某城市輸水渠道工程土質隧洞內部缺陷處理及工藝對比

傅 柯

(西安水務(集團)黑河輸水渠道管理有限公司,陜西省西安市曲江新區雁南五路6號 710061)

早在公元前120～前111年,中國就在今陜西省龍首渠上修筑了長達10余里的輸水隧洞。近代,由于灌溉、供水和水電建設的發展,采用隧洞的工程日益增多。20世紀60年代以后,隨著巖石力學、施工技術以及新奧地利隧洞施工法的應用和計算技術的發展,輸水隧洞建筑規模不斷擴大,設計理論也逐步趨向合理,預應力襯砌、錨噴支護、利用高壓噴射灌漿在軟基上開挖洞室、將襯砌與圍巖視為整體的有限單元法等都在發展[1]。世界上最長的輸水隧洞是芬蘭為首都赫爾辛基供水修建的長達120km的引水隧洞。我國目前建成最長的土質輸水隧洞為鄂北工程紀洪隧洞,該隧洞全長10.35km,地跨兩省三地,施工區域大部分位于軟土層,圍巖穩定性差、飽和膨脹土、滲水量大。土質輸水隧洞的缺陷類型主要有:層間縫和結構錯臺縫;蜂窩、露筋;表面脫皮、破損、麻面、水波紋及水泡;表面氣泡、表面麻點和返砂。

1 工程概況

某城市輸水渠道工程土質隧洞采用馬蹄型輸水斷面,頂拱與側、底拱半徑之比采用R1∶R2=1∶2,水力學計算結果為滿足輸水流量和凈空要求的頂拱半徑R1=1.25m,隧洞內凈高及凈寬均為2.5m。穿越地層巖性多為不穩定的V類,在洞進出口和地下水位高于洞底的洞段采用鋼筋砼結構,側、頂拱及底板厚均為300mm;在地下水位低于洞底的洞段采用變厚度的砼結構,頂拱頂部壁厚300mm,頂拱底部壁厚漸變為350mm,底板厚300mm。自竣工后運行至今已達30余年,由于城市供水需求矛盾突出,從未進行過停水檢修。

2 發現問題及原因分析

前期嘗試利用水下機器人專業檢測手段開展檢測,由于隧洞內水流流速過快,機身較輕,造成水下拍攝視頻模糊不清,未達到預期效果。2022年2月,管理單位利用城市某水廠出水管道檢修更換、施工停水的有利時機,組織技術人員通過人工進入隧洞內部觀察,發現隧洞內部均存在不同程度裂縫、滲漏、沖刷坑等水工病害缺陷。

2.1 裂縫

缺陷部位:大部分存在于隧洞底板,部分存在于隧洞洞頂附近。

缺陷描述:在距離洞口700m處隧洞底板施工分縫處存在一條與水平流成27°裂縫,裂縫尺寸:長度15m、最大開度3cm、深度20cm。在1300m處存在一條縱向裂縫(長度60m、最大開度3cm、深度20cm),底板局部錯臺(最大開度近4cm);在1450m處還存在2條環向裂縫,裂縫尺寸:深度10cm。

2.2 滲漏

缺陷部位:存在于隧洞頂部、側壁表面和施工分縫處。

缺陷描述:隧洞頂部發現個別滲漏點呈射水狀,側壁表面存在多處局部滲漏,施工分縫處混凝土存在面滲或點滲。

2.3 沖刷坑

缺陷部位:存在于隧洞水面線以下的部位。

缺陷描述:在側墻水面以下發現條帶狀破損10余處,長度3～5m、寬度4～10cm、深度3～7cm;沖刷坑100余處,長度5～6cm、寬度4～7cm、深度3～5cm;還有兩處深片狀沖刷破壞,長度50m、寬度30cm、深度0.5～1cm;地板鼓包兩處,呈倒三角狀,面積0.32m2。

3 原因分析

針對現場調查發現的問題,認真分析查找產生原因。具體分析如下:(1)隧洞開挖后,在隧洞周圍一定范圍內形成了圍巖松動區。在此范圍內,由于地層原始地應力的調整,圍巖產生變形,裂縫張開,從而使地下水沿張開裂縫流入隧洞[2]。(2)受施工工藝落后、設計標準低、水流長期沖刷氣蝕作用等因素影響,部分隧洞水面線以下洞表面出現沖刷坑。(3)因施工分縫橡皮、刨花板等止水材料老化過期、破損;部分滲漏點因施工混凝土冷縫保護層不夠,碳化、裂縫綜合作用導致滲漏情況出現。(4)施工過程中由于供料間斷及換管迫使混凝土澆筑中斷時間超過混凝土的初凝時間,繼續澆筑混凝土時,原有的混凝土基礎表面無法且沒有進行鑿毛處理,也沒有鋪水泥砂漿墊層,就在原混凝土表面澆筑混凝土,致使新舊混凝土接茬處出現層間縫和結構縫錯臺。

4 缺陷處理及工藝對比

4.1 隧洞內底板和側墻之間形成的縫隙處理

4.1.1 處理內容

隧洞整體為混凝土結構,經查閱相關設計資料后得知,澆筑過程為先澆筑洞內弧形側墻,后澆筑混凝土底板。經檢查發現,隧洞內存在一段17m長,平均寬度為3cm(最大寬度3.5cm),平均深度為30cm(最大深度35cm)的縫隙,該部分施工的主要內容為填充環氧砂漿,表面采用聚氨酯彈性體進行封閉。

圖1 底板與側墻混凝土之間縫隙Fig.1 Gap between the bottom plate and the concrete of the side wall

4.1.2 主要施工方法及工藝流程

施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖Fig.2 Construction process flow chart

圖3 底板空鼓缺陷Fig.3 Defects of hollow drum in bottom plate

主要施工方法如下:

(1)混凝土縫隙清洗。采用高壓清洗機對施工區域進行清理,將縫內淤泥和雜物以及表面附著的雜質進行徹底清除。否則,會嚴重影響修補材料與混凝土的粘接效果[3]。

(2)混凝土基面清理。采用角磨機對縫隙兩側10cm的范圍進行打磨處理,將混凝土表面結合不牢的物質打磨清除掉,露出新鮮的混凝土基面,采用潔凈的干抹布對施工面進行擦拭,并盡可能清除混凝土表面附著的水分,保證基面效果。

(3)潮濕固化界面劑配制。采用專用的潮濕固化界面劑,界面劑一次配制采用現用現配的方式進行。各成分比例按照合適的比例控制,并根據施工時環境溫度進行實時調整。

(4)環氧砂漿拌制。環氧砂漿的固化時間較快,一般在1h之內必須用完,因此環氧砂漿的拌制應遵守現用現配的原則,防止施工速度跟不上造成材料浪費。由于環氧砂漿的用量不大,施工現場采用人工拌制,每次拌制量不超過4kg。

(5)涂刷潮濕固化界面劑。在基面涂抹一薄層修補用的界面劑,以增加環氧修補材料與修補基面的粘接強度[4]。涂刷采用軟毛刷進行,界面劑厚度約為1mm,涂刷要求均勻且無漏涂部位,并沿縫隙邊緣分別向側墻和底板擴展約5cm,待界面劑初凝時填筑環氧砂漿。

(6)填充環氧砂漿。把按規定配比拌制均勻的環氧砂漿直接填筑到涂刷過界面劑的混凝土基面上,縫隙內采用專用工具進行填充,并搗勻砸實。在縫隙填充完畢后,沿縫隙邊緣分別向側墻和底板擴展約5cm進行填筑,砸實抹平,在修補區域形成約3cm厚的保護層。

(7)聚氨酯彈性體封閉。環氧砂漿在硬化后,對修補部位采用聚氨酯彈性體材料進行封閉,涂刷1遍,在涂刷過程中確保聚氨酯涂刷均勻平整,避免出現漏涂、孔洞等現象。

4.2 底板混凝土空鼓部分結構處理

4.2.1 處理內容

該缺陷部位位于隧洞底板一條施工縫與側墻接觸的兩端,其中表層約1.5cm混凝土發生空鼓,與底層混凝土發生脫離,面積約為0.17m2,兩處破損區域均成三角形,表層破損混凝土與底層混凝土之間存在大量淤泥及雜物。該部分施工的主要內容為清除該區域空鼓混凝土,清除夾層中的淤泥和雜物,采用環氧砂漿填充抹平該區域。

4.2.2 主要施工方法及工藝流程

施工工藝流程如圖4所示。

圖4 施工工藝流程圖Fig.4 Construction process flow chart

圖5 側墻混凝土條帶狀破損缺陷Fig.5 Damage defects of concrete strip on side wall

主要施工方法如下:

(1)破損混凝土鑿除。施工前應確定空鼓混凝土處理區域,施工中將該區域空鼓翹起的混凝土全部進行鑿除,鑿除的混凝土廢料全部運送至隧洞外。

(2)混凝土基面清理。采用高壓清洗機對該區域進行清洗,采用角磨機打磨處理區域,露出新鮮的混凝土基面,用高壓清洗機對基面進行清理,采用潔凈的干抹布對施工面進行擦拭,盡可能清除混凝土表面附著的水分,保證基面效果。

(3)潮濕固化界面劑配制。界面劑一次配制,采用現用現配的方式進行。界面劑比例按照合適的比例控制,并根據施工時環境溫度進行實時調整[5]。

(4)環氧砂漿拌制。環氧砂漿的固化時間較快,一般在1h之內必須用完,因此環氧砂漿的拌制應遵守現用現配的原則,防止施工速度跟不上造成材料浪費。

(5)涂刷界面劑。涂刷采用軟毛刷進行,界面劑厚度約為1mm,涂刷要求均勻且無漏涂部位,涂刷中著重對邊緣區域及陰角部位進行涂刷,待界面劑初凝時填筑環氧砂漿。

(6)填充環氧砂漿。把按規定配比拌制均勻的環氧砂漿直接填筑到涂刷過界面劑的混凝土基面上,縫隙內采用專用工具進行填充,并搗勻砸實抹平。

4.3 混凝土側墻坑洞及混凝土側墻條帶狀破損區域處理

4.3.1 處理內容

該類型坑洞及條帶狀破損缺陷分布于整個隧洞約1.5km范圍內,部分坑洞深度達到8cm左右,平均深度約為5cm左右,數量為30個,條帶狀破損區域長度均在80cm以上,合計長度約為30m,平均深度約為3cm。該部分施工的主要內容為清除坑洞(條帶狀破損區域)表面污物,采用環氧砂漿進行填補抹平。

4.3.2 主要施工方法及工藝流程

施工工藝流程如圖6所示。

圖6 施工工藝流程圖Fig.6 Construction process flow chart

主要施工方法如下:

(1)混凝土破損面清理。對于坑洞和條帶狀破損區域附著的污泥采用刮刀等工具進行剔除,然后采用濕抹布擦拭,清除附著的污物,再采用干抹布擦拭清除表面附著水分,盡可能保證處理區域潔凈、表面無明水,否則,會嚴重影響修補材料與混凝土的粘接效果。

(2)潮濕固化界面劑配制。界面劑一次配制采用現用現配的方式進行,界面劑比例按照要求的比例控制。

(3)環氧砂漿拌制。由于該區域主要存在于側墻,故而在環氧砂漿拌制過程中應調整砂漿配比,在保證砂漿的強度和工作性前提下,采取防止砂漿出現流墜的措施,保證施工的順利進行[6]。

(4)涂刷界面劑。涂刷采用軟毛刷進行,界面劑厚度約為1mm,涂刷要求均勻且無漏涂部位,涂刷中著重對坑洞較深部位進行涂刷,待界面劑初凝時填筑環氧砂漿。

(5)填充環氧砂漿。把按規定配比拌制均勻的環氧砂漿直接填筑到涂刷過界面劑的修補界面上,填充后采用灰刀搗勻,用木榔頭砸實并用抹刀壓實抹平,確保處理效果。

5 效果評價及建議

5.1 效果評價

該土質隧洞內部缺陷經過處理后,自2022年3月至今持續供水,原滲水部位沒有再發生漏水現象,所有的滲漏缺陷全部封堵完成,混凝土表面無滲水,整體外觀得到有效改善,提高了混凝土結構耐久性。選取不同的表面封閉材料進行封閉處理,提升整體缺陷區域的抗滲能力。解決了土質輸水隧洞安全使用的問題,處理效果良好。通過對某長距離輸水渠道工程土質隧洞進行內部缺陷處理,從技術性、經濟性綜合考慮,在正常使用狀態下,可以保證隧洞結構安全,運行工況正常[7]。

5.2 管理建議

(1)利用每年停水時機,引進并采用面波法技術、探地雷達技術、三維激光掃描技術等先進技術[8],對該土質隧洞開展較為全面地檢測,明確隧洞存在的“隱性”缺陷,為后期隧洞內部缺陷處理提供科學依據。

(2)對該土質隧洞區域編制完善的應急預案,樹立有效的警示標牌,進行一次全面專業的排查、檢查,把控好實際運行狀況。

(3)每季度對該土質隧洞外部的運行環境進行一次全面巡查,沿線增加觀測區域和觀測點,應及時有效掌握隧洞的運行狀況。

(4)打造專業化技術團隊,加強對技術人員與管理人員的綜合素質和技術水平的培訓教育。制定培訓計劃和培訓方案,按照方案和計劃對技術人員與管理人員進行深度培訓,補充專業技術知識,提升人員綜合素質。

(5)引入專業信息管理平臺,完善運行管理過程中相關技術資料的保管,建立隧洞安全監測系統,加強對該土質隧洞的安全監測。在起控制作用的重點部位,設置不同數量的重點監測斷面,以加強運行期對工程安全的監測,確保工程安全。

(6)每年進行一次全方位的安全隱患排查工作,間隔3年進行一次系統的安全性綜合評價。在維持目前使用狀態情況下,應定期進行維護和觀察,一旦出現異常情況應立即組織某長距離輸水渠道工程管理部門采取應急措施。