超长隧洞混凝土裂缝处理设计与施工

郑亚平，夏世发，张福成，贾利兵

(中国水利水电科学研究院北京中水科海利工程技术有限公司，北京，100038)

作者简介: 郑亚平(1965—)，男，河南浚县人，教授级高工，主要从事加固材料及施工技术研究。

【摘 要】 某引水隧洞长18.275km，采用TBM掘进施工，六方型预制混凝土管片衬砌。施工完成后发现混凝土管片产生大量裂缝，为保证工程的长久运行，对裂缝进行了化学灌浆和表面封闭处理，化学灌浆采用水溶性聚氨酯材料，表面封闭采用聚脲防水涂料。本文介绍了混凝土管片裂缝情况，分析了裂缝产生的原因，对裂缝处理工程设计、施工、所采取的安全措施等进行了总结，供类似工程参考。

【关键词】 超长隧洞; TBM; 裂缝处理; 化学灌浆; 聚脲

1 前言

某引水工程总干渠引水隧洞，全长18.275km，圆形断面，开挖直径为5.75m，衬砌后净断面直径4.96m，采用一台双护盾全断面掘进机(简称TBM)开挖，预制C45钢筋混凝土管片衬砌。衬砌管片为蜂窝状六边型结构，宽1.6m，厚28cm，每4片组成1环。TBM主机长13m，包括前盾、伸缩盾、撑紧盾和尾盾; 后配套系统长约173m，配备精确导向和调整系统，包括能够监测操作和运行的电子系统，根据检测的参数发现和纠正运行差错，保证隧洞轴向和坡度的偏差在允许范围之内，满足掘进、支护、管片安装、豆砾石回填及灌浆等工作质量。另外还配备一台超前钻机，可在360°范围内完成深度30m，直径不小于64mm的钻孔。TBM掘进自2009年12月上旬开始，2011年11月中旬完成隧洞贯通。施工完成后发现钢筋混凝土衬砌管片产生了大量裂缝，为保证工程的长久运行，提高钢筋混凝土的耐久性，对混凝土裂缝进行了化学灌浆和表面封闭处理。裂缝宽度≥0.2mm的裂缝，采用化学灌浆处理，裂缝宽度＜0.2mm的裂缝，采用防水涂层进行表面封闭处理。

2 裂缝调查及裂缝产生的原因分析

2．1 裂缝调查情况

裂缝处理施工前和施工过程中，对裂缝情况进行了调查。出现裂缝的衬砌管片共计5044环，占总数11337环的44%，裂缝总数共计30042条，累计总长46466.18m，其中缝宽δ≥0.2mm裂缝5653条，总长8902.16m，占总长度的19.16%; 缝宽δ＜0.2mm裂缝24389条，总长37564.02m，占总长度的80.84%。裂缝走向绝大部分为纵向裂缝，极少量为斜向及环向裂缝，长度最长L=2.2 m，最短0.3 m; 宽度最大δ=4.0 mm，最小δ=0.04mm。

对裂缝分布情况进行了统计分析，如果把隧洞等分为3段，进口段裂缝总长7280.4m，占总比例的15.67%，中间段裂缝总长37418.32m，占总比例的80.53%，出口段裂缝总长1767.46m，占总比例的3.80%。如果按照环片位置分布统计，总计30042条裂缝，底板A环共计261条，占比0.87%，顶拱B环5472条，占比18.21%，面向上游左腰部位C环共计10698条，占比35.61%，右腰D环共计13611，占比45.31%。从统计结果看，80.92%的裂缝处于隧洞腰部部位，且主要集中在腰部管片的中间位置。

裂缝基本呈内表层分布，张裂缝为主，没有碎裂现象，表面宽，随深度增加逐渐变细和消失，基本没有渗水，裂缝深度一般为5～13cm，大部分深度在5cm以内，极少数较宽的裂缝集中在顶拱部位。裂缝密集区集中在隧洞中部区域，洞腰部位，大多左右侧同时分布，且分段出现。裂缝长度大多为1.6m，贯穿管片宽度，裂缝最多的一环有35条，裂缝最多的一个环片有17条。

2．2 裂缝产生的原因分析

基于衬砌管片裂缝为施工后发现的事实分析，裂缝应该是在施工过程中产生的。衬砌管片在安装过程中承受的外力作用主要有: 管片安装就位过程中的挤压，不良地质围岩坍塌和缩孔形成的挤压，豆砾石回填和回填灌浆对管片的挤压，TBM向前及纠偏过程中对管片的挤压等，这些挤压在管片上的力包括内张型、外压型、横推型等。管片预制采用高温养护，自身存在因温度降低产生的温度应力等。从裂缝产生的部位和形状分析，应该是内张型应力过大，超出混凝土抗拉强度引起了开裂，开裂至钢筋部位时，由于钢筋的作用，抵御了较大拉应力，避免了裂缝进一步延伸，所以，大多数裂缝深度较浅。从裂缝产生的时间看，管片安装后并没有裂缝，裂缝大多在安装3～8环管片后产生，此时，正是管片承受围岩坍塌、TBM推进及纠偏、温度应力等最大的时候，由此推测裂缝的产生应该是地质因素引起，在温度应力和TBM推力作用下，管片受到的不均匀外力过大形成的。

引水隧洞穿越薄层黄土覆盖的中低山峁梁区，最大埋深444m。隧洞围岩既有前震旦系深变质的大理岩、花岗片麻岩，又有上、下第三系碎屑沉积岩。沉积岩胶结程度差，对水非常敏感，单轴饱和抗压强度从最低1MPa到最高80MPa，岩性多变，地质条件复杂。TBM施工遇到的主要问题是不完全胶结的碎屑沉积岩和断裂破碎带等，极不稳定，易发生大范围坍塌。采用双护盾TBM开挖，盾体可以对不稳定围岩进行临时支护。但是，掘进过程中，这种不稳定地层产生的缩孔或坍塌，还可能导致机头下沉或偏斜，为保证管片安装平整以及开挖过程中对TBM的纠偏调整，必须要对管片施加较大的反作用力，这种反作用力不均匀的作用在管片内表面时，管片产生较大拉应力，当拉应力大于混凝土抗拉强度时，导致管片混凝土开裂。因此，裂缝分布与地质条件密切相关，也是呈分段分布，并非完全连续分布的原因。

3 裂缝处理方案

钢筋混凝土管片衬砌是组成输水隧洞的重要结构，其耐久性能、防渗性能对输水工程的长久运行是非常重要的。本工程钢筋混凝土管片裂缝虽然大部分较浅，但基本都穿透了钢筋保护层，如不进行防护处理，势必导致钢筋锈蚀，影响结构耐久性; 而对于少量的穿透渗水裂缝，更应该进行防渗加固处理。依据设计要求，对缝宽δ＜0.2mm的裂缝进行表面封闭处理; 对于缝宽δ≥0.2mm的裂缝，进行化学灌浆处理，以恢复其结构的整体性，提高管片的抗渗性能和耐久性能。

3．1 裂缝化学灌浆

对于宽度δ≥0.2mm的裂缝，采用化学灌浆方法处理。沿裂缝走向，以裂缝为中心，按照设计要求开凿口宽与深度均为不大于30mm的“V”形槽，开槽不得损伤、割断钢筋。裂缝纵向两端各延伸50mm。并根据裂缝开度及长度的不同，沿裂缝走向，在距裂缝中心100mm旁侧，与裂缝缝面呈45°斜交钻化学灌浆孔，孔深200mm，确保所造孔能够贯穿裂缝。“V”形槽采用环氧砂浆进行嵌填并抹平处理。

化学灌浆孔孔距依据裂缝开度及长度的不同，按照以下原则布设:

长度L≥1.0m的裂缝，单片衬砌管片沿裂缝走向等间距分为3段，布设2个灌浆孔。

长度L＜1.0m的裂缝，单片衬砌沿裂缝走向等间距分为2段，布设1个灌浆孔。

灌浆材料采用水溶性聚氨酯灌浆材料HW和LW，HW LW=1.5 1(体积比)灌注，灌浆压力0.3MPa。

质量检查采用压水检查及钻孔取芯方法。每20条缝取1条进行压水，100条缝取1芯样。

3．2 裂缝表面止水封闭

对于宽度δ＜0.20mm的裂缝仅进行表面止水封闭处理。止水封闭材料采用弹性防水材料，其性能指标满足表1要求。

表1 弹性防水材料主要技术性能表

质量检查采用拉拔仪现场进行粘结强度检测，100条缝取1条进行拉拔试验，同时取芯3组进行粘结强度试验。

4 裂缝处理施工

4．1 化学灌浆施工

采用电锤进行凿槽，嵌缝采用YEM系列环氧砂浆。YEM系列环氧砂浆具有高强、高韧、耐冲磨等特点，可以在立面及洞内潮湿环境下施工，本工程选用YEM－Ⅱ型，其物理力学性能见表2。环氧砂浆嵌填前，涂刷专用的环氧基液，基液涂刷要求均匀，不得漏涂。渗水裂缝首先采用堵漏材料进行堵漏处理。

表2 YEM－Ⅱ型环氧砂浆技术指标

环氧砂浆固化后，进行灌浆孔钻孔，斜交灌浆孔造好后，采用压力水或高压风将孔内浮碴与岩粉等清理干净，埋置铝制灌浆管。然后进行压水或压气检查，检查灌浆孔及裂缝之间是否串通，检查封缝和埋管效果，并初步判断吸浆量的大小。若不串通，则必须重新洗净或重新布孔，直到串通为止。本工程裂缝大多较浅，原设计灌浆孔和裂缝相交在孔深10cm位置，基本上处于裂缝末端甚至没有裂隙区域，根据钻孔检查情况，及时调整钻孔角度，但仍有些裂缝因太浅或太细，串通性差，采取增加灌浆孔，缩短孔间距进行灌浆。

灌浆采用单缸化学灌浆泵，浆液配制依据少量多次原则。竖直裂缝或斜缝灌浆自下而上进行，水平裂缝选择通畅性最好的孔(嘴)开灌，向两端依次进行。灌浆过程中一次提升灌浆压力至0.3MPa，并保持压力稳定。每个灌浆孔达到灌浆要求后，封闭灌浆嘴待凝3～5d，浆液凝胶后，将衬砌管片外露铝制灌浆管切除，采用环氧砂浆填平并抹光表面。

4．2 表面止水封闭施工

表面止水封闭采用单组分聚脲防水材料，其物理力学性能见表3。

聚脲材料具有优异的物理力学性能和抗老化性能，但对施工条件要求较苛刻，尤其是基面潮湿有水或是在环境潮湿的情况下施工，都会影响其对混凝土的粘结性能。其施工工艺包括基面清理、基液涂刷、聚脲涂刷等。

表3 单组分聚脲防水材料(防渗性)物理力学性能

注: 检测依据《建筑防水材料试验方法》GB/T16777—2008。

使用打磨机清除表面浮尘、浮渣、碎屑、油污等，然后对打磨后的混凝土表面进行清(吹)洗、干燥。潮湿有水基面采用喷枪进行干燥处理，渗水裂缝首先按照化学灌浆工艺进行灌浆处理。

涂刷聚脲专用界面剂，界面剂涂刷要求薄而均匀。待界面剂表干后，刮涂单组分聚脲涂层。聚脲涂层厚度不小于2.0mm，根据环境温度高低，风力的不同，分2～4遍(层)进行涂刮，时间间隔6～12h(视施工区域环境温度而定)，前道表干后方可涂抹后道。

4．3 超长隧洞施工安全措施

本工程施工时，原有供电及通风设施已全部撤除，针对超长隧洞通风较差，施工中尘、毒、噪、易燃、易爆、空气中缺氧、一氧化碳、二氧化碳超标等可能给施工人员带来的危险，制定了相应的防范措施。包括选用除尘打磨机减少粉尘量，配备空气检测仪对洞内氧气、一氧化碳、二氧化碳进行检测; 改装电瓶车，满足长距离运输需要，减少有害气体的排放; 杜绝使用汽油发电机或汽油机交通设备进洞; 准备低压长距离增压增流变压器和电缆，一旦发现洞内空气条件无法施工时，进行低压进洞供电。施工发现，洞内通风条件与外界温度及风向、风力有关，使用3台15k W柴油发电机，能基本满足施工要求。

5 结语

TBM集钻、掘进、支护于一体，全部作业及监控自动化程度高，使掘进过程始终处于最佳状态，但是，在施工过程中，混凝土衬砌管片时常产生裂缝且很难避免，在改进TBM施工设备及提高操作人员技术水平的同时，对产生的裂缝也应根据具体情况，制定详细的处理方案。

TBM衬砌混凝土管片裂缝特点是细、浅，但大多横穿整个管片，采用表面止水封闭，仅封闭了内表面，渗水仍可能从管片接缝渗入裂缝，尽管这些接缝通过嵌缝进行了防渗，现场发现这些部位仍然是防渗的薄弱部位; 而如果采用化学灌浆进行处理，同样在对裂缝表面进行封闭止浆的同时，对裂缝也进行了充填，将达到更好的效果。我们认为，裂缝处理前对裂缝的调查尤其是裂缝深度的调查是非常重要的; 裂缝处理应以灌浆为主，灌浆材料以采用粘度低、粘结强度好的环氧树脂浆材为宜。化学灌浆孔间距、布孔方式、钻孔角度、灌浆材料等，应根据工程处理目的、裂缝状态、渗水情况、灌浆设备、浆液扩散能力等确定，并根据现场情况及时调整; 对于表面裂缝，采用表面封闭，贴嘴灌注环氧浆液工艺为宜; 对于渗水裂缝，钻孔灌注聚氨酯浆液为宜。