超长引水隧洞混凝土衬砌管片裂缝处理施工工艺.pdf

一 - ff ， 起 长 引水 隧 洞 混 凝 土衬 砌 管 片 裂 缝处 理 施 工 工 艺 孟丽娟 ， 郑亚平， 夏世法， 贾利兵 ， 黄 昊 ( 中国水利水电科学研究院， 北京1 0 0 0 3 8 ) 摘要： 介绍了某超长引水隧洞混凝土衬砌管片的裂缝情况， 分析 了裂缝产生的原因， 详细阐述了缝宽t0 2 mm的裂缝 采用水溶性聚氨酯浆材进行化学灌浆、 缝宽 0 2 m m的裂缝采用单组分聚脲进行表面封闭的施工工艺， 并总结了工程 中采取的安全措施， 以供类似工程参考。 关键词 ： T B M； 超长引水隧洞； 衬砌管片； 裂缝处理； 化学灌浆； 水溶性聚氨酯； 单组分聚脲 文章编号 ： 1 0 0 7 4 9 7 X ( 2 0 1 5 ) 一 0 4 0 0 1 6 0 4 中图分类号 ： T U 7 6 5 ； T V 6 7 2 1 文献标识码 ： B Co n c r e t e Li n i n g S e g me n t Cr a c k s Tr e a t me n t Te c h n o l o g y f o r S u p e r - l o n g Di v e r s i o n Tu n n e l Me n g L ij u a n ， Z h e n g Y a p i n g ， X i a S h i f a ， J i a L i b i n g ， H u a n g Ha o ( C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ， B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ， 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 t h e c r a c k i s s u e s o f s o me s u p e r - l o n g d i v e r s i o n t u n n e l S c o n c r e t e l i n i n g s e g me n t a n d g i v e s a n a n a l y s i s o n t h e c a u s e s o f t h e c r a c k s I t e l a b o r a t e s o n t h e c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y o f c h e mi c a l g r o u t i n g f o r t h e c r a c k s o f mo r e t h a n 0 2 mm wi d t h wi t h w a t e r - s o l u b l e p o l y u r e t h a n e ma t e r i a l ，a n d c l o s i n g t h e c r a c k s o f l e s s t h a n 0 2 mm w i t h s i n g l e c o m p o n e n t p o l y u r e a f r o m t h e s u r f a c e ， a n d i t a l s o s u m ma r i z e s t h e s a f e t y p r e c a u t i o n s o f t h i s p r o j e c t for t h e r e f e r e n c e o f s i m i l a r p r o j e c t s Ke y wo r d s ： T BM； s u p e r- l o n g d i v e r s i o n t u n n e l ； l i n i n g s e g me n t ； c r a c k t r e a t me n t ； c h e mi c a l g r o u t i n g ； wa t e r s o l u b l e p o l y u r e t h a n e ； s i n g l e c o mp o n e n t p o l y u r e a 1 工程 概况 某引水工程总干渠引水 隧洞 ，全长 1 8 2 7 5 k m， 其断面为 圆形 ， 开挖直径为 5 7 5 I n ， 衬砌施工后净断 面直径为 4 9 6 In，采用双护盾全断面掘进机 ( 简称 T B M) 开挖 ， 预制 C 4 5钢筋混凝土管片衬砌 。衬砌管 片为蜂窝状六边形结构， 宽 1 6 In 、 厚 2 8 S In， 每 4 片 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 1 1 5 作者简介 ： 孟丽娟， 女， 1 9 8 0生， 工程师， 主要从事工程咨询、 检 测、 评估及施 工工作。联 系地址 ： 1 0 0 0 3 8北京市海淀区玉渊潭 南路 3号 。 组成 1 环。引水隧洞开挖所用 的 T B M主机长 1 3 I l l ， 包括前盾 、 伸缩盾 、 撑紧盾和尾盾 ； 后配套系统长约 1 7 3 In， 配备精确导 向和调整 系统 ， 包括监测操作和 运行的电子系统 ， 能根据检测的参数 ， 发现和纠正运 行差错 ，保证隧洞轴 向和坡度的偏差在允许范 围之 内， 满足掘进、 支护、 管片安装、 豆砾石回填及灌浆等 工作的要求。另外工程还配备 1台超前钻机 ，可在 3 6 0 。 的范围内完成深 3 0 In、直径不小于 6 4 m i l l 的钻 孔 。 T B M掘进 自2 0 0 9年 l 2月上旬开始 ， 2 0 1 1 年 1 1 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 墨 一 爱 嘲 曩 露弧蠢 吣 秘 勰搿 雕露 霉 曩 叠 曩 “ 月中旬隧洞贯通完成。施工完成后， 发现钢筋混凝土 衬砌管片产生了大量裂缝 ，为保证工程的长久运行 ， 提高钢筋混凝土的耐久性以及保证引水隧洞不渗漏， 对混凝土裂缝进行了化学灌浆和表面封闭处理。其 中 ， 宽度 0 2 m m的裂缝 ， 先进行化学灌浆 ， 再采用 环氧砂浆抹平； 宽度0 2 m m的裂 缝 5 6 5 3条 ， 总计 长度 8 9 0 2 1 6 m， 约 占所有裂缝总 长度的 1 9 1 6 ， 缝宽 0 2 m m的裂缝 2 4 3 8 9 条 ， 总计 长度 3 7 5 6 4 0 2 m，约 占所有裂缝总长度 的 8 0 8 4 ； 裂缝走 向绝大部分为纵 向裂缝 ， 极少量为斜向及环向 裂缝 ， 单条裂缝最 长为 2 2 I I 1 ， 最短为 O 3 m， 宽度最 大为 4 0 m m， 最小为0 0 4 m m 。 再对裂缝分布情况进行统计分析。把隧洞等分 为 3段 ， 进 口段裂缝总长 7 2 8 0 4 m， 占所有裂缝总长 的 1 5 6 7 ； 中间段裂缝 总长 3 7 4 1 8 3 2 IT I ， 占所有裂 缝 总长的 8 0 5 3 ； 出 V 1 段裂缝总长 1 7 6 7 4 6 m， 占所 有裂缝总长的 3 8 0 。如果按照环片位置分布统计 ， 裂缝总计 3 0 0 4 2 条。其中， 底板 A环共计 2 6 1 条， 占 比 0 8 7 ； 顶拱 B环 5 4 7 2条 ， 占比 1 8 2 1 ； 面 向上 游左腰部位 C环共计 1 0 6 9 8 条， 占比3 5 6 1 ； 右腰 D环共计 1 3 6 1 l 条 ，占比 4 5 3 1 。从统计结果看 ， 8 0 9 2 的裂缝处于隧洞腰部部位 ，且主要集 中在腰 部管片的中间位置。 裂缝基本呈内表层分布 ， 以张裂缝为主 ， 没有碎 裂现象 ， 裂缝表面较宽 ， 随深度增加逐渐变细和消失 ， 基本没有渗水， 裂缝深度一般为 5 1 3 c m， 大部分深 度在 5 c m以内， 极少数较宽的裂缝集中在顶拱部位 。 m-一 裂缝密集 区集 中在隧洞中部 区域 ， 位于洞腰部位 ， 大 多左右侧 同时分 布 ，且分段 出现。裂缝长度大多为 1 6 m， 贯穿管片宽度， 裂缝最多的一环有 3 5 条 ， 裂缝 最多的一个环片有 1 7 条 。 2 2 裂缝产生原 因分析 基于衬砌管片裂缝为施工后发现 ，据此分析 裂 缝应该是在施工过程中产生的。衬砌管片在安装过 程中， 主要承受的外力作用有： 管片安装就位过程中 的挤压、 不 良地质围岩坍塌和缩孔形成的挤压、 豆砾 石回填和回填灌浆对管片的挤压、 T B M向前及纠偏 过程中对管片的挤压等。这些挤压在管片上的力的 类型有 内张型、 外压型、 横推挤压型等 ， 而管片预制采 用高温养护 ，自身存在因温度降低产生的温度应力 等。从裂缝产生的部位和形状分析 ， 应该是内张型应 力过大， 超出混凝土抗拉强度引起了开裂， 开裂至钢 筋部位时 ， 由于钢筋的作用 ， 抵御了较大拉应力 ， 避免 了裂缝进一步延伸 ， 所以大多数裂缝的深度较浅 。从 裂缝产生的时间看 ，管片安装后并没有马上出现裂 缝， 而在安装 3 8 环管片后产生了裂缝， 此时正是管 片承受围岩坍塌、 T B M推进及纠偏 、 温度应力等最大 的时候 ， 由此推测 ， 裂缝 的产生应该是由地质 因素引 起的， 在温度应力和 T B M推力 的作用下 ， 管片受到的 不均匀外力过大而形成。 引水隧洞穿越薄层黄土覆盖的中低 山峁梁区， 最 大埋深 4 4 4 m。 隧洞 围岩既有前震旦 系深变质 的大理 岩、 花岗片麻岩， 又有上、 下第三系碎屑沉积岩。沉积 岩胶结程度差， 对水非常敏感， 单轴饱和抗压强度最 低 l M P a ，最高 8 0 M P a ，岩性多变，地质条件复杂。 T B M施工遇到的主要 问题是不完全胶结的碎屑沉积 岩和断裂破碎带等极不稳定， 易发生大范围坍塌。采 用双护盾 T B M开挖 ，盾体可以对不稳定围岩进行临 时支护。但在掘进过程 中， 这种不稳定地层产生的缩 孔或坍塌， 还可能导致机头下沉或偏斜， 为保证管片 安装平整 以及开挖过程中对 T B M的纠偏调整 ，必须 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 要对管片施加较大的反作用力， 这种反作用力不均匀 地作用在管片内表面时， 管片产生较大拉应力， 当拉 应力大于混凝土抗拉强度时 ，导致管片混凝土开裂 。 因此 ， 裂缝分布与地质条件密切相关 ， 也是呈现分段 分布， 并非完全连续分布。 3 裂缝治理方案 钢筋混凝土管 片衬砌是组成输水隧洞的重要结 构， 其耐久性能、 防渗性能对输水工程的长久运行非 常重要 。本工程钢筋混凝土管片裂缝虽然大部分较 浅， 但基本都穿透了钢筋保护层， 如不进行处理， 势必 导致钢筋锈蚀 ， 影响结构的耐久性 ； 而对于少量穿透 性渗水裂缝， 则更应进行防渗加固处理。依据设计要 求 ，对缝宽0 2 m m的裂缝进行化学灌浆处理 ， 以恢 复结构的整体性 ， 提高管片的抗渗性能和耐久性能 。 3 1 裂缝化学灌浆 对于宽度I0 2 m m的裂缝，采用化学灌浆法进 行处理。沿裂缝走向， 以裂缝为中心， 按照设计要求 开凿 口宽度与深度均不大于 3 0 mm的 V形槽 ，开槽 时不得损伤、 割断钢筋。 根据裂缝开度及长度的不同， 沿裂缝走向 ， 在距裂缝 中心旁侧 ， 与裂缝缝面斜交钻 化学灌浆孔 ，孔深 2 0 0 mm，确保所造孔能够贯穿裂 缝。v形槽采用环氧砂浆嵌填并进行抹平处理。 化学灌浆孔孑 L 距依据裂缝开度及长度的不同， 按 照以下原则布设 ： 1 ) 长度 1 0 m的裂缝 ， 单片衬砌管片沿裂缝走 向等间距分为 3 段 ， 布设 2个灌浆孔 ； 2 ) 长度 1 0 m的裂缝， 单片衬砌沿裂缝走向等 间距分为2 段， 布设 1 个灌浆孔。 灌浆材料采用 H W 和 L W 水溶性聚氨酯灌浆材 料， 按 H W：L W= 1 5 ： 1 ( 体积 比) 灌注， 灌浆压力为 O _3 MPa 。 质量检查采用压水检查及钻孔取芯方法 。每 2 0 条缝取 1 条进行压水 ， 1 0 0条缝取 1 支芯样 。 3 2 裂缝表面止水封闭 对于宽度 4 0 参照 DL T 5 1 9 3 参照 DL T 5 1 9 3及 MP a 湿面 2 0 GB， r 1 6 7 7 7 抗冲磨强度 h ( g c m 2 ) 2 5 参照D L T 5 1 9 3 立 面施工性能 不下坠 单次施工厚度 1 0 mm 环氧砂浆固化后 ， 进行灌浆孔钻孔， 斜交灌浆孑 L 钻好后 ， 采用压力水或高压风将孔内浮碴与岩粉等清 理干净，埋置铝制灌浆管。然后进行压水或压气 ， 检 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 曩 ” ； t 鞭戮 群 雕 一 嚣 豫 臻 雕 辨 糍 融 查灌浆孔及裂缝之间是 否串通 ，以及封缝和埋管效 果， 并初步判断吸浆量的大小。若不串通 ， 则必须重 新清理至干净或重新布孔 ， 直到串通为止。本工程裂 缝大多较浅 ， 原设计灌浆孔和裂缝相交在孔深 1 0 e m 的位置， 基本已处于裂缝末端甚至没有裂隙的区域， 根据钻孔检查情况 ， 及 时调整钻孔角度 ， 有些裂缝因 太浅或太细 ， 串通性差 ， 则采取 增加灌浆孑 L ， 缩短孔 间距进行灌浆。 灌浆采用单缸化学灌浆泵， 浆液配制依据少量多 次的原则。竖直裂缝或斜缝的灌浆 自下而上进行 ， 水 平裂缝选择通畅性最好的孑 L ( 嘴 ) 开灌 ， 向两端依次进 行。灌浆过程中， 一次性提升灌浆压力至 0 - 3 MP a ， 并 保持压力稳定。每个灌浆孔达到灌浆要求后， 封闭灌 浆嘴待凝 3 5 d ， 浆液凝胶后， 将衬砌管片外露铝制 灌浆管切除 ， 采用环氧砂浆填平并抹光表面。 4 2 表面止水封 闭施工 表面止水封闭采用单组分聚脲防水涂料 ， 聚脲对 施工条件要求较苛刻，基面潮湿或在潮湿环境下施 工， 都会影响其与混凝土的粘结性能。 单组分聚脲涂料施工时， 首先使用打磨机清除基 层表面的浮尘、 浮碴、 碎屑、 油污等， 再对打磨后的混 凝土表面进行清( 吹) 洗 、 干燥。潮湿基面采用喷枪进 行干燥处理。 然后涂刷聚脲专用界面剂 ，要求涂刷得薄而均 匀。待界面剂表干后 ， 刮涂单组分聚脲涂料， 要求聚 脲涂层厚度不小于 2 0 m m， 根据环境温度高低 、 风力 的不 同， 分 2 4遍 涂刮 ， 每遍间隔时间 6 1 2 h ( 视施 工 区域环境温度而定 ) ， 前道涂层表干后方可进行后 道涂层施工。 4 _ 3 施工安全措施 本治理工程施工时 ， 原有供 电及通风设施已全部 撤除， 针对超长隧洞通风较差 ， 施工中存在灰尘多 、 噪 音大、 化学品易燃等安全隐患， 加上空气中缺氧， 一氧 一 化碳 、 二氧化碳超标等可能给施工人员带来危险的因 素， 而制定了相应的防范措施。 这些措施包括： 选用除 尘打磨机， 减少粉尘量； 配备空气检测仪对洞内氧气、 一 氧化碳 、 二氧化碳进行检测 ； 改装电瓶车， 满足长距 离运输需要， 减少有害气体的排放； 杜绝使用汽油发 电机或汽油机交通设备进洞； 准备低压长距离增压增 流变压器和电缆 ，一旦发现洞 内空气条件无法施工 时 ， 实施低压进洞供 电、 分段施工等措施。施工 中发 现 ， 洞内通风条件与外界温度及风向、 风力有关 ， 使用 3台 1 5 k w柴油发电机， 基本满足施工要求。 5 结语 1 ) T B M集钻挖 、 掘进 、 支护 于一体 ， 全部作业及 监控自动化程度高，掘进过程中始终处于最佳状态， 在施工过程 中， 混凝土衬砌管片时常产生裂缝且很难 避免 ，在改进 T B M施工设备及提高操作人员技术水 平 的同时 ， 对产生 的裂缝也应根据具体情况 ， 制定详 细的处理方案。 2 ) T B M衬砌混凝土管片裂缝特点是细、 浅， 但大 多横穿整个管片， 采用表面止水封闭， 仅封闭了内表 面， 渗水仍可能从管片接缝渗人裂缝， 尽管这些接缝 通过嵌缝进行了防渗， 现场发现这些部位仍然是防渗 的薄弱部位； 而采用化学灌浆进行处理， 在对裂缝表 面进行封 闭止浆 的同时 ， 对裂缝也进行了充填 ， 将达 到更好的效果。通过本工程 的治理 ， 我们认为 ， 裂缝 处理前对裂缝的调查尤其是裂缝深度的调查是非常 重要的 ， 裂缝处理应 以灌浆 为主 ， 灌浆材料以采用黏 度低 、 粘结强度好的浆材为宜 。当然 ， 灌浆材料 的选 择以及灌浆孔问距、 布孔方式、 钻孔角度等， 应根据工 程处理 目的、 裂缝状态、 渗水情况、 灌浆设备、 浆液扩 散能力等来确定， 并根据现场隋况及时调整。一般说 来 ， 对于表面裂缝 ， 以表面封闭 、 贴嘴灌注环氧浆液工 艺为宜 ； 而对于渗水裂缝 ， 以钻孔灌注聚氨酯浆液为 宜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m