大口徑輸水隧洞變形縫修復(fù)技術(shù)探討

張會(huì)敏

（北京市河湖流域管理事務(wù)中心,北京 102600）

南水北調(diào)中線工程一期全長(zhǎng)1276 km,北京段大部分為地下輸水管道或隧洞,總長(zhǎng)260 km。其中大口徑輸水隧洞長(zhǎng)約98 km,占南水北調(diào)北京段總長(zhǎng)38%,大口徑輸水隧洞已成為城市輸水干線的重要組成部分,也被普遍應(yīng)用于水利市政工程中。其安全運(yùn)行對(duì)大城市供水穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用。

1 大口徑鋼筋混凝土輸水隧洞應(yīng)用

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和土地資源稀缺,大口徑輸水隧洞被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于長(zhǎng)距離供水、引水和調(diào)水工程中,且發(fā)揮著穩(wěn)定持久的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。如南水北調(diào)工程穿黃工程隧洞累計(jì)長(zhǎng)8.5 km（圓涵DN7000 mm）[1]；深圳市東江水源工程有86.3 km隧洞（分為城門(mén)洞型、馬蹄型、圓涵和箱涵4 種）[2-3]；引灤入津工程有12.39km隧洞（主要以箱型和城門(mén)型兩種,其中：箱型洞高有5.6m和5.7m兩種、城門(mén)型洞寬有5.7 m和6.26 m兩種）[4]；南水北調(diào)天津干線工程輸水箱涵145.81 km,分為3600 mm×3600 mm和 4400 mm×4400 mm方涵兩種[5]。再如南水北調(diào)北京段位于中線工程的末端,大部分也采用地下暗涵輸水模式,即沿著南、東、北五環(huán)及西四環(huán)形成的大口徑地下輸水隧洞工程；從總干渠開(kāi)始,近百公里,按照逆時(shí)針?lè)矫娣謩e為：南干渠工程（全長(zhǎng)26.8 km、圓涵分為DN3400 mm和DN4700 mm兩種）,東干渠工程（全長(zhǎng)44.7 km、圓涵DN4600 mm）,團(tuán)城湖至第九水廠一期工程（全長(zhǎng)8.2 km、圓涵DN4700 mm）,西四環(huán)暗涵（全長(zhǎng)12.6 km、方涵3800 mm×3800 mm）和盧溝橋暗涵（全長(zhǎng)5.3 km、方涵3800 mm×3800 mm）。

但隨著大口徑輸水隧洞長(zhǎng)期運(yùn)行或因地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化、地上物變化等諸多因素影響下,大口徑輸水隧洞必然存在滲漏水問(wèn)題,其滲漏的關(guān)鍵部位就是變形縫處,因此變形縫的修復(fù)技術(shù)在大口徑輸水隧洞檢修和搶險(xiǎn)過(guò)程是一個(gè)極難攻克的技術(shù)問(wèn)題。變形縫修復(fù)技術(shù)首先要保證變形縫原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)功能不變,即填充材料須柔性材料。其次,要考慮到變形縫修復(fù)作業(yè)條件,大部分輸水隧洞內(nèi)低溫潮濕,且周邊土壤含水量較高,導(dǎo)致隧洞內(nèi)部混凝土表面含水率高,作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法滿足防水材料的施工作業(yè)條件。同時(shí),要考慮變形縫連接的鋼筋混凝土隧洞兩倉(cāng)之間的表面平整度和變形縫縫寬不均勻,變形縫填充或封閉材料若采用定制類橡膠制品,剛性混凝土與柔性橡膠之間粘結(jié)度很難管控,如采用粘結(jié)劑,材料在潮濕條件下粘結(jié)效果很難保證。另外,充分考慮“內(nèi)水外滲、外水內(nèi)滲”兩種滲水工況。大部分防水材料防止迎水面變形縫滲漏效果極佳。隧洞檢修排空時(shí),隧洞周邊的外水可能通過(guò)變形縫向隧洞內(nèi)部滲漏,其背水面防滲效果不佳。部分輸水隧洞在前期建設(shè)中未設(shè)計(jì)檢修通道,檢修搶修的人員、材料、設(shè)備只能通過(guò)直徑0.7 m的井口進(jìn)入隧洞底部,修補(bǔ)的材料、設(shè)備尺寸均要滿足井口直徑的要求才能使用?，F(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件使得搶修工藝選擇面小,材料、設(shè)備選擇有限。

制定變形縫修復(fù)技術(shù)方案要充分考慮存在諸多不利因素。目前,國(guó)內(nèi)在大口徑輸水隧洞工程變形縫修復(fù)取得了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),針對(duì)修補(bǔ)加固新材料、新技術(shù)也進(jìn)行了大量研究和試驗(yàn),有的已經(jīng)應(yīng)用于工程實(shí)踐[6-13]。

2 大口徑輸水隧洞變形縫修復(fù)技術(shù)進(jìn)展

2.1 南水北調(diào)中線穿黃工程和北京段隧洞工程早期變形縫修復(fù)

南水北調(diào)穿黃隧洞運(yùn)行初期,對(duì)于結(jié)構(gòu)縫采用縫內(nèi)填充聚脲（深度2 cm～4 cm）,表面采用噴涂聚脲封閉技術(shù)方案。北京市南水北調(diào)配套南干渠工程和東干渠工程在試運(yùn)行初期,采取了變形縫內(nèi)采用油麻、聚氨酯和雙組份聚硫密封膏填塞,表面采用SK手刮單組份聚脲封閉。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間通水運(yùn)行,聚硫密封膏填塞泥化或老化現(xiàn)象嚴(yán)重,也是導(dǎo)致變形縫滲水的原因之一。

2.2 南水北調(diào)天津干線工程變形縫修復(fù)

天津干線4 號(hào)至5 號(hào)保水堰段箱涵先對(duì)變形縫內(nèi)進(jìn)行灌漿處理,封堵滲漏通道,采用手刮聚脲加強(qiáng)變形縫的閉水效果。灌漿的具體工藝為：封蓋→鉆孔→充填灌漿→復(fù)灌漿液。該工藝采用天津大學(xué)天海新材料有限公司研制的用于變形縫漏水搶險(xiǎn)處理的工藝和專用材料。該材料為T(mén)PT化學(xué)高分子灌漿材料,氰凝高效灌漿防水堵漏材料TPT-2 具有吸潮遇水反應(yīng)固化、漿液粘度低可滲透到混凝土細(xì)微裂縫的特點(diǎn),TPT-1 型材料具備再遇水再膨脹的功能。對(duì)滲漏的變形縫,采用手刮聚脲的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。手刮聚脲厚度2 mm,寬度為430 mm。

TPT在隧洞頂部施工過(guò)程中,粘結(jié)性能較好,但在長(zhǎng)時(shí)間通水運(yùn)行過(guò)程中防水材料易被剝離。

2.3 蘭州水源隧洞和地下工程變形縫修復(fù)

研制了新型的中貼式橡膠止水帶,其止水線高度32 mm、3 條止水線、翼板寬度為192 mm。在中埋式橡膠止水帶迎水面增設(shè)了遇水膨脹止水條,變形縫的縫隙之間及止水面板之間采用BW閉孔泡沫板填塞[14]。

中埋式橡膠止水帶方案較廣泛應(yīng)用于堤壩、涵洞、地鐵、人防、地下室等工程中,施工過(guò)程中膠止水帶與混凝土表面粘結(jié)強(qiáng)度很難控制。在水流沖刷下,填塞材料容易被沖走。

2.4 深圳市東江水源工程變形縫修復(fù)

深圳市東江水源曾經(jīng)對(duì)于箱涵和渡槽變形縫滲漏做過(guò)多種試驗(yàn)。東江水源工程壓力箱涵變形縫處理采用化學(xué)灌漿及快速堵漏劑堵漏,縫內(nèi)嵌填2 cm～3 cm厚高彈性砂漿,在變形縫表面錨貼GB復(fù)合三元乙丙橡膠板。渡槽變形縫漏水處理采用快速堵漏劑堵水,槽內(nèi)嵌填高彈性聚脲砂漿,表面涂刷界面劑,表面涂刷SK抗沖磨型手刮聚脲復(fù)合胎基布[3]。

錨貼橡膠板施工過(guò)程中,對(duì)作業(yè)面的平整度要求極高,且粘貼材料性能很難控制。

3 大口徑輸水隧洞變形縫處理方案

3.1 粘貼橡膠板方案

南水北調(diào)中線穿黃隧洞工程在2019 年實(shí)施檢修工作。其變形縫修復(fù)采用自主研究的T型橡膠板方案。將結(jié)構(gòu)縫原聚脲以及其一體噴涂的低位錨具聚脲拆除后,對(duì)其進(jìn)行銑縫和打磨。沿結(jié)構(gòu)縫中心線刻矩形槽,并對(duì)結(jié)構(gòu)縫全斷面進(jìn)行清理,在結(jié)構(gòu)縫內(nèi)安裝T型橡膠板。結(jié)構(gòu)縫、槽壁等,與橡膠板接觸的混凝土基面,先刷底涂進(jìn)行預(yù)處理,將橡膠板內(nèi)側(cè)全部刷粘結(jié)膠,再安裝橡膠板。橡膠板與槽兩側(cè)壁之間的空隙,使用環(huán)氧砂漿回填,回填與內(nèi)襯混凝土面順接。若同一側(cè)縫壁與槽側(cè)壁之間空隙≤4 cm,該側(cè)槽側(cè)壁、底面需要滿刷。利用專用設(shè)備清除結(jié)構(gòu)縫內(nèi)的閉孔泡沫板,邊頂拱清除深度距內(nèi)壁5 cm,車道平臺(tái)清除深度距內(nèi)壁6 m。打磨結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)內(nèi)襯混凝土面,打磨寬度超出結(jié)構(gòu)縫原聚脲兩側(cè)各5 cm,總寬度42 cm,并在打磨區(qū)設(shè)倒三角嵌槽,嵌槽深5 cm,寬2 cm。

3.2 高彈砂漿及手刮聚脲方案

3.2.1 排水理念隧洞變形縫修復(fù)

北京市南水北調(diào)南干渠工程下段內(nèi)徑4.7 m,采用排水理念設(shè)計(jì)。于2019 年上半年實(shí)施了應(yīng)急檢修工作,其中97%變形縫采用了自主研究的高彈砂漿及手刮聚脲方案進(jìn)行修復(fù)。清除原變形縫位置的聚硫密封膠和填縫材料,深150 mm,并使界面清潔、干燥；分縫位置填塞拌和水泥的油麻,表層采用堵漏劑壓填；打磨變形縫兩側(cè)迎水面混凝土各寬150 mm,縫體部位兩側(cè)混凝土面深2 mm～3 mm；分縫位置兩側(cè)及縫體內(nèi)部滿涂界面劑及SK手刮單組份聚脲1mm；分縫位置聚脲外塞填高彈性砂漿；表面外粘胎基布,變形縫兩側(cè)各外延100 mm；涂刷SK手刮單組份聚脲厚3 mm,變形縫兩側(cè)各外延150 mm。

3.2.2 防水理念隧洞變形縫修復(fù)

北京市南水北調(diào)東干渠工程內(nèi)徑4.6 m,內(nèi)設(shè)防水板,采用防水理念設(shè)計(jì)。南干渠工程檢修完畢后,東干渠工程在2019 年下半年也實(shí)施了隧洞檢修工作,在南干渠工程變形縫修復(fù)基礎(chǔ)上,結(jié)合東干渠自身特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)。將伸縮縫內(nèi)填物清除：對(duì)伸縮縫內(nèi)部的舊有的內(nèi)填物進(jìn)行清除,清除深度為150 mm～170 mm。將油麻砸入到伸縮縫的內(nèi)部,且砸入到伸縮縫內(nèi)部的油麻與嵌槽之間留有20 mm～40 mm的距離；在砸入油麻的過(guò)程中,在伸縮縫的五處不同位置分別插入注漿管,進(jìn)漿嘴位于油麻的外部且伸至嵌槽的內(nèi)部。伸縮縫的內(nèi)部填充堵漏靈,當(dāng)堵漏靈達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度后,對(duì)伸縮縫內(nèi)部灌注丙烯酸鹽漿液。再對(duì)伸縮縫內(nèi)和嵌槽兩側(cè)涂刷界面劑和手刮聚脲；待手刮聚脲表干,向嵌槽內(nèi)填充彈性砂漿；在彈性砂漿表面涂刷界面,在界面劑的外表面上涂刷活化劑,再手刮一層聚脲,并在聚脲的表面外粘一層胎基布,最后在胎基布的外側(cè)表面手刮多層聚脲封閉[15]。

3.3 錨粘橡膠止水帶方案

2019 年,南干渠工程下段應(yīng)急檢修工作中3%變形縫采用了錨粘橡膠止水帶方案進(jìn)行修復(fù)。清除原變形縫位置的聚硫密封膠,并使界面清潔、干燥；打磨變形縫兩側(cè)迎水面混凝土露出新鮮基面并清理干凈；變形縫凹槽部分采用環(huán)氧砂漿找平；分縫位置混凝土面采用環(huán)氧膠粘貼定型橡膠止水帶,變形縫兩側(cè)各外延130 mm。止水帶外側(cè)采用5 mm不銹鋼壓板和直徑8 mm錨栓固定。兩側(cè)不銹鋼壓板寬各150 mm,壓板可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況沿洞周長(zhǎng)自行分塊。錨拴間距不大于200 mm,采用植筋膠植入混凝土,距離變形縫面約90 mm,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整。不銹鋼壓板與止水帶之間加丁基橡膠墊片。

4 方案比選

為提升大口徑隧洞變形縫日常檢修和應(yīng)急搶修處置能力,將目前較為先進(jìn)的3 種變形縫處理方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。

4.1 粘貼橡膠板方案

優(yōu)點(diǎn)：方案可靠性較高；封閉性較好；后續(xù)維修時(shí)更換橡膠板即可,節(jié)約后續(xù)隧洞檢修變形縫維修資金。適用于準(zhǔn)備充分的日常隧洞檢修。

缺點(diǎn)：施工難度大；施工周期較長(zhǎng)；對(duì)結(jié)構(gòu)縫處理、粘結(jié)劑要求高。

4.2 高彈砂漿及手刮聚脲方案

優(yōu)點(diǎn)：施工簡(jiǎn)便；手刮聚脲在混凝土面不平整條件下也可實(shí)現(xiàn)密閉效果。在變形縫內(nèi)填充油麻及堵漏靈,適應(yīng)性強(qiáng),施工作業(yè)面小；SK手刮聚脲具有良好的抗?jié)B性能、延伸率大、與混凝土結(jié)合好、無(wú)毒無(wú)害,對(duì)于濕度較大、低溫環(huán)境依然可以使用；施工周期短,較錨粘橡膠板止水帶處理工序縮短45%。適用于時(shí)間緊破的應(yīng)急隧洞搶修。

缺點(diǎn)：方案可靠性一般；對(duì)洞內(nèi)通風(fēng)及干燥環(huán)境要求高。

4.3 錨粘橡膠止水帶方案

優(yōu)點(diǎn)：方案可靠性較高施工工序少；便于后期維修時(shí)止水帶替換。適用于準(zhǔn)備充分的日常隧洞檢修。

缺點(diǎn)：洞內(nèi)施工難度大；遇混凝土面錯(cuò)臺(tái)不易實(shí)現(xiàn)密封效果；錨栓外露,水力條件較差,易引發(fā)水生生物附著,對(duì)混凝土、止水帶及錨栓產(chǎn)生危害。施工作業(yè)條件要求高、橡膠板與混凝土表面粘貼密實(shí)度不易控制；周期較長(zhǎng),處理工序需要12 工時(shí),但錨粘橡膠板止水帶穩(wěn)固需要3 d,無(wú)法滿足搶修進(jìn)度要求。

上述3 種較為成熟的變形縫修復(fù)技術(shù)方案實(shí)施后,經(jīng)過(guò)所在運(yùn)行管理單位安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,滲漏情況均得到顯著的減少,地面再無(wú)漏水情況發(fā)生,有效提高南水北調(diào)水的利用效率。