王 崢，張 偉

（天津市引灤工程隧洞管理中心，河北 遷西 064300）

引灤入津工程輸水隧洞起點(diǎn)是河北省遷西縣大黑汀水庫(kù)，終點(diǎn)是河北省遵化市黎河接官?gòu)d村之間的分水嶺地帶，是整個(gè)引灤入津工程的關(guān)鍵部分。引灤隧洞在1982 年5 月開(kāi)始施工，1983 年底建成通水。隧洞工程是引灤輸水線的咽喉，是天津人民的生命線，為保證隧洞工程安全運(yùn)行，天津市引灤工程隧洞管理中心需要定期對(duì)隧洞進(jìn)行檢查和維護(hù)。

2012 年，天津市引灤工程隧洞管理中心委托南京水利科學(xué)研究院對(duì)隧洞工程進(jìn)行了系統(tǒng)全面的安全鑒定，鑒定結(jié)論提出隧洞襯砌混凝土離散型較大、存在大面積低強(qiáng)混凝土，隧洞長(zhǎng)期陰暗潮濕且擔(dān)負(fù)引灤通水功能，低強(qiáng)混凝土危及隧洞安全，亟待處理。針對(duì)上述病害，對(duì)病害明顯的隧洞洞段進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，分析其產(chǎn)生的原因。在此基礎(chǔ)上，筆者借鑒以往隧洞低強(qiáng)混凝土情況的解決方案，研究提出一套能夠解決引灤隧洞存在問(wèn)題的方案。

1 試驗(yàn)安全評(píng)價(jià)

本次采用超聲回彈綜合法，結(jié)合少量鉆芯取樣，對(duì)襯砌混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。

1.1 超聲回彈檢測(cè)

超聲回彈檢測(cè)結(jié)果為：各隧洞試驗(yàn)洞段混凝土強(qiáng)度平均值最大為42.9 MPa，最小為18.7 MPa；所有測(cè)區(qū)中，強(qiáng)度最小值為8.5 MPa；各洞段襯砌混凝土強(qiáng)度的離差系數(shù)為0.15～0.33。

1.2 鉆芯檢測(cè)

鉆芯檢測(cè)結(jié)果為：強(qiáng)度最大值為55.3 MPa，最小值為9.6 MPa；強(qiáng)度平均值為28.2 MPa，離差系數(shù)為0.34；強(qiáng)度不小于20 MPa的芯樣占82.0%。

1.3 強(qiáng)度質(zhì)量評(píng)價(jià)

20個(gè)洞段中，評(píng)價(jià)等級(jí)為“正常”的洞段7個(gè)，占35%；等級(jí)為“基本正?！钡亩炊? 個(gè)，占25%；等級(jí)為“不良”的洞段4 個(gè)，占20%；等級(jí)為“差”的洞段4個(gè)，占20%。

如果按照長(zhǎng)度范圍統(tǒng)計(jì)，等級(jí)為“差”的洞段長(zhǎng)度約1.22 km，占隧洞總長(zhǎng)度的10.7%。

1.4 與歷次檢測(cè)結(jié)果的比較

將本次檢測(cè)與1991、1992、2000、2003和2008年進(jìn)行過(guò)的5 次檢測(cè)的結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)歷次檢測(cè)與本次檢測(cè)所對(duì)應(yīng)洞段的襯砌混凝土強(qiáng)度質(zhì)量水平是基本吻合的，符合隧洞襯砌混凝土強(qiáng)度質(zhì)量實(shí)際情況。

隧洞襯砌混凝土強(qiáng)度質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，詳見(jiàn)表1。

表1 隧洞襯砌混凝土強(qiáng)度質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

低強(qiáng)混凝土外觀，如圖1所示。

圖1 低強(qiáng)混凝土外觀

2 低強(qiáng)混凝土成因分析

2.1 低強(qiáng)混凝土缺陷特征

在低強(qiáng)混凝土部位鉆取的芯樣內(nèi)部缺陷明顯，具有以下特征。

（1）芯樣密實(shí)性差，斷裂或不成型，有氣孔，蜂窩狀缺陷相連貫。

（2）芯樣骨料不勻，骨料少或集中在某一部分，有的部位全為砂，形成砂石或砂夾層，深度一般為100～300 mm。砂石夾層內(nèi)無(wú)水泥膠結(jié)的“膠凝結(jié)構(gòu)”，呈松散體。

（3）芯樣均質(zhì)性差，有的中間夾20～30 mm粉狀凝結(jié)物，有的中部有異物。

（4）低強(qiáng)混凝土襯砌表面大面積常年陰濕而致的滲水溶蝕（隱滲或表層明流）在邊墻上形成懸掛的“白色帷幕”或淡黃色的貼壁凸起的混結(jié)不規(guī)則柱體。

2.2 低強(qiáng)混凝土形成主要原因

（1）施工期混凝土攪拌不均勻，水泥漿與粗細(xì)骨料分離，是工程運(yùn)用中形成麻面、砂石夾層的根源。

（2）施工中對(duì)毛洞壁面的集中滲水（股流、線流）未能徹底引排，導(dǎo)致滲水將液態(tài)混凝土中的水泥漿沖失，是后期形成貫穿性孔洞（穴）的根源。

（3）施工中對(duì)毛洞壁面的大面積滲水未能集中引排，導(dǎo)致滲水摻混到液態(tài)混凝土中，從而使其水灰比增大，造成分布不均勻的低強(qiáng)混凝土產(chǎn)生。

（4）隧洞運(yùn)用期內(nèi)，地下水補(bǔ)給豐沛洞段的混凝土長(zhǎng)期處在壓力滲水作用的不利環(huán)境中，加速其溶蝕進(jìn)程，這也是襯砌表面長(zhǎng)期維持潮濕滲水（隱滲及表面明流）的根本原因。

3 低強(qiáng)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法

計(jì)算考慮巖石彈性抗力作用，按照力法計(jì)算城門形襯砌斷面原理，采用積分簡(jiǎn)化的查表法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2 所示，襯砌分段示意如圖3所示。

圖2 計(jì)算及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 襯砌分段示意

4 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計(jì)算

主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表2。

表2 主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果

為簡(jiǎn)化計(jì)算，不計(jì)側(cè)向山巖壓力及內(nèi)水壓力，同時(shí)不計(jì)拱座即側(cè)墻底部轉(zhuǎn)角影響，β=0。

4.1 計(jì)算主要公式

計(jì)算以襯砌中心線作為拱軸線。

4.1.1 剛臂長(zhǎng)度

其計(jì)算公式為：

式中：r為頂拱計(jì)算半徑（m）；Ac為計(jì)算系數(shù)，根據(jù)計(jì)算矢高與頂拱計(jì)算半徑比值查表得到。

4.1.2 各截面軸力

其計(jì)算公式為：

式中：Np為各種外荷載作用下的軸力（kN）；X2為彈性中心處多余未知力（kN）；φ為各截面位置處與軸線夾角（0）。

4.1.3 應(yīng)力計(jì)算

其計(jì)算公式為：

式中：σ外為外緣應(yīng)力（MPa）；σ內(nèi)為內(nèi)緣應(yīng)力（MPa）；N為截面軸向力（kN）；F為襯砌截面面積（m2）；e為軸向力對(duì)截面中心的偏心距（m）；d為襯砌厚度（m）。

4.2 計(jì)算結(jié)果

各襯砌截面邊緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表3。

表3 各襯砌截面邊緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.3 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)論

由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，襯砌外緣最大壓應(yīng)力為1.52 MPa，內(nèi)緣最大壓應(yīng)力為1.75 MPa，均小于安全鑒定報(bào)告混凝土強(qiáng)度檢測(cè)值，由此表明目前襯砌結(jié)構(gòu)基本是穩(wěn)定的。

5 低強(qiáng)混凝土治理方案

5.1 危險(xiǎn)等級(jí)劃分

經(jīng)分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，目前低強(qiáng)混凝土洞段襯砌結(jié)構(gòu)基本是穩(wěn)定的。為避免混凝土強(qiáng)度進(jìn)一步降低對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全造成影響，治理方案主要考慮最大限度地提高混凝土強(qiáng)度，增加其耐久性。

低強(qiáng)混凝土治理部位可結(jié)合2009 年上海交通大學(xué)對(duì)隧洞混凝土襯砌質(zhì)量進(jìn)行的全洞無(wú)損檢測(cè)成果確定。根據(jù)檢測(cè)到的混凝土強(qiáng)度取值，將襯砌結(jié)構(gòu)分為不同的危險(xiǎn)等級(jí)：①高危險(xiǎn)級(jí)別，對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%以下，由A 表示；②中危險(xiǎn)級(jí)別，對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%～75%，由B 表示；③低危險(xiǎn)級(jí)別，對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%～100%，由C 表示；④安全等級(jí)，對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%及以上，由D表示。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本次治理范圍3+800—4+800洞段內(nèi)不滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土總面積為3 398.66 m2，其中高、中危險(xiǎn)級(jí)別面積625.03 m2，占18.39%；低危險(xiǎn)級(jí)別面積2 773.63 m2，占81.61%。

為比較徹底解決低強(qiáng)混凝土問(wèn)題，對(duì)不滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%的洞段（高危險(xiǎn)級(jí)別、中危險(xiǎn)級(jí)別）采取邊墻局部鑿除后重建的治理方案，以完全恢復(fù)原設(shè)計(jì)強(qiáng)度值；對(duì)混凝土強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%～100%的洞段（低危險(xiǎn)級(jí)別）采用化學(xué)灌漿治理，適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度，增強(qiáng)其耐久性。

5.2 低強(qiáng)混凝土局部鑿除重建

對(duì)不滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%的洞段采取局部鑿除重建的治理方案，以完全恢復(fù)原設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。

先對(duì)低強(qiáng)范圍內(nèi)混凝土鑿除，鑿除深度25 cm。對(duì)連續(xù)大面積低強(qiáng)混凝土鑿除應(yīng)分塊進(jìn)行，每塊原則上不得超過(guò)3 m，待重新澆筑、混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再進(jìn)行下一塊鑿除。

鑿除施工中，應(yīng)對(duì)原襯砌鋼筋予以保留，若發(fā)現(xiàn)原鋼筋已銹蝕或損壞，應(yīng)割斷原鋼筋重新進(jìn)行焊接，雙面焊不小于5 d（d 為鋼筋直徑），單面焊不小于10 d，焊接應(yīng)滿足《鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程》要求。焊接新鋼筋后，再對(duì)新老混凝土接觸面涂丙乳界面劑，最后澆筑C25 混凝土?；炷猎跐仓戤吅蟮?2 h以內(nèi)（視施工氣候條件定），應(yīng)加以覆蓋和灑水，當(dāng)氣溫低于0.5℃時(shí)，應(yīng)覆蓋保溫，不得向混凝土灑水，可先覆蓋1層塑料膜，再加蓋保溫層。低強(qiáng)混凝土鑿除重建布置，如圖4所示。

圖4 低強(qiáng)混凝土鑿除重建布置

5.3 低強(qiáng)混凝土灌漿處理

對(duì)混凝土強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%～100%的洞段采用化學(xué)灌漿治理，適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度。

通過(guò)試驗(yàn)，化學(xué)灌漿是目前低強(qiáng)混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固的最有效措施，可以最大限度地阻止混凝土病害進(jìn)一步發(fā)展，增加混凝土強(qiáng)度和耐久性。

5.3.1 清理基面，封堵排水孔

隧洞輸水結(jié)束后，應(yīng)對(duì)邊墻低強(qiáng)混凝土區(qū)域表面進(jìn)行清理，其目的是露出混凝土面，查找滲漏點(diǎn)；并對(duì)已有排水孔進(jìn)行封堵，封堵采用C10 素混凝土或M10砂漿。

5.3.2 表面局部松散混凝土鑿除

在清理基面過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的表面局部松散混凝土應(yīng)予以鑿除，并重新填筑C25混凝土，表面用砂漿抹平。

5.3.3 化學(xué)灌漿

化學(xué)灌漿選用環(huán)氧類漿材，可最大限度地提高混凝土強(qiáng)度。灌漿采用純壓式灌漿方式。正式灌漿施工之前，先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)，包括對(duì)漿材配置、施工組織、施工工藝和技術(shù)措施的檢驗(yàn)。

灌漿孔為300 mm×300 mm 矩形布置，以斜向45°鉆孔，孔深為結(jié)構(gòu)尺寸決定，深入底板或邊墻厚度的1/2 位置。鉆孔孔徑在滿足正常灌漿的前提下采用較小的灌漿孔徑，鉆孔原則上不得截?cái)嗍芰︿摻睿瑧?yīng)采用超聲波等探測(cè)受力鋼筋分布。

灌漿過(guò)程中發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況采用低壓、限流、濃漿、間歇等方法進(jìn)行處理。如效果不明顯，應(yīng)停止灌漿，待漿液凝固后重新掃孔復(fù)灌。灌漿應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，若因故中斷應(yīng)盡快恢復(fù)灌漿。否則，應(yīng)進(jìn)行沖孔或掃孔，再恢復(fù)灌漿。

灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)如下：當(dāng)灌漿段在最大設(shè)計(jì)壓力下，注入率不大于0.02 L/min 后，繼續(xù)灌注30 min 以上，可結(jié)束灌漿。灌漿布孔示意，如圖5所示。

圖5 灌漿孔布置示意

5.3.4 灌漿安全監(jiān)測(cè)

灌漿過(guò)程中，應(yīng)對(duì)襯砌變形、漏漿等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如出現(xiàn)因灌漿而致襯砌出現(xiàn)新裂縫，則應(yīng)立即停止灌漿或減壓灌漿（應(yīng)設(shè)專人巡視現(xiàn)場(chǎng)）。灌漿完成后，須對(duì)封堵的排水孔進(jìn)行開(kāi)孔檢查，如發(fā)現(xiàn)因灌漿而封堵的排水孔，則應(yīng)重新打通或疏通排水孔。

灌漿完成后，選擇典型點(diǎn)，取混凝土芯樣試驗(yàn)，觀察混凝土增強(qiáng)效果。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，低強(qiáng)混凝土是水利水電工程中常見(jiàn)的工程病害。在引灤輸水隧洞中，由于低強(qiáng)混凝土的存在，嚴(yán)重影響了隧洞輸水安全。隧洞工程建成通水至今，經(jīng)過(guò)幾次專項(xiàng)補(bǔ)強(qiáng)加固，隧洞低強(qiáng)混凝土問(wèn)題得到有效改善，從而增強(qiáng)了工程結(jié)構(gòu)整體性，延長(zhǎng)了隧洞使用壽命。在其他類似工程病害治理過(guò)程中，可參考以上治理方案。