隧洞混凝土衬砌灌浆封孔技术研究.pdf

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2019 年第 5 期 2019 Number 5 水电与新能源 HYDROPOWER AND NEW ENERGY 第 33 卷 Vol.33 DOI 10. 13622/ j. cnki. cn42 -1800/ tv. 1671 -3354. 2019. 05. 011 收稿日期2019 -03 -01 作者简介吐尔洪􀅱马合木提ꎬ男ꎬ工程师ꎻ主要从事水利水电工程质量监督方面的工作ꎮ 隧洞混凝土衬砌灌浆封孔技术研究 吐尔洪􀅱马合木提1ꎬ2ꎬ杨子宇2 1. 新疆维吾尔自治区水利厅建设管理与质量安全中心ꎬ新疆 乌鲁木齐 830000ꎻ 2. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室ꎬ湖北 武汉 430072 摘要针对隧洞灌浆封孔作业中常出现空腔、封孔材料脱落及渗水等问题ꎬ研究提出了利用空压机和封孔器将流动性不 高、收缩小、粘结性强、抗冲抗磨性好的预缩砂浆射进灌浆孔底部ꎬ将孔逐层填满的灌浆封孔方法ꎬ即预缩砂浆封孔法ꎮ 由于利用封孔器进行灌浆封孔ꎬ简便易行ꎬ经济高效ꎬ经某隧洞应用后的多年运行实践表明ꎬ预缩砂浆封孔的质量良好ꎮ 关键词水工隧洞ꎻ灌浆封孔ꎻ预缩砂浆ꎻ封孔器 中图分类号TV672 + . 1 文献标志码A 文章编号1671 -3354201905 -0043 -03 On the Grouting Hole Sealing Technology of Concrete Lining in Tunnels TURGHUN Mahemuti1ꎬ2ꎬ YANG Ziyu2 1. Construction Management and Quality Safety Centerꎬ Department of Water Resources of Xinjiang Uygur Autonomous Regionꎬ Urumqi 830000ꎬ Chinaꎻ 2. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Scienceꎬ Wuhan Universityꎬ Wuhan 430072ꎬ China Abstract In the grouting hole sealing work of concrete lining in tunnelsꎬ problems such as cavityꎬ sealing material shedding and seepage are commonly encountered. A new sealing technique is proposedꎬ in which the pre ̄shrinking mor ̄ tar with low fluidityꎬ small shrinkageꎬ strong cohesion and good scour and wear resistance is injected into the grouting hole using the air compressor and sealer to fill the hole gradually from the bottom. Practice shows that the proposed tech ̄ nique can achieve satisfactory sealing performance and of great operation convenience and high efficiency. Key words hydraulic tunnelꎬ grouting hole sealingꎬ pre ̄shrinking mortarꎬ sealer “十二五”期间ꎬ在国务院批准的重点基础项目 中ꎬ水利水电工程用地达 23. 3 万 hm2ꎬ占比近 30%ꎮ 在水利工程的建设过程中ꎬ为了满足水利建设中泄洪、 灌溉、发电、施工导流和通航等需要而在地下或者山体 中开凿的过水洞称为水工隧洞[1]ꎬ水工隧洞是水利工 程的重要组成部分[2]ꎮ 现阶段ꎬ在灌浆作业完成后ꎬ由于混凝土衬砌时预 埋灌浆管及混凝土衬砌后造孔时会对混凝土造成一定 破坏[3]ꎮ 为了防止出现渗水通道ꎬ影响灌浆效果ꎬ需 要对灌浆孔进行封堵作业[4]ꎮ 根据 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范 SL62 -2014 规定ꎬ常用的封孔方法有“全孔灌浆法”和 “导管注浆法”这两种ꎬ但是这两种方法的灌浆封孔效 果不佳ꎬ可能会留下渗水通道ꎮ 特别是有压隧洞和高 速水流隧洞在过水运行后停水检查的时候ꎬ通常存在 部分灌浆孔渗水和孔口封堵砂浆脱落等问题ꎬ孔周边 衬砌的混凝土也存在破坏ꎮ 长此以往ꎬ渗水会锈蚀混 凝土内部的钢筋ꎻ同时伴随着化学作用ꎬ混凝土的耐久 性在不断降低ꎻ常年在高水位下ꎬ洞内的水向岩石内部 渗流ꎬ会降低隧洞周边的岩石强度及透水性、整体性ꎬ 可能会造成隧洞出口边坡沿着渗漏通道溢出部位的塌 方ꎬ进而造成安全事故[5]ꎮ 因此ꎬ需要一种新的封孔 方法ꎬ保证灌浆质量达到预计的设计效果ꎮ 本文介绍了预缩砂浆封孔法ꎬ即灌浆封孔时利用 高压缩空气将粘结强度高的预缩砂浆射入灌浆孔进行 封孔ꎮ 经工程运行实际情况表明ꎬ预缩砂浆封孔法和 传统的灌浆封孔方法相比ꎬ有着高效快捷ꎬ质量可靠等 特点ꎬ值得在其他工程中推广ꎮ 34 水 电 与 新 能 源2019 年第 5 期 1 常用封孔方法的不足及解决措施 1.1 压力灌浆封孔法的不足 根据 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范 SL62 -2014 规定ꎬ隧洞固结灌浆后需要封孔ꎬ有“全孔 灌浆法”和“导管注浆法”这两种封孔方法[6]ꎮ 一般工 况下ꎬ隧洞固结灌浆采用单孔灌浆法ꎬ在施工期孔内吃 浆量达到设计或规范规定值要求后ꎬ采取全孔灌浆法 封孔ꎬ孔口空余部分用干硬性砂浆填实抹平[7]ꎮ 隧洞灌浆孔有倒向孔、俯孔和水平孔之分如图 1ꎬ为了防止孔内浆液倒流到孔外ꎬ灌浆完成后倒孔 需要进行闭浆ꎬ在闭浆期间水泥浆液会逐渐沉淀、凝 固ꎬ形成下部为水泥结石上部为水或空腔的现象如 图 2ꎬ俯孔由于同样的原因导致上部为水下部为水泥 结石ꎻ水平孔会稍有不同ꎬ沉淀原因会造成孔内分层ꎬ 半孔为水泥结石半孔为空腔如图 3 [8]ꎮ 由于检查灌浆质量时对封孔的质量检查没有具体 的要求ꎬ导致施工期灌浆孔的封堵质量很难检测并及 时的采取措施ꎬ造成安全隐患ꎮ 图 1 水工隧洞灌浆孔位布置示意图 图 2 倒向孔、附孔水泥结石示意图 图 3 水平孔水泥结石示意图 1.2 针对水泥浆沉淀的工程措施 针对孔内的浆液沉淀形成水泥结石的问题ꎬ俯孔 可用水灰比为 0. 5∶ 1 浓浆将孔内水置换后再进行压力 灌浆ꎬ再沉淀后用砂浆将孔内回填抹平ꎮ 但是ꎬ在使用 “全孔灌浆法” 对孔进行封孔ꎬ采用的是水灰比为 0. 5∶ 1 的水泥浓浆ꎬ 同 时 闭 浆 的 时 间 一 般 不 少 于 30 minꎬ在施工作业时灌浆管路容易堵管ꎬ导致功效 降低ꎮ 而倒向孔和水平孔即使再次进行浓灌浆还是会存 在空腔现象ꎮ 施工单位为了解决空腔问题ꎬ只好再次 将孔扫开重新用水泥砂浆回填ꎬ人工用木杆将水泥砂 浆向孔内推送回填至孔口ꎮ 实际操作时ꎬ砂浆容易再 次从孔内脱落ꎬ不仅效率低下ꎬ更无法保证封孔质量达 到预期要求ꎮ 因此ꎬ需要一种新的灌浆方法保证封孔工作的质 量和效率ꎮ 2 预缩砂浆封孔法 常用的封孔方法的局限性在于为了保证浆液填 满灌浆孔ꎬ要求浆液有良好的流动性ꎬ选用的水泥浆的 含水量一般偏高ꎬ导致浆液与结合面的粘结力过低ꎻ同 时水泥与砂在水中的流动性高ꎬ水泥浆在重力作用下 会逐渐沉淀ꎬ凝固在下部形成水泥结石ꎮ 为了解决粘 结度过低的问题ꎬ设想采用常运用于混凝土缺陷修补 的预缩砂浆进行封孔[9]ꎬ预缩砂浆主要特点有①水 灰比小ꎬ一般介于 0. 18 0. 22 之间ꎬ经过预缩后水分 可以在水泥浆中均匀分布ꎬ砂浆孔隙小ꎬ表面不泌水ꎬ 显著提高砂浆与结合面的粘结质量ꎮ ②灰砂比一般介 于 1∶ 1. 8 1∶ 2. 5 之间ꎬ经过预缩处理后ꎬ砂浆已经接 近初凝ꎬ体积先行收缩ꎬ再经振实后砂砾被水泥浆牢固 的粘结ꎬ从而有效地避免了由于砂浆收缩造成的脱壳ꎮ ③振实后的砂浆密度大、强度高ꎬ与原混凝土界面粘结 强度高、抗冲抗磨强度也较高[10]ꎮ 同时ꎬ为了使流动 性不高的干硬性水泥砂浆可以将孔填满ꎬ仅仅靠自流 是无法完成的ꎬ需要配备合理的工程设备ꎮ 空压机可 以利用高压缩空气把抗压ꎬ粘结强度高的预缩砂浆射 进灌浆孔底部ꎬ将孔逐层填满[11]ꎮ 当孔填满后再抹平 孔口ꎬ完成灌浆封孔工作ꎮ 2.1 预缩砂浆配制及施工要求 预缩砂浆是将普通水泥砂浆拌好后ꎬ归堆存放并 用麻袋或草袋等不透明的材料遮盖 0. 5 1. 5 h 后ꎬ形 44 吐尔洪􀅱马合木提ꎬ等隧洞混凝土衬砌灌浆封孔技术研究2019 年 5 月 成的干硬性水泥砂浆[12]ꎮ 在实际工程施工时ꎬ一般条件下预缩砂浆原料的 配合比约为水泥∶ 砂∶ 水∶ 外加剂 =1∶ 1. 8∶ 0. 26∶ 0. 4ꎻ水 泥为 P. O42. 5ꎻ砂细度模数为 1. 8 2. 0ꎻ减水剂为 ZB - IA 溶 液 浓 度 约 为 12%ꎻ 技 术 指 标 为 抗 压 强 度≥45 MPaꎻ 抗 拉 强 度 ≥ 1. 5MPaꎻ 粘 结 强 度≥2. 0 MPa[13]ꎮ 砂浆拌置是稠度以用手捏成团块ꎬ 手心有潮湿感而无析水为宜ꎮ 砂浆拌好后堆置 0. 5 1. 5 hꎬ达到预缩效果后必须在 2 4 h 内使用[14]ꎮ 2.2 预缩砂浆封填设备 采用预缩砂浆封孔法ꎬ需要的封孔设备有空压机 和封 孔 器[15]ꎮ 而 封 孔 器 是 由 充 气 阀、 压 力 表 4. 0 MPa、储气罐、放气阀、砂浆料斗、软管、内径 25 30 mm 的钢管组成ꎬ钢管的直径与长度一般根据 灌浆孔深度和直径来确定ꎮ 由于射砂浆作业具有重复 性ꎬ在气管上可设置多个放气阀和料斗阀、能提高工作 效率ꎮ 封孔器剖面示意图如图 4 所示ꎮ 图 4 封孔器的剖面图 2.3 封孔施工流程 隧洞灌浆作业的工艺流程为扫孔 - 洗孔 - 设备安 设 - 砂浆拌制 - 孔口处理ꎮ 对于水平孔和导向孔ꎬ用 手风钻重新扫孔ꎬ用水或压缩空气冲净孔内的水泥浆 等杂物ꎮ 制作完成的封孔器安装固定在灌浆施工台车 上ꎬ利用台车移动ꎮ 具体操作步骤如下放气阀关闭 - 进气阀打开 -充气 - 观测压力表读数0. 8 1 MPa - 进气阀关闭ꎻ下料斗阀门打开 - 向输浆管内装填预缩 砂浆每次的装填长度约为 400 mm - 下料斗阀门关 闭ꎻ内径 30 mm 的钢管插进孔内钢管的出口离孔底 200 mm 左右 - 打开放气阀ꎮ 重复上述步骤直至孔 内填满砂浆为止ꎬ随后将孔口抹平ꎮ 3 工程案例 3.1 工程概况 北疆水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区北部的 莫县境内ꎬ是 1 座以灌溉为主兼顾发电、防洪、生态等 综合利用大的大Ⅰ型一等工程ꎮ 电站装机 4 台ꎬ总 装机容量 320 MWꎻ水库总库容 17. 7 亿 m3ꎮ 主要建筑 物包括粘土心墙坝ꎬ电站厂房ꎬ引水发电洞ꎬ深孔排沙 放空洞ꎬ表孔溢洪洞及中孔导流泄洪洞ꎮ 其中粘 土心墙坝ꎬ表孔溢洪洞ꎬ中孔泄洪洞ꎬ深孔排沙防空洞 和发电引水系统进水口为 1 级建筑物ꎻ引水发电洞ꎬ电 站厂房为 2 级建筑物ꎻ次要建筑物为 3 级建筑物ꎻ临时 建筑物为 4 级建筑物ꎮ 泄水建筑物和发电引水建筑物的进水口均布置在 右岸ꎮ 表孔溢洪洞ꎬ中孔泄洪洞和深孔排沙放空洞的 洞线接近于平行布置ꎬ深孔排沙放空洞位于两条发电 洞中间ꎬ其轴线与发电洞上平洞隧洞段的轴线平行ꎮ 中孔泄洪洞由于导流洞采用的“龙抬头”改建而成ꎮ 在北疆水利枢纽工程中ꎬ预缩砂浆封孔法被应用 于引水隧洞和泄洪洞的灌浆封孔作业中ꎮ 3.2 隧洞灌浆封孔 在水工隧洞质量检测时ꎬ灌浆孔封孔质量是否合 格可以通过隧洞在运行一段时间后是否有渗水现象来 判断ꎮ 北疆水利枢纽工程于 2005 年完工投入运行至 今ꎬ引水隧洞经过多年输水运行ꎬ停水检查时未发现有 灌浆孔封孔砂浆脱落、渗水等现象ꎬ有效的保证了北疆 工程中的隧洞灌浆孔封堵工作达到预期要求ꎮ 4 结 语 本文分析了当前工程常用的水工隧洞灌浆封孔方 法ꎬ基于工程中常遇到的水泥沉淀形成结石的问题ꎬ根 据工程经验选择合理的封孔材料和相应封孔设备ꎬ提 出了利用空压机和封孔器将流动性不高、收缩小、粘结 强度高、抗冲抗磨强度高的预缩砂浆射进灌浆孔底部ꎬ 将孔逐层填满的新的灌浆封孔方法ꎬ即预缩砂浆封 孔法ꎮ 经北疆水利枢纽工程的引水隧洞的多年运行实践 证明ꎬ采取预缩砂浆封孔法对灌浆孔进行封孔ꎬ因砂浆 下转第 50 页 54 水 电 与 新 能 源2019 年第 5 期 3.3 长距离泵送混凝土问题研究 由于泵送管道截面是小断面并且此次试验属于长 距离泵送混凝土ꎬ多条管道的泵送距离超过 800 mꎬ所 以实验过程中以泵送距离为800 m 以上来检测粉煤灰 掺入量的情况ꎮ 低于800 m 的不掺入粉煤灰ꎮ 理论分 析ꎬ粉煤灰具有微珠球形颗粒ꎬ由形态各异的球形颗粒 的玻璃体组成ꎬ表面圆滑密实ꎬ起到增加砂浆及混凝土 流动性、保水性ꎬ改善混凝土和易性ꎬ减少水泥用量降 低水化热作用[10]ꎮ 泵送混凝土普遍采用超量取代 法[11]ꎬ在混凝土强度等级不高如 C25 型情况下ꎬ粉 煤灰最大掺量可设置在 10% 30%之间ꎮ 4 结 语 1在长距离泵送混凝土试验中ꎬ测试出掺粉煤灰 的混凝土7 dꎬ28 d 抗压强度与试配强度31. 60 MPa 相 差无几ꎬ证明适当的掺粉煤灰不影响其抗压强度ꎮ 并 且得出解决长距离泵送混凝土粉煤灰掺量的参考值ꎬ 值在 10% 30%之间ꎮ 2本次试验结果通过拟定三个个水灰比值测试 抗压强度ꎬ进行回归分析得出回归方程ꎬ利用方程算出 真正需要的水灰比值ꎬ为以后施工试验提供参考与 借鉴ꎮ 参考文献 [1]彭玉林ꎬ 龚爱民ꎬ 宋天文ꎬ 等. 掺粉煤灰泵送混凝土在水 工隧洞工程中的应用前景[J]. 水利水电技术ꎬ 2007ꎬ 389 36 -38ꎬ 57 [2]秦子鹏ꎬ 田艳ꎬ 李刚ꎬ 等. 水工泵送及常态混凝土性能对 比试验研究[J]. 长江科学院院报ꎬ 2017ꎬ 343 139 - 142ꎬ 147 [3]秦子鹏ꎬ 杜应吉ꎬ 田艳. 寒旱区水利工程大掺量粉煤灰混 凝土试验研究[J]. 长江科学院院报ꎬ 2013ꎬ 309 101 - 105ꎬ 118 [4]Nanayakkara Aꎬ Gunatilaka Dꎬ Ozawa Kꎬ et al. 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