海底盾構(gòu)管廊隧道結(jié)構(gòu)病害分析及治理技術(shù)

顏庭祥，孫國(guó)慶

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055;2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引言

我國(guó)水域遼闊，交通事業(yè)的發(fā)展和隧道修建技術(shù)的進(jìn)步為水下隧道的發(fā)展提供了優(yōu)越的條件。大量的穿江過(guò)海隧道廣泛地分布在交通和市政管網(wǎng)等領(lǐng)域，如武漢長(zhǎng)江隧道和天津海河共同溝隧道等。然而，隧道在施工和長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，各種因素的綜合影響會(huì)形成不同程度的病害，盾構(gòu)隧道病害不斷出現(xiàn)，從而造成了諸多質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。隧道研究者已逐漸開展了隧道病害維修加固工作，且也已開展了相關(guān)的研究工作［1］。劉海京等［2］對(duì)隧道病害的現(xiàn)狀進(jìn)行了深入研究，提出了要采取及時(shí)有效的維修加固措施，延緩隧道病害的發(fā)展。目前，隧道病害主要表現(xiàn)為開裂及滲漏水，其病害原因是多重因素作用的結(jié)果，但采取的措施都是“注漿補(bǔ)強(qiáng)、封堵補(bǔ)強(qiáng)，局部限量排放材料”，主要以傳統(tǒng)的水泥漿、聚氨酯化學(xué)漿以及涂抹材料為主，能夠達(dá)到一定的病害治理目標(biāo)［3］。海底隧道由于其所處環(huán)境的特殊性，病害的主要誘因?yàn)樗淼澜Y(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于海水侵蝕下，海水長(zhǎng)期對(duì)混凝土管片、管片連接件及管廊內(nèi)的管道造成嚴(yán)重腐蝕，造成病害的迅速發(fā)展;因此，采用傳統(tǒng)的病害治理措施難以避免海水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步侵蝕破壞，而針對(duì)海水侵蝕下的隧道病害治理研究相對(duì)較少。

本文以某管線過(guò)海隧道病害治理為例，分析隧道結(jié)構(gòu)缺陷及病害的成因，通過(guò)壁后注漿在隧道結(jié)構(gòu)外形成致密的隔水層，減少海水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期直接侵蝕，并通過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)、裂縫粘結(jié)等技術(shù)，尤其采用抗海水侵蝕的硫鋁酸鹽水泥特種注漿材料，遵循“以堵為主、標(biāo)本兼治、綜合治理”的原則，在隧道病害治理中取得了較好的效果。

1 工程概況

某管線過(guò)海隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道長(zhǎng)度為1 448 m，內(nèi)徑為2.44 m，隧道埋深24 m(至海平面)，上層覆蓋層厚度10～16 m，內(nèi)襯砌為厚25 cm的C40混凝土管片，另外，隧道兩端始發(fā)井直徑18 m，深28.5 m，接收井直徑8 m，深32 m。隧道內(nèi)敷設(shè)1根φ 762×15.9 mm、長(zhǎng)1 492 m的熱油管道，管道材質(zhì)為X65直縫埋弧焊鋼管，同時(shí)并行1條光纜，如圖1和圖2所示。隧道盾構(gòu)始發(fā)井采用沉井法施工，隧道大部分區(qū)域采用盾構(gòu)法施工，主要穿過(guò)第四系沖洪積粗砂層、第四系花崗巖殘積層和全－強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層，僅在盾構(gòu)法施工后部局部地段穿越中風(fēng)化花崗巖地層。盾構(gòu)接收井及臨近隧道部分區(qū)域采用礦山法施工，主要穿越第四系人工填石層、第四系海陸交互相淤泥質(zhì)砂層、第四系沖洪積粗砂層和燕山期強(qiáng)－中風(fēng)化花崗巖地層，采用排樁及錨噴組合支護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖1 隧道橫斷面及附屬管線設(shè)施布置圖(單位:mm)Fig.1 Cross-section of tunnel showing layout of utility lines(mm)

圖2 管廊及其管線布置圖Fig.2 Picture of utility lines in tunnel

按照隧道設(shè)計(jì)要求，隧道盾構(gòu)段防水等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)不允許滲水，結(jié)構(gòu)表面無(wú)濕漬。隧道內(nèi)應(yīng)充淡水運(yùn)行，但因故一直未能充水運(yùn)營(yíng)。隧道竣工后投入使用已有9年之久，隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，淤泥和積水較多，滲漏水問(wèn)題日趨嚴(yán)重，隧道和管道安全存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。為確保隧道運(yùn)營(yíng)安全及結(jié)構(gòu)的使用壽命，需對(duì)隧道進(jìn)行病害及結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行修復(fù)治理。

2 隧道病害檢測(cè)

為滿足內(nèi)部管線防腐技術(shù)要求和隧道結(jié)構(gòu)安全，擬按原設(shè)計(jì)要求注水運(yùn)行。由于隧道缺陷及病害已經(jīng)發(fā)生，在注水運(yùn)營(yíng)前須對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的整體性能及功能狀況作出分析鑒定。通過(guò)對(duì)隧道實(shí)施相關(guān)的檢查和檢測(cè)，從而對(duì)隧道的安全性和耐久性進(jìn)行全面評(píng)估，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)隧道進(jìn)行維修整治處理［4］。

對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，隧道整體外觀及結(jié)構(gòu)性能現(xiàn)狀良好。隧道本體結(jié)構(gòu)無(wú)明顯的沉降、變形和露筋，僅有極個(gè)別地方出現(xiàn)輕微的混凝土缺損、裂縫、腐蝕及脫落現(xiàn)象，但尚未影響到隧道結(jié)構(gòu)的整體安全性能;隧道結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度保持較好，能夠滿足隧道剛度、強(qiáng)度和耐久性的要求［5］。

管片螺栓表層銹蝕嚴(yán)重。其中，螺桿尾端銹蝕率為80%、螺母銹蝕率為92.3%、墊片銹蝕率為99.5%，部分銹蝕嚴(yán)重的螺栓已出現(xiàn)松動(dòng)和滲漏水。隧道內(nèi)附屬鋼筋構(gòu)建銹蝕嚴(yán)重，已失去使用功能。

管廊滲漏檢測(cè)共記錄滲漏點(diǎn)114處，其中，滲水、滲滴水107處，線狀出水點(diǎn)4處，股狀出水點(diǎn)3處，并含有少量泥砂，隧道總出水量約為80 m3/d。滲漏水嚴(yán)重區(qū)域存在大量泥砂淤積，地段主要集中在盾構(gòu)隧道始發(fā)段和礦山法到達(dá)空推段。

隧道壁后存在不同程度的空洞，共檢測(cè)出環(huán)片背后存在59處空洞，空洞長(zhǎng)度在0.2～6.5 m，深度在0.25～1.3 m。漏水越嚴(yán)重的地方空洞越嚴(yán)重，漏水點(diǎn)與環(huán)片壁后空洞呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 隧道缺陷修復(fù)

雖然目前隧道整體外觀及結(jié)構(gòu)性能狀況良好，但管片螺栓表層銹蝕已較為嚴(yán)重，滲漏點(diǎn)較多，局部管段已超出了原設(shè)計(jì)要求的二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)，隧道壁后也已出現(xiàn)了不同程度的空洞，并且伴隨著滲漏的發(fā)展，空洞有進(jìn)一步擴(kuò)大蔓延的趨勢(shì)。因此，需對(duì)隧道內(nèi)出現(xiàn)的病害及缺陷進(jìn)行整治處理。

3.1 管片背后空洞回填

管片背后空洞主要由2種因素影響形成:1)施工過(guò)程中管片背后回填注漿不密實(shí)，形成一定的蓄水空間;2)隧道構(gòu)筑物長(zhǎng)期在海水侵蝕破壞下，管片接縫止水帶破壞，出現(xiàn)滲漏水，逐漸形成貫通的過(guò)水通道，地層介質(zhì)隨水不斷流失形成空腔。

為了保證隧道洞室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，需對(duì)環(huán)片外側(cè)空腔進(jìn)行注漿回填處理。施工工藝順序如下:

1)注漿孔定位。根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)成果，在空腔附近區(qū)域確定注漿孔位置，采用鉆孔法鉆穿管片，鉆孔達(dá)到空腔深度。

2)安裝孔口管。鉆孔孔徑為20 mm，深度為25 cm，并裝φ15 mm孔口管和閥門，防止突水涌砂。

3)注漿管安裝。在孔口管中鉆孔，直徑為φ10 mm無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度為60 cm，孔內(nèi)40 cm。

4)注漿材料選擇。注漿材料采用抗海水侵蝕的硫鋁酸鹽水泥，水灰質(zhì)量比為1∶1 ～1.2∶1。

5)注漿。注漿采用全孔一次壓入式，注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)按照“定壓定量相結(jié)合”的雙重控制標(biāo)準(zhǔn)，注漿壓力為0.2～0.4 MPa。注漿時(shí)應(yīng)注意觀察洞身和管廊動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)。

6)割除管頭。表面采用鋼刷清理干凈、抹平，并涂抹滲透結(jié)晶防水涂料。

回填注漿結(jié)束后，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行空洞檢測(cè)［6］，管片外原有空腔得到有效填充，地層密實(shí)，未發(fā)現(xiàn)空腔存在。

3.2 滲漏水治理

滲漏水治理遵循“以堵為主、標(biāo)本兼治、綜合治理”的原則，根據(jù)涌水特點(diǎn)和涌水區(qū)域進(jìn)行分類，主要采用快凝硫鋁酸鹽水泥對(duì)涌水區(qū)域管片及圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后的蓄水孔隙、滲水裂隙和松散地層進(jìn)行充填加固，提高病害區(qū)域地層的穩(wěn)定性、抗?jié)B性及耐久性。對(duì)小的滲水點(diǎn)、變形縫、管片受損區(qū)域采用化學(xué)漿材或滲透結(jié)晶材料進(jìn)行注漿加固和補(bǔ)強(qiáng)。

3.2.1 滲漏水產(chǎn)生的原因［7－8］

1)滲漏水嚴(yán)重地段主要集中在盾構(gòu)隧道始發(fā)段和礦山法到達(dá)空推段。始發(fā)階段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)還處于試驗(yàn)調(diào)整階段，盾構(gòu)姿態(tài)和管片拼裝控制較差，小直徑管片錯(cuò)臺(tái)較為嚴(yán)重;礦山法施工盾構(gòu)空推段，初期支護(hù)和盾構(gòu)管片之間注漿充填不密實(shí)，是運(yùn)營(yíng)期滲漏水的主要原因之一。

2)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，由于掘進(jìn)速度快、掘進(jìn)速度和同步注漿速度不匹配、管片壁后注漿充填不密實(shí)，不能使圍巖和襯砌整體協(xié)調(diào)受力，因而造成受力不均，局部變形過(guò)大，防水失效而引起滲水。

3)管片制作和養(yǎng)護(hù)不合理，水灰質(zhì)量比過(guò)大，出現(xiàn)氣孔和微裂紋。

4)遇水膨脹橡膠密封墊粘貼不牢，或過(guò)早浸水膨脹，致使止水效果降低。

5)管片拼裝質(zhì)量差、管片錯(cuò)臺(tái)、螺栓未擰緊，造成接縫張開過(guò)大;手孔、注漿孔等薄弱部位封孔質(zhì)量差，螺栓孔未加防水密封墊等。

6)水下隧道長(zhǎng)期處于水壓作用下，受海水的侵蝕作用，構(gòu)件受侵蝕嚴(yán)重。

3.2.2 明顯股狀水治理

對(duì)于隧道區(qū)間存在嚴(yán)重的股狀、線狀出水點(diǎn)，先采用鉆斜孔法，對(duì)管片背后進(jìn)行徑向注漿封堵，然后騎縫鉆孔安設(shè)注漿針頭對(duì)裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿封堵。施工工藝順序如下:

1)在集中出水縫隙或點(diǎn)兩側(cè)鉆設(shè)斜孔，孔徑φ25 mm，孔深15 cm，并安設(shè)φ25 mm孔口管(帶有球閥，長(zhǎng)度20 cm)。

2)通過(guò)孔口管鉆孔，孔深和探測(cè)空洞范圍以鉆穿空腔為準(zhǔn)。

3)通過(guò)孔口管注入水泥漿，封堵裂隙水及蓄空腔，并對(duì)地層進(jìn)行加固，提高地層的抗?jié)B性，注漿終壓力為0.2～0.4 MPa。當(dāng)注漿過(guò)程中注漿量大于探測(cè)空腔時(shí)，可采取調(diào)節(jié)漿液凝膠時(shí)間或采取間歇注漿的工藝，控制漿液的有效擴(kuò)散范圍，必要時(shí)可通過(guò)增加注漿孔進(jìn)行多次注漿，以提高地層的加固效果，如圖3所示。

圖3 股狀涌水治理示意圖Fig.3 Schematic diagram of treatment of flowing water

4)水泥注漿完成后，騎縫或與出水裂隙斜交間隔20 cm鉆設(shè)φ10 mm鉆孔，孔深20 cm，并安設(shè)注漿針頭，注入環(huán)氧樹脂進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，注漿壓力為0.1 MPa，如圖4所示。

5)割除管頭，表面采用鋼刷清理干凈、抹平，并涂抹滲透結(jié)晶防水涂料。

6)注漿結(jié)束后，若水沿著管片背后的其他滲水通道縱向傳遞，在其他的薄弱區(qū)域有可能會(huì)產(chǎn)生新的漏水點(diǎn)，則采用同樣的方法對(duì)新的滲漏水點(diǎn)進(jìn)行鉆孔注漿治理。

3.2.3 滴狀滲流出水點(diǎn)治理

對(duì)區(qū)間內(nèi)的隧道管片接縫、注漿孔、螺栓孔和管片表面滴狀滲流的治理主要采取在接縫處注入化學(xué)漿液封堵，表面采用抗?jié)B結(jié)晶涂料進(jìn)行涂抹，施工工藝如下:

1)在接縫、注漿孔、螺栓孔和管片表面微滲點(diǎn)騎縫或與出水裂隙斜交鉆孔(見圖4)，并安設(shè)注漿針頭。

2)通過(guò)注漿針頭注入化學(xué)漿液，對(duì)透水縫隙進(jìn)行封堵，并采用隔孔注入改性環(huán)氧樹脂進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，注漿終壓為0.1 ～0.2 MPa。

3)注漿結(jié)束后，割除管頭，表面采用鋼刷清理干凈、抹平，并涂抹滲透結(jié)晶防水涂料。

4)注漿結(jié)束后，若在其他薄弱區(qū)域產(chǎn)生新的滲水點(diǎn)，則采用同樣的方法進(jìn)行處理。

圖4 裂縫滲水治理示意圖Fig.4 Schematic diagram of treatment of water seeping from cracks

3.2.4 底部墊層滲漏水治理

對(duì)于隧底墊層部分滲水，在隧道底部滲水位置每隔5 m沿底部墊層兩側(cè)進(jìn)行鉆孔回填注漿處理，鉆孔注漿施工工藝同隧道管廊集中出水點(diǎn)治理施工工藝。

3.2.5 注漿材料

依據(jù)“技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理”的注漿材料選用原則，在能夠滿足注漿條件的前提下［9］，注漿材料的選用應(yīng)充分考慮對(duì)環(huán)境及結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

對(duì)于混凝土管片及混凝土結(jié)構(gòu)的細(xì)小裂隙或表面滲水，諸如水泥類的懸浮顆粒漿液很難注入或無(wú)法達(dá)到效果時(shí)，必須采取溶液型漿液的水溶性聚氨酯，但考慮到聚氨酯的耐久性較差，在達(dá)到堵水效果后需要采取耐久性強(qiáng)、固結(jié)強(qiáng)度高的環(huán)氧樹脂進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿。漿液材料配比如表2和表3所示。

表1 水泥注漿材料配比參數(shù)表Table 1 Parameters of cement mortars

表2 水溶性聚氨酯漿液配比參數(shù)表Table 2 Parameters of soluble polyurethane mortar

表3 改性環(huán)氧樹脂漿液配比參數(shù)表Table 3 Parameters of modified epoxy mortar g

3.3 螺栓孔除銹及防腐處理

1)螺栓除銹。處理時(shí)先噴1層除銹漆，再采用拋光機(jī)或鋼刷等對(duì)螺桿尾端、螺母和墊片分別進(jìn)行磨刷，直至將表面的鐵銹全部清理干凈。要達(dá)到St2除銹標(biāo)準(zhǔn)，表面應(yīng)無(wú)可見的油脂和污垢，并且沒有附著不牢的氧化皮、鐵銹和油漆涂層等附著物。

2)防腐刷漆。選用不燃無(wú)毒(低毒)的水性防銹漆，對(duì)外露的螺栓及附屬金屬構(gòu)件進(jìn)行涂刷防腐，刷漆厚度為1～2 mm。

3)螺栓封堵。采用環(huán)氧樹脂砂漿膠拌合物封裹螺栓和螺帽外露部分，隔絕空氣，防止腐蝕，并在封裹砂漿外加罩塑料帽套。

3.4 附屬構(gòu)件拆除

兩側(cè)豎井的爬梯已被銹蝕，隧道注水后爬梯會(huì)進(jìn)一步被腐蝕，一旦脫落會(huì)與豎井內(nèi)的管線發(fā)生撞擊，產(chǎn)生危險(xiǎn)，并且爬梯腐蝕嚴(yán)重時(shí)，對(duì)人員的上下亦會(huì)產(chǎn)生安全隱患;因此，需對(duì)爬梯進(jìn)行拆除。對(duì)管廊內(nèi)的原電纜支架等腐蝕嚴(yán)重的構(gòu)建全部拆除。

4 治理效果

經(jīng)過(guò)2個(gè)月的施工，完成了管片后空洞回填、滲漏水、螺栓除銹等病害的治理，后通過(guò)采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)管片背后未見明顯空洞，管片和地層充填飽滿，無(wú)脫空。隧道區(qū)間滲漏水得到了有效控制，除局部有少量濕漬外，無(wú)明顯出水點(diǎn)，基本達(dá)到國(guó)家二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)，病害治理過(guò)程隧道收斂、環(huán)片拱頂與底板沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均未發(fā)生明顯變化，隧道結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論與體會(huì)

1)由于地質(zhì)水文條件和工程環(huán)境的復(fù)雜性，尤其是長(zhǎng)期在海水水壓侵蝕下的隧道結(jié)構(gòu)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)管片背后脫空、管片開裂、接縫滲漏水以及連接螺栓銹蝕等隧道病害，對(duì)隧道的運(yùn)營(yíng)及結(jié)構(gòu)安全造成威脅。

2)本項(xiàng)目滲漏水嚴(yán)重地段主要集中在盾構(gòu)隧道始發(fā)段和礦山法到達(dá)空推段，因此，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、協(xié)調(diào)控制好盾構(gòu)姿態(tài)和管片拼裝質(zhì)量是減少運(yùn)營(yíng)期隧道病害的主要措施。

3)隧道結(jié)構(gòu)病害及缺陷治理前，必須對(duì)病害進(jìn)行科學(xué)地調(diào)查、檢測(cè)及分析，制定出具有針對(duì)性的修復(fù)治理措施。

4)在海水環(huán)境下治理隧道病害，為了確保治理效果的有效性和耐久性，必須選擇具有一定抗海水侵蝕能力的材料。本項(xiàng)目選取抗海水侵蝕的硫鋁酸鹽水泥，取得了較好的治理效果。

5)該工程的病害治理實(shí)踐證明，通過(guò)全面分析病害原因，制定具有針對(duì)性的治理措施，能夠取得較好的治理效果，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)，延長(zhǎng)隧道使用壽命。

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