水工隧洞混凝土分析论文

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1概述

全断面砼衬砌埋藏式水工隧洞，在砼浇筑结束后，由于山体内地下水的渗流通道被封堵，形成较高的外水压力，使衬砌砼在施工缝、变形缝的薄弱位置产生渗漏。这是因为：

在砼浇筑时没有采取有效的排水措施(如设置排水廊道、打排水孔等)进行外水导排减压。

在砼衬砌完成后，因各种原因回填和固结灌浆不可能立即进行时，当衬砌砼水化热完成后，衬砌与岩体之间实际存在一个较大的空隙。当围岩外水压力梯度尚不足以形成新的渗流通道时，外压力实际上是渗透水在围岩和衬砌中产生的体积力。其计算公式为P=Byh、B=0.25-0.6。

此时的外水压力迅速升高，并直接作于衬砌砼上，导致砼薄弱面渗水，而影响衬砌结构的安全。因此在结构设计时如何控制外水压力引起构筑物的渗漏是十分重要的。尤其是特殊的隧洞结构断面的衬砌(如断面形式、配筋限制等问题)不可能一次全断面衬砌成型时，必须将底板和边顶拱分开施工，对形成的施工缝止渗防治是十分重要的。

2水工隧洞工程特性

某永久性水工隧洞采用城门洞形和矩形砼衬砌，全长1917米。标准段过水断面为6×7m，衬砌厚度为0.8~1.26m。双层配筋、衬砌单元分块长度为12m。衬砌砼标号R28、300、D150、S8。该处地质状况为：以浅灰色中粗粒闪长斜云花岗岩为主，整体呈块状结构，属Ⅱ类围岩。沿洞向陡倾裂隙较为发育，裂隙面平直稍粗，闭合裂隙居多。充填物主要为绿帘石、风化碎屑等。小断裂较多，NW倾向陡倾节理与NE倾向缓倾节理发育。绝大多数为微风化岩体，该洞段地下水较为富集，雨季洞壁局部明显可见无压渗水。

该隧洞的进口段长为144米(计12个标准单元块)，衬砌形成为矩形，四个角上有半径为50厘米的1/4圆弧。砼衬砌分底板和边顶拱两次施工，先浇底板，后浇边顶。底板施工时，由于设计限制分缝位置必须在底板以上90

厘米，因此在底板施工时就必须设置一部分“吊脚模板”进行部分边墙的施工。详细分缝位置见图1。由于通道条件的限制，边顶拱砼施工只有在底板全部完成以后才能进行，第一块边顶拱砼浇筑完后，紧接着开始第二、三块的施工，在第一块边顶拱砼完成后的第22天，边墙与底板接触位施工缝面出现潮湿印迹。当第2到第12块边顶拱砼在衬砌完成后的第18天—22天之间都分别出现了同样的情况。最后整个进口共12个单元块都相继产生了施工缝渗水，缝宽一般在0.1—0.33mm之间。可见砼衬砌与围岩间形成的外水压力时间在18~22天，而此时的砼强度未能达到理想值，外水压力的存在对浇筑的砼不利。

3产生渗水的原因分析及防治措施

施工缝面作为新、老砼的结合部因其所处位置较低，而在缝面的处理上及时采取了冲毛或凿毛工艺，但由于现场条件的限制还存在一定的问题，比如边、顶拱砼开仓前冲仓后会有少量的积水和一些细小的渣子难以彻底清除，再加上砼入仓前的砂浆摊铺往往也难以全部覆盖老砼面、结合面振捣不密实等等因素的存在，使该部位成为一个较为薄弱的地方。况且边、顶拱砼浇完以后其强度增长还需要一定的时间，在此时间内，外水压力迅速增加必然从该处渗出。针对这一问题，采用“先引导”、“后排水”的方法，取得了一定的效果。先引导的目的是在未进行二次砼浇筑时，预先设置导水孔，创造导排外水减压的条件。后排水是在二次浇筑砼后，使无规的渗漏水通过引导水管变为有规的卸压排水导流。使二次浇筑有足够的强度增长时间，确保砼的质量，最后通过注浆封闭导水孔达到止渗的目的，其具体作法：

1、底板浇筑时，对于边、顶拱岩壁有渗水的洞段，在底板砼施工时，在施工缝面上预留一个纵向槽（如图2所示），预留槽的位置设在外层钢筋与岩壁之间，并且留出6cm的钢筋保护层。如果边墙没有足够的超挖空间，则凿除部分岩石，以保证该槽的形成。在纵向槽的底部与模板之间埋设一根PVC管作为导排水管，详见图2。在进行边顶拱浇筑时，纵向槽内填充碎石，表面用镀锌铁皮封盖。边顶拱浇筑完毕，钢模台车拆出后，要及时通开该PVC管，以保证排水的畅通。

2、对于裂隙渗水或集中渗水的地方，则采用打排水管孔，孔内插管排水的方案。排水孔沿着裂隙的走向打，孔深1.0M，孔径Ф=42mm，间距2~3m，管子采用DPVC”管，其插入孔内的部分用钉子开一些小孔，孔口用棉纱或砂浆堵塞。管子可顺岩壁接到图2中所示的纵向槽内，也可穿过堵头模板将水排到仓外。

3、边顶拱浇筑时，仓内的积水安排专人负责舀出，必须保证仓内积水及时排出。

4、在边、顶拱砼浇筑结束、模板拆出后，立即扫开顶部预埋的回填注浆孔，帮助排水减压。

5、对留在槽内的骨料的处理，可在最后进行隧洞回填灌浆时，将所处埋的PVC排水管清除后，沿埋留孔进行灌浆处理。

4施工缝的渗漏处理

根据设计的要求：施工缝渗漏处理，层面缝及裂缝灌浆后粘接强度为帷幕线以上0.3~0.5mpa；帷幕线以下0.7~1.0MPa。表面缝口回填材料砼粘结强度≥1.0mpa，灌压水试验检查，透水率Q<0.1Lu。

为确保处理效果，我们进行了室内粘结性能试验和现场施工性试验，并经过检测，现将采用嘉德牌EAA环氧防渗补强材料，试验的情况介绍如下:

4.1处理的特点：

该水工隧洞内衬在0.8-1.2m之间。砼衬砌较一般地下工程厚，且周边围岩裂隙水丰富，在无防水措施的条件下进行砼浇筑、其衬砌砼与围岩之间的空隙有一定的连通性。在进行化学注浆补强止水处理时，如控制不当，浆液沿施工缝裂隙面流过，而不是充填饱满缝隙，不但影响处理效果，同时造成材料的浪费。

4.2嘉德牌EAA环氧材料特性

嘉德牌EAA环氧材料，由于加入复合的ENA改性剂和表面处理剂。材料具有粘度低、润湿性强、综合力学性能强度高、耐老化、无毒的特性。对水有良好的亲和性，能克服被粘物界面的水膜对固体进行粘结。

表1EAA浆材的物理性能表

项目

表面张力

达因/厘米

接触角度

比重

粘度

25℃/2小时

凝胶时间

25℃小时

凝胶时间

35℃小时

指标

30.2~34.2

15~29

0.873~1.063

1.3~37.4

30~85

13~29

表2EAA浆材的力学性能表

项目

抗压强度

mpa

弹性模量

mpa

抗剪强度

mpa

劈裂抗拉强度

mpa

抗拉强度

mpa

抗冲击强度

mpa

指标

36.2~85.7

300~2154

10.0~32.7

5.7~23.9

9.9~17.3

4.1~4.2

表3EAA环氧防渗补强材料

组份名称

EAA主剂

EAA固化剂

EAA促进剂

配比

100

6

0．8

4.3施工方法

（1）沿缝开“V”型槽，槽深×宽为4~5×4~5cm。

（2）沿缝钻骑缝孔，孔距40cm，孔径25~28mm，孔深约55cm，（设EAA浆液的扩散半径为20~25cm）。

（3）清缝、清孔，达到孔内、槽缝无泥垢、碎碴。

（4）在孔内布置注浆管及排气管，注浆管长约45cm，管径18mm；排气管长约10cm，管径8mm。

（5）采用速凝水泥嵌缝、埋管，要求嵌入均匀，孔内压贴密实、平整，不得有渗漏。

（6）注入丙酮浆液，记录注浆压力和注浆量。

（7）注入EAA环氧浆液，注浆第一次压力0.8Mpa，第二次重复注浆1.0Mpa，采用逐级升压施灌。

（8）注浆结束标准以达到结束压力后，恒压10~15分钟，以不进浆为结束。

（9）第一次注浆结束后5小时，现场负责人进行孔口检查，如发现孔口浆液不饱满，即进行第二次注浆，至孔口饱满为止。

经室内粘结试验和现场抽芯取样检测，有关部门认为：试验表明采用水泥和化学材料复合灌浆措施，在浆材、设备和工艺及参数择用恰当的条件下、补强处理可以达到预期的效果。

表4室内粘结后劈裂抗拉强度试验

项目

原砼试件劈裂抗拉强度Mpa

EAA材料粘结后劈裂抗拉强度Mpa

备注

灌EAA材料

2.7

3.5

涂刷EAA材料

3.1

3.5

粘结条件：在砼粘结界面注浆或涂刷EAA材料粘结固定后，置35~40℃烘箱内3天后进行测试，研究报告提供值5.7~23.9Mpa，为1个月25~35℃的固化强度。

室内检测抗渗试验结果，为0.9Mpa时，缝面无渗水，平均渗水高度2.2cm。

表5现场抽芯检查岩芯强度及抗渗结果

项目

设计要求值

现场抽芯试件

灌后渗透值

帷幕以上劈裂抗拉强度MPa

帷幕以上劈裂抗拉强度MPa

表面缝口回填材料与老砼粘结强度MPa

劈裂抗拉强度MPa

抗压强度MPa

抗渗试验MPa

抗渗试验MPa

指标

q≤0.1Lu

0.3~0.5

0.7~1.0

≥1.0

1.11~2.1

平均1.52

46.2

渗透高度70mm

渗透高度35~70mm

5结果与讨论

在富水区围岩中建筑水工隧洞，应充分意识到水对工程的影响。尤其是当施工难度增加时，现实的施工条件无法达到设计的操作要求时，对该类水工隧洞的设计应考虑以下几个问题：

1、施工缝的位置可尽量设在底板水平面上，以免设置吊脚模板，这样可使模板的支撑体系尽量减少。以避免底板砼表面产生气泡及相应的砼空蚀和空化问题。即使该部位的剪力或弯矩较大亦可通过增加钢筋或界面尺寸的办法来解决，而不应限制在该部位设缝。

2、如因结构需要，施工缝需设在边墙上，可考虑在分缝位置上设置沿洞轴线方向的止水措施（如可便固定的橡胶止水条）。

3、对隧洞的衬砌设计应考虑设固结灌浆，充分利用围岩与衬砌体共同受力、减少配筋。

4、如出现渗漏，通过试验证明，可采用嘉德牌EAA环氧材料结合水泥注浆进行防渗补强，以达到后处理的目的，确保工程使用效果。

5、根据水工隧洞和富水围岩的特点，在设计时可从结构上考虑如何控制砼的收缩产生的渗漏。不但确保工程质量，同时可大大减少后处理的费用。