BR型增強(qiáng)防水劑在隧洞充填灌漿中的應(yīng)用

劉天山，王進(jìn)鵬

(1.甘肅省引洮工程水資源利用中心，甘肅 蘭州 730046；2.甘肅水利工程地質(zhì)建設(shè)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

引洮供水一期工程于2006年11月22日開工建設(shè)，2015年8月6日正式通水運(yùn)行，為定西、蘭州、白銀3個(gè)市轄的會寧、安定、隴西、渭源、臨洮、通渭、榆中7個(gè)縣區(qū)城鄉(xiāng)生產(chǎn)生活用水、工業(yè)供水、生態(tài)供水提供了水資源保障，發(fā)展灌溉1.27萬公頃，受益人口達(dá)225.35萬人。

引洮供水一期工程為Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大(2)型，工程主要建設(shè)內(nèi)容為：新建總干渠長109.40km，設(shè)計(jì)引水流量32m3/s，加大引水流量36m3/s；一、二、三干渠總長145.40km，支渠17條總長226.73km；城市專用供水管線2條長28.40km，各級渠管道線路總長為509.93km，19萬畝灌區(qū)田間配套工程。

引洮一期工程總干渠15#隧洞樁號全長4761.99m，為三心圓類馬蹄型斷面型式，凈斷面尺寸為B(寬)×H(高)=3.80m×3.89m，縱坡1/1500，頂拱半徑1.32m，側(cè)拱半徑3.80m，底拱半徑5.50m，二襯采用現(xiàn)澆C20鋼筋砼，厚度350～400mm。設(shè)計(jì)引水流量21m3/s，加大引水流量24m3/s。

15#隧洞圍巖主要為：輕粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)壤土、砂壤土，整體土層具有不均一性，圍巖性狀差異大，受地下水長期浸潤作用，土體處于飽和狀態(tài)，洞內(nèi)圍巖屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖，開挖后圍巖自穩(wěn)時(shí)間短，側(cè)墻和拱腳易發(fā)生剝落、滑塌，頂拱易掉塊、塌方，掌子面易出現(xiàn)滑塌、流土等現(xiàn)象，成洞條件差。

自2014年12月28日通水試運(yùn)行以來，因地質(zhì)復(fù)雜、地下水豐富、施工質(zhì)量不良等原因造成隧洞襯砌混凝土裂縫病害，裂縫的存在，不僅會影響結(jié)構(gòu)的剛度和整體性，還會降低隧洞的抗?jié)B能力，引起鋼筋的銹蝕、混凝土的碳化，嚴(yán)重影響隧洞運(yùn)行安全。經(jīng)與其它技術(shù)方案對比，從工期、修復(fù)效果考慮，此次病害修復(fù)采用灌注摻入BR型增強(qiáng)防水劑的水泥漿液處理隧洞襯砌混凝土裂縫。

2 作用機(jī)理及目的

BR型系列增強(qiáng)防水劑屬于無機(jī)類粉狀防水劑，防水劑與水泥水化時(shí)，反應(yīng)成為三氧化二鋁無機(jī)硅膠凝體，粘結(jié)握裹粒子呈鏈狀粘結(jié)，降低泌水、離析，改善成型期應(yīng)用質(zhì)量；固化后的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中生成許多針狀和絮狀結(jié)晶體，封閉了粒子間隙和游離水通道，形成結(jié)構(gòu)內(nèi)部的網(wǎng)狀纖維體，提高韌性，有限改善混凝土的脆性；增加混凝土的粘接附著力，達(dá)到高抗?jié)B自防水的新型結(jié)構(gòu)，耐久性穩(wěn)定；能有效降低混凝土pH值，抑制混凝土內(nèi)部的化學(xué)腐蝕危害。

BR型增強(qiáng)防水劑廣泛應(yīng)用于煤炭、交通行業(yè)，在水利行業(yè)應(yīng)用較少，此次灌漿試驗(yàn)主要目的是驗(yàn)證摻入BR型增強(qiáng)防水劑的水泥漿液，經(jīng)充填灌漿能否有效充填混凝土與圍巖接觸部位的空洞空隙，充填混凝土襯砌結(jié)構(gòu)裂縫，是否能起到封堵漏水的作用。

3 配合比試驗(yàn)

3.1 制漿材料

(1)永登祁連山水泥有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級42.5高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 748—2005《抗硫酸鹽硅酸鹽水泥》。檢測成果見表1。

(2)山西建華化工有限公司生產(chǎn)的BR-CE型增強(qiáng)防水劑、專用粉，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)JC 474- 2008《混凝土外加劑》。檢測成果見表2。

(3)甘肅唯克隆工程建材有限公司生產(chǎn)的高性能減水劑，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 8076—2008《混凝土外加劑》。檢測成果見表2。

3.2 漿液性能

鑒于增強(qiáng)防水劑生產(chǎn)廠家推薦漿液水灰比為0.5∶1～1.5∶1，BR型增強(qiáng)防水劑推薦摻入比為水泥重量的8%～10%，BR專用粉推薦摻入比為水泥重量的1%～3%。水泥基漿液配合比試驗(yàn)選用0.5∶1、0.7∶1、1∶1，BR型增強(qiáng)防水劑摻入比(水泥重量比，下同)8%、10%進(jìn)行試驗(yàn)，BR專用粉1%、2%，高性能減水劑1%。摻入不同比例外加劑的水泥基漿液性能見表3。

表1 水泥試驗(yàn)檢測成果表

表2 外加劑檢測成果表

表3 摻入外加劑水泥基漿液性能指標(biāo)

4 配合比分析

4.1 密度

漿液密度隨著水灰比由稀到濃而增長，隨著BR型增強(qiáng)防水劑摻入比例的增加呈微增長，BR專用粉對漿液密度影響可忽略不計(jì)。水灰比0.5∶1漿液密度為1.85～1.87，水灰比0.7∶1漿液密度為1.69～1.71，水灰比1∶1漿液密度為1.55～1.57。

4.2 流動性

漿液流動性隨著水灰比由稀到濃而增長，隨著BR型增強(qiáng)防水劑摻入比例的增加而增長，隨著BR專用粉摻入比例的增加而減小。水灰比0.5∶1漿液流動性為62～86mm，水灰比0.7∶1漿液流動性為86～109mm，水灰比1∶1漿液流動性為115～142mm。

4.3 析水率

漿液析水率隨著水灰比由稀到濃而減小，隨著BR專用粉摻入比例的增加而減小，BR型增強(qiáng)防水劑對漿液析水率影響可忽略不計(jì)。水灰比0.5∶1漿液析水率為0，水灰比0.7∶1漿液析水率為0，水灰比1∶1漿液析水率為1.80%～2.50%。

4.4 凝結(jié)時(shí)間

漿液凝結(jié)時(shí)間隨著水灰比由稀到濃而縮短，隨著BR型增強(qiáng)防水劑摻入比例的增加而延長，隨著BR專用粉摻入比例的增加而縮短。水灰比0.5∶1漿液凝結(jié)時(shí)間為186～268min，水灰比0.7∶1漿液凝結(jié)時(shí)間為486～675min，水灰比1∶1漿液凝結(jié)時(shí)間為1150～1360min。

4.5 不透水性

漿液結(jié)石不透水性在水灰比0.7∶1時(shí)數(shù)值最大，隨著BR專用粉摻入比例的增加漿液結(jié)石不透水性系數(shù)持續(xù)降低，BR型增強(qiáng)防水劑對漿液結(jié)石不透水性系數(shù)影響微弱。水灰比0.5∶1不透水性系數(shù)為0.80～1.10MPa.h，水灰比0.7∶1不透水性系數(shù)為1.50～1.80MPa.h，水灰比1∶1不透水性系數(shù)為0.80～1.30MPa.h。

4.6 抗壓強(qiáng)度

漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度隨著水灰比由稀到濃而增高，抗壓強(qiáng)度隨著BR型增強(qiáng)防水劑、BR專用粉摻入比例的增加而減低。水灰比0.5∶1漿液結(jié)石28d抗壓強(qiáng)度18.30～24.90MPa，水灰比0.7∶1漿液結(jié)石28d抗壓強(qiáng)度9.90～18.60MPa，水灰比1∶1漿液結(jié)石28d抗壓強(qiáng)度3.80～6.20MPa。

4.7 推薦配合比

通過上述水泥基漿液及漿液結(jié)石性能測試成果，15#隧洞推薦最佳水灰比為0.7∶1、1∶1，BR型增強(qiáng)防水劑摻入比例8%，BR專用粉摻入比例1%，高性能減水劑摻入比例1%。

孔口涌水的灌漿孔，灌漿前測記涌水壓力和涌水量，水灰比為0.5∶1，BR型增強(qiáng)防水劑摻入比例8%，BR專用粉最優(yōu)摻入比例2%～3%，高性能減水劑摻入比例1%。為防止?jié){液凝結(jié)、凝膠時(shí)間過短造成灌漿管路堵塞，宜采用雙液注漿機(jī)灌注。

5 施工參數(shù)

5.1 鉆孔

(1)設(shè)備：YT- 28型氣動鑿巖機(jī)。

(2)孔位：隧洞洞壁奇數(shù)環(huán)布設(shè)5個(gè)鉆孔，偶數(shù)環(huán)布設(shè)布設(shè)4個(gè)鉆孔。鉆孔呈梅花狀布置。灌漿孔位與設(shè)計(jì)偏差不大于10cm。

(3)孔距、排距：2.50m。

(4)孔徑：不小于Φ38mm。

(5)孔深：入巖20cm。

(6)鉆孔方向：側(cè)壁及頂部鉆孔均垂直于隧洞洞壁。

(7)鉆孔方法：鉆孔作業(yè)需要符合灌漿進(jìn)度的要求，避免鉆孔和灌漿作業(yè)空間和時(shí)間交叉。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙布置鉆孔位置，盡量避開鋼筋及鋼拱架的部位。若鉆孔過程遇到鋼筋或鋼拱架，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，技術(shù)人員按照鋼拱架或鋼筋走向重新布置孔位。鉆孔間距離不得小于5cm，禁止連續(xù)、集中鉆孔。

5.2 灌漿

(1)設(shè)備：采用JYB- 2型泥漿泵，高壓膠管輸送漿液?？卓诜忾]器采用擠壓式，密封膠球要具有良好的膨脹性和耐壓性。灌漿記錄采用安泰通ATT- 8500F型灌漿自動記錄儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動記錄各項(xiàng)參數(shù)。

(2)灌漿方式及方法：采用純壓式灌漿，孔口封閉灌漿法

(3)灌漿分區(qū)：充填灌漿分成區(qū)段進(jìn)行，每個(gè)區(qū)段長度為3個(gè)襯砌段。

(4)灌漿分序：環(huán)間孔分序，環(huán)內(nèi)孔不分序，后序孔包括頂孔。自較低的一端(隧洞下游段)開始，向較高的一端(隧洞上游段)推進(jìn)，同一區(qū)段內(nèi)的同一次序孔全部或部分鉆出后再進(jìn)行灌漿。

(5)灌漿壓力：采用0.10～0.30MPa。Ⅰ序孔取低值，Ⅱ序孔取高值。灌漿壓力控制采用分級升壓法。升壓過程中應(yīng)保持灌漿壓力與注入率相適應(yīng)，避免隧洞襯砌鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞。襯砌鋼筋混凝土外觀發(fā)生明顯破壞的部位，灌漿壓力降為0.10MPa。

5.3 結(jié)束條件

達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，持續(xù)10min不吸漿，含水層已無出水點(diǎn)，洞壁裂縫無滲水現(xiàn)象為止，灌漿結(jié)束。

5.4 封孔

灌漿完成后，使用干硬性水泥砂漿將鉆孔封填密實(shí)，孔口壓抹齊平。

6 質(zhì)量檢查

采用檢查孔注漿試驗(yàn)或取芯檢查的方法。檢查孔注漿試驗(yàn)為該部位灌漿結(jié)束7d后，取芯檢測為該部位灌漿結(jié)束28d后。檢查孔布置在頂拱中心線、脫空較大和灌漿情況異常的部位，孔深穿透襯砌深入圍巖10cm。每個(gè)區(qū)段布置1個(gè)檢查孔。

15#隧洞全洞段布置單孔注漿試驗(yàn)孔37個(gè)，水泥漿液水灰比2∶1，灌漿壓力0.30MPa情況下，初始10min內(nèi)注入漿量為1.24～9.35L。布置取芯孔12個(gè)，所提取巖芯中漿液結(jié)石充填飽滿密實(shí)。充填灌漿施工質(zhì)量全部達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)語

引洮一期工程總干渠15#隧洞病害修復(fù)試驗(yàn)段的順利完成，說明了現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)對于重要水工建筑物水泥灌漿的必要性，論證了施工方法和工藝在技術(shù)上的可行性。根據(jù)灌漿目的、地質(zhì)條件和拌和用水等因素確定灌漿材料，經(jīng)過試驗(yàn)對比分析，得出了水泥漿液密度、流動性、析水率、凝結(jié)時(shí)間及漿液結(jié)石不透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度等技術(shù)參數(shù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)的差異數(shù)據(jù)。

受限于經(jīng)費(fèi)原因及特殊圍巖地質(zhì)情況，本文在環(huán)境水對灌漿質(zhì)量影響未開展深入研究。本文通過對摻入BR型增強(qiáng)防水劑的水泥漿液進(jìn)行充填灌漿論證，取得了良好的處理效果，類似水工引水隧洞襯砌砼裂縫病害問題可借鑒應(yīng)用。