水工隧洞混凝土分析論文

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1概述

全斷面砼襯砌埋藏式水工隧洞，在砼澆筑結束后，由于山體內地下水的滲流通道被封堵，形成較高的外水壓力，使襯砌砼在施工縫、變形縫的薄弱位置產生滲漏。這是因為：

在砼澆筑時沒有采取有效的排水措施(如設置排水廊道、打排水孔等)進行外水導排減壓。

在砼襯砌完成后，因各種原因回填和固結灌漿不可能立即進行時，當襯砌砼水化熱完成后，襯砌與巖體之間實際存在一個較大的空隙。當圍巖外水壓力梯度尚不足以形成新的滲流通道時，外壓力實際上是滲透水在圍巖和襯砌中產生的體積力。其計算公式為P=Byh、B=0.25-0.6。

此時的外水壓力迅速升高，并直接作于襯砌砼上，導致砼薄弱面滲水，而影響襯砌結構的安全。因此在結構設計時如何控制外水壓力引起構筑物的滲漏是十分重要的。尤其是特殊的隧洞結構斷面的襯砌(如斷面形式、配筋限制等問題)不可能一次全斷面襯砌成型時，必須將底板和邊頂拱分開施工，對形成的施工縫止滲防治是十分重要的。

2水工隧洞工程特性

某永久性水工隧洞采用城門洞形和矩形砼襯砌，全長1917米。標準段過水斷面為6×7m，襯砌厚度為0.8~1.26m。雙層配筋、襯砌單元分塊長度為12m。襯砌砼標號R28、300、D150、S8。該處地質狀況為：以淺灰色中粗粒閃長斜云花崗巖為主，整體呈塊狀結構，屬Ⅱ類圍巖。沿洞向陡傾裂隙較為發育，裂隙面平直稍粗，閉合裂隙居多。充填物主要為綠簾石、風化碎屑等。小斷裂較多，NW傾向陡傾節理與NE傾向緩傾節理發育。絕大多數為微風化巖體，該洞段地下水較為富集，雨季洞壁局部明顯可見無壓滲水。

該隧洞的進口段長為144米(計12個標準單元塊)，襯砌形成為矩形，四個角上有半徑為50厘米的1/4圓弧。砼襯砌分底板和邊頂拱兩次施工，先澆底板，后澆邊頂。底板施工時，由于設計限制分縫位置必須在底板以上90

厘米，因此在底板施工時就必須設置一部分“吊腳模板”進行部分邊墻的施工。詳細分縫位置見圖1。由于通道條件的限制，邊頂拱砼施工只有在底板全部完成以后才能進行，第一塊邊頂拱砼澆筑完后，緊接著開始第二、三塊的施工，在第一塊邊頂拱砼完成后的第22天，邊墻與底板接觸位施工縫面出現潮濕印跡。當第2到第12塊邊頂拱砼在襯砌完成后的第18天—22天之間都分別出現了同樣的情況。最后整個進口共12個單元塊都相繼產生了施工縫滲水，縫寬一般在0.1—0.33mm之間。可見砼襯砌與圍巖間形成的外水壓力時間在18~22天，而此時的砼強度未能達到理想值，外水壓力的存在對澆筑的砼不利。

3產生滲水的原因分析及防治措施

施工縫面作為新、老砼的結合部因其所處位置較低，而在縫面的處理上及時采取了沖毛或鑿毛工藝，但由于現場條件的限制還存在一定的問題，比如邊、頂拱砼開倉前沖倉后會有少量的積水和一些細小的渣子難以徹底清除，再加上砼入倉前的砂漿攤鋪往往也難以全部覆蓋老砼面、結合面振搗不密實等等因素的存在，使該部位成為一個較為薄弱的地方。況且邊、頂拱砼澆完以后其強度增長還需要一定的時間，在此時間內，外水壓力迅速增加必然從該處滲出。針對這一問題，采用“先引導”、“后排水”的方法，取得了一定的效果。先引導的目的是在未進行二次砼澆筑時，預先設置導水孔，創造導排外水減壓的條件。后排水是在二次澆筑砼后，使無規的滲漏水通過引導水管變為有規的卸壓排水導流。使二次澆筑有足夠的強度增長時間，確保砼的質量，最后通過注漿封閉導水孔達到止滲的目的，其具體作法：

1、底板澆筑時，對于邊、頂拱巖壁有滲水的洞段，在底板砼施工時，在施工縫面上預留一個縱向槽（如圖2所示），預留槽的位置設在外層鋼筋與巖壁之間，并且留出6cm的鋼筋保護層。如果邊墻沒有足夠的超挖空間，則鑿除部分巖石，以保證該槽的形成。在縱向槽的底部與模板之間埋設一根PVC管作為導排水管，詳見圖2。在進行邊頂拱澆筑時，縱向槽內填充碎石，表面用鍍鋅鐵皮封蓋。邊頂拱澆筑完畢，鋼模臺車拆出后，要及時通開該PVC管，以保證排水的暢通。

2、對于裂隙滲水或集中滲水的地方，則采用打排水管孔，孔內插管排水的方案。排水孔沿著裂隙的走向打，孔深1.0M，孔徑Ф=42mm，間距2~3m，管子采用DPVC”管，其插入孔內的部分用釘子開一些小孔，孔口用棉紗或砂漿堵塞。管子可順巖壁接到圖2中所示的縱向槽內，也可穿過堵頭模板將水排到倉外。

3、邊頂拱澆筑時，倉內的積水安排專人負責舀出，必須保證倉內積水及時排出。

4、在邊、頂拱砼澆筑結束、模板拆出后，立即掃開頂部預埋的回填注漿孔，幫助排水減壓。

5、對留在槽內的骨料的處理，可在最后進行隧洞回填灌漿時，將所處埋的PVC排水管清除后，沿埋留孔進行灌漿處理。

4施工縫的滲漏處理

根據設計的要求：施工縫滲漏處理，層面縫及裂縫灌漿后粘接強度為帷幕線以上0.3~0.5mpa；帷幕線以下0.7~1.0MPa。表面縫口回填材料砼粘結強度≥1.0mpa，灌壓水試驗檢查，透水率Q<0.1Lu。

為確保處理效果，我們進行了室內粘結性能試驗和現場施工性試驗，并經過檢測，現將采用嘉德牌EAA環氧防滲補強材料，試驗的情況介紹如下:

4.1處理的特點：

該水工隧洞內襯在0.8-1.2m之間。砼襯砌較一般地下工程厚，且周邊圍巖裂隙水豐富，在無防水措施的條件下進行砼澆筑、其襯砌砼與圍巖之間的空隙有一定的連通性。在進行化學注漿補強止水處理時，如控制不當，漿液沿施工縫裂隙面流過，而不是充填飽滿縫隙，不但影響處理效果，同時造成材料的浪費。

4.2嘉德牌EAA環氧材料特性

嘉德牌EAA環氧材料，由于加入復合的ENA改性劑和表面處理劑。材料具有粘度低、潤濕性強、綜合力學性能強度高、耐老化、無毒的特性。對水有良好的親和性，能克服被粘物界面的水膜對固體進行粘結。

表1EAA漿材的物理性能表

項目

表面張力

達因/厘米

接觸角度

比重

粘度

25℃/2小時

凝膠時間

25℃小時

凝膠時間

35℃小時

指標

30.2~34.2

15~29

0.873~1.063

1.3~37.4

30~85

13~29

表2EAA漿材的力學性能表

項目

抗壓強度

mpa

彈性模量

mpa

抗剪強度

mpa

劈裂抗拉強度

mpa

抗拉強度

mpa

抗沖擊強度

mpa

指標

36.2~85.7

300~2154

10.0~32.7

5.7~23.9

9.9~17.3

4.1~4.2

表3EAA環氧防滲補強材料

組份名稱

EAA主劑

EAA固化劑

EAA促進劑

配比

100

6

0．8

4.3施工方法

（1）沿縫開“V”型槽，槽深×寬為4~5×4~5cm。

（2）沿縫鉆騎縫孔，孔距40cm，孔徑25~28mm，孔深約55cm，（設EAA漿液的擴散半徑為20~25cm）。

（3）清縫、清孔，達到孔內、槽縫無泥垢、碎碴。

（4）在孔內布置注漿管及排氣管，注漿管長約45cm，管徑18mm；排氣管長約10cm，管徑8mm。

（5）采用速凝水泥嵌縫、埋管，要求嵌入均勻，孔內壓貼密實、平整，不得有滲漏。

（6）注入丙酮漿液，記錄注漿壓力和注漿量。

（7）注入EAA環氧漿液，注漿第一次壓力0.8Mpa，第二次重復注漿1.0Mpa，采用逐級升壓施灌。

（8）注漿結束標準以達到結束壓力后，恒壓10~15分鐘，以不進漿為結束。

（9）第一次注漿結束后5小時，現場負責人進行孔口檢查，如發現孔口漿液不飽滿，即進行第二次注漿，至孔口飽滿為止。

經室內粘結試驗和現場抽芯取樣檢測，有關部門認為：試驗表明采用水泥和化學材料復合灌漿措施，在漿材、設備和工藝及參數擇用恰當的條件下、補強處理可以達到預期的效果。

表4室內粘結后劈裂抗拉強度試驗

項目

原砼試件劈裂抗拉強度Mpa

EAA材料粘結后劈裂抗拉強度Mpa

備注

灌EAA材料

2.7

3.5

涂刷EAA材料

3.1

3.5

粘結條件：在砼粘結界面注漿或涂刷EAA材料粘結固定后，置35~40℃烘箱內3天后進行測試，研究報告提供值5.7~23.9Mpa，為1個月25~35℃的固化強度。

室內檢測抗滲試驗結果，為0.9Mpa時，縫面無滲水，平均滲水高度2.2cm。

表5現場抽芯檢查巖芯強度及抗滲結果

項目

設計要求值

現場抽芯試件

灌后滲透值

帷幕以上劈裂抗拉強度MPa

帷幕以上劈裂抗拉強度MPa

表面縫口回填材料與老砼粘結強度MPa

劈裂抗拉強度MPa

抗壓強度MPa

抗滲試驗MPa

抗滲試驗MPa

指標

q≤0.1Lu

0.3~0.5

0.7~1.0

≥1.0

1.11~2.1

平均1.52

46.2

滲透高度70mm

滲透高度35~70mm

5結果與討論

在富水區圍巖中建筑水工隧洞，應充分意識到水對工程的影響。尤其是當施工難度增加時，現實的施工條件無法達到設計的操作要求時，對該類水工隧洞的設計應考慮以下幾個問題：

1、施工縫的位置可盡量設在底板水平面上，以免設置吊腳模板，這樣可使模板的支撐體系盡量減少。以避免底板砼表面產生氣泡及相應的砼空蝕和空化問題。即使該部位的剪力或彎矩較大亦可通過增加鋼筋或界面尺寸的辦法來解決，而不應限制在該部位設縫。

2、如因結構需要，施工縫需設在邊墻上，可考慮在分縫位置上設置沿洞軸線方向的止水措施（如可便固定的橡膠止水條）。

3、對隧洞的襯砌設計應考慮設固結灌漿，充分利用圍巖與襯砌體共同受力、減少配筋。

4、如出現滲漏，通過試驗證明，可采用嘉德牌EAA環氧材料結合水泥注漿進行防滲補強，以達到后處理的目的，確保工程使用效果。

5、根據水工隧洞和富水圍巖的特點，在設計時可從結構上考慮如何控制砼的收縮產生的滲漏。不但確保工程質量，同時可大大減少后處理的費用。