大口径输水隧洞变形缝修复技术探讨

张会敏

（北京市河湖流域管理事务中心,北京 102600）

南水北调中线工程一期全长1276 km,北京段大部分为地下输水管道或隧洞,总长260 km。其中大口径输水隧洞长约98 km,占南水北调北京段总长38%,大口径输水隧洞已成为城市输水干线的重要组成部分,也被普遍应用于水利市政工程中。其安全运行对大城市供水稳定起到至关重要的作用。

1 大口径钢筋混凝土输水隧洞应用

随着国民经济快速发展和土地资源稀缺,大口径输水隧洞被越来越广泛地应用于长距离供水、引水和调水工程中,且发挥着稳定持久的经济效益和社会效益。如南水北调工程穿黄工程隧洞累计长8.5 km（圆涵DN7000 mm）[1]；深圳市东江水源工程有86.3 km隧洞（分为城门洞型、马蹄型、圆涵和箱涵4 种）[2-3]；引滦入津工程有12.39km隧洞（主要以箱型和城门型两种,其中：箱型洞高有5.6m和5.7m两种、城门型洞宽有5.7 m和6.26 m两种）[4]；南水北调天津干线工程输水箱涵145.81 km,分为3600 mm×3600 mm和 4400 mm×4400 mm方涵两种[5]。再如南水北调北京段位于中线工程的末端,大部分也采用地下暗涵输水模式,即沿着南、东、北五环及西四环形成的大口径地下输水隧洞工程；从总干渠开始,近百公里,按照逆时针方面分别为：南干渠工程（全长26.8 km、圆涵分为DN3400 mm和DN4700 mm两种）,东干渠工程（全长44.7 km、圆涵DN4600 mm）,团城湖至第九水厂一期工程（全长8.2 km、圆涵DN4700 mm）,西四环暗涵（全长12.6 km、方涵3800 mm×3800 mm）和卢沟桥暗涵（全长5.3 km、方涵3800 mm×3800 mm）。

但随着大口径输水隧洞长期运行或因地质结构变化、地上物变化等诸多因素影响下,大口径输水隧洞必然存在渗漏水问题,其渗漏的关键部位就是变形缝处,因此变形缝的修复技术在大口径输水隧洞检修和抢险过程是一个极难攻克的技术问题。变形缝修复技术首先要保证变形缝原设计结构功能不变,即填充材料须柔性材料。其次,要考虑到变形缝修复作业条件,大部分输水隧洞内低温潮湿,且周边土壤含水量较高,导致隧洞内部混凝土表面含水率高,作业现场无法满足防水材料的施工作业条件。同时,要考虑变形缝连接的钢筋混凝土隧洞两仓之间的表面平整度和变形缝缝宽不均匀,变形缝填充或封闭材料若采用定制类橡胶制品,刚性混凝土与柔性橡胶之间粘结度很难管控,如采用粘结剂,材料在潮湿条件下粘结效果很难保证。另外,充分考虑“内水外渗、外水内渗”两种渗水工况。大部分防水材料防止迎水面变形缝渗漏效果极佳。隧洞检修排空时,隧洞周边的外水可能通过变形缝向隧洞内部渗漏,其背水面防渗效果不佳。部分输水隧洞在前期建设中未设计检修通道,检修抢修的人员、材料、设备只能通过直径0.7 m的井口进入隧洞底部,修补的材料、设备尺寸均要满足井口直径的要求才能使用。现场的实际条件使得抢修工艺选择面小,材料、设备选择有限。

制定变形缝修复技术方案要充分考虑存在诸多不利因素。目前,国内在大口径输水隧洞工程变形缝修复取得了一些实践经验,针对修补加固新材料、新技术也进行了大量研究和试验,有的已经应用于工程实践[6-13]。

2 大口径输水隧洞变形缝修复技术进展

2.1 南水北调中线穿黄工程和北京段隧洞工程早期变形缝修复

南水北调穿黄隧洞运行初期,对于结构缝采用缝内填充聚脲（深度2 cm～4 cm）,表面采用喷涂聚脲封闭技术方案。北京市南水北调配套南干渠工程和东干渠工程在试运行初期,采取了变形缝内采用油麻、聚氨酯和双组份聚硫密封膏填塞,表面采用SK手刮单组份聚脲封闭。

经过长时间通水运行,聚硫密封膏填塞泥化或老化现象严重,也是导致变形缝渗水的原因之一。

2.2 南水北调天津干线工程变形缝修复

天津干线4 号至5 号保水堰段箱涵先对变形缝内进行灌浆处理,封堵渗漏通道,采用手刮聚脲加强变形缝的闭水效果。灌浆的具体工艺为：封盖→钻孔→充填灌浆→复灌浆液。该工艺采用天津大学天海新材料有限公司研制的用于变形缝漏水抢险处理的工艺和专用材料。该材料为TPT化学高分子灌浆材料,氰凝高效灌浆防水堵漏材料TPT-2 具有吸潮遇水反应固化、浆液粘度低可渗透到混凝土细微裂缝的特点,TPT-1 型材料具备再遇水再膨胀的功能。对渗漏的变形缝,采用手刮聚脲的方式进行补强。手刮聚脲厚度2 mm,宽度为430 mm。

TPT在隧洞顶部施工过程中,粘结性能较好,但在长时间通水运行过程中防水材料易被剥离。

2.3 兰州水源隧洞和地下工程变形缝修复

研制了新型的中贴式橡胶止水带,其止水线高度32 mm、3 条止水线、翼板宽度为192 mm。在中埋式橡胶止水带迎水面增设了遇水膨胀止水条,变形缝的缝隙之间及止水面板之间采用BW闭孔泡沫板填塞[14]。

中埋式橡胶止水带方案较广泛应用于堤坝、涵洞、地铁、人防、地下室等工程中,施工过程中胶止水带与混凝土表面粘结强度很难控制。在水流冲刷下,填塞材料容易被冲走。

2.4 深圳市东江水源工程变形缝修复

深圳市东江水源曾经对于箱涵和渡槽变形缝渗漏做过多种试验。东江水源工程压力箱涵变形缝处理采用化学灌浆及快速堵漏剂堵漏,缝内嵌填2 cm～3 cm厚高弹性砂浆,在变形缝表面锚贴GB复合三元乙丙橡胶板。渡槽变形缝漏水处理采用快速堵漏剂堵水,槽内嵌填高弹性聚脲砂浆,表面涂刷界面剂,表面涂刷SK抗冲磨型手刮聚脲复合胎基布[3]。

锚贴橡胶板施工过程中,对作业面的平整度要求极高,且粘贴材料性能很难控制。

3 大口径输水隧洞变形缝处理方案

3.1 粘贴橡胶板方案

南水北调中线穿黄隧洞工程在2019 年实施检修工作。其变形缝修复采用自主研究的T型橡胶板方案。将结构缝原聚脲以及其一体喷涂的低位锚具聚脲拆除后,对其进行铣缝和打磨。沿结构缝中心线刻矩形槽,并对结构缝全断面进行清理,在结构缝内安装T型橡胶板。结构缝、槽壁等,与橡胶板接触的混凝土基面,先刷底涂进行预处理,将橡胶板内侧全部刷粘结胶,再安装橡胶板。橡胶板与槽两侧壁之间的空隙,使用环氧砂浆回填,回填与内衬混凝土面顺接。若同一侧缝壁与槽侧壁之间空隙≤4 cm,该侧槽侧壁、底面需要满刷。利用专用设备清除结构缝内的闭孔泡沫板,边顶拱清除深度距内壁5 cm,车道平台清除深度距内壁6 m。打磨结构缝两侧内衬混凝土面,打磨宽度超出结构缝原聚脲两侧各5 cm,总宽度42 cm,并在打磨区设倒三角嵌槽,嵌槽深5 cm,宽2 cm。

3.2 高弹砂浆及手刮聚脲方案

3.2.1 排水理念隧洞变形缝修复

北京市南水北调南干渠工程下段内径4.7 m,采用排水理念设计。于2019 年上半年实施了应急检修工作,其中97%变形缝采用了自主研究的高弹砂浆及手刮聚脲方案进行修复。清除原变形缝位置的聚硫密封胶和填缝材料,深150 mm,并使界面清洁、干燥；分缝位置填塞拌和水泥的油麻,表层采用堵漏剂压填；打磨变形缝两侧迎水面混凝土各宽150 mm,缝体部位两侧混凝土面深2 mm～3 mm；分缝位置两侧及缝体内部满涂界面剂及SK手刮单组份聚脲1mm；分缝位置聚脲外塞填高弹性砂浆；表面外粘胎基布,变形缝两侧各外延100 mm；涂刷SK手刮单组份聚脲厚3 mm,变形缝两侧各外延150 mm。

3.2.2 防水理念隧洞变形缝修复

北京市南水北调东干渠工程内径4.6 m,内设防水板,采用防水理念设计。南干渠工程检修完毕后,东干渠工程在2019 年下半年也实施了隧洞检修工作,在南干渠工程变形缝修复基础上,结合东干渠自身特点进行了改进。将伸缩缝内填物清除：对伸缩缝内部的旧有的内填物进行清除,清除深度为150 mm～170 mm。将油麻砸入到伸缩缝的内部,且砸入到伸缩缝内部的油麻与嵌槽之间留有20 mm～40 mm的距离；在砸入油麻的过程中,在伸缩缝的五处不同位置分别插入注浆管,进浆嘴位于油麻的外部且伸至嵌槽的内部。伸缩缝的内部填充堵漏灵,当堵漏灵达到设计要求的强度后,对伸缩缝内部灌注丙烯酸盐浆液。再对伸缩缝内和嵌槽两侧涂刷界面剂和手刮聚脲；待手刮聚脲表干,向嵌槽内填充弹性砂浆；在弹性砂浆表面涂刷界面,在界面剂的外表面上涂刷活化剂,再手刮一层聚脲,并在聚脲的表面外粘一层胎基布,最后在胎基布的外侧表面手刮多层聚脲封闭[15]。

3.3 锚粘橡胶止水带方案

2019 年,南干渠工程下段应急检修工作中3%变形缝采用了锚粘橡胶止水带方案进行修复。清除原变形缝位置的聚硫密封胶,并使界面清洁、干燥；打磨变形缝两侧迎水面混凝土露出新鲜基面并清理干净；变形缝凹槽部分采用环氧砂浆找平；分缝位置混凝土面采用环氧胶粘贴定型橡胶止水带,变形缝两侧各外延130 mm。止水带外侧采用5 mm不锈钢压板和直径8 mm锚栓固定。两侧不锈钢压板宽各150 mm,压板可以根据现场情况沿洞周长自行分块。锚拴间距不大于200 mm,采用植筋胶植入混凝土,距离变形缝面约90 mm,可以根据现场情况调整。不锈钢压板与止水带之间加丁基橡胶垫片。

4 方案比选

为提升大口径隧洞变形缝日常检修和应急抢修处置能力,将目前较为先进的3 种变形缝处理方案的优缺点进行对比。

4.1 粘贴橡胶板方案

优点：方案可靠性较高；封闭性较好；后续维修时更换橡胶板即可,节约后续隧洞检修变形缝维修资金。适用于准备充分的日常隧洞检修。

缺点：施工难度大；施工周期较长；对结构缝处理、粘结剂要求高。

4.2 高弹砂浆及手刮聚脲方案

优点：施工简便；手刮聚脲在混凝土面不平整条件下也可实现密闭效果。在变形缝内填充油麻及堵漏灵,适应性强,施工作业面小；SK手刮聚脲具有良好的抗渗性能、延伸率大、与混凝土结合好、无毒无害,对于湿度较大、低温环境依然可以使用；施工周期短,较锚粘橡胶板止水带处理工序缩短45%。适用于时间紧破的应急隧洞抢修。

缺点：方案可靠性一般；对洞内通风及干燥环境要求高。

4.3 锚粘橡胶止水带方案

优点：方案可靠性较高施工工序少；便于后期维修时止水带替换。适用于准备充分的日常隧洞检修。

缺点：洞内施工难度大；遇混凝土面错台不易实现密封效果；锚栓外露,水力条件较差,易引发水生生物附着,对混凝土、止水带及锚栓产生危害。施工作业条件要求高、橡胶板与混凝土表面粘贴密实度不易控制；周期较长,处理工序需要12 工时,但锚粘橡胶板止水带稳固需要3 d,无法满足抢修进度要求。

上述3 种较为成熟的变形缝修复技术方案实施后,经过所在运行管理单位安全监测数据分析,渗漏情况均得到显著的减少,地面再无漏水情况发生,有效提高南水北调水的利用效率。