引灤隧洞重點病害低強混凝土治理問題分析

王 崢，張 偉

（天津市引灤工程隧洞管理中心，河北 遷西 064300）

引灤入津工程輸水隧洞起點是河北省遷西縣大黑汀水庫，終點是河北省遵化市黎河接官廳村之間的分水嶺地帶，是整個引灤入津工程的關(guān)鍵部分。引灤隧洞在1982 年5 月開始施工，1983 年底建成通水。隧洞工程是引灤輸水線的咽喉，是天津人民的生命線，為保證隧洞工程安全運行，天津市引灤工程隧洞管理中心需要定期對隧洞進行檢查和維護。

2012 年，天津市引灤工程隧洞管理中心委托南京水利科學(xué)研究院對隧洞工程進行了系統(tǒng)全面的安全鑒定，鑒定結(jié)論提出隧洞襯砌混凝土離散型較大、存在大面積低強混凝土，隧洞長期陰暗潮濕且擔負引灤通水功能，低強混凝土危及隧洞安全，亟待處理。針對上述病害，對病害明顯的隧洞洞段進行了檢測試驗，分析其產(chǎn)生的原因。在此基礎(chǔ)上，筆者借鑒以往隧洞低強混凝土情況的解決方案，研究提出一套能夠解決引灤隧洞存在問題的方案。

1 試驗安全評價

本次采用超聲回彈綜合法，結(jié)合少量鉆芯取樣，對襯砌混凝土強度進行檢測。

1.1 超聲回彈檢測

超聲回彈檢測結(jié)果為：各隧洞試驗洞段混凝土強度平均值最大為42.9 MPa，最小為18.7 MPa；所有測區(qū)中，強度最小值為8.5 MPa；各洞段襯砌混凝土強度的離差系數(shù)為0.15～0.33。

1.2 鉆芯檢測

鉆芯檢測結(jié)果為：強度最大值為55.3 MPa，最小值為9.6 MPa；強度平均值為28.2 MPa，離差系數(shù)為0.34；強度不小于20 MPa的芯樣占82.0%。

1.3 強度質(zhì)量評價

20個洞段中，評價等級為“正?！钡亩炊?個，占35%；等級為“基本正?！钡亩炊? 個，占25%；等級為“不良”的洞段4 個，占20%；等級為“差”的洞段4個，占20%。

如果按照長度范圍統(tǒng)計，等級為“差”的洞段長度約1.22 km，占隧洞總長度的10.7%。

1.4 與歷次檢測結(jié)果的比較

將本次檢測與1991、1992、2000、2003和2008年進行過的5 次檢測的結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)歷次檢測與本次檢測所對應(yīng)洞段的襯砌混凝土強度質(zhì)量水平是基本吻合的，符合隧洞襯砌混凝土強度質(zhì)量實際情況。

隧洞襯砌混凝土強度質(zhì)量評價結(jié)果，詳見表1。

表1 隧洞襯砌混凝土強度質(zhì)量評價結(jié)果

低強混凝土外觀，如圖1所示。

圖1 低強混凝土外觀

2 低強混凝土成因分析

2.1 低強混凝土缺陷特征

在低強混凝土部位鉆取的芯樣內(nèi)部缺陷明顯，具有以下特征。

（1）芯樣密實性差，斷裂或不成型，有氣孔，蜂窩狀缺陷相連貫。

（2）芯樣骨料不勻，骨料少或集中在某一部分，有的部位全為砂，形成砂石或砂夾層，深度一般為100～300 mm。砂石夾層內(nèi)無水泥膠結(jié)的“膠凝結(jié)構(gòu)”，呈松散體。

（3）芯樣均質(zhì)性差，有的中間夾20～30 mm粉狀凝結(jié)物，有的中部有異物。

（4）低強混凝土襯砌表面大面積常年陰濕而致的滲水溶蝕（隱滲或表層明流）在邊墻上形成懸掛的“白色帷幕”或淡黃色的貼壁凸起的混結(jié)不規(guī)則柱體。

2.2 低強混凝土形成主要原因

（1）施工期混凝土攪拌不均勻，水泥漿與粗細骨料分離，是工程運用中形成麻面、砂石夾層的根源。

（2）施工中對毛洞壁面的集中滲水（股流、線流）未能徹底引排，導(dǎo)致滲水將液態(tài)混凝土中的水泥漿沖失，是后期形成貫穿性孔洞（穴）的根源。

（3）施工中對毛洞壁面的大面積滲水未能集中引排，導(dǎo)致滲水摻混到液態(tài)混凝土中，從而使其水灰比增大，造成分布不均勻的低強混凝土產(chǎn)生。

（4）隧洞運用期內(nèi)，地下水補給豐沛洞段的混凝土長期處在壓力滲水作用的不利環(huán)境中，加速其溶蝕進程，這也是襯砌表面長期維持潮濕滲水（隱滲及表面明流）的根本原因。

3 低強混凝土襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法

計算考慮巖石彈性抗力作用，按照力法計算城門形襯砌斷面原理，采用積分簡化的查表法進行計算。計算及結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示，襯砌分段示意如圖3所示。

圖2 計算及結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 襯砌分段示意

4 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計算

主要參數(shù)計算結(jié)果，詳見表2。

表2 主要參數(shù)計算結(jié)果

為簡化計算，不計側(cè)向山巖壓力及內(nèi)水壓力，同時不計拱座即側(cè)墻底部轉(zhuǎn)角影響，β=0。

4.1 計算主要公式

計算以襯砌中心線作為拱軸線。

4.1.1 剛臂長度

其計算公式為：

式中：r為頂拱計算半徑（m）；Ac為計算系數(shù)，根據(jù)計算矢高與頂拱計算半徑比值查表得到。

4.1.2 各截面軸力

其計算公式為：

式中：Np為各種外荷載作用下的軸力（kN）；X2為彈性中心處多余未知力（kN）；φ為各截面位置處與軸線夾角（0）。

4.1.3 應(yīng)力計算

其計算公式為：

式中：σ外為外緣應(yīng)力（MPa）；σ內(nèi)為內(nèi)緣應(yīng)力（MPa）；N為截面軸向力（kN）；F為襯砌截面面積（m2）；e為軸向力對截面中心的偏心距（m）；d為襯砌厚度（m）。

4.2 計算結(jié)果

各襯砌截面邊緣應(yīng)力計算結(jié)果，詳見表3。

表3 各襯砌截面邊緣應(yīng)力計算結(jié)果

4.3 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)論

由應(yīng)力計算結(jié)果可知，襯砌外緣最大壓應(yīng)力為1.52 MPa，內(nèi)緣最大壓應(yīng)力為1.75 MPa，均小于安全鑒定報告混凝土強度檢測值，由此表明目前襯砌結(jié)構(gòu)基本是穩(wěn)定的。

5 低強混凝土治理方案

5.1 危險等級劃分

經(jīng)分析計算發(fā)現(xiàn)，目前低強混凝土洞段襯砌結(jié)構(gòu)基本是穩(wěn)定的。為避免混凝土強度進一步降低對襯砌結(jié)構(gòu)安全造成影響，治理方案主要考慮最大限度地提高混凝土強度，增加其耐久性。

低強混凝土治理部位可結(jié)合2009 年上海交通大學(xué)對隧洞混凝土襯砌質(zhì)量進行的全洞無損檢測成果確定。根據(jù)檢測到的混凝土強度取值，將襯砌結(jié)構(gòu)分為不同的危險等級：①高危險級別，對應(yīng)混凝土強度為設(shè)計強度的50%以下，由A 表示；②中危險級別，對應(yīng)混凝土強度為設(shè)計強度的50%～75%，由B 表示；③低危險級別，對應(yīng)混凝土強度為設(shè)計強度的75%～100%，由C 表示；④安全等級，對應(yīng)混凝土強度為設(shè)計強度的100%及以上，由D表示。

經(jīng)統(tǒng)計，本次治理范圍3+800—4+800洞段內(nèi)不滿足設(shè)計強度的混凝土總面積為3 398.66 m2，其中高、中危險級別面積625.03 m2，占18.39%；低危險級別面積2 773.63 m2，占81.61%。

為比較徹底解決低強混凝土問題，對不滿足混凝土設(shè)計強度75%的洞段（高危險級別、中危險級別）采取邊墻局部鑿除后重建的治理方案，以完全恢復(fù)原設(shè)計強度值；對混凝土強度為設(shè)計強度的75%～100%的洞段（低危險級別）采用化學(xué)灌漿治理，適當提高混凝土強度，增強其耐久性。

5.2 低強混凝土局部鑿除重建

對不滿足混凝土設(shè)計強度75%的洞段采取局部鑿除重建的治理方案，以完全恢復(fù)原設(shè)計強度值。

先對低強范圍內(nèi)混凝土鑿除，鑿除深度25 cm。對連續(xù)大面積低強混凝土鑿除應(yīng)分塊進行，每塊原則上不得超過3 m，待重新澆筑、混凝土強度達到設(shè)計強度后，再進行下一塊鑿除。

鑿除施工中，應(yīng)對原襯砌鋼筋予以保留，若發(fā)現(xiàn)原鋼筋已銹蝕或損壞，應(yīng)割斷原鋼筋重新進行焊接，雙面焊不小于5 d（d 為鋼筋直徑），單面焊不小于10 d，焊接應(yīng)滿足《鋼筋焊接及驗收規(guī)程》要求。焊接新鋼筋后，再對新老混凝土接觸面涂丙乳界面劑，最后澆筑C25 混凝土?；炷猎跐仓戤吅蟮?2 h以內(nèi)（視施工氣候條件定），應(yīng)加以覆蓋和灑水，當氣溫低于0.5℃時，應(yīng)覆蓋保溫，不得向混凝土灑水，可先覆蓋1層塑料膜，再加蓋保溫層。低強混凝土鑿除重建布置，如圖4所示。

圖4 低強混凝土鑿除重建布置

5.3 低強混凝土灌漿處理

對混凝土強度為設(shè)計強度的75%～100%的洞段采用化學(xué)灌漿治理，適當提高混凝土強度。

通過試驗，化學(xué)灌漿是目前低強混凝土補強加固的最有效措施，可以最大限度地阻止混凝土病害進一步發(fā)展，增加混凝土強度和耐久性。

5.3.1 清理基面，封堵排水孔

隧洞輸水結(jié)束后，應(yīng)對邊墻低強混凝土區(qū)域表面進行清理，其目的是露出混凝土面，查找滲漏點；并對已有排水孔進行封堵，封堵采用C10 素混凝土或M10砂漿。

5.3.2 表面局部松散混凝土鑿除

在清理基面過程中發(fā)現(xiàn)的表面局部松散混凝土應(yīng)予以鑿除，并重新填筑C25混凝土，表面用砂漿抹平。

5.3.3 化學(xué)灌漿

化學(xué)灌漿選用環(huán)氧類漿材，可最大限度地提高混凝土強度。灌漿采用純壓式灌漿方式。正式灌漿施工之前，先進行現(xiàn)場灌漿試驗，包括對漿材配置、施工組織、施工工藝和技術(shù)措施的檢驗。

灌漿孔為300 mm×300 mm 矩形布置，以斜向45°鉆孔，孔深為結(jié)構(gòu)尺寸決定，深入底板或邊墻厚度的1/2 位置。鉆孔孔徑在滿足正常灌漿的前提下采用較小的灌漿孔徑，鉆孔原則上不得截斷受力鋼筋，應(yīng)采用超聲波等探測受力鋼筋分布。

灌漿過程中發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿時，應(yīng)根據(jù)具體情況采用低壓、限流、濃漿、間歇等方法進行處理。如效果不明顯，應(yīng)停止灌漿，待漿液凝固后重新掃孔復(fù)灌。灌漿應(yīng)連續(xù)進行，若因故中斷應(yīng)盡快恢復(fù)灌漿。否則，應(yīng)進行沖孔或掃孔，再恢復(fù)灌漿。

灌漿結(jié)束標準如下：當灌漿段在最大設(shè)計壓力下，注入率不大于0.02 L/min 后，繼續(xù)灌注30 min 以上，可結(jié)束灌漿。灌漿布孔示意，如圖5所示。

圖5 灌漿孔布置示意

5.3.4 灌漿安全監(jiān)測

灌漿過程中，應(yīng)對襯砌變形、漏漿等進行監(jiān)測，如出現(xiàn)因灌漿而致襯砌出現(xiàn)新裂縫，則應(yīng)立即停止灌漿或減壓灌漿（應(yīng)設(shè)專人巡視現(xiàn)場）。灌漿完成后，須對封堵的排水孔進行開孔檢查，如發(fā)現(xiàn)因灌漿而封堵的排水孔，則應(yīng)重新打通或疏通排水孔。

灌漿完成后，選擇典型點，取混凝土芯樣試驗，觀察混凝土增強效果。

6 結(jié)語

綜上所述，低強混凝土是水利水電工程中常見的工程病害。在引灤輸水隧洞中，由于低強混凝土的存在，嚴重影響了隧洞輸水安全。隧洞工程建成通水至今，經(jīng)過幾次專項補強加固，隧洞低強混凝土問題得到有效改善，從而增強了工程結(jié)構(gòu)整體性，延長了隧洞使用壽命。在其他類似工程病害治理過程中，可參考以上治理方案。