凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道滲漏水病害的原因及治理方法

趙江濤 王笑歡 程 敏 牛曉凱 姚旭飛

(1.北京市建設(shè)工程質(zhì)量第三檢測所有限責(zé)任公司,100037,北京;2.北京市市政工程研究院,100037,北京∥第一作者,高級工程師)

凍結(jié)法因不干擾地面交通、無噪聲污染、土體加固強(qiáng)度高、止水性能好等優(yōu)點(diǎn),在富水軟土、砂土環(huán)境下的聯(lián)絡(luò)通道施工中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著地鐵運(yùn)營時間的增長,凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道的滲漏水病害正在逐漸顯現(xiàn)并且愈發(fā)嚴(yán)重[1-2]。目前,凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道的滲漏水病害治理基本處于“滲漏-治理-滲漏”的惡性循環(huán)中,耗損了大量的人力、物力卻效果不佳。因此,有必要深入分析凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道的滲漏水病害發(fā)生原因及治理方法,從而為該類問題的解決提供借鑒和參考。

目前,國內(nèi)外對于聯(lián)絡(luò)通道滲漏水病害機(jī)理及治理方法的研究尚處于起步階段,可供參考的文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[3]對聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工完成后的滲漏水病害發(fā)生原因進(jìn)行了深入分析,提出了聯(lián)絡(luò)通道滲漏水病害前期預(yù)防及后期處置措施。文獻(xiàn)[4]針對上海軌道交通2號線某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道已有加固體系失效的情況,提出了壁后化學(xué)注漿、環(huán)縱縫處理、原鋼環(huán)表面噴涂防腐材料、鋼環(huán)與管片間隙壓注環(huán)氧樹脂等二次補(bǔ)強(qiáng)及防水治理工藝。文獻(xiàn)[5]針對南京地鐵某凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道運(yùn)營期持續(xù)下沉的情況,提出采用“多點(diǎn)、均勻、少量、多次”的劈裂-擠密注漿方法對聯(lián)絡(luò)通道周圍地層加固,并驗(yàn)證了該方法的有效性。

本文將針對凍結(jié)法施工工藝特點(diǎn),結(jié)合結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造特點(diǎn)及施工質(zhì)量缺陷等,對基于凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道(主隧道采用半鋼管片)的滲漏水病害原因及治理方法進(jìn)行研究,以徹底有效地解決地鐵聯(lián)絡(luò)通道運(yùn)營期滲漏水病害問題。

1 凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道的主要滲漏部位

通過對上海、南京、蘇州及寧波等城市的地鐵隧道調(diào)研發(fā)現(xiàn),凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道的主要滲漏部位分布如下:

1) 拱腰位置鋼管片格腔內(nèi)部發(fā)生滲漏,主要表現(xiàn)為混凝土與肋板接縫線狀滲水、或混凝土填充不密實(shí)而出現(xiàn)局部涌水。

2) 鋼管片與混凝土管片接縫位置發(fā)生滲漏。

3) 結(jié)孔等穿墻孔位置發(fā)生滲漏。

4) 聯(lián)絡(luò)通道洞門位置發(fā)生滲漏,主要表現(xiàn)在洞門頂部混凝土開裂滲水、側(cè)墻及地板連接位置施工縫滲水等。

2 滲漏水病害原因及發(fā)生機(jī)理

2.1 地層的凍脹融沉效應(yīng)

地層凍結(jié)施工過程中,會發(fā)生原位凍結(jié)與分凝凍結(jié)。分凝凍結(jié)會造成土體中水分的遷移和成冰,是造成地層凍脹的直接原因。地層凍脹后土體體積通常能增大一倍。而凍結(jié)施工完成后,土體中的冰晶融化成水,并在土體中形成孔隙;水經(jīng)過孔隙排出后,土體體積會逐漸縮小,并在在自重的作用下發(fā)生持續(xù)的固結(jié)沉降,形成持續(xù)性的融沉效應(yīng)。在地層凍結(jié)施工過程中,地層的凍脹與融沉過程并非完全互逆。在凍脹融沉過程中,會發(fā)生土體結(jié)構(gòu)破壞[6]及土體排水固結(jié)等,且通常土體的融沉量會大于凍脹量。在現(xiàn)有凍結(jié)法施工工藝體系中,大多采取充填注漿或融沉補(bǔ)償注漿的方式來彌補(bǔ)地層的下沉。這些彌補(bǔ)方式存在以下問題:

1) 地層土性不同使得漿液可注性存在較大差異;施工過程中對注漿參數(shù)采用較粗放的經(jīng)驗(yàn)化控制,難以保證每次注漿的效果。

2) 融沉注漿一般按照底板→側(cè)墻→拱頂?shù)捻樞?。不同部位注漿的階段性目標(biāo)并不明確,且實(shí)際注漿效果難以評估。

3) 對于飽和軟土而言,地層融沉是一個漫長的過程,故融沉注漿必須長期持續(xù)監(jiān)測,持續(xù)注漿。然而這在工期緊迫的情況下根本無法實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)的工程案例[5,7-8],在融沉注漿不到位的情況下,聯(lián)絡(luò)通道及附近管片最大沉降能夠達(dá)到28.5～41.8 mm。這說明聯(lián)絡(luò)通道與主隧道連接部位容易產(chǎn)生差異沉降,造成該部位混凝土受拉或受剪破壞,從而形成滲流通道。

2.2 連接部位受力系統(tǒng)轉(zhuǎn)換頻繁、應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯

在凍結(jié)施工過程中,聯(lián)絡(luò)通道的受力體系頻繁轉(zhuǎn)換:管片開孔后,管片整體受力性能受損,預(yù)設(shè)的鋼支撐會彌補(bǔ)管片承載能力的不足,作用在管片上的部分水土壓力轉(zhuǎn)為由鋼支撐負(fù)荷;隨著聯(lián)絡(luò)通道的持續(xù)開挖,地層應(yīng)力釋放產(chǎn)生的附加應(yīng)力會不斷施加到管片上,并傳遞給鋼支撐,造成管片局部應(yīng)力集中及鋼支撐受力不斷增大;聯(lián)絡(luò)通道施工完成后,鋼支撐的拆除使得主隧道的應(yīng)力集中會逐漸向聯(lián)絡(luò)通道傳遞和轉(zhuǎn)移。由于聯(lián)絡(luò)通道與盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的剛度差異大,應(yīng)力傳遞路徑更為復(fù)雜,洞門連接部位應(yīng)力集中情況也愈發(fā)明顯。

由上述分析可知:一方面,受力系統(tǒng)的頻繁轉(zhuǎn)換造成了管片的附加變形,使得鋼管片發(fā)生翹曲或管片接縫錯動,從而使接縫止水裝置失效而發(fā)生滲漏;另一方面,受力系統(tǒng)的頻繁轉(zhuǎn)換造成了聯(lián)絡(luò)通道與盾構(gòu)管片連接部位的應(yīng)力集中,尤其是在地層發(fā)生融沉?xí)r,極可能增大連接部位受拉開裂的風(fēng)險(xiǎn),從而誘發(fā)滲漏水病害的發(fā)生。

2.3 鋼管片處于亞健康工作狀態(tài)

拱腰部位的鋼管片格腔由于處于仰角位置,混凝土難以填充飽滿,部分格腔混凝土厚度不足格腔深度的1/3,導(dǎo)致格腔混凝土背后存在天然儲水空間,鋼管片處于亞健康工作狀態(tài)。一旦外界水源進(jìn)入格腔內(nèi)部,極易形成滲流、噴涌。

拱腰部位的鋼管片部分會預(yù)留凍結(jié)施工所需的孔口管?？卓诠芘c肋板接縫也極易發(fā)生彎剪破壞或張拉破壞,同樣使鋼管片處于亞健康工作狀態(tài),進(jìn)而形成滲流通道。

2.4 洞門位置細(xì)部構(gòu)造存在施工質(zhì)量缺陷

在聯(lián)絡(luò)通道與盾構(gòu)鋼管片連接的拱頂腋角部位,由于施工空間狹小,初期支護(hù)噴射混凝土及二次襯砌模筑混凝土?xí)r極易形成三角形空洞區(qū)域。如圖1所示,匯集到三角形空洞區(qū)域的地下水一般有3種滲流路徑:路徑1為積水通過孔口管與背板的彎拉開裂位置向格腔內(nèi)部滲漏,該路徑的滲流會形成格腔積水,并逐漸發(fā)生成格腔滲水,甚至噴涌;路徑2為積水沿著管片接縫向外滲漏,該路徑的滲流會逐漸發(fā)展成管片接縫滲漏水;路徑3為積水沿著二次襯砌混凝土內(nèi)部微小裂隙或缺陷位置向外滲透,該路徑的滲流會形成洞門頂部混凝土的局部滲漏,并逐步引發(fā)鋼筋銹蝕、混凝土剝落等病害。

圖1 匯集到三角形空洞區(qū)域的地下水滲流路徑

2.5 凍結(jié)管封堵措施不佳

凍結(jié)施工過程中,一般會打設(shè)大量凍結(jié)管,而這些凍結(jié)管的后期封堵質(zhì)量難以保證,主要表現(xiàn)在:① 對于拱腰位置的凍結(jié)管,由于為仰角打設(shè),砂漿及水泥等封堵材料難以完全填充管道;② 通過對大量凍結(jié)法施工的聯(lián)絡(luò)通道的實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),凍結(jié)管表面“錨栓+鋼板”的封堵工序大多未施作,使得3道封堵工序(內(nèi)部充填聚合物防水砂漿,中間封堵微膨脹水泥,表面錨栓錨固鋼板)并未完全實(shí)施,從而使得該部位成為防水薄弱環(huán)節(jié)。

3 聯(lián)絡(luò)通道滲漏水病害的綜合治理

針對滲漏水病害原因,本文結(jié)合多個工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn),提出了“檢測先行,科學(xué)評價,內(nèi)外結(jié)合,綜合治理”的凍結(jié)聯(lián)絡(luò)通道滲漏水病害治理思路。聯(lián)絡(luò)通道滲漏水病害綜合治理方法的主要流程見圖2。

圖2 聯(lián)絡(luò)通道滲漏水病害綜合治理方法的主要流程

3.1 區(qū)間及聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)資料收集

主要收集地質(zhì)水文、區(qū)間隧道橫縱斷面設(shè)計(jì)、盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)形式、聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)形式及防水構(gòu)造等資料,重點(diǎn)收集聯(lián)絡(luò)通道與區(qū)間隧道連接位置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及細(xì)部構(gòu)造資料。

3.2 二次襯砌結(jié)構(gòu)及其背后土體密實(shí)度檢測

對二次襯砌及其背后的土體密實(shí)度進(jìn)行雷達(dá)檢測,重點(diǎn)檢測二次襯砌結(jié)構(gòu)及背后土體密實(shí)情況及富水情況,為二次襯砌背后注漿施工提供依據(jù)。

3.3 聯(lián)絡(luò)通道病害等級評估

根據(jù)二次襯砌結(jié)構(gòu)及背后土體密實(shí)度檢測結(jié)果,對聯(lián)絡(luò)通道滲漏水病害進(jìn)行評估分級。當(dāng)存在下述情況之一時判定為嚴(yán)重,否則判定為輕微:① 二次襯砌背后存在明顯空洞或富水體;② 管片接縫間存在持續(xù)的線狀流水;③ 鋼管片嚴(yán)重銹蝕,且格腔內(nèi)部存在持續(xù)出水或涌水;④ 洞門位置二次襯砌混凝土嚴(yán)重劣化,且存在明顯滲漏水病害。

當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道滲漏水病害等級被判定為嚴(yán)重時,應(yīng)綜合采用二次襯砌背后注漿、二次襯砌滲漏處補(bǔ)強(qiáng)及在二次襯砌表面噴涂封堵材料等措施,對聯(lián)絡(luò)通道位置由外向內(nèi)進(jìn)行綜合治理。

當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道滲漏水病害等級被判定為輕微時,應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)病害狀況開展專項(xiàng)專治,治理措施根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力特征堅(jiān)持剛?cè)嵯酀?jì)的原則,因地制宜,綜合治理。

3.4 二次襯砌背后注漿

二次襯砌背后注漿首選利用管片吊裝孔或預(yù)留注漿孔進(jìn)行施工。注漿前應(yīng)配備合適的注漿頭及球閥,確保絲扣吻合、連接牢固。當(dāng)須在聯(lián)絡(luò)通道二次襯砌位置打設(shè)注漿孔時,應(yīng)采取穩(wěn)固的防噴涌措施。由于打設(shè)注漿孔會破壞防水層的完整性,因此必須在空洞內(nèi)填塞能較好黏附防水板、初期支護(hù)及二次襯砌的柔性填充型防水材料,以確保注漿處的局部密封性。

通常情況下,發(fā)生滲漏水病害的二次襯砌背后富水嚴(yán)重,漿泥混雜。因此,注漿前應(yīng)綜合考慮地質(zhì)水文情況及滲漏情況,調(diào)配合適的水泥基灌漿料。灌漿料應(yīng)具備耐久性好、凝固時間可控及水中不易分散等特性。注漿前須提前試驗(yàn)漿液配比,以確保注漿加固效果。注漿過程中應(yīng)密切注意注漿壓力變化情況:出現(xiàn)壓力驟增或驟降的情況,說明注漿管路可能出現(xiàn)堵塞或泄漏,應(yīng)關(guān)閉球閥并及時采取措施;注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為注漿壓力達(dá)到0.5 MPa;若穩(wěn)壓一段時間后無明顯降壓,則認(rèn)為漿液飽滿。

3.5 格腔混凝土背后空洞注漿填充

注漿孔與泄壓孔應(yīng)在格腔內(nèi)對角打設(shè),其中注漿孔位于下部,泄壓孔位于上部。首先,鉆孔至背板表面;然后,注入超流態(tài)(初始流動度≥290 mm)、微膨脹(3 h豎向膨脹率≥1.0%)、初凝快(初凝時間≤3 h)的水泥基灌漿料,充填格腔混凝土背后空洞。

打注漿孔時,若發(fā)現(xiàn)該格腔存在持續(xù)、高壓的地下水噴涌,則說明表面該格腔混凝土背后空洞與外界水源存在連同現(xiàn)象。此時,為保證病害治理效果,應(yīng)先實(shí)施二次襯砌背后注漿作業(yè),再實(shí)施格腔混凝土背后空洞注漿填充。

3.6 管片接縫處的滲漏水病害治理

受地鐵列車的持續(xù)振動影響,管片接縫處的滲漏水病害具有界面特征明顯、易復(fù)發(fā)等特點(diǎn)。對此應(yīng)選擇固化體斷裂伸長率大、且同混凝土和鋼材基面均具有較強(qiáng)黏附性的柔性防水材料進(jìn)行治理。

對于管片接縫處的滲漏水病害治理,建議至少實(shí)施2層防水。第1層防水為在管片接縫內(nèi)垂直打設(shè)注漿孔及終止孔。其中終止孔采用堵漏靈等速凝防水材料填充形成防水邊界,注漿孔注入丙烯酸灌漿料進(jìn)行內(nèi)部封堵。注漿孔及終止孔的打設(shè)位置如圖3所示。第2層防水為在接縫表面填補(bǔ)聚硫密封膠等柔性材料進(jìn)行二次封堵,形成防水儲備。

圖3 注漿孔及終止孔的打設(shè)位置示意圖

3.7 凍結(jié)管口的滲漏水病害治理

凍結(jié)管口的滲漏水病害治理采用剔槽埋管治理法。首先,在管道周邊剔鑿環(huán)形深槽,露出管道與混凝土連接部位基面,仔細(xì)尋找并確定主滲漏點(diǎn);然后,在主滲水點(diǎn)位置埋設(shè)引水軟管,將滲漏水從引水管流出后,按圖4方法對開鑿的混凝土凹槽進(jìn)行封堵;最后,待凹槽內(nèi)封堵的水泥基灌漿料固化后,拔出引水管,插入注漿噴嘴,使用高壓灌漿機(jī)連接噴嘴向孔內(nèi)灌注聚氨酯等有機(jī)灌漿料,滲漏部位被完全封堵后,便可拆除噴嘴,遺留孔洞采用高強(qiáng)速干止水材料填充處理。

圖4 滲漏水病害治理剖面圖

3.8 洞門頂部的混凝土缺陷治理

根據(jù)洞門頂部的混凝土缺陷嚴(yán)重程度,應(yīng)采取不同的治理措施。若洞門頂部的混凝土強(qiáng)度嚴(yán)重不足,或存在嚴(yán)重的混凝土碳化與剝落,則判定為混凝土缺陷嚴(yán)重,可采用局部鑿除、支模及二次澆筑的方法來治理。若洞門頂部的混凝土只存在局部開裂或滲漏水的情況,則判定為混凝土缺陷輕微,可采用鉆斜孔注漿方法對結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行治理。斜孔傾角宜為45°～60°,注漿材料一般選用環(huán)氧樹脂及丙烯酸等,封縫材料一般選用聚合物水泥防水砂漿。

3.9 洞門側(cè)墻與底板的施工縫滲漏治理

洞門側(cè)墻與底板的施工縫滲漏可采用刻槽灌漿的方法進(jìn)行治理。首先,在滲水點(diǎn)表面沿裂隙剔鑿U形或倒梯形槽,開槽長度須沿裂縫兩端向兩側(cè)各延伸一定距離;然后,打孔安裝注漿基座,并采用高強(qiáng)速干止水材料封堵U形或倒梯形槽;最后,利用埋設(shè)的注漿基座進(jìn)行灌漿以堵滲漏縫隙。注漿過程中注漿壓力最大不超過0.5 MPa,注漿完畢后,應(yīng)穩(wěn)壓不少于5 min再封管。

3.10 治理效果實(shí)例驗(yàn)證

蘇州地鐵某聯(lián)絡(luò)通道滲漏水病害嚴(yán)重。采用上述綜合治理方法后,該聯(lián)絡(luò)通道基本無滲漏水病害,驗(yàn)證了上述綜合治理方法的良好效果。蘇州地鐵某聯(lián)絡(luò)通道滲漏水病害治理效果實(shí)景圖如圖5所示。

a) 治理前

4 結(jié)語

1) 凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道在服役5～8年后,常發(fā)生較嚴(yán)重的滲漏水病害,面臨滲漏部位多、滲水量大及治理難度高等問題,甚至存在局部涌水現(xiàn)象,極大地影響了列車的正常運(yùn)營。其主要滲漏部位為拱腰位置鋼管片格腔、管片接縫、凍結(jié)管口及洞門位置等。

2) 引發(fā)滲漏水病害的原因主要為:地層凍脹融沉效應(yīng)造成結(jié)構(gòu)附加沉降,施工過程中受力體系頻繁轉(zhuǎn)換導(dǎo)致連接部位應(yīng)力集中,鋼管片服役初期處于亞健康工作狀態(tài),洞門位置細(xì)部構(gòu)造存在施工質(zhì)量缺陷,凍結(jié)管封堵措施不佳等。

3) 基于滲漏水病害發(fā)生機(jī)理,結(jié)合多個工程的實(shí)例經(jīng)驗(yàn),本文提出了“檢測先行、科學(xué)評價、內(nèi)外結(jié)合、綜合治理”的治理思路,并提出了以監(jiān)測及檢測結(jié)果為基礎(chǔ)的聯(lián)絡(luò)滲漏水病害綜合治理方法。該綜合治理方法具有一定的創(chuàng)新性,可為類似工程提供一定的借鑒。