水工隧洞工程檢測和缺陷處理

摘要： 本文介紹了萬家寨引黃工程總干線水工隧洞 應(yīng)用 面波法、探地雷達(dá)等先進(jìn)技術(shù)對鋼筋混凝土襯砌的內(nèi)部缺陷、密實(shí)性、裂縫性狀、混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B性能等檢測的主要成果，并對缺陷處理方案提出了建議。關(guān)鍵詞： 水工隧洞；工程檢測；缺陷處理 1、工程概況 山西省萬家寨引黃入晉工程是一項(xiàng)大型跨流域調(diào)水工程，位于山西省的西北部，由總干線、南干線、北干線組成，全線長453km，引水流量48m 3 /s，年引水總量12億m 3 ，沿線設(shè)5個泵站分級提水，總揚(yáng)程達(dá)636m.3條干線中的輸水建筑物以隧洞為主，總長約170km，工程分兩期實(shí)施。一期工程總干線長44.35km，其中隧洞11條，長42.20km.隧洞沿線經(jīng)過地層巖性主要為寒武系灰?guī)r、下奧陶系白云巖、中奧陶系灰?guī)r、N2紅黏土和Q2、Q3黃土等。Q2、Q3黃土隧洞分布在穿越溝谷的地段，黃土結(jié)構(gòu)松散，具有中強(qiáng)濕陷性，在局部洞段的N2紅黏土中，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，地質(zhì)條件十分復(fù)雜�？偢删�9#隧洞為無壓輸水隧洞，隧洞全長217m，全部穿越第四系Q2、Q3濕陷性黃土地層。原設(shè)計斷面為內(nèi)徑5.36m×5.36m的標(biāo)準(zhǔn)馬蹄形鋼筋混凝土襯砌斷面，縱坡1/1500，施工采用人工開挖，一次支護(hù)采用模注混凝土，厚約30cm，二次支護(hù)采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為50cm.6#、7#、8#隧洞總長為21.17km，均為無壓隧洞，圍巖主要為灰?guī)r和白云巖，并多次穿越Q2、Q3黃土和N2紅黏土層，由意大利CMC-SELI公司承包進(jìn)行施工圖設(shè)計和施工。隧洞開挖采用全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM），鋼筋混凝土預(yù)制管片襯砌，圓形斷面內(nèi)徑5.46m，襯砌由4片管片組成，襯砌厚0.25m，管片為長六邊形的弧形片，每片寬度1.60m，隧洞每延米洞長有14.33m的接縫。隧洞的防滲設(shè)計除用豆礫石回填灌漿外，巖洞段采用SIKA材料勾縫，土洞段采用兩道止水，暗止水采用BW遇水膨脹止水條，明止水采用雙組分聚硫膠�？偢删�三級泵站出水壓力平洞為泵站主要輸水建筑物，所在山體主要為寒武系和奧陶系碳酸鹽巖，區(qū)內(nèi)孔隙水量較豐富。其設(shè)計斷面為圓形，內(nèi)徑5.20m，總襯砌長度348.90m，鋼筋混凝土襯砌厚度60cm，進(jìn)口部位為兩條斷面尺寸相同、長度相等的支洞，直徑3.80m，長度為110.00m.平洞下游通過上彎段與泵站出水壓力豎井銜接。隧洞自施工貫通以來，由于不良地質(zhì)條件、襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計存在一些不足及施工質(zhì)量較差等原因，出現(xiàn)了較嚴(yán)重裂縫、滲漏、管片錯臺、接縫超差、外水內(nèi)滲現(xiàn)象普遍等質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重 影響 了引水工程的安全運(yùn)行。山西省萬家寨引黃工程總公司對引黃工程質(zhì)量十分重視，為消除工程隱患，全面了解總干線水工隧洞的混凝土質(zhì)量和工程狀態(tài)，于1997～2002年曾多次委托 中國 水利水電 科學(xué)  研究 院結(jié)構(gòu)材料研究所對9#洞和總干線三級泵站壓力平洞等工程混凝土缺陷情況進(jìn)行較全面的無損檢測，建議工程質(zhì)量缺陷處理方案，并承擔(dān)7#、8#隧洞防滲處理施工任務(wù)。 文獻(xiàn) ［1～4］對引黃入晉工程中缺陷處理已進(jìn)行了研究，本文簡要介紹該工程的主要檢測成果，缺陷處理成功經(jīng)驗(yàn)，可供類似工程借鑒。2、主要檢測項(xiàng)目和 方法  2.1　混凝土強(qiáng)度的檢測一般混凝土的強(qiáng)度可用回彈法和超聲回彈綜合法進(jìn)行測定。若構(gòu)件較厚，回彈法只能反映材料的表層特性，超聲波對穿測試時可以穿透材料，它所反映的是材料的整體彈性性質(zhì)，但其檢測精度受被測混凝土內(nèi)部的鋼筋和含水量影響較大。表面波法是混凝土無損檢測的一種新技術(shù)。表面波（亦稱瑞利波）是沿介質(zhì)表層傳播的一種彈性波，它與橫波具有相似的性質(zhì)，受材料中的含水量和鋼筋影響較小。表面波的速度與材料干密度、抗壓強(qiáng)度等具有良好的相關(guān)性。因此，用它來檢測結(jié)構(gòu)物混凝土材料的力學(xué)性能及存在的缺陷具有重要意義，已被廣泛應(yīng)用于混凝土建筑物的無損檢測。本次檢測采用表面波法、回彈法和鉆芯法相結(jié)合來綜合評定混凝土的強(qiáng)度。表面波法應(yīng)用的儀器是由中國水利水電科學(xué)研究院工程安全監(jiān)測中心研制的BZJ-3H型表面波混凝土質(zhì)量檢測儀。2.2　混凝土內(nèi)部缺陷及密實(shí)性的檢測　本次檢測主要采用高精度探地雷達(dá)技術(shù)，它是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁波技術(shù)，也是 目前 國內(nèi)外用于檢測混凝土內(nèi)部缺陷最先進(jìn)的技術(shù)之一。人們從20世紀(jì)30年代初就開始探索和研究混凝土無損檢測方法，并獲得迅速 發(fā)展 。1970年美國研制生產(chǎn)出第一臺探地雷達(dá)，探地雷達(dá)的應(yīng)用大大提高了混凝土質(zhì)量無損檢測的速度和精度。近年來國內(nèi)鐵道、公路、市政及水利等部門先后進(jìn)口了國外探地雷達(dá)，從此我國混凝土無損檢測進(jìn)入了一個新紀(jì)元，實(shí)現(xiàn)了真正的無損、快速探查。探地雷達(dá)利用一個天線發(fā)射高頻率寬頻帶短脈沖電磁波，另一個天線接收來自地下介質(zhì)界面的反射波，電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形等資料，可探測介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與埋設(shè)物體，混凝土內(nèi)部均質(zhì)性的變化會在雷達(dá)圖象上有不同的反映。當(dāng)混凝土內(nèi)部存在某種缺陷（如孔洞、松散體、異物等）時，雷達(dá)圖象將呈現(xiàn)出異常變化。本次檢測采用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-2000型探地雷達(dá)，分別選用了頻率為400MHz、900MHz、1500MHz的測量天線，其探測控制深度及分辨率分別為3.0m、15cm；0.9m、5cm；0.4m、1cm.此外，在應(yīng)用表面波法檢測混凝土強(qiáng)度的同時，利用表面波經(jīng)過混凝土內(nèi)部孔洞部位時引起的波形畸變、幅度衰減和波速降低等異�，F(xiàn)象，對混凝土內(nèi)部可能存在的缺陷及其位置進(jìn)行了判斷，并鉆取少量芯樣予以驗(yàn)證。2.3　混凝土裂縫性狀的檢測主要調(diào)查裂縫的形式、寬度、長度、深度及裂縫發(fā)生的部位和分布情況，并對裂縫成因和危害性進(jìn)行 分析 。采用讀數(shù)顯微鏡對裂縫寬度進(jìn)行檢測，測量精度為0.01mm.采用CTS-45型非金屬超聲波檢測分析儀，按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》“超聲波檢測混凝土裂縫深度方法（平測法）”檢測混凝土的裂縫深度。2.4　混凝土抗?jié)B性能的檢測　為了對各檢測工程目前混凝土滲漏的情況有一個宏觀的了解，對各隧洞滲漏的形式、發(fā)生的部位、滲漏程度進(jìn)行全面調(diào)查。結(jié)合滲漏普查與探地雷達(dá)檢測結(jié)果，鉆取有代表性的混凝土芯樣，按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行混凝土室內(nèi)抗?jié)B試驗(yàn)，檢測各工程混凝土施工質(zhì)量是否達(dá)到原混凝土設(shè)計抗?jié)B性能。2.5　混凝土的壓漿（水）檢測　本項(xiàng)目檢測的主要目的是檢查隧洞一、二次支護(hù)新老混凝土結(jié)合層的粘結(jié)情況，并根據(jù)壓漿（水）試驗(yàn)結(jié)果判別是否需要進(jìn)行接縫灌漿及預(yù)估可能的灌漿量。2.6　混凝土的碳化檢測　主要檢測混凝土的碳化狀況，并按GBJ-82-85《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。2.7　混凝土襯砌厚度和鋼筋保護(hù)層的檢測　襯砌厚度和鋼筋保護(hù)層厚度主要應(yīng)用探地雷達(dá)和表面波法的頻散特性進(jìn)行檢測，并鉆取少量芯樣予以校核。3、隧洞檢測主要成果 3.1　總干線9#隧洞中國水利水電科學(xué)研究院在��1997年9月和1999年4月兩次對9#隧洞進(jìn)行較全面的檢測，發(fā)現(xiàn)該洞存在的主要質(zhì)量缺陷如下：（1）全洞32個澆筑段中有19段在拱頂出現(xiàn)縱向裂縫，共22條，總長86.9m，最大縫寬0.5mm，最大縫深278mm，大多數(shù)裂縫發(fā)生在隧洞進(jìn)、出口段和塌方處理段。（2）約有三分之一的環(huán)向伸縮縫，因止水帶安裝錯位，混凝土澆筑不密實(shí)發(fā)生滲漏，不能滿足止水設(shè)計要求。（3）底拱混凝土約有50％的芯樣強(qiáng)度低于設(shè)計標(biāo)號。（4）壓水檢查發(fā)現(xiàn)，一、二次支護(hù)新老混凝土結(jié)合層質(zhì)量大多不良，約有60%的檢查孔的混凝土單位吸水率達(dá)不到設(shè)計要求。共發(fā)現(xiàn)混凝土襯砌滲水點(diǎn)54處。（5）混凝土碳化嚴(yán)重，平均碳化深度為14.2～17.0mm，實(shí)測最大碳化深度達(dá)42.4mm，已接近鋼筋保護(hù)層厚度。（6）底拱表層鋼筋實(shí)測位置大多位于距底拱表面150～200mm處，對底拱襯砌的受力狀態(tài)不利。（7）在6個澆筑段中存在局部混凝土內(nèi)部缺陷（孔洞、蜂窩等），嚴(yán)重影響底拱混凝土的總體強(qiáng)度和抗?jié)B能力。3.2　總干線6#～8#隧洞�。�1）由國電公司成都勘測設(shè)計研究院聚石地基公司在現(xiàn)場檢測的管片混凝土強(qiáng)度統(tǒng)計結(jié)果表明，44組實(shí)測強(qiáng)度的平均值為52.4MPa，最大值為74.0MPa，最小值為37.9MPa，均達(dá)到或超過了設(shè)計強(qiáng)度C30.（2）由于TBM施工的原因，6#隧洞N2紅黏土洞段從樁號0+980至樁號1+318，在兩側(cè)管片中部連續(xù)或間斷產(chǎn)生一條或多條裂縫，該段長約338m，裂縫寬度一般為0.1～0.5mm，個別寬達(dá)1.0mm，縫深為20～80mm.該洞段的側(cè)拱和頂拱管片之間不同程度地發(fā)生了錯臺現(xiàn)象，即側(cè)拱管片向洞內(nèi)移位，其中以758～766環(huán)最為明顯，移位錯臺最嚴(yán)重的達(dá)100mm.（3）由于局部施工質(zhì)量未達(dá)設(shè)計要求，6#～8#洞的管片錯臺、接縫超差情況比較普遍，防滲效果較差，接縫和安裝孔外水內(nèi)滲現(xiàn)象普遍。據(jù)對施工調(diào)查不完全統(tǒng)計，共發(fā)現(xiàn)管片接縫和安裝孔滲漏約9千處（點(diǎn)），隧洞防滲 問題 較為突出。3.3　總干線三級泵站壓力平洞　 中國 水利水電 科學(xué)  研究 院在2002年3月對現(xiàn)場檢測，主要結(jié)論如下：（1）出水壓力平洞主洞120個測區(qū)和支洞80個測區(qū)的實(shí)測混凝土強(qiáng)度平均值為37.0MPa，高于設(shè)計強(qiáng)度C30，其中最大值為43.6MPa，最小值為33.0MPa.6組芯樣強(qiáng)度也達(dá)到或超過了設(shè)計強(qiáng)度。（2）出水壓力平洞主洞共發(fā)現(xiàn)裂縫75條，其中貫穿性裂縫59條，裂縫長度貫通整環(huán)的36條，最大裂縫寬度為1.0mm；2條支洞共發(fā)現(xiàn)環(huán)向裂縫51條，其中貫穿性裂縫17條，裂縫長度貫通整環(huán)的有16條，最大裂縫寬度為0.6mm.（3）混凝土施工質(zhì)量較差，存在大量表面和內(nèi)部缺陷，如表面蜂窩麻面，施工冷縫、模板接縫處漏漿，共發(fā)現(xiàn)混凝土滲漏81處。襯砌混凝土與圍巖之間存在較大空隙，并有水充填�；炷�土內(nèi)部不密實(shí)，個別部位疏松，存在蜂窩、孔洞及較大裂縫，形成滲漏通道。（4）回填灌漿孔封堵不實(shí)，封孔質(zhì)量較差，有的甚至基本未封，造成灌漿孔附近漫滲和漏水現(xiàn)象。（5）混凝土芯樣抗?jié)B試驗(yàn)在1.0MPa水壓力下，恒定24h未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。（6）平洞三叉段和頂拱混凝土由于布筋較密，泵送混凝土施工時振搗困難，存在程度不同的蜂窩、孔洞、裂縫和不密實(shí)等缺陷。上述工程質(zhì)量缺陷對隧洞的防滲、襯砌的耐久性和結(jié)構(gòu)的整體性將產(chǎn)生嚴(yán)重危害，特別是對于濕陷性黃土洞段，一旦發(fā)生滲漏并使黃土飽和，將有可能造成黃土隧洞的破壞，后果不堪設(shè)想，因此對這些工程隱患必須要進(jìn)行處理。4、缺陷處理方案 4.1　總干線9#隧洞對9#洞存在工程缺陷和質(zhì)量問題，中國水利水電科學(xué)研究院建議采取恢復(fù)整體性和加強(qiáng)耐久性的修補(bǔ)、加固措施，以防滲為重點(diǎn)。具體實(shí)施方案如下：（1）對9#洞襯砌的裂縫采用化學(xué)灌漿處理，化學(xué)灌漿材料選用環(huán)氧樹脂漿液。（2）對全部環(huán)向伸縮縫和縱向施工冷縫，采用開槽、嵌填雙組份聚硫密封膠處理。（3）對6個澆筑段底拱內(nèi)部混凝土存在的蜂窩、孔洞、骨料架空等局部缺陷，采用水泥壓漿法逐步加密處理，鉆孔呈梅花形布置，孔深小于襯砌厚度。（4）對于鋼筋保護(hù)層大于10cm的洞段，鑿除底拱表層10cm厚混凝土，代之以一級配C25補(bǔ)償收縮混凝土和配置受力鋼筋，受力鋼筋與原側(cè)拱內(nèi)側(cè)受力筋焊牢，鋼筋保護(hù)層厚4cm.9#洞缺陷經(jīng)上述 方法 處理后，已于2001年11月和2002年10月通過引黃入晉工程兩次試通水檢查，防滲效果顯著，達(dá)到了預(yù)期效果。4.2　總干線6#～8#隧洞針對6#～8#隧洞的工程質(zhì)量缺陷，2001年引黃工程總公司對其進(jìn)行了處理，由中國水利水電科學(xué)研究院中水科工程總公司承擔(dān)7#、8#洞防滲處理施工。主要 內(nèi)容 如下：（1）對土洞段進(jìn)行反復(fù)灌漿，填充洞外松動層。對管片縫寬大于0.2mm的裂縫，用高強(qiáng)聚氨酯漿材進(jìn)行化學(xué)灌漿處理，表面細(xì)縫用環(huán)氧樹脂類涂料進(jìn)行封閉處理。對管片接縫采用化學(xué)灌漿和嵌填聚合物水泥砂漿進(jìn)行防滲處理，在其表面涂刷聚氨酯防滲涂層（要求在干燥狀況下施工），防止內(nèi)水外滲。（2）對不良地質(zhì)洞段的襯砌進(jìn)行錨桿加固，以增加襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。（3）對Q3濕陷性黃土洞段和管片錯臺大于10cm 影響 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的洞段，對管片進(jìn)行先復(fù)位后錨固，再用鋼板加固。（4）對個別影響過水能力的洞段，拆除原管片，現(xiàn)澆混凝土。（5）對巖石洞段，主要對圍巖進(jìn)行回填灌漿和固接灌漿，在管片接縫處增設(shè)防滲涂層。總干線6#～8#隧洞的工程缺陷，通過上述措施處理后，防滲效果顯著。經(jīng)過引黃入晉工程兩次試通水的檢驗(yàn)，基本上沒有發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，可以滿足安全運(yùn)行要求。4.3　總干線三級泵站壓力平洞　根據(jù)檢測結(jié)果，中國水利水電科學(xué)研究院建議對壓力平洞存在的工程質(zhì)量缺陷，采取下列措施：（1）對出水壓力平洞繼續(xù)進(jìn)行回填灌漿和固結(jié)灌漿。回填灌漿可填塞平洞頂拱脫空區(qū)域，封堵滲漏通道。固結(jié)灌漿可提高圍巖的防滲性能，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件合理選擇灌漿深度和壓力，并保證所有灌漿孔封堵質(zhì)量，對于滲漏嚴(yán)重洞段要進(jìn)行全斷面固結(jié)灌漿。（2）裂縫是本工程最主要的滲漏通道，建議對縫寬≥0.2mm的裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿處理，對于縫寬0.2mm的裂縫進(jìn)行封閉處理。（3）對于平洞抗?jié)B性能較差部位，建議在其混凝土表面涂刷一層厚為1.5mm的水泥基滲透結(jié)晶型防水材料，利用該材料特有的活性化學(xué)物質(zhì)，填塞混凝土孔隙或毛細(xì)管，從而使混凝土致密防水。（4）對滲漏嚴(yán)重的混凝土和內(nèi)部有孔洞、蜂窩的低強(qiáng)部位進(jìn)行化學(xué)灌漿補(bǔ)強(qiáng)處理。（5）修復(fù)和增設(shè)內(nèi)防滲涂層。建議采用中國水利水電科學(xué)研究院為引黃工程研制開發(fā)的PAE防滲抗裂水泥膠漿新型防水材料。該材料既有一定的本體抗拉強(qiáng)度，又具有較高的變形性能，它與混凝土的界面相容性好，無潮濕敏感性缺點(diǎn)，粘結(jié)力強(qiáng)，是一種較為理想的大面積防滲處理涂料。引黃工程總公司采納了上述大部分建議，該工程經(jīng)2003年8月處理后，泵站滲漏量在設(shè)計揚(yáng)程時，由原來的Q=27.0m3/h（2001年）降至Q=6.0m3/h，取得了較好的防滲效果。5、結(jié)語 （1）在Q2、Q3濕陷性黃土和N2紅黏土中修建水工隧洞，從設(shè)計 理論 到施工方法，都沒有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)，難免出現(xiàn)一些工程缺陷。引黃入晉工程 應(yīng)用 面波法、探地雷達(dá)等先進(jìn)技術(shù)較全面地檢測了水工隧洞的施工質(zhì)量缺陷，為缺陷處理方案提供了科學(xué)的基礎(chǔ)。（2）黃土隧洞無論在施工和長期輸水過程中均嚴(yán)禁水浸潤土體，也嚴(yán)禁上游隧洞漏水浸潤下游黃土隧洞土體。對于引黃隧洞的施工缺陷，修補(bǔ)處理的重點(diǎn)是防滲，主要是防止外水內(nèi)滲和內(nèi)水外滲。治本措施是對圍巖進(jìn)行回填灌漿和固結(jié)灌漿，輔以加強(qiáng)對襯砌接縫和表面增設(shè)內(nèi)防滲涂層。對于嚴(yán)重的不良地質(zhì)洞段和影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的洞段，增加錨固和鋼襯措施，是行之有效的。（3）建議加強(qiáng)對引黃入晉工程隧洞的安全監(jiān)測。凡有Q2、Q3黃土、N2紅黏土等洞段和施工期與運(yùn)行期起控制作用的部位，應(yīng)設(shè)置不同數(shù)量的重點(diǎn)監(jiān)測斷面，以加強(qiáng)運(yùn)行期對工程安全的監(jiān)測，確保工程安全。應(yīng)不斷 總結(jié) 工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善和提高水工隧洞的設(shè)計、施工方法和缺陷處理技術(shù)。參考  文獻(xiàn) ： ［1］王國秉，等。山西省引黃入晉工程總干線9#隧洞工程狀態(tài)檢測和缺陷處理［A］。水工混凝土建筑物病害評估與修補(bǔ)文集［C］。北京：中國水利水電出版社，2001.48-52. ［2］　張瑞堂，王國秉，等。引黃工程總干線7#、8#隧洞內(nèi)防滲處理工程的施工［J］。水利水電技術(shù)，2002，（8）：21-22. ［3］　趙廷式，等。山西省萬家寨引黃工程的技術(shù)特點(diǎn)［J］。水利水電技術(shù)，2002，（8）：10-11. ［4］　李文全，等。引黃工程總干線6#隧洞管片裂縫及移位原因的進(jìn)一步 分析 ［J］。水利水電技術(shù)，2002，（8）：13-14.