化學灌漿技術(shù)在富水環(huán)境下隧洞堵漏中的應用

陳少凱/CHEN Shaokai

（中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200）

化學灌漿是一種建立在化學、材料、巖土工程學等學科基礎(chǔ)上的施工方法，采用加壓泵送工藝，將特定的化學制劑注入混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫、結(jié)構(gòu)縫或施工縫內(nèi)，解決富水環(huán)境下水工隧洞滲水問題，并對混凝土結(jié)構(gòu)起到一定程度的加固補強作用，改善效果顯著。隨著社會的發(fā)展，科技的進步，化灌工藝在建設(shè)工程中運用越來越受到重視。水工隧洞一般會考慮有水泥灌漿，在一定程度上，化學灌漿技術(shù)彌補了水泥灌漿無法根治混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的缺點，以其原位增強、簡便快捷的優(yōu)勢，在疑難雜癥工程的處理上，達到省時、省錢、環(huán)保的目標。

1 工程簡介

貴陽花溪水庫至南郊、中曹水廠輸水工程是以輸水為主的中型水利工程，由花溪水庫取水，主要向南郊、中曹水廠輸水，是保障貴陽市城市供水安全的重點項目。工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模屬中型。工程主要構(gòu)成是長距離輸水隧洞，總長約14km，全線位于地下水位以下。主洞中部設(shè)置檢修豎井1座，豎井底部通過檢修平洞與主洞連接，隧洞檢修時，作為人員及設(shè)備進出的通道。

平洞開挖揭露巖體呈微風化狀態(tài)、碎裂結(jié)構(gòu)，地下水發(fā)育，開挖面有多股集中出水點，流量與降雨呈正相關(guān)。支護完成后凈斷面為4m×4m（寬×高）城門洞形，頂拱高2m，為180°圓弧，直墻高2m；襯砌后長度42.8m，JX0+015～JX0+42.8 段襯砌完成后，斷面為3.2m×3.2m 城門洞形，鋼筋混凝土厚0.4m；JX0+003～JX0+015 段襯砌完成后，斷面為1.5m×2m 人行通道，混凝土厚0.7～3m 不等，無配筋設(shè)計。襯砌完成后，按設(shè)計圖紙要求，實施回填灌漿，設(shè)計圖紙未布置固結(jié)灌漿。檢修平洞平面布置如圖1 所示。

2 滲水成因分析

由于平洞開挖面能明顯看到滲水，且滲水流量與降雨呈正相關(guān)，故滲水點排查選在大雨過后，避免疏漏。經(jīng)排查，襯砌、回填灌漿完成后，整條平洞共發(fā)現(xiàn)滲水點6 處，滲水量大小不一，其中，檢修豎井和平洞交接施工縫（JX0+042.8）和人通結(jié)構(gòu)縫（JX0+003），能明顯看到有水流出，帶有一定壓力；其余滲水點為襯砌混凝土冷縫，已產(chǎn)生白色結(jié)晶，無明顯水流，以滲水為主，無壓。

JX0+042.8 雖設(shè)置橡膠止水帶，因圓形井筒和城門洞型洞身為異形結(jié)構(gòu)相接，止水帶形狀不能和結(jié)構(gòu)完全吻合，導致施工縫部分止水帶未起到預期效果。JX0+003 結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)為素混凝土，無法安裝、固定止水帶。主洞段襯砌、固結(jié)灌漿完成后，地下水集中聚集在檢修平洞周邊，導致結(jié)構(gòu)縫薄弱位置出現(xiàn)明顯滲水。

在施工層面，平洞段襯砌依靠拼裝散模，利用滿堂支架，做為模板支撐體系。架體及模板無法安裝附著式振搗器，頂拱混凝土入倉后，不能使用機械振搗，結(jié)構(gòu)混凝土本身密實性下降，產(chǎn)生冷縫。

3 施工方法

3.1 鉆孔

化學灌漿采用鉆孔灌漿和注漿針灌漿相結(jié)合的方法，鉆孔對稱布置在裂縫的兩側(cè)，斜孔傾角與混凝土面呈60°，孔深穿過裂縫，排數(shù)根據(jù)滲水量最少布置2 排（圖2）?？拷芽p為第一排，距裂縫10cm，主要作用為滲水點周邊混凝土的加固補強，提高處理的效果；第二排，起堵水作用，排距根據(jù)實際情況靈活調(diào)整。灌漿時，首先實施第二排。

圖2 鉆孔布置圖

整條檢修平洞，劃分一個灌漿單元，單元內(nèi)所有混凝土裂縫、灌漿孔統(tǒng)一編號?；瘜W灌漿是在混凝土中進行，透水率已經(jīng)較小，使用沖擊式或沖擊回轉(zhuǎn)式鉆機鉆進灌漿孔，利于提高工效，因為是無巖芯鉆進，巖粉、巖屑較多，容易堵塞裂隙而影響灌漿質(zhì)量，因此必須對成孔進行裂隙沖洗。終孔后，及時用潔凈壓力水、壓縮空氣沖（吹）洗干凈鉆孔內(nèi)的粉末、碎屑，并檢查、記錄鉆孔參數(shù)（孔徑、孔向、傾角和孔深）。

3.2 灌漿

1）鉆孔清洗完成后，在孔內(nèi)安裝止水針頭（或稱之為灌漿嘴），使用配套的內(nèi)六角扳手擰緊，確保止水針頭周邊與鉆孔之間密閉、無空隙，不漏水。灌漿前，再次采用壓縮空氣或壓力水，檢查裂縫與埋管、貼嘴之間的暢通性、密封性及管路安裝的牢固性、可靠性，吹出縫內(nèi)積水、浮塵及碎屑，并詳細記錄。風壓按照設(shè)計要求，通常不超過最大灌漿壓力的30%，即0.15MPa（灌漿壓力0.3～0.5MPa）。

2）化學灌漿對灌注時的連續(xù)性要求更高，制漿能力和漿液類型和灌漿泵的排漿量相匹配就顯得尤其重要。近幾年來，建筑市場引進或新開發(fā)出多種型號的化灌泵，有電動、液壓、氣動、手壓等型式，其中多數(shù)產(chǎn)品具有體積小、重量輕以及壓力、流量可自動調(diào)節(jié)等優(yōu)點?；瘜W灌漿采用純壓式灌漿，不允許漿液在孔內(nèi)循環(huán)，不能靠調(diào)節(jié)回漿量來控制灌漿壓力，灌漿過程中，灌漿泵的排漿量能從零到最大額定值范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)。手壓泵結(jié)構(gòu)簡單，拆卸、清洗和安裝方便，易于搬運，只要排漿量和注漿壓力能滿足要求，也可選用。立面豎向裂縫或斜縫灌漿自下而上、由深孔到淺孔進行；立面水平或近似水平裂縫灌漿自一端向另一端、由深孔到淺孔進行；平面裂縫，首選通暢性最好的孔開灌，同時向兩端，依次進行（圖3）。灌漿過程中逐級提升灌漿壓力，每級提升量值控制為0.05MPa，在最大灌漿壓力下吸漿量＜0.01L/min，延長灌漿30min，即可結(jié)束。

圖3 化學灌漿模型

3）灌漿結(jié)束，確認無漏水，割除外露的止水針頭。將溢漏出已固化的漿液清理干凈；用快干、速凝水泥修補灌漿口，并做封口處理。

4 特殊情況處理

檢修平洞實施化學灌漿過程中，JX0+003 結(jié)構(gòu)縫發(fā)生串漿。該結(jié)構(gòu)縫呈1.5m×2m 矩形，頂部滲水明顯，有壓，兩側(cè)滲水沿混凝土墻壁流淌，無壓。因設(shè)計無止水構(gòu)造，灌前初步研判，四周結(jié)構(gòu)縫有連通的可能性。灌漿從邊墻開始，遵循“自下往上、兩側(cè)對稱、先深后淺”的原則。過程中，明顯發(fā)現(xiàn)滲點沿墻體上移，頂部滲水流量和壓力均增大。隨著灌點上移，頂部發(fā)生明顯串漿，說明結(jié)構(gòu)縫內(nèi)部已經(jīng)連通。

化學漿液達到堵水目的，首先要經(jīng)過乳化分散，其次凝膠固化。整個過程中，水既是稀釋劑，又充當了固化劑的角色。乳化階段，漿液與水的比例不能超過包水率倍數(shù)（一般可達30 倍），如果水量偏大，特別是在動水的環(huán)境下，漿液一旦被稀釋，將無法進入凝膠固化階段，這就是施工過程中，出現(xiàn)串漿的主要原因。除了滲徑太短，導致漿液乳化時間不夠外，更多的則是因為注漿時，注入量遠小于滲漏水量，漿液被水流裹挾沖散，導致嚴重稀釋，無法在縫內(nèi)進行凝膠固化。若持續(xù)灌注，會導致大量漿液被沖出縫外，達不到預期效果，隨即暫停作業(yè)。

針對此情況，采取“兩步走”的處理方式：①利用環(huán)氧膠泥將頂部縫隙填塞密實，在縫隙兩側(cè)對稱布置淺孔，采用低壓（0.1MPa）、小流量，即“低壓慢灌”措施，兩孔同時灌注；②鑿除環(huán)氧膠泥，觀察縫隙情況，確定無明顯有壓滲水時，再次開深孔，采用較高灌漿壓力（0.5MPa），小流量持續(xù)灌注，使?jié){液在混凝土內(nèi)部充分擴散，固化，達到局部補強、深層堵漏的效果。

5 主要結(jié)論

1）灌漿材料選取 化學灌漿漿液均為真溶液，不含固體顆粒，可灌性極好，是水泥灌漿的有效補充，一般在水泥灌漿或其他方法達不到設(shè)計要求時使用?；瘜W灌漿常用的材料有聚氨酯類、環(huán)氧樹脂類、水玻璃類等，也可按灌漿目的分為防滲堵漏和固結(jié)補強兩類。考慮到結(jié)構(gòu)縫要經(jīng)受反復的張拉變形，因此要求所采用的灌漿材料固化后，還應具有較好的彈性，能滿足變形要求。本工程灌漿材料選用水溶性聚氨酯類，該材料為單組份合成高分子材料，具有低黏度，固化后具有較好的彈性的優(yōu)點。常態(tài)下，為漿體，遇水則發(fā)生交聯(lián)反應，產(chǎn)生氣泡，生成多元網(wǎng)狀封閉彈性體。被高壓注入混凝土結(jié)構(gòu)裂縫中，可沿著縫隙延展，直至將所有縫隙（包括肉眼無法覺察的）填滿。漿液遇到混凝土裂縫中的水分，便會迅速分散、乳化、膨脹、固化。隨著交聯(lián)反應的發(fā)生，釋放出大量二氧化碳氣體的同時，產(chǎn)生二次滲壓，高壓推力和二次滲壓一起將彈性體壓入、充滿所有縫隙，堵塞滲水通道。將水流完全地隔離在混凝土結(jié)構(gòu)體之外，以達到止水、堵漏的目的。

2）襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化 盡管化學灌漿針對混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，能起到止水、補強的效果，但究其根本，始終是混凝土缺陷的一種彌補手段，無法實現(xiàn)襯砌自防水的目的。設(shè)計工作是建設(shè)工程實施階段的源頭，其理念直接關(guān)系到工程項目在壽命周期內(nèi)的運行情況。本工程平洞段位于富水地段，針對地下水發(fā)育的情況，設(shè)計圖紙僅考慮回填灌漿，無固結(jié)灌漿，襯砌完成后，其背后一直存在“水囊”，為滲水埋下了伏筆。

3）施工過程中的控制措施 造成檢修平洞襯砌結(jié)構(gòu)滲水的根源是巖體流出的股狀集中水，若直接流入倉面，會增加混凝土含水率，改變配合比，降低強度。襯砌前，恰恰忽略了引流，澆筑完成后，混凝土達到設(shè)計強度前，被擊穿形成冷縫，是滲水的直接原因。

綜上所述，富水環(huán)境下水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)滲水成因較多，文中結(jié)合實例，分析了檢修平洞襯砌結(jié)構(gòu)滲水的成因，探討了化學灌漿技術(shù)在富水環(huán)境中的應用，并針對異常情況，在實施的角度，提出可行性建議。為類似工程的建設(shè)，提供參考和借鑒價值。