实验室出具的配合 比， 水泥掺量为 4 0 9 k g m 。 ， 符合泵送要求 ； 水泥为石 林 P 0 4 2 5 水泥 ， 强度 、 安定性等稳定 良好 ， 取样检测 结果全部合格 ； 现场进行的回弹仪无损检测也得到了 理想的结果。 分析混凝土裂缝形状 、 规律 、 产生时间及其与配 合比的关系 ， 可知 ： 1 ) 因混凝土为泵送混凝土 ， 在拌制 成品时， 为了施工方便 ， 水灰比及混凝土的坍落度相 对增大 ， 混凝土产生了一定的干缩裂缝 ， 这是造成开 裂的原因之一 ； 2 ) 由于水泥的掺量偏大 ， 混凝 土水化 反应较强 ， 混凝土在凝 固之前 ， 因失水较快而产生塑 性收缩裂缝 。 3 - 3 混凝土浇筑方式 本工程在施工中各作业 面都设置有 自己的拌合 站， 混凝土采用搅拌车运输 ， 运距不超过 1 k m ， 到现 场后采用混凝 土泵输送到仓内 ，每个仓位 的施工缝 均设有橡胶止水带。从浇筑时间间隔和浇筑方式对 照分析 ，混凝 土的浇筑时问和浇筑方式对裂缝 没有 直接影响。 3 4 施工环境温度 从浇筑时温测结果来看 ， 洞 内温度除受季节产生 的缓慢变化影响外 ， 无骤降变化 ， 一定时段 内基本处 于叵温状态， 温度基本上恒定在 l 1 1 8之间， 即使 是在 1 1 月份以后， 也基本恒定在 8 1 0之间。隧洞 内稳定的温度对混凝土的施工是有利的， 不会对 昆 凝 土衬砌裂缝产生影响。 3 5 混凝土养生条件及拆模时间 每浇筑一仓混凝土 ， 均采用喷雾器将水均匀喷洒 在混凝土表面进行润湿养护 ， 养护用水为洞 内水 ， 每 班派专人进行全天全段养护 ； 严格按照规范要求的时 间进行拆模 ， 防止因拆模时间过早对成型的混凝土造 成伤害。上述条件对混凝土形成了良好的养护和保 护 。 3 6 隧洞地质原因的影响 由于浇筑 围岩较破碎 ， 岩型不均 ， 构造较复杂 ， 节 理发育 ， 开裂的部位基本上在 、 V类围岩地段 ， 并伴 有地下水的渗出( 流出) ， 尤其在软弱地质地带， 渗漏 更为严重。原设计隧洞 内的衬砌混凝土为薄壁混凝 土 ， 且没有设计排水系统 ， 衬砌施工完毕后 ， 地下水无 法排 出， 侧压力相对增大 ， 不 良地带水及岩石的侧压 力大于设计厚度混凝土承受 的极限压力而产生衬砌 拉裂 。因此 ， 不良地带也是产生裂缝的原因之一。 3 7 浇筑温度 混凝土所用水泥库存于室 内， 温度一般在 1 8 3 3 之间； 骨料经水冲洗降温， 温度控制在 1 8 2 l 之 间，最高温度不超过 2 5。混凝土出机温度控制在 2 0 3 0之间 ， 仓面混凝土温度在 2 1 2 9。按相应 规范和施工情况， 计算出浇筑混凝土块温度应力 ， 结 果表明混凝土块体 的温度应力处于临界状态 ，这也 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 水利与特殊构筑物防水 是导致隧道衬砌混凝土产生裂缝的重要原 因之一。 3 8 其他综合因素分析 从开挖断面看 ， 、 V类 围岩破碎 ， 自稳性能差 ， 开挖后经常有掉块和塌落现象 ， 超挖部位多 ， 超挖严 重。 原设计混凝土衬砌厚度 4 0 5 0 c m， 但底角及部分 边墙两侧实际平均开挖深度达 9 0 c m，最深处达到 1 3 0 c m。顶拱平均深度在 9 0 1 2 0 c m， 均远远超 出混 凝土衬砌设计厚度范围。 原设计 的钢筋是按 4 0 c m、 5 0 c m厚 的混凝土结 构进行设计的 ， 超挖产生后 ， 造成设计厚度 以外的混 凝土出现无配筋的情况， 一旦产生内应力， 无配筋的 部位无受力筋 ， 完全由混凝土来承担内应力 ， 大大增 加了裂缝产生的概率。由于超挖， 致使混凝土的浇筑 厚度加大 ， 应力重新分布 ， 原设计的钢筋型号就不能 满足要求了， 钢筋的分布也较不合理， 混凝土衬砌的 受力明显增加 ， 故产生了裂缝 。 原设计 4 0 c m、 5 0 c m厚混凝土浇筑分仓的长度 为 1 2 m， 浇筑厚度的改变 ， 导致长宽 比不平衡 ， 应力 分布也随之发生变化。在检查 中发现大多裂缝产生 在每仓混凝土的中间部位 ， 这正好说明， 混凝土浇筑 厚度发生改变后浇筑段的长宽比不匹配， 故产生 了裂 缝 。 4 裂缝预防措施 4 1 调整混凝土的配合 比 隧洞衬砌混凝土出现大量裂缝后 ，基 于以上分 析 ， 首先对混凝 土配合 比进行调整。在混凝土 中掺加 粉煤灰和泵送剂， 降低水泥用量， 减少水化反应， 严格 控制坍落度和水灰比， 并且对各种原材料严格进行计 量。按照调整后的配合比进行隧洞混凝土衬砌浇筑， 效果较为明显， 裂缝显著减少。但是混凝土加入粉煤 灰后， 后期强度增长较慢 ， 经过一定时间混凝土的强 度才能满足设计要求。 4 2 调整施工工艺 隧洞改用先浇筑底板 、后浇筑边顶的施工方式 ， 并在边墙和底板 的接触部位设 置一 道膨胀止水 带。 对超挖较大的仓位， 加大钢筋用量或加粗钢筋 ： 将原 一 设计 的 q b l 6 m m双层 钢筋 改 为 q b 2 0 m m 的双层 钢 筋 。对出水量较大的仓位 ， 设置集 中排水孔 ， 将水排 至仓外， 待混凝土达到一定要求后 ， 再集中进行堵漏 处理 。 4 3 在常规操作中调整 加强粗细骨料的降温工作和清洗工作， 尽可能将 混凝土出机和人仓的温度控制在最佳范围内。根据 骨料含水量调整配合比， 并减少混凝土垂直和水平运 输中浆液的流失 ，防止混凝土坍落度 和配比发生变 化； 加强 昆 凝土的养护工作， 保证混凝土拌制准确及 振捣密实性。 5 裂缝处理方法 根据裂缝 的发展状况和趋势 ， 裂缝处理分两步进 行： 先进行回填和固结灌浆， 对灌浆后仍有渗水的地 段采用化学灌浆。 5 1 隧洞回填及固结灌浆 5 1 1 回填灌浆施工工艺 孑 L 位布置： 隧洞顶部进行回填灌浆， 灌浆孔位分 两序进行。 I 序孔沿洞轴线每 8 m布置 1 排， 每排 3 孔， 正顶上布置 1 孑 L ， 左右按照偏转 5 0 o 布置两孔； 序孔在 I 序孔的中间布置。 I 序孔等全段第 1 次灌 浆结束 7 d以后进行二次复灌， 施工程序按照 I 序孔 的程序进行 ， 7 d后复灌可使浆液经过较长时间的沉 积析水和凝固收缩腾出更多的空隙。 灌浆方法： 打开各孔位阀门， 从较低地势的一端 第 1 排上的 3个孔位同时进浆 ； 当灌至第 2排 的 3个 孔或始终只有 1 孔出浆浓度接近或者达到注浆浓度 时， 进行第 2 排孔灌浆。灌浆材料为水泥砂浆， 砂浆 2 8 d 后结石强度不低于水泥标号， 水灰比为 1 ： 0 6 。 灌浆压力： I 序孔初次灌浆控制为 0 1 M P a ， 序孔灌浆和复灌压力控制在 0 2 0 - 3 MP a ，压力达到 后 2 O 3 0 mi n不再吃浆即停止灌桨。 5 1 2 固结灌浆施工工艺 孔位布置： 隧洞、 V围岩进行固结灌浆， 孔位按 圆拱段径 向中心 3 0 。 进行布置。对裂隙型破碎带固结 灌浆， 深入岩石深度为 4 m， 孔距为 3 m； 破碎、 垮塌 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 水 利 与 特 殊 构 筑 物 防 水 较多的地段 ， 深入深度为 6 m， 孔距加密到 2 m。 灌浆方法 ：将灌浆孔按环向分成 0 2 m、 2 - 4 m 的 I、 两序孔， 分别按“ 环向、 逐层深入、 逐步加密” 的程序进行施工。每排孔位， 除个别吃浆量大的需单 独灌浆外， 可将 3 孔一起并联灌浆 ， 每排孔位的灌浆 实行对称分布、 多孔灌浆； 砂浆由稀至浓， 水灰比分别 按 5 ： 1 、 2 ： 1 、 1 ： 1 、 0 8 ： 1 、 0 5 ： 1 。 灌浆压力 ： I 序孔初次灌浆控制为 1 MP a ， I I 序 孔灌浆压力控制为2 5 M P a 。 5 2 裂缝化学灌浆处理 5 2 1 灌浆材料 本工程选用的灌浆材料是单液型聚氨酯疏水性 发泡浆材。该材料可任意与水混合 ， 与水接触立 即起 化学反应而膨胀， 对基材粘着力强， 韧性佳， 抗化学性 优异， 与饮用水接触区域可使用， 环保性能好。 5 2 2 灌浆设备 本工程选用 F 6 1 2 高压灌浆机，有超高压力 ， 不 需要压源， 施工快速。机身质量仅为 5 k g ， 携带省力， 移动方便 ， 结构设计科学 。该灌浆机可在 3 - 6 s 提升 压力至 4 5 0 0 p s i ( 约 3 1 M P a ) ， 能将液体止水剂有效 灌注进 0 1 m m的细微裂缝中， 施工效率高。 5 2 - 3 化学灌浆施工工艺 5 2 3 1 结构龟裂漏水治理工艺 1 ) 布孔： 孔位在裂缝左右两侧呈梅花形布置， 孔 距 2 5 3 0 e m。 2 ) 钻孔 ： 使用电锤等钻孑 L 工具沿裂缝两则进行钻 孔 钻头直径为 1 4 m m， 在距裂缝最低处 5 1 0 e m， 由 低往高倾斜钻孔， 深度为结构体厚度的一半。 3 ) 洗孔 清缝 ： 用高压清洗机 以 6 MP a的压力 向 灌浆嘴内注入洁净水， 观察出水点情况 ， 并将缝内粉 尘清洗干净。 4 ) 埋嘴： 在钻好 的孔 内安装止水针头 ， 止水针头 与混凝土面夹角为 3 O o 4 5 。 、穿过结构体厚度的一 半， 由于结构体龟裂呈不规则状 ， 故须特别注意钻孔 时与破裂面交叉， 注射效果才最佳。针头后带膨胀橡 胶， 并用专用内六角扳手拧紧， 使灌浆嘴周围与钻孔 之间无空隙 ， 不漏水。 5 ) 灌浆 ： 采用 F 6 1 2 高压灌浆机向灌浆孔内灌注 单液型聚氨酯疏水性发泡浆材； 灌浆时， 由下向上逐 一 连续进行， 保持压力 3 5 m i n ， 注射液从结构体表 面渗出时， 结束灌浆。 灌浆后仍出现渗水， 再用亲水发 泡剂补灌。 6 ) 封孔： 灌注结束后待灌浆材料凝固， 拆除孔 口 管 ， 磨平灌浆嘴 ， 用环氧胶泥对孔 口进行封闭处理。 7 ) 表面防水处理： 采用聚氨酯防水涂料在化学灌 浆部分的混凝土表面涂刷 1 5 m m厚，以作表面防水 处理。 图 1 为结构龟裂漏水处理示意图。 点 图 1 结构龟裂漏水处理不葸 5 2 3 2 蜂巢漏水 1 ) 布孔与钻孔： 在出现蜂巢的范围， 每隔 2 5 3 0 cm钻 1 个孔， 深度以结构体厚度的 2 3 为宜。 2 ) 洗孔清缝： 用高压清洗机以 6 M P a的压力向 灌浆嘴内注入洁净水 ， 观察出水点情况， 并将缝内粉 尘清洗干净。 3 ) 埋嘴 ： 在钻好 的孔 内安装止水针头 ， 止水针头 的底部穿过混凝土， 伸人至蜂巢的空腔内， 并加以旋 紧固定。 4 ) 灌浆： 采用 F 6 1 2高压灌浆机向灌浆孔内灌注 单液型聚氨酯疏水性发泡浆材， 注射液从结构体表面 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 水利 与特殊构筑物防水 渗出时， 再注入单液型疏水性止漏材料。 5 ) 封孔： 灌注结束待灌浆材料凝固后， 拆除孔 口 管， 磨平灌浆嘴， 用环氧胶泥对孔口进行封孔。 6 ) 防水处理 ： 采用聚氨酯防水涂料， 在化学灌浆 部分的混凝土表面涂刷 1 5 m m厚。 图 2为蜂巢漏水处理示意图。 图2 蜂巢漏水处理示意 6 几点建议 本隧洞工程混凝土衬砌产生裂缝后， 得到了较好 的控制和补救。混凝土产生裂缝的原因较多， 由于各 ( 上接第 3 0页) 作不可避免 ， 应采取 防护措施避免焊渣溅落 ， 烫坏聚 脲涂层。 5 结语 本工程渗漏治理完工后 ， 业主单位随即对处理过 的泵站管段进行 了通水试验 ， P C C P管道漏水情况再 未出现。截止至笔者发文时， 此段 P C C P管引水工程 已正式顺利通水运行 1 年有余 ，管道接口漏水的问 题得到了根本解决 。 通过将 S K手刮聚脲与 S R塑性止水材料两种柔 性防水材料巧妙结合 ， 在P C C P管道接缝的防渗漏处 1 工程所处地质环境不同 ，裂缝产生原因也不尽相同 ， 实践中需结合实际情况探索和总结， 才能有效预防裂 缝 ， 取得较好 的施工质量和经济效益 。 针对隧洞衬砌施工过程裂缝的控制， 笔者提出以 下几点建议： 1 )隧洞分仓长度建议以8 1 0 m为宜； 2 ) 特殊地域施工， 可在混凝土中掺人粉煤灰； 3 ) 隧洞 采用光面爆破开挖 ， 严格控制超挖 ， 对底部超挖严重 部位采取浇筑混凝土基础垫层， 墙体超挖严重部位建 议增加钢筋用量或加粗钢筋 ； 4 )在隧洞衬砌施工 中， 建议设置引排水管，将岩体内部的水引排出结构面 外， 减小岩体及水对混凝土产生的侧压。 参考文献 ： 【 1 】 中国水电基础局有限公司 D L r 5 1 4 8 -2 0 1 2水工建筑物 水泥灌浆施工技术规范 S 北京： 中国电力出版社 ， 2 0 1 2 【 2 】 中国建筑科学研究院 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 1 0钢筋混凝土结构 设计规湖 s 】 北京： 中国建g L X - 出版社， 2 0 1 0 3 四川省西点电力设计有限公司， 永宁河四级水电站监测 项 目部 盐源县永宁河四级 电站施工组织设计J R 2 0 1 2 4 鞠丽艳 混凝土裂缝抑制措施的研究进展 J 混凝土， 2 0 0 2 ( 3 2 ) ： 2 0 2 2 5 】 黄立刚， 杨倩 大体积混凝土裂缝的成因分析及控制措施 J 山西建筑 ， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 1 6 ) ： 1 5 7 1 5 9 【 6 孙立功 ， 刘杰 隧道工程【 M】 成都： 西南交通大学出版社 ， 2 0 06 理上取得了成功， 使 P C C P管道接口从原来单一的胶 圈止水变为“ 三重止水” ， 从而使 P C C P管道接缝渗漏 水治理的难题有了全新的解决方案。 参考文献： 1 谭建平 s R塑性止水材料的特性 J 中国建筑防水， 1 9 9 8 ( 5 ) ： 2 1 2 3 2 】 姚宣德 ， 石维新， 王东黎 南水北调大口径 P C C P管道漏水 风险分析 J 冰 利水电技术， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 7 ) ： 6 6 6 9 3 】 杜玉柱 ， 路明， 郝毅， 等 长输管道接 口漏水维修的实践与 总结 J 给水排 水 ， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 2 ) ： 1 0 5 1 0 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m