引黃總幹線水工隧洞工程檢測和缺陷處理論文
引黃總幹線水工隧洞工程檢測和缺陷處理論文
摘要：本文介紹了萬家寨引黃工程總幹線水工隧洞應用面波法、探地雷達等先進技術對鋼筋混凝土襯砌的內部缺陷、密實性、裂縫性狀、混凝土強度、抗滲效能等檢測的主要成果，並對缺陷處理方案提出了建議。
關鍵詞：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大型跨流域調水工程，位於山西省的西北部，由總幹線、南幹線、北幹線組成，全線長453km，引水流量48m3/s，年引水總量12億m3，沿線設5個泵站分級提水，總揚程達636m.
3條幹線中的輸水建築物以隧洞為主，總長約170km，工程分兩期實施。一期工程總幹線長44.35km，其中隧洞11條，長42.20km.隧洞沿線經過地層巖性主要為寒武系灰巖、下奧陶系白雲岩、中奧陶系灰巖、N2紅黏土和Q2、Q3黃土等。Q2、Q3黃土隧洞分佈在穿越溝谷的地段，黃土結構鬆散，具有中強溼陷性，在區域性洞段的N2紅黏土中，節理裂隙十分發育，圍巖穩定性差，地質條件十分複雜。
總幹線9#隧洞為無壓輸水隧洞，隧洞全長217m，全部穿越第四系Q2、Q3溼陷性黃土地層。原設計斷面為內徑5.36m×5.36m的標準馬蹄形鋼筋混凝土襯砌斷面，縱坡1/1500，施工採用人工開挖，一次支護採用模注混凝土，厚約30cm，二次支護採用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為50cm.
6#、7#、8#隧洞總長為21.17km，均為無壓隧洞，圍巖主要為灰巖和白雲岩，並多次穿越Q2、Q3黃土和N2紅黏土層，由義大利CMC-SELI公司承包進行施工圖設計和施工。隧洞開挖採用全斷面隧洞掘進機（TBM），鋼筋混凝土預製管片襯砌，圓形斷面內徑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。隧洞的防滲設計除用豆礫石回填灌漿外，巖洞段採用SIKA材料勾縫，土洞段採用兩道止水，暗止水採用BW遇水膨脹止水條，明止水採用雙組分聚硫膠。 總幹線三級泵站出水壓力平洞為泵站主要輸水建築物，所在山體主要為寒武系和奧陶系碳酸鹽巖，區內孔隙水量較豐富。其設計斷面為圓形，內徑5.20m，總襯砌長度348.90m，鋼筋混凝土襯砌厚度60cm，進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.平洞下游透過上彎段與泵站出水壓力豎井銜接。
隧洞自施工貫通以來，由於不良地質條件、襯砌結構設計存在一些不足及施工質量較差等原因，出現了較嚴重裂縫、滲漏、管片錯臺、接縫超差、外水內滲現象普遍等質量缺陷，嚴重影響了引水工程的安全執行。山西省萬家寨引黃工程總公司對引黃工程質量十分重視，為消除工程隱患，全面瞭解總幹線水工隧洞的混凝土質量和工程狀態，於1997～2002年曾多次委託中國水利水電科學研究院結構材料研究所對9#洞和總幹線三級泵站壓力平洞等工程混凝土缺陷情況進行較全面的無損檢測，建議工程質量缺陷處理方案，並承擔7#、8#隧洞防滲處理施工任務。文獻［1～4］對引黃入晉工程中缺陷處理已進行了研究，本文簡要介紹該工程的主要檢測成果，缺陷處理成功經驗，可供類似工程借鑑。
2、主要檢測專案和方法
2.1 混凝土強度的檢測
一般混凝土的強度可用回彈法和超聲回彈綜合法進行測定。若構件較厚，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，但其檢測精度受被測混凝土內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。表面波（亦稱瑞利波）是沿介質表層傳播的一種彈性波，它與橫波具有相似的性質，受材料中的含水量和鋼筋影響較小。表面波的速度與材料幹密度、抗壓強度等具有良好的相關性。因此，用它來檢測結構物混凝土材料的力學效能及存在的缺陷具有重要意義，已被廣泛應用於混凝土建築物的無損檢測。
本次檢測採用表面波法、回彈法和鑽芯法相結合來綜合評定混凝土的強度。表面波法應用的儀器是由中國水利水電科學研究院工程安全監測中心研製的BZJ-3H型表面波混凝土質量檢測儀。
2.2 混凝土內部缺陷及密實性的檢測 本次檢測主要採用高精度探地雷達技術，它是一種用於確定地下介質分佈的廣譜電磁波技術，也是目前國內外用於檢測混凝土內部缺陷最先進的技術之一。人們從20世紀30年代初就開始探索和研究混凝土無損檢測方法，並獲得迅速發展。1970年美國研製生產出第一臺探地雷達，探地雷達的應用大大提高了混凝土質量無損檢測的速度和精度。近年來國內鐵道、公路、市政及水利等部門先後進口了國外探地雷達，從此我國混凝土無損檢測進入了一個新紀元，實現了真正的無損、快速探查。探地雷達利用一個天線發射高頻率寬頻帶短脈衝電磁波，另一個天線接收來自地下介質介面的反射波，電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所透過介質的電性及幾何形態而變化。因此，根據接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形等資料，可探測介質的結構、構造與埋設物體，混凝土內部均質性的變化會在雷達圖象上有不同的反映。當混凝土內部存在某種缺陷（如孔洞、鬆散體、異物等）時，雷達圖象將呈現出異常變化。
本次檢測採用美國GSSI公司生產的SIR-2000型探地雷達，分別選用了頻率為400MHz、900MHz、1500MHz的測量天線，其探測控制深度及解析度分別為3.0m、15cm；0.9m、5cm；0.4m、1cm.此外，在應用表面波法檢測混凝土強度的同時，利用表面波經過混凝土內部孔洞部位時引起的波形畸變、幅度衰減和波速降低等異常現象，對混凝土內部可能存在的缺陷及其位置進行了判斷，並鑽取少量芯樣予以驗證。
2.3 混凝土裂縫性狀的檢測
主要調查裂縫的形式、寬度、長度、深度及裂縫發生的部位和分佈情況，並對裂縫成因和危害性進行分析。 採用讀數顯微鏡對裂縫寬度進行檢測，測量精度為0.01mm.採用CTS-45型非金屬超聲波檢測分析儀，按照《水工混凝土試驗規程》“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 混凝土抗滲效能的檢測 為了對各檢測工程目前混凝土滲漏的情況有一個宏觀的瞭解，對各隧洞滲漏的形式、發生的部位、滲漏程度進行全面調查。結合滲漏普查與探地雷達檢測結果，鑽取有代表性的混凝土芯樣，按照《水工混凝土試驗規程》進行混凝土室內抗滲試驗，檢測各工程混凝土施工質量是否達到原混凝土設計抗滲效能。
2.5 混凝土的壓漿（水）檢測 本專案檢測的主要目的.是檢查隧洞一、二次支護新老混凝土結合層的粘結情況，並根據壓漿（水）試驗結果判別是否需要進行接縫灌漿及預估可能的灌漿量。
2.6 混凝土的碳化檢測 主要檢測混凝土的碳化狀況，並按GBJ-82-85《普通混凝土長期效能和耐久性試驗方法》的有關規定進行。
2.7 混凝土襯砌厚度和鋼筋保護層的檢測 襯砌厚度和鋼筋保護層厚度主要應用探地雷達和表面波法的頻散特性進行檢測，並鑽取少量芯樣予以校核。
3、隧洞檢測主要成果
3.1 總幹線9#隧洞
中國水利水電科學研究院在1997年9月和1999年4月兩次對9#隧洞進行較全面的檢測，發現該洞存在的主要質量缺陷如下：
（1）全洞32個澆築段中有19段在拱頂出現縱向裂縫，共22條，總長86.9m，最大縫寬0.5mm，最大縫深278mm，大多數裂縫發生在隧洞進、出口段和塌方處理段。
（2）約有三分之一的環向伸縮縫，因止水帶安裝錯位，混凝土澆築不密實發生滲漏，不能滿足止水設計要求。
（3）底拱混凝土約有50％的芯樣強度低於設計標號。
（4）壓水檢查發現，一、二次支護新老混凝土結合層質量大多不良，約有60%的檢查孔的混凝土單位吸水率達不到設計要求。共發現混凝土襯砌滲水點54處。
（5）混凝土碳化嚴重，平均碳化深度為14.2～17.0mm，實測最大碳化深度達42.4mm，已接近鋼筋保護層厚度。
（6）底拱表層鋼筋實測位置大多位於距底拱表面150～200mm處，對底拱襯砌的受力狀態不利。
（7）在6個澆築段中存在區域性混凝土內部缺陷（孔洞、蜂窩等），嚴重影響底拱混凝土的總體強度和抗滲能力。
3.2 總幹線6#～8#隧洞
（1）由國電公司成都勘測設計研究院聚石地基公司在現場檢測的管片混凝土強度統計結果表明，44組實測強度的平均值為52.4MPa，最大值為74.0MPa，最小值為37.9MPa，均達到或超過了設計強度C30.
（2）由於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，在兩側管片中部連續或間斷產生一條或多條裂縫，該段長約338m，裂縫寬度一般為0.1～0.5mm，個別寬達1.0mm，縫深為20～80mm.該洞段的側拱和頂拱管片之間不同程度地發生了錯臺現象，即側拱管片向洞內移位，其中以758～766環最為明顯，移位錯臺最嚴重的達100mm.
（3）由於區域性施工質量未達設計要求，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滲現象普遍。據對施工調查不完全統計，共發現管片接縫和安裝孔滲漏約9千處（點），隧洞防滲問題較為突出。
3.3 總幹線三級泵站壓力平洞 中國水利水電科學研究院在2002年3月對現場檢測，主要結論如下：
（1）出水壓力平洞主洞120個測區和支洞80個測區的實測混凝土強度平均值為37.0MPa，高於設計強度C30，其中最大值為43.6MPa，最小值為33.0MPa.6組芯樣強度也達到或超過了設計強度。
（2）出水壓力平洞主洞共發現裂縫75條，其中貫穿性裂縫59條，裂縫長度貫通整環的36條，最大裂縫寬度為1.0mm；2條支洞共發現環向裂縫51條，其中貫穿性裂縫17條，裂縫長度貫通整環的有16條，最大裂縫寬度為0.6mm.
（3）混凝土施工質量較差，存在大量表面和內部缺陷，如表面蜂窩麻面，施工冷縫、模板接縫處漏漿，共發現混凝土滲漏81處。襯砌混凝土與圍巖之間存在較大空隙，並有水充填。混凝土內部不密實，個別部位疏鬆，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，封孔質量較差，有的甚至基本未封，造成灌漿孔附近漫滲和漏水現象。
（5）混凝土芯樣抗滲試驗在1.0MPa水壓力下，恆定24h未出現滲水現象。
（6）平洞三叉段和頂拱混凝土由於布筋較密，泵送混凝土施工時振搗困難，存在程度不同的蜂窩、孔洞、裂縫和不密實等缺陷。上述工程質量缺陷對隧洞的防滲、襯砌的耐久性和結構的整體性將產生嚴重危害，特別是對於溼陷性黃土洞段，一旦發生滲漏並使黃土飽和，將有可能造成黃土隧洞的破壞，後果不堪設想，因此對這些工程隱患必須要進行處理。
4、缺陷處理方案
4.1 總幹線9#隧洞對9#洞存在工程缺陷和質量問題，中國水利水電科學研究院建議採取恢復整體性和加強耐久性的修補、加固措施，以防滲為重點。
具體實施方案如下：
（1）對9#洞襯砌的裂縫採用化學灌漿處理，化學灌漿材料選用環氧樹脂漿液。
（2）對全部環向伸縮縫和縱向施工冷縫，採用開槽、嵌填雙組份聚硫密封膠處理。
（3）對6個澆築段底拱內部混凝土存在的蜂窩、孔洞、骨料架空等區域性缺陷，採用水泥壓漿法逐步加密處理，鑽孔呈梅花形佈置，孔深小於襯砌厚度。
（4）對於鋼筋保護層大於10cm的洞段，鑿除底拱表層10cm厚混凝土，代之以一級配C25補償收縮混凝土和配置受力鋼筋，受力鋼筋與原側拱內側受力筋焊牢，鋼筋保護層厚4cm.9#洞缺陷經上述方法處理後，已於2001年11月和2002年10月透過引黃入晉工程兩次試通水檢查，防滲效果顯著，達到了預期效果。
4.2 總幹線6#～8#隧洞
針對6#～8#隧洞的工程質量缺陷，2001年引黃工程總公司對其進行了處理，由中國水利水電科學研究院中水科工程總公司承擔7#、8#洞防滲處理施工。主要內容如下：
（1）對土洞段進行反覆灌漿，填充洞外鬆動層。對管片縫寬大於0.2mm的裂縫，用高強聚氨酯漿材進行化學灌漿處理，表面細縫用環氧樹脂類塗料進行封閉處理。對管片接縫採用化學灌漿和嵌填聚合物水泥砂漿進行防滲處理，在其表面塗刷聚氨酯防滲塗層（要求在乾燥狀況下施工），防止內水外滲。
（2）對不良地質洞段的襯砌進行錨杆加固，以增加襯砌結構的穩定性。
（3）對Q3溼陷性黃土洞段和管片錯臺大於10cm影響結構穩定的洞段，對管片進行先復位後錨固，再用鋼板加固。
（4）對個別影響過水能力的洞段，拆除原管片，現澆混凝土。
（5）對岩石洞段，主要對圍巖進行回填灌漿和固接灌漿，在管片接縫處增設防滲塗層。總幹線6#～8#隧洞的工程缺陷，透過上述措施處理後，防滲效果顯著。經過引黃入晉工程兩次試通水的檢驗，基本上沒有發現滲漏現象，可以滿足安全執行要求。
4.3 總幹線三級泵站壓力平洞 根據檢測結果，中國水利水電科學研究院建議對壓力平洞存在的工程質量缺陷，採取下列措施：
（1）對出水壓力平洞繼續進行回填灌漿和固結灌漿。回填灌漿可填塞平洞頂拱脫空區域，封堵滲漏通道。固結灌漿可提高圍巖的防滲效能，應結合地質條件合理選擇灌漿深度和壓力，並保證所有灌漿孔封堵質量，對於滲漏嚴重洞段要進行全斷面固結灌漿。
（2）裂縫是本工程最主要的滲漏通道，建議對縫寬≥0.2mm的裂縫進行化學灌漿處理，對於縫寬<0.2mm的裂縫進行封閉處理。
（3）對於平洞抗滲效能較差部位，建議在其混凝土表面塗刷一層厚為1.5mm的水泥基滲透結晶型防水材料，利用該材料特有的活性化學物質，填塞混凝土孔隙或毛細管，從而使混凝土緻密防水。
（4）對滲漏嚴重的混凝土和內部有孔洞、蜂窩的低強部位進行化學灌漿補強處理。
（5）修復和增設內防滲塗層。建議採用中國水利水電科學研究院為引黃工程研製開發的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度，又具有較高的變形效能，它與混凝土的介面相容性好，無潮溼敏感性缺點，粘結力強，是一種較為理想的大面積防滲處理塗料。
引黃工程總公司採納了上述大部分建議，該工程經2003年8月處理後，泵站滲漏量在設計揚程時，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、結語
（1）在Q2、Q3溼陷性黃土和N2紅黏土中修建水工隧洞，從設計理論到施工方法，都沒有比較成熟的經驗，難免出現一些工程缺陷。引黃入晉工程應用面波法、探地雷達等先進技術較全面地檢測了水工隧洞的施工質量缺陷，為缺陷處理方案提供了科學的基礎。
（2）黃土隧洞無論在施工和長期輸水過程中均嚴禁水浸潤土體，也嚴禁上游隧洞漏水浸潤下游黃土隧洞土體。對於引黃隧洞的施工缺陷，修補處理的重點是防滲，主要是防止外水內滲和內水外滲。治本措施是對圍巖進行回填灌漿和固結灌漿，輔以加強對襯砌接縫和表面增設內防滲塗層。對於嚴重的不良地質洞段和影響結構穩定的洞段，增加錨固和鋼襯措施，是行之有效的。
（3）建議加強對引黃入晉工程隧洞的安全監測。凡有Q2、Q3黃土、N2紅黏土等洞段和施工期與執行期起控制作用的部位，應設定不同數量的重點監測斷面，以加強執行期對工程安全的監測，確保工程安全。應不斷總結工程實踐經驗，進一步完善和提高水工隧洞的設計、施工方法和缺陷處理技術。
參考文獻：
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