隧洞混凝土襯砌灌漿封孔技術研究

吐爾洪·馬合木提，楊子宇

(1. 新疆維吾爾自治區(qū)水利廳建設管理與質量安全中心，新疆 烏魯木齊 830000；2. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

“十二五”期間，在國務院批準的重點基礎項目中，水利水電工程用地達23.3萬hm2，占比近30%。在水利工程的建設過程中，為了滿足水利建設中泄洪、灌溉、發(fā)電、施工導流和通航等需要而在地下或者山體中開鑿的過水洞稱為水工隧洞[1]，水工隧洞是水利工程的重要組成部分[2]。

現階段，在灌漿作業(yè)完成后，由于混凝土襯砌時預埋灌漿管及混凝土襯砌后造孔時會對混凝土造成一定破壞[3]。為了防止出現滲水通道，影響灌漿效果，需要對灌漿孔進行封堵作業(yè)[4]。

根據《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》SL62-2014規(guī)定，常用的封孔方法有“全孔灌漿法”和“導管注漿法”這兩種，但是這兩種方法的灌漿封孔效果不佳，可能會留下滲水通道。特別是有壓隧洞和高速水流隧洞在過水運行后停水檢查的時候，通常存在部分灌漿孔滲水和孔口封堵砂漿脫落等問題，孔周邊襯砌的混凝土也存在破壞。長此以往，滲水會銹蝕混凝土內部的鋼筋；同時伴隨著化學作用，混凝土的耐久性在不斷降低；常年在高水位下，洞內的水向巖石內部滲流，會降低隧洞周邊的巖石強度及透水性、整體性，可能會造成隧洞出口邊坡沿著滲漏通道溢出部位的塌方，進而造成安全事故[5]。因此，需要一種新的封孔方法，保證灌漿質量達到預計的設計效果。

本文介紹了預縮砂漿封孔法，即灌漿封孔時利用高壓縮空氣將粘結強度高的預縮砂漿射入灌漿孔進行封孔。經工程運行實際情況表明，預縮砂漿封孔法和傳統(tǒng)的灌漿封孔方法相比，有著高效快捷，質量可靠等特點，值得在其他工程中推廣。

1 常用封孔方法的不足及解決措施

1.1 壓力灌漿封孔法的不足

根據《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》SL62-2014規(guī)定，隧洞固結灌漿后需要封孔，有“全孔灌漿法”和“導管注漿法”這兩種封孔方法[6]。一般工況下，隧洞固結灌漿采用單孔灌漿法，在施工期孔內吃漿量達到設計或規(guī)范規(guī)定值要求后，采取全孔灌漿法封孔，孔口空余部分用干硬性砂漿填實抹平[7]。

隧洞灌漿孔有倒向孔、俯孔和水平孔之分(如圖1)，為了防止孔內漿液倒流到孔外，灌漿完成后倒孔需要進行閉漿，在閉漿期間水泥漿液會逐漸沉淀、凝固，形成下部為水泥結石上部為水或空腔的現象(如圖2)，俯孔由于同樣的原因導致上部為水下部為水泥結石；水平孔會稍有不同，沉淀原因會造成孔內分層，半孔為水泥結石半孔為空腔(如圖3)[8]。

由于檢查灌漿質量時對封孔的質量檢查沒有具體的要求，導致施工期灌漿孔的封堵質量很難檢測并及時的采取措施，造成安全隱患。

圖1 水工隧洞灌漿孔位布置示意圖

圖2 倒向孔、附孔水泥結石示意圖

圖3 水平孔水泥結石示意圖

1.2 針對水泥漿沉淀的工程措施

針對孔內的漿液沉淀形成水泥結石的問題，俯孔可用水灰比為0.5∶1濃漿將孔內水置換后再進行壓力灌漿，再沉淀后用砂漿將孔內回填抹平。但是，在使用“全孔灌漿法”對孔進行封孔，采用的是水灰比為0.5∶1的水泥濃漿，同時閉漿的時間一般不少于30 min，在施工作業(yè)時灌漿管路容易堵管，導致功效降低。

而倒向孔和水平孔即使再次進行濃灌漿還是會存在空腔現象。施工單位為了解決空腔問題，只好再次將孔掃開重新用水泥砂漿回填，人工用木桿將水泥砂漿向孔內推送回填至孔口。實際操作時，砂漿容易再次從孔內脫落，不僅效率低下，更無法保證封孔質量達到預期要求。

因此，需要一種新的灌漿方法保證封孔工作的質量和效率。

2 預縮砂漿封孔法

常用的封孔方法的局限性在于：為了保證漿液填滿灌漿孔，要求漿液有良好的流動性，選用的水泥漿的含水量一般偏高，導致漿液與結合面的粘結力過低；同時水泥與砂在水中的流動性高，水泥漿在重力作用下會逐漸沉淀，凝固在下部形成水泥結石。為了解決粘結度過低的問題，設想采用常運用于混凝土缺陷修補的預縮砂漿進行封孔[9]，預縮砂漿主要特點有：①水灰比小，一般介于0.18～0.22之間，經過預縮后水分可以在水泥漿中均勻分布，砂漿孔隙小，表面不泌水，顯著提高砂漿與結合面的粘結質量。②灰砂比一般介于1∶1.8～1∶2.5之間，經過預縮處理后，砂漿已經接近初凝，體積先行收縮，再經振實后砂礫被水泥漿牢固的粘結，從而有效地避免了由于砂漿收縮造成的脫殼。③振實后的砂漿密度大、強度高，與原混凝土界面粘結強度高、抗沖抗磨強度也較高[10]。同時，為了使流動性不高的干硬性水泥砂漿可以將孔填滿，僅僅靠自流是無法完成的，需要配備合理的工程設備。空壓機可以利用高壓縮空氣把抗壓，粘結強度高的預縮砂漿射進灌漿孔底部，將孔逐層填滿[11]。當孔填滿后再抹平孔口，完成灌漿封孔工作。

2.1 預縮砂漿配制及施工要求

預縮砂漿是將普通水泥砂漿拌好后，歸堆存放并用麻袋或草袋等不透明的材料遮蓋0.5～1.5 h后，形成的干硬性水泥砂漿[12]。

在實際工程施工時，一般條件下預縮砂漿原料的配合比約為水泥∶砂∶水∶外加劑=1∶1.8∶0.26∶0.4；水泥為P.O42.5；砂細度模數為1.8～2.0；減水劑為ZB-IA溶液濃度約為12%；技術指標為抗壓強度≥45 MPa；抗拉強度≥1.5 MPa；粘結強度≥2.0 MPa[13]。砂漿拌置是稠度以用手捏成團塊，手心有潮濕感而無析水為宜。砂漿拌好后堆置0.5～1.5 h，達到預縮效果后必須在2～4 h內使用[14]。

2.2 預縮砂漿封填設備

采用預縮砂漿封孔法，需要的封孔設備有空壓機和封孔器[15]。而封孔器是由充氣閥、壓力表(4.0 MPa)、儲氣罐、放氣閥、砂漿料斗、軟管、內徑25～30 mm的鋼管組成，鋼管的直徑與長度一般根據灌漿孔深度和直徑來確定。由于射砂漿作業(yè)具有重復性，在氣管上可設置多個放氣閥和料斗閥、能提高工作效率。

封孔器剖面示意圖如圖4所示。

圖4 封孔器的剖面圖

2.3 封孔施工流程

隧洞灌漿作業(yè)的工藝流程為掃孔-洗孔-設備安設-砂漿拌制-孔口處理。對于水平孔和導向孔，用手風鉆重新掃孔，用水或壓縮空氣沖凈孔內的水泥漿等雜物。制作完成的封孔器安裝固定在灌漿施工臺車上，利用臺車移動。具體操作步驟如下：放氣閥關閉-進氣閥打開-充氣-觀測壓力表讀數(0.8～1 MPa)-進氣閥關閉；下料斗閥門打開-向輸漿管內裝填預縮砂漿(每次的裝填長度約為400 mm)-下料斗閥門關閉；內徑30 mm的鋼管插進孔內(鋼管的出口離孔底200 mm左右)-打開放氣閥。重復上述步驟直至孔內填滿砂漿為止，隨后將孔口抹平。

3 工程案例

3.1 工程概況

北疆水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)北部的莫縣境內，是1座以灌溉為主兼顧發(fā)電、防洪、生態(tài)等綜合利用大的大(Ⅰ)型一等工程。電站裝機4臺，總裝機容量320 MW；水庫總庫容17.7億m3。主要建筑物包括粘土心墻壩，電站廠房，引水發(fā)電洞，深孔排沙放空洞，表孔溢洪洞及中孔(導流)泄洪洞。其中：粘土心墻壩，表孔溢洪洞，中孔泄洪洞，深孔排沙防空洞和發(fā)電引水系統(tǒng)進水口為1級建筑物；引水發(fā)電洞，電站廠房為2級建筑物；次要建筑物為3級建筑物；臨時建筑物為4級建筑物。

泄水建筑物和發(fā)電引水建筑物的進水口均布置在右岸。表孔溢洪洞，中孔泄洪洞和深孔排沙放空洞的洞線接近于平行布置，深孔排沙放空洞位于兩條發(fā)電洞中間，其軸線與發(fā)電洞上平洞隧洞段的軸線平行。中孔泄洪洞由于導流洞采用的“龍?zhí)ь^”改建而成。

在北疆水利樞紐工程中，預縮砂漿封孔法被應用于引水隧洞和泄洪洞的灌漿封孔作業(yè)中。

3.2 隧洞灌漿封孔

在水工隧洞質量檢測時，灌漿孔封孔質量是否合格可以通過隧洞在運行一段時間后是否有滲水現象來判斷。北疆水利樞紐工程于2005年完工投入運行至今，引水隧洞經過多年輸水運行，停水檢查時未發(fā)現有灌漿孔封孔砂漿脫落、滲水等現象，有效的保證了北疆工程中的隧洞灌漿孔封堵工作達到預期要求。

4 結 語

本文分析了當前工程常用的水工隧洞灌漿封孔方法，基于工程中常遇到的水泥沉淀形成結石的問題，根據工程經驗選擇合理的封孔材料和相應封孔設備，提出了利用空壓機和封孔器將流動性不高、收縮小、粘結強度高、抗沖抗磨強度高的預縮砂漿射進灌漿孔底部，將孔逐層填滿的新的灌漿封孔方法，即預縮砂漿封孔法。

經北疆水利樞紐工程的引水隧洞的多年運行實踐證明，采取預縮砂漿封孔法對灌漿孔進行封孔，因砂漿

配置過程中摻加了減水劑，所以砂漿的收縮性比水泥漿低，利用高壓縮空氣射入的粘結強度高的砂漿可以做到在孔內填封密實。同時利用封孔器進行灌漿封孔，簡便易行，經濟高效，同時可保證封孔質量，值得應用推廣到其他工程的灌漿封孔工作中。