输水隧洞衬砌空洞处理措施分析

张 鑫，霍俊亮，王志伟，王拴路

（北京市南水北调环线管理处，北京 100176）

城市地下输水隧洞多采用复合式衬砌。在隧洞开挖时同步实施一次衬砌，使用模板台车现浇钢筋混凝土完成二次衬砌。在工程建设过程中，二次衬砌在拱顶及附近区域容易出现混凝土浇筑不密实、空洞等问题，给有压隧洞输水运行带来不利影响，危及工程结构安全。地下输水隧洞需要同时防止内水外渗、外水内渗，外渗水量满足《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）[1]要求。然而，根据类似输水隧洞检修经验，在清除嵌缝材料后，灌注丙烯酸盐凝胶材料耗用量较大，部分仓段丙烯酸盐凝胶从相邻仓段伸缩缝处渗出，表明存在衬砌空洞联通的情况。如不加以处置，衬砌空洞将成为运行期渗水通路，危及输水工程的运行安全。本研究使用地质雷达检测隧洞衬砌空洞分布情况，分析二次衬砌空洞产生原因、危害，从工程防渗角度提出空洞处置措施，对紫铜与防水板之间空洞、洞身二衬空洞进行灌浆处理。通过复检部分隧洞段灌浆后密实度情况，验证处置效果。

1 工程概况

北京市某地下输水隧洞全长44.7 km，内径为4.6 m，埋深为6.5～29.4 m，最大过水流量为26 m³/s。沿线设置2座调压塔、58座排气阀井，隧洞主体采用盾构法施工、复合式衬砌结构，其中一衬为预制钢筋混凝土盾构管片，厚度300 mm；二衬为采用模板台车全圆一次浇筑的钢筋混凝土衬砌，厚度400 mm，两仓之间设置伸缩缝，通过紫铜、闭孔泡沫板、聚硫密封胶密闭止水，每仓长度为9～12 m。输水隧洞断面型式，如图1所示。

图1 输水隧洞断面型式

2 衬砌空洞检测结果

本研究采用地质雷达法检测二衬空洞不密实情况。检测时，电磁波由空气进入二衬的混凝土，会出现强反射；当电磁波由二衬传播至一衬继而由一衬传播到岩层时，如果交界处贴合不好或存在空隙，也会导致雷达剖面相位和幅度发生变化，由此可以确定衬砌厚度和识别衬砌缺陷。

本研究选用750 MHz 屏蔽天线无线模块，参数设置如下：主频12 100 MHz，采样点428，时间窗口40 ns。在输水隧洞检修段拱顶12 点钟位置、拱腰10 点钟位置共布设2 条测线，利用可移动脚手架对二衬背后空洞进行检测。检测段隧洞包括2处分水口、2 处排空井、14 处排气阀井，总长10.24 km。地质雷达检测测线布置，如图2所示。除去钢衬段，拱顶、拱腰的测线长度均为10.00 km。经检测，拱顶空洞数量为139处，拱腰空洞数量为86处，拱顶空洞不密实情况多于拱腰。

图2 雷达检测测线布置

3 衬砌空洞成因与危害分析

3.1 成因分析

地下输水隧洞二衬拱顶及其附近空洞与混凝土材料特性、施工工法特点和质量控制水平有关。

（1）混凝土材料特性。混凝土具有凝固收缩的特点，拱顶不可避免地出现小空隙；且水灰比越大，收缩越明显。添加减水剂、泵送剂能够降低混凝土水灰比；采用自密实混凝土代替普通商品混凝土能够提高混凝土的流动性[2]。

（2）施工工法特点。使用模板台车浇筑二衬时，普通商品混凝土振捣困难，自密实混凝土未经振捣；且混凝土是自下而上浇筑的，导致二衬中下部密实性较好，拱顶附近密实性较弱。模板台车拱顶一般设置3 个及以上的泵送孔，处于较高处、远离泵送孔的位置很难浇筑密实[3]。此外，钢筋对混凝土的流动产生一定的阻力，钢筋越多，衬砌不密实，空洞更多。

（3）质量控制水平。泵送压力不足会导致模板内混凝土不能充分填充模板，尤其是距离泵送孔较远的位置。衬砌台车刚度不够、脱模作业过早引发二衬混凝土明显下沉，极易造成二衬不密实、空洞[4]。

3.2 危害分析

（1）影响结构受力和结构安全。二衬厚度不足，一衬管片和二衬混凝土之间出现不密实、空洞，导致隧洞结构无法真正实现联合受力，因受力不均匀而发生破坏，降低结构承载能力。一衬失去约束，在重力、地下水作用下发生变形、松弛[5]。二衬在正常情况下是内侧受拉、外侧受压，由于空洞的存在使脱空衬砌处于内侧受压、外侧受拉的状态，衬砌结构受力不合理，影响工程结构安全。

（2）引发地表渗水和管路沉降。二次衬砌的上边缘会发生开裂，若有渗漏水发生，则沿着空洞和裂缝进入衬砌[6]。空洞成为隧洞周边地下水、隧洞内外渗水的通路。在内水压力作用下，逐渐形成地下渗流，水量长期外渗，有可能引起地表渗水或者管路沉降等，严重危害社会发展及城市安全。

4 衬砌背后空洞防渗措施

4.1 灌浆设计

为保障混凝土一衬、二衬紧密贴合，使围岩的压力能够均匀地传递到衬砌上；同时，封闭渗漏通道，减少隧洞内外渗水，确定以下灌浆设计要点。

（1）灌浆部位。一方面考虑填充隧洞洞体二衬空洞，有效减少或消除二衬混凝土内外渗水；另一方面将注浆管伸入紫铜与防水板之间，通过填充伸缩缝处紫铜附近的空洞、空隙，使每个仓段成为独立的结构体，阻隔渗漏通道，因此选择在伸缩缝两侧设置注浆管，如图3所示。

图3 重点灌浆部位

（2）灌浆次序。考虑到水泥浆的凝固收缩特性，为保证回填灌浆质量，分为2个次序进行灌浆，填充二衬空洞。在一序孔灌注浆液初凝后进行二序孔灌浆。灌浆次序，如图4所示。

图4 灌浆次序

4.2 灌浆施工

（1）钻孔设计参数。在伸缩缝两侧各设置1 个注浆孔，注浆孔位于顶拱12点钟。沿伸缩缝两侧钻灌浆斜孔，钻孔的角度为30°～45°。钻孔到达二衬与一衬之间，不破坏防水层，深度不超过565 mm。使用直径28 mm 的电锤钻进行钻孔，孔内插入直径25 mm注浆管。

（2）注浆参数。采用P.O42.5水泥。经过现场注浆试验确定灌浆水灰比，一序孔采用水灰比为0.8∶1～0.5∶1 的普通水泥浆，二序孔采用水灰比为1∶1 的超细水泥浆。水泥浆灌浆压力控制在0.2～0.35 MPa。

（3）灌浆流程。①定位打孔：借助移动式脚手架平台，在隧洞顶部伸缩缝两侧打孔。②埋设注浆管：埋设直径25 mm的回填注浆管2根，注浆管顶部贴近防水板，但不能刺破防水板，底部留在混凝土外侧。③灌浆：先对一序孔进行灌浆，浆液初凝后再对二序孔进行灌浆，一般在一序孔灌浆后3～7 d后进行。压力表设置在进浆口处，屏浆15 min 即可结束灌浆。④灌浆孔封堵：灌浆结束后待浆液达到设计强度后，需对埋管进行拆除清理并利用快硬水泥封孔，表面利用2 mm厚300 mm×300 mm手刮聚脲进行封闭。

4.3 灌浆效果

灌浆后对输水隧洞部分洞段二衬拱顶和拱腰混凝土密实情况进行复检。复检涉及6 个隧洞段，顶拱、拱腰的雷达测线长度均为2.05 km，总长度为4.1 km。顶拱检测位置为12 点钟位置，拱腰检测位置为10 点钟位置。复检段灌浆前拱顶空洞数量为31 处，灌浆后拱顶空洞数量为12 处；灌浆前拱腰空洞数量为12 处，灌浆后拱腰空洞数量为9 处。灌浆后空洞缺陷大幅降低。拱顶缺陷降低61.3%，拱腰缺陷降低25.0%。灌浆处理对于拱顶缺陷的修复作用优于拱腰。

灌浆前后分别对典型断面的拱顶衬砌空洞不密实情况进行对比分析，如图5 所示。灌浆前伸缩缝断面号为K30493、K30505，灌浆后伸缩缝断面号为K30493.2、K30505.2，二者伸缩缝位置基本一致。灌浆前在断面号K30501—K30506有2处缺陷位置，深度0.3～0.4 m 处存在连续脱空区域。灌浆后相应位置不存在脱空区。灌浆处置对隧洞洞顶脱空不密实区域有较大的改善。

图5 地质雷达检测拱顶灌浆前后二衬空洞对比（断面号K30490—K30510）

灌浆前后分别对典型断面的拱腰衬砌空洞不密实情况进行对比分析，如图6 所示。灌浆前伸缩缝断面号为K22264.8、K22276.8，灌浆后伸缩缝断面号为K22265.2、K22277.1，二者伸缩缝位置基本一致。灌浆前在断面号K22265—K22270 有连续的不密实区，经过灌浆处理后，可以看到脱空不密实区有所改善，但还存在局部不连续的不密实区域。

图6 地质雷达检测拱腰灌浆前后二衬空洞对比（断面号K22260—K22280）

综上，灌浆处置对于填充地下输水隧洞二衬空洞具有良好的效果。

5 结论与建议

5.1 结论

（1）受混凝土材料凝固收缩、二衬浇筑工法特点和施工现场质量控制等因素影响，二次衬砌在拱顶及附近区域出现混凝土浇筑不密实、空洞等情况，致使一衬、二衬不能联合受力，甚至会引发输水工程渗漏和管路沉降。

（2）为防治内外渗水、控制隧洞渗漏量，采用在地下输水隧洞伸缩缝两侧设置注浆管、分序灌注“普通水泥浆+超细水泥浆”方式，对紫铜与防水板之间空洞、洞身二衬空洞进行灌浆处理，可以有效降低二衬空洞。灌浆后，拱顶缺陷降低61.3%，拱腰缺陷降低25.0%。

5.2 建议

（1）建议采用地质雷达法检测地下输水隧洞二衬密实度，为辅助判别工程结构安全提供技术支撑。

（2）在制定地下输水隧洞检修方案时，建议在实施伸缩缝修复前对二衬进行灌浆处理，提高二衬混凝土密实度，降低隧洞运行期渗漏风险，保障隧洞工程结构安全和运行安全。