己建壓力隧洞復合預應力混凝土襯砌修補加固關鍵技術研究

趙 妍，孫粵琳，王榮魯，劉致彬

（中國水利水電科學研究院 材料結構研究所，北京 100038）

己建壓力隧洞復合預應力混凝土襯砌修補加固關鍵技術研究

趙 妍，孫粵琳，王榮魯，劉致彬

（中國水利水電科學研究院 材料結構研究所，北京 100038）

提出一種復合預應力混凝土襯砌修補、加固防滲方案，該方案在原襯砌混凝土上，二次澆注一高性能纖維混凝土薄層。在新老混凝土中間設置薄鋼板，通過在老混凝土表面開槽等手段，在老混凝土與防滲層之間形成一密閉中空的環(huán)形空間。利用水泥漿通過有限的徑向位移對新澆注的薄層混凝土根據(jù)需要人為地施加某一數(shù)值與分布的均布壓應力，使二次襯砌混凝土層具有一定數(shù)值的環(huán)向預壓應力。這樣可以分擔部分的內(nèi)水壓力，而使該方案具有預應力混凝土補強加固效果及復合防滲功能。其優(yōu)點是不僅省去預應力筋，達到防滲加固效果，而且施工簡便，損失過水斷面較小。

復合預應力混凝土襯砌；外加預應力法；修補加固；防滲

1 問題的提出

壓力引水隧洞在設計和施工階段對圍巖情況估計過高，運行后發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)混凝土襯砌開裂、滲漏嚴重，因此不得不停止運行進行修補加固處理。盡管這些工作可利用機組檢修期或負荷不大的季節(jié)進行，但由于修補時間短，只能修補一部分?？梢?，對已建壓力隧洞的修補加固方案提前進行深入研究，以確定最佳的修補加固方案是十分重要的。目前常用的修補加固方案有內(nèi)襯鋼板、拆除并重建鋼筋混凝土襯砌、對襯砌混凝土進行灌漿，以及表面粘貼碳素纖維等。如觀音巖水庫高輸水隧洞就分段采用了鑿除碳化混凝土后內(nèi)襯鋼板以及襯砌局部開挖后置換鋼筋混凝土襯砌的方案［1］；潘橋水庫泄洪隧洞采用了內(nèi)襯鋼板的補強措施［2］，烏拉泊水庫輸水隧洞將原混凝土全部拆除全斷面重建鋼筋混凝土襯砌［3］；引灤隧洞通過對襯砌混凝土進行灌漿以提高結構的整體性［4］。幾種措施相比較而言，內(nèi)襯鋼板方案施工簡單可靠，加固后在不縮小鋼板襯砌內(nèi)徑的前提下基本不會影響過流能力，但運行后的內(nèi)水壓力基本由鋼板承擔，原有混凝土襯砌沒有得到充分利用，同時，需要耗費大量鋼材，整體工程成本較高。拆除并重建隧洞鋼筋混凝土襯砌方案會縮小洞徑，減小過流量，對于發(fā)電引水隧洞而言會影響發(fā)電能力，同時，拆除和重建的工程量較大，原有襯砌直接被廢棄，沒有得到合理的利用。其他一些方案，如對襯砌混凝土進行灌漿、在襯砌表面粘貼碳素纖維等，只能起到一定的防滲作用和局部修補加固的效果，隧洞結構的整體剛度得不到提高，不能從根本上解決病害問題。

目前，預應力混凝土襯砌技術在水工隧洞上得到廣泛應用，清江隔河巖引水隧洞［5］、天生橋一級引水洞［6］均采用有黏結錨索混凝土襯砌；小浪底排沙洞采用無黏結錨索混凝土襯砌［7］。中國水利水電科學研究院在此基礎上，研發(fā)了復合預應力混凝土修補加固技術。

復合預應力混凝土襯砌修補加固技術是在原襯砌混凝土基礎上，二次澆注一混凝土薄層，混凝土薄層由高性能纖維混凝土組成。在新、老混凝土中間設置薄鋼板或PVC防滲層，通過在老混凝土表面開槽等手段，在老混凝土與防滲層之間形成一密閉中空的環(huán)形空間，利用水泥漿通過有限的徑向位移對新澆注的薄層混凝土施加均布壓應力，使二次襯砌混凝土層具有一定的環(huán)向預壓應力，以分擔部分的內(nèi)水壓力，其優(yōu)點是不僅省去預應力筋，而且施工簡便。本文重點闡述壓力隧洞復合預應力混凝土襯砌修補加固結構的總體設計及施工工藝。

2 采用外力預應力法的理論依據(jù)

根據(jù)彈性力學理論，厚壁圓筒承受內(nèi)、外均布荷載時的應力狀態(tài)［8］如圖1所示，應力計算公式為：

圖1 厚壁圓筒承受內(nèi)水壓力和外水壓力時的應力狀態(tài)

內(nèi)水壓力時：

外水壓力時：

在內(nèi)水壓力作用下，環(huán)向應力為拉應力，最大值在內(nèi)表面；在外水壓力作用下，環(huán)向應力為壓應力，最大值亦在內(nèi)表面。如果厚壁圓筒同時承受相同的內(nèi)、外均布荷載時，環(huán)向應力仍為壓應力，這就是復合預應力混凝土襯砌隧洞修補加固的理論根據(jù)。

3 復合預應力混凝土襯砌修補加固結構的設計要點

3.1主要結構壓力隧洞的修補加固取決于隧洞損壞情況的嚴重程度。襯砌混凝土開裂、滲漏嚴重，特別是縱向開裂，結構問題是主要的。在總結以往工程實踐經(jīng)驗基礎上，經(jīng)過分析比較，對直徑較大的隧洞（D＞8 m），建議采用復合預應力混凝土襯砌修補加固結構，如圖2所示。該結構是由原襯砌混凝土層、薄鋼板及二次澆筑的高性能鋼纖維混凝土薄層（厚度約150 mm）組成，再與壓力灌漿等輔助手段相結合，使二次襯砌混凝土層具有一定的環(huán)向預壓應力，以承受部分內(nèi)水壓力，從而使該結構具有預應力混凝土補強加固效果及復合防滲結構。

3.2新內(nèi)襯高性能鋼纖維混凝土鋼纖維混凝土指用長25～30 mm、直徑0.25～0.50 mm的短鋼絲，一般按總體積2%左右與水泥、骨料及外加劑一起拌和而成的混凝土。鋼纖維混凝土的力學性能與普通混凝土相比，其極限拉伸值由1.0×10-4提高到2.32×10-4，抗彎強度亦可大大提高，實踐證明，初裂抗彎強度可提高0.5～2倍，斷裂抗彎強度可提高2～3倍，沖擊韌性、疲勞強度及抗沖磨性能也有很大程度的提高。這些性能恰好是水工隧洞襯砌混凝土所需要的。

圖2 復合襯砌預應力混凝土襯砌修補加固結構

3.3預應力的施加復合預應力混凝土襯砌修補加固結構的質(zhì)量關鍵是施加預應力過程的控制。首先，利用注水壓力超載，但注水壓力尚未達到臨界失穩(wěn)壓力。在此階段發(fā)生了新襯砌混凝土的收縮變形、彈性壓縮、徐變變形以及原襯砌混凝土和圍巖的彈性壓縮變形和塑性變形。然后，卸掉水壓力，改用膨脹型水泥漿施加預應力達到設計值，此值遠小于注水壓力值。顯然，當水泥漿凝固后，由于徐變變形和塑性變形所引起的預應力損失已大部分被補償或被收復，所以用水泥漿施加預應力后的預應力損失會顯著減小。

3.4雙層防滲結構用水泥漿施加預應力大小的控制，按全預應力控制，即在全部荷載最不利組合作用下，新襯混凝土內(nèi)側邊緣不出現(xiàn)環(huán)向拉應力。不出現(xiàn)拉應力，混凝土就不會開裂，自然也就不會有滲漏問題。再加上薄鋼板第二道防滲作用，很明顯，復合預應力混凝土襯砌修補加固結構具有雙層防滲作用。新襯混凝土厚度在保持一個最小值情況下，其環(huán)向可控制不出現(xiàn)拉應力。因為大部分預應力損失被收復，新襯預應力混凝土層內(nèi)的壓應力值是可靠的。

3.5受力特點壓力隧洞復合預應力混凝土襯砌修補加固結構的受力特點可分為施工階段和運行階段。待新內(nèi)襯混凝土達到設計強度后，此時新內(nèi)襯和原襯混凝土仍是分開的，但通過外加預應力法，首先用注水壓力超載，以使徐變變形和塑性變形盡早發(fā)生；然后用注漿壓力對新襯混凝土施加預應力，待水泥漿凝固后，新內(nèi)襯和原襯混凝土形成一整體，但受力狀態(tài)不同，稱為施工階段。運行階段則是在已受力基礎上共同承受內(nèi)水壓力的作用。針對這一特點，結構設計應按不同階段分別進行驗算。

4 復合預應力混凝土襯砌修補加固結構的施工工藝

復合預應力混凝土襯砌修補加固結構的施工工藝過程如下。

（1）原隧洞襯砌混凝土裂縫或滲漏部位處理。施工前應將原襯砌表面的雜質(zhì)，如氫氧化鈣、鐵銹沉積物及污泥等清除干凈，并將滲水裂縫封閉。裂縫隨荷載或混凝土的濕熱變化時開時合，用來修補的材料必須具有足夠的柔韌性。修補的目的主要是為注漿壓力提供一個封閉的空間，同時起防滲作用。至于回填灌漿和固結灌漿應根據(jù)具體工程情況而定，可提高襯砌和圍巖的承載及抗?jié)B能力。

（2）鋪設止水（漿）環(huán)。為了將一個澆筑段分為若干個注水（漿）區(qū)域，特設止水（漿）鋼環(huán)，如圖2所示，厚度3～4 mm，其寬度為50～60 mm。兩道止水環(huán)之間間距與薄鋼板的寬度相同，用螺釘與襯砌混凝土固定。為了止水，其下面應涂抹一薄層聚合物水泥漿。

（3）在洞內(nèi)兩道止水環(huán)中間的上、下、左、右對應注水（漿）管位置開挖?200 mm、深50 mm左右的空穴，如圖3所示，以容納漿料的自由擴散。

圖3 容納漿料的空穴（單位：mm）

（4）鋪設薄鋼板。薄鋼板之間的環(huán)向對接部位正好落在止水環(huán)上面焊接，如圖4所示，這樣3塊鋼板可以焊接在一起。應當注意，在焊接環(huán)向橫縫時，應使各板塊的縱向焊縫錯開。因此，由原襯混凝土層、薄鋼板和止?jié){環(huán)圍成若干個圓環(huán)形封閉空間，用水泥漿充滿各封閉空間，并通過注漿壓力對新襯混凝土層施加預應力。

（5）澆筑高性能鋼纖維混凝土薄層。選用迭合層或新澆筑一薄層高性能纖維混凝土是合適的。大多數(shù)裂縫是由于荷載、溫度和濕氣的變化引起的，此時新澆筑內(nèi)襯混凝土薄層與原襯砌混凝土是隔離的，這樣裂縫就不會反射到新內(nèi)襯混凝土層上。

圖4 薄鋼板與止水環(huán)間的焊接橫縫

高性能混凝土是從高強混凝土發(fā)展而來，目前可以采用高效減水劑和摻入活性礦物摻料的辦法，拌合與澆筑采用普通拌合機和振搗器即能生產(chǎn)出C50以上的混凝土。但是，這種混凝土的最大缺點是延性較低，其補救辦法是加入鋼纖維或其他纖維。在新襯混凝土內(nèi)摻入一定數(shù)量的亂向、不連續(xù)的短鋼纖維形成的高性能纖維混凝土，具有較好的抗裂能力、抗?jié)B性、抗沖擊韌性和耐磨等優(yōu)良性能，將其用于新內(nèi)襯混凝土，能有效地提高內(nèi)襯混凝土層的抗裂性和耐久性。

（6）施加預應力。待襯砌混凝土達到設計強度后，即可開始施加預應力。首先，用注入水壓力檢查注漿區(qū)域是否通暢，逐步升高壓力以使塑性變形和徐變變形盡早發(fā)生。然后，注入膨脹型水泥漿，直至排氣孔出現(xiàn)稠漿為止，升高注漿壓力達到設計值，維持5min以上，壓力不變即可關閉注漿管和排氣管。待水泥漿凝固后，新內(nèi)襯混凝土便獲得了環(huán)向預壓應力，而水泥漿薄層徑向受壓，對傳遞內(nèi)水壓力給原襯砌混凝土及圍巖毫無影響。

由于襯砌混凝土層很薄，注水或漿壓力不宜過大，以防壓屈失穩(wěn)。

5 結語

本文對已建壓力隧洞提出了切實可行的修補加固方案，即充分利用原襯砌混凝土再加上鋼板及止?jié){環(huán)組成的密閉空間，用來灌注水泥漿實現(xiàn)外加預應力法對新襯混凝土層施加環(huán)向預應力或填充密實水泥漿層傳遞荷載，這樣可以分擔部分的內(nèi)水壓力。使該方案具有預應力混凝土的優(yōu)點，又可以達到補強加固防滲功能，而且施工簡便，損失過水斷面較小。基于以上優(yōu)點，對已建隧洞的復合預應力混凝土襯砌修補加固方案如能應用于工程上，將帶來巨大的社會、經(jīng)濟及環(huán)境效益。

［1］ 趙國杰，劉春冬，李婭.觀音巖水庫高輸水隧洞除險加固設計［J］.水利水電工程設計，2009，4（4）：5-6.

［2］ 趙寧瓊，余林.潘橋水庫泄洪隧洞安全評價及加固設計［J］.水利水電快報，2009，30（4）：33-35.

［3］ 王學萍.烏拉泊水庫輸水隧洞除險加固方案探討［J］.水利水電技術，2008，39（7）：95-99.

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［8］ 徐芝綸.彈性力學簡明教程［M］.北京：高等教育出版社，2002．

Construction technique and calculation research on an anti-seepage structure of composite prestressed concrete lining in pressure diversion tunnel

ZHAO Yan，SUN Yuelin，WANG Ronglu，LIU Zhibin
（Materials Department，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

This techniqueis presented by compositeprestressedconcretefor liningrepairing，strengthening and anti-seepage.A thin layer of the high performance fiber reinforced concreteis poured overthe original con?crete lining.The sheet steel is set between the old and new concrete.By means ofgrooving in the surface of the old concrete，a closed hollow annular space is formed between the old concrete and impermeable lay?er.The uniform pressureof a certain value needed can begivento the thin layer of new concreteby grouting artificially.It can form the ring preload stress in the secondary layer of lining concrete in order to bear part of the internal water pressure.The technique has the effect of reinforcement and anti-seepage.It can not only eliminate the prestressedtendons，butalso can control seepageand achievethe reinforcement effect.Al?so the construction is simple andthe loss crossof section is small.

CompositePrestressedConcrete Lining；External Pre-stressed Method；Repairing and Strengthen?ing；anti-seepage

TV554

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.01.009

1672-3031（2017）01-0061-04

（責任編輯：王冰偉）

2015-12-03

趙妍（1978-），女，河北樂亭人，博士，高級工程師，主要從事水工復雜結構等研究。E-mail：zhaoyan@iwhr.com