盾構(gòu)法輸水隧洞二襯變形縫止水研究與應(yīng)用

劉海樂(lè) 姜 旭 肖玉超

(北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102206)

北京市南水北調(diào)配套工程團(tuán)城湖至第九水廠輸水工程(二期)(簡(jiǎn)稱“團(tuán)九項(xiàng)目”)輸水隧洞使用盾構(gòu)法成型。以往的盾構(gòu)法是在輸水隧洞二襯變形縫位置采用“紫銅止水+閉孔泡沫板+聚氨酯嵌縫”，結(jié)構(gòu)由于自密實(shí)混凝土不能振搗，收縮大，在變形縫紫銅止水帶位置難以密實(shí)，且變形縫填縫材料以閉孔泡沫板為主，水流沿著變形縫及紫銅周邊滲透到隧洞內(nèi)，同時(shí)，變形縫內(nèi)原施工材料隨著使用年限的增加物理性能隨之衰減，會(huì)造成變形縫及周邊混凝土經(jīng)常出現(xiàn)反滲水現(xiàn)象，最終導(dǎo)致隧洞結(jié)構(gòu)的破壞。傳統(tǒng)工程采用管片、防水卷材、紫銅止水、聚氨酯嵌縫的“四層防水結(jié)構(gòu)”，目前，團(tuán)九二期工程增加了微膨脹水泥漿及丙烯酸鹽注漿的“五層防水結(jié)構(gòu)”。

1 工程概況

團(tuán)城湖至第九水廠輸水二期工程，是配套工程“一條環(huán)路”中的最后一段未建工程，該工程建成后，環(huán)路將會(huì)實(shí)現(xiàn)貫通，全線閉合。隧洞從團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池環(huán)線分水口末端取水，終點(diǎn)與團(tuán)城湖至第九水廠輸水工程一期龍背村閘站預(yù)留的接口連接，總長(zhǎng)度約為4.0km。沿線布置有排氣閥井4座，排空閥井1座，以及東水西調(diào)分水口、團(tuán)北取水閘站及相關(guān)管理用房。

輸水隧洞內(nèi)徑4.7m，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，其中一襯為C50W10F150預(yù)制鋼筋混凝土盾構(gòu)管片，厚度300mm，二襯為C30W6F150模筑鋼筋混凝土，厚度350mm，采用自密實(shí)混凝土，每12m(轉(zhuǎn)彎處7.5m)設(shè)置一道永久變形縫(見(jiàn)圖1)。

圖1 盾構(gòu)法輸水隧洞結(jié)構(gòu)層示意圖

2 輸水隧洞二襯結(jié)構(gòu)變形縫研究目的

根據(jù)輸水隧洞運(yùn)行情況調(diào)查分析，變形縫內(nèi)原施工材料隨著使用年限的增加物理性能隨之衰減，導(dǎo)致變形縫出現(xiàn)空腔現(xiàn)象，形成水流通道，最終造成變形縫反水現(xiàn)象。因此，解決輸水隧洞滲水問(wèn)題的關(guān)鍵是如何保證二襯結(jié)構(gòu)變形縫的止水性能及止水帶周圍混凝土的密實(shí)程度，提高變形縫位置的抗?jié)B性能，保證工程的正常運(yùn)行及維護(hù)。變形縫施工材料環(huán)保無(wú)毒且具有足夠的強(qiáng)度、良好的密封性、伸縮性、耐久性并且能夠填充混凝土的微小裂隙，達(dá)到自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)澆筑的密實(shí)性和變形縫的止水性能。同時(shí)為了填充紫銅止水帶周圍存在的空隙，保證紫銅周圍混凝土澆筑的密實(shí)性，有效處理輸水隧洞變形縫滲水問(wèn)題，需改變?cè)瓉?lái)的變形縫施工工藝保證變形縫滿足設(shè)計(jì)壓力要求，從而解決輸水隧洞運(yùn)行中變形縫滲水問(wèn)題，團(tuán)九二期項(xiàng)目開(kāi)展了此項(xiàng)技術(shù)的研究工作。

3 施工工藝原理

本工程所采用的輸水隧洞變形縫施工工藝，按照其作用主要分為三個(gè)部分(見(jiàn)圖2)，第一部分為變形縫填充，第二部分為混凝土結(jié)構(gòu)填充，第三部分為打壓驗(yàn)證。

圖2 變形縫注漿管及支管環(huán)向布置示意圖

第一部分變形縫填充部分主要由注漿三通管、環(huán)向注漿管(含支管)閉孔泡沫板、膨脹止水條及聚氨酯組成注漿及打壓結(jié)構(gòu)層，其工作原理是以閉孔泡沫板作為填充材料的靠背，膨脹止水條作為止水材料，最后聚氨酯作為注漿及打壓的承壓結(jié)構(gòu)，通過(guò)三通及鋼骨架管為剩余兩部分做好準(zhǔn)備工作，同時(shí)為混凝土結(jié)構(gòu)填充創(chuàng)造條件。

第二部分混凝土結(jié)構(gòu)填充部分主要由注漿材料微膨脹水泥及丙烯酸鹽組成，注漿材料微膨脹水泥通過(guò)預(yù)埋注漿三通填充變形縫內(nèi)以及紫銅周邊空隙，但微膨脹水泥分子較大，不能滲入混凝土結(jié)構(gòu)中微小裂隙，而注漿材料丙烯酸鹽分子小于水分子，能夠填充混凝土中微小裂隙，達(dá)到防滲堵漏的目的，且丙烯酸鹽凝結(jié)后形成果凍狀固體，能提高混凝土止水效果，保證變形縫的伸縮效果。

第三部分打壓驗(yàn)證部分，主要進(jìn)行注漿效果驗(yàn)證，其原理是利用純凈水通過(guò)預(yù)埋打壓管進(jìn)行變形縫打壓，通過(guò)打壓結(jié)果判斷注漿材料的填充效果，進(jìn)而確定變形縫施工工藝的成果。

4 變形縫主要施工步驟

4.1 二襯結(jié)構(gòu)變形縫施工工藝

二襯結(jié)構(gòu)變形縫施工藝流程為(見(jiàn)圖3)：清理變形縫→摳除175mm聚乙烯泡沫板→埋設(shè)三通管→埋設(shè)打壓管→填充聚乙烯閉孔泡沫板(8.5cm)→填充膨脹止水條(2cm)→聚氨酯嵌縫(4cm)→打壓(不合格)→利用三通注膨脹水泥漿→二次打壓(達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn))→利用打壓管注丙烯酸鹽→打壓(驗(yàn)證丙酸鹽注漿效果)。

4.2 二襯結(jié)構(gòu)變形縫處理

清除二襯結(jié)構(gòu)變形縫四周灰塵，露出二襯結(jié)構(gòu)變形縫，剔除變形縫填縫材料時(shí)，用扁鏟、鉗子等工具剔除原有的低發(fā)泡聚乙烯閉孔泡沫板和多余混凝土，低發(fā)泡聚乙烯閉孔泡沫板清理175mm，清理至紫銅止水帶表面，不得用鑿子鑿除，以免對(duì)變形縫兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞。

4.3 埋設(shè)鋼骨架打壓管及三通管

沿著紫銅止水帶表面埋設(shè)一根環(huán)向鋼骨架打壓管，環(huán)向打壓管布置打壓支管，材質(zhì)與打壓管相同，通過(guò)三通管與打壓管連接，打壓支管共布置2根，分別位于隧洞底部和頂部。

埋設(shè)打壓管的同時(shí)，在打壓管外側(cè)沿隧洞環(huán)向布置四個(gè)三通管，頂部三通管驗(yàn)證丙烯酸鹽注漿效果，其余三通管用于灌注微膨脹水泥漿液。

4.4 聚乙烯閉孔泡沫板填充

打壓管埋設(shè)完成后，在外側(cè)填充8.5cm聚乙烯閉孔泡沫板，施工前將聚乙烯閉孔泡沫板加工成施工需要的尺寸，現(xiàn)場(chǎng)拼接。根據(jù)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，回填時(shí)利用小木方(1cm×1cm)將聚乙烯閉孔泡沫板填充到相應(yīng)的位置(閉孔泡沫板表面距離二襯混凝土表面6cm)，施工前，在小木方上量取6cm，用鐵釘標(biāo)記，控制回填深度。所用支管均穿過(guò)聚乙烯閉孔泡沫板，聚乙烯閉孔泡沫板與支管接觸位置，回填密實(shí)。

4.5 膨脹止水條填充

聚乙烯閉孔泡沫板填充完成后及時(shí)填充遇水膨脹止水條，遇水膨脹止水條根據(jù)變形縫實(shí)際寬度由廠家加工定制，一般為3cm(寬)×2cm(高)，利用專用工具回填，膨脹止水條全圓內(nèi)分三段回填，每段長(zhǎng)5.2m，采用“楔形”搭接(見(jiàn)圖4)，搭接10cm，利用專用膠水黏結(jié)，遇水膨脹止水條表面距離二襯混凝土表面4cm，控制回填深度，施工時(shí)，對(duì)回填深度進(jìn)行測(cè)量，防止遇水膨脹止水條回填過(guò)深或者回填不到位。

圖4 遇水膨脹止水條搭接示意圖

4.6 聚氨酯嵌縫

嵌縫深度為4cm，采用聚氨酯密封膠，嵌縫前利用吹風(fēng)機(jī)將二襯結(jié)構(gòu)變形縫表面水分吹干，若表面含水較高，先用棉被或者海綿將表面水分吸干后，再用烤槍將表水分靠干凈，用毛刷將二襯結(jié)構(gòu)變形縫兩側(cè)黏結(jié)處的污漬、水分、銹斑等雜物徹底清洗干凈，二襯結(jié)構(gòu)變形縫兩側(cè)各打磨3cm，最后用鼓風(fēng)機(jī)將表面灰塵吹掃干凈，并在二襯結(jié)構(gòu)變形縫兩側(cè)貼上透明膠帶，膠帶間距為3cm，最后涂抹聚氨酯界面劑，待界面劑達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再施工聚氨酯，從拱頂向兩側(cè)施工，施工寬度根據(jù)環(huán)峰寬度確定，一般為3cm。施工完成后底部120°范圍內(nèi)用軟膠皮將底部聚氨酯苫蓋，防止后續(xù)施工污染底部聚氨酯。

4.7 打壓試驗(yàn)

打壓前，首先將打壓設(shè)備與打壓支管連接，連接完成后開(kāi)啟打壓泵，壓力不超過(guò)0.1MPa，把打壓管內(nèi)的氣體從頂部排除。當(dāng)頂部打壓支管出水后，排氣完成，采用專用絲堵對(duì)頂部打壓支管進(jìn)行封堵。

緩慢開(kāi)啟打壓泵，增大壓力。注水加壓分兩級(jí)進(jìn)行，第一級(jí)為試驗(yàn)壓力值的1/2，一級(jí)加壓檢驗(yàn)注漿填充的加固效果，若實(shí)施一級(jí)加壓3min，未見(jiàn)縫表面有滲水現(xiàn)象，即可實(shí)施二級(jí)加壓，第二級(jí)加壓至設(shè)計(jì)檢測(cè)壓力，二級(jí)加壓目的是檢測(cè)變形縫的密閉性。在規(guī)定的壓力(0.25MPa)條件下穩(wěn)壓5min后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為10min。在測(cè)試時(shí)間內(nèi)壓力下降不大于10%，且變形縫未見(jiàn)滲水，即判定變形縫打壓試驗(yàn)合格。

5 施工工藝特點(diǎn)

本工藝以閉孔泡沫板作為伸縮材料，膨脹止水條作為變形縫止水材料，聚氨酯為封堵作為承壓材料，同時(shí)利用注漿三通管對(duì)變形縫注微膨脹水泥漿，利用環(huán)向鋼骨架管進(jìn)行變形縫打壓，最后利用丙烯酸鹽填充混凝土微小裂隙。結(jié)合本工程實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)本工藝進(jìn)行摸索、創(chuàng)新、優(yōu)化，優(yōu)化后的工藝具備以下特點(diǎn)：?本工藝能夠有效控制地下水通過(guò)變形縫及紫銅周邊自密實(shí)混凝土滲入輸水隧洞內(nèi)，增強(qiáng)了變形縫及紫銅周邊自密實(shí)混凝土的止水效果，并能通過(guò)打壓試驗(yàn)驗(yàn)證施工成果；?本工藝通過(guò)注漿三通管向變形縫注漿，通過(guò)打壓管驗(yàn)證注漿效果，注漿與打壓相互結(jié)合，能夠有效保證施工止水效果；?本工藝注漿材料微膨脹水泥漿液為剛性材料、丙烯酸鹽為柔性材料，能夠有效填充變形縫周圍混凝土裂隙，實(shí)現(xiàn)注漿材料的剛?cè)峤Y(jié)合，保證變形縫的伸縮作用；?本工藝能夠彌補(bǔ)自密實(shí)混凝土凝固過(guò)程中產(chǎn)生的微小裂隙；?本工藝通過(guò)止水材料埋設(shè)及注漿工藝，從而提高變形縫的抗?jié)B性和耐久性；?本工藝在施工階段解決了變形縫及紫銅周邊自密實(shí)混凝土滲水問(wèn)題，降低了輸水隧洞運(yùn)行維護(hù)成本；?本工藝具有施工速度快、投資成本低、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。

6 結(jié) 論

盾構(gòu)法微膨脹水泥漿及丙烯酸鹽注漿施工工藝，適用于水利行業(yè)有壓輸水隧洞的變形縫施工。本工法最大限度地避免了變形縫在后期運(yùn)行中出現(xiàn)的滲水現(xiàn)象，通過(guò)施工材料的剛?cè)峤Y(jié)合，保證了變形縫的伸縮作用，同時(shí)也保證了混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高了輸水隧洞運(yùn)行的耐久性，減少了后期運(yùn)行維護(hù)中的隱患，并給后期的維護(hù)節(jié)省了工程費(fèi)用，具有良好的社會(huì)效益。