[分享]高寒地区隧道渗水怎么办?

发表于2018-09-29    426人浏览    1人跟帖    总热度:284  


来源:《中国建筑防水》2017年第12期
作者:曹磊
作者单位:中铁二院工程集团有限公司
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兰新高铁高寒隧道冻融环境下修复性堵漏技术施工实践
曹磊,张维欣
   摘要:
本文分析了寒区高铁隧道混凝土结构常见的病害类型及产生的原因,评估了寒区高铁隧道混凝土结构渗漏水逐层结冰对高铁安全运行的风险,详细探讨了混凝土结构渗漏水对隧道混凝土结构产生的冻融破坏机理。为避免渗漏水导致的冻融破坏以及混凝土结构耐久性的降低,提出了“修复性堵漏”的整治理念、工法和高标准渗漏水治理材料的技术要求,并采用高强度堵漏环氧树脂灌浆材料对寒区兰新高铁祁连山隧道仰拱、轨道板、侧墙等裂缝、施工缝、蜂窝等隧道病害进行了整治,在有水的条件下完成了对混凝土缺陷导致的渗漏水有效封堵,高强度地修复混凝土缺陷,有效的保障了高铁隧道混凝土结构的安全性、可靠性、耐久性。

关键词:高铁  隧道 渗漏水 冻融破坏  环氧
截止到2015年以来,高速铁路为主骨架的快速铁路网将基本建成,总规模达4万公里以上,2012
年建成的哈大高铁是世界上第一条穿越高寒地区的高速铁路,陆续又兴建了兰新铁路等数条穿越高寒地区的高铁线路。[1]随着高速铁路大规模的投入运行,隧道混凝土结构施工过程中存在的缺陷或病害带来日益严重的安全隐患,因此对隧道混凝土结构的维修和养护越来越受到重视,已经成为我国高速铁路技术维养体系的重要组成部分。

高铁隧道混凝土结构在施工过程中会不可避免的产生道床板裂缝、底板蜂窝、底板裂缝、边墙裂缝、水沟边施工缝、环向施工缝、纵向施工缝等,这些裂缝、施工缝、蜂窝等病害往往产生渗漏水,渗漏水是隧道混凝土结构病害中最常见的病害形式,在渗漏水的长期作用下,会造成衬砌混凝土侵蚀、碳化、钢筋锈蚀等问题,在严寒地区混凝土衬砌内部的渗漏水冻融循环导致混凝土冻胀开裂破坏和粉化破坏,隧道渗漏水在寒冷条件下因结冰导致的对混凝土结构的破坏主要分为两大类。

一是在饱水状态下混凝土中的游离水受冻结冰后体积膨胀,在混凝土内部产生应力,由于反复作用或内应力超过混凝土抵抗强度致使混凝土冻融破坏。

二是混凝土结构裂缝、蜂窝、施工缝等渗漏水受冻结冰膨胀后产生的冻胀破坏。这两种破坏都会导致混凝土局部丧失功能,对结构的整体性产生破坏,降低了混凝土结构的耐久性和安全性。另外,隧道渗漏水水还将使隧道拱部和侧墙产生冰凌侵入净空影响高铁隧道供电,底板积水和渗水补给在寒冷气温条件下层层结冰危及高铁行车安全,因此,对高铁隧道混凝土结构渗漏水的治理是维修保养工作中非常重要的一个方面。

 一、隧道结构渗漏水治理现状 
地铁渗漏水治理的方法主要有引水排水法、化学浆液灌浆法、速凝水泥封堵法、水泥灌浆法、水泥-水玻璃灌浆法等。其中化学灌浆法是当前处理地铁混凝土结构渗漏水的简单快速有效的方法,化学灌浆法又因材料的不同主要分为聚氨酯发泡灌浆、丙烯酸盐与丙凝的水性材料灌浆。

聚氨酯发泡灌浆的注浆工艺简单,遇水发泡后形成一种泡沫体进而把水封闭在裂缝内部防止继续渗漏,因快速有效在渗漏水治理材料中占据主导地位,但在渗漏水治理的实践中逐渐发现聚氨酯遇水产生的发泡体临时性堵水效果较好,但是往往持续不长时间就会重新出现渗漏水,经常大量返工,水性聚氨酯采用亲水性聚醚遇水发泡膨胀后止水,失水后收缩易导致脱离混凝土的界面形成复漏,油性聚氨酯采用疏水型聚醚遇水发泡膨胀止水,但疏水型聚醚在潮湿界面对混凝土的粘接较差,若惰性溶剂过多则也会产生收缩导致复漏[3]

如国家电力公司大坝安全监察中心管理的五强溪混凝土大坝坝体横缝渗漏水治理采用水性和油性聚氨酯灌浆材料进行处理,由于聚氨酯灌浆材料的耐久性较差导致2年后处理的横缝又全线滴水,失去堵漏作用[2]

另外,丙凝、丙烯酸盐水性灌浆材料与水反应后形成吸水性凝胶体,固结体无强度,不建议用于混凝土结构病害部位,可用于预制混凝土构件、预留伸缩缝等部位渗漏水治理。

综合以上现状和材料性能及有关机理分析,聚氨酯发泡灌浆由于泡沫体本身易充水,丙烯酸盐和丙凝是水性材料也含水,因此三种材料的固结体都会含水,在寒冷地区易产生冻胀,以上三种材料不适合在寒冷地区隧道混凝土结构的渗漏水治理中。

 二、修复性堵漏理念及要求 
要解决隧道冰冻带来的混凝土结构问题,必须先解决混凝土渗漏水的问题,必须有新的理念和方法。在渗漏水治理材料、工艺以及耐久性要求的基础上,以及行业发展对混凝土结构安全性的重视程度越来越大,结合中科院技术,我们提出了修复性堵漏的理念,修复性堵漏是指采用能够在水中较好固化的高分子灌浆材料,在低压下注入混凝土结构渗漏水的裂缝、蜂窝等混凝土缺陷部位,灌浆材料固结后对混凝土界面具有较高粘接力且与界面形成具有超低渗透系数高强度的固结体的一种灌浆综合技术。

修复性堵漏遵循的原则:堵漏是手段,修复耐久性才是目的。修复性堵漏对渗漏水治理的灌浆材料提出了更高的要求,需要满足三大指标才能成为修复性堵漏材料:灌浆材料固结体本体渗透系数小于10 -7m/s、灌浆材料固结体本体抗压强度要大于40MPa、灌浆材料固化后对混凝土的粘接强度大于2MPa。

灌浆材料固结体本体渗透系数必须要小于混凝土本身的渗透系数,因为灌浆材料固结体本体就是不抗渗的材料,灌入混凝土裂缝后在水压下逐渐会发生渗漏。灌入混凝土裂缝的灌浆材料固结体如果不大于混凝土抗压强度则会削弱混凝土整体性和耐久性,因此要想实现对混凝土结构的修复必须满足灌浆材料固结体本体抗压强度要大于40MPa(即大于一般建筑物混凝土需要的强度)。

灌浆材料灌入裂缝后对混凝土界面的粘接是整个灌浆成功的关键,要想实现对混凝土裂缝渗漏水的长久封堵,灌浆材料固化后对混凝土的粘接强度必须大于混凝土自身的抗拉强度,才能够有效的阻止灌浆材料和混凝土界面的脱离,导致封堵渗漏水失效,因此要求灌浆材料固结后对混凝土界面的粘接强度大于2MPa(即大于一般素混凝土的抗拉强度)。[3]

修复性堵漏是一门基于材料的综合技术,修复性堵漏要求灌浆低压力下实现对混凝土裂缝的注浆饱满,只有注浆饱满才能有效的解决混凝土耐久性的问题,降低流动渗漏水对混凝土本体的侵蚀和钢筋的修复。因此,修复性堵漏既要实现对渗漏水封堵,又要修复混凝土裂缝满足混凝土耐久性的要求,能够对高铁、地铁等大型工程的维修保养起到较好的保证作用。

 三、兰新高铁祁连山某大型隧道
修复性堵漏治理工程实践 

(一)、工程和病害情况
大梁隧道位于青海省门源县,地处大梁中高山区,平均海拔3600~4200m,最高海拔为4430m。工点地处高寒地区,隧道起迄里程K1965+539—K1972+098,全长6550m;祁连山隧道位于青海省门源回族自治县及甘肃山丹县,工点区域为祁连山中高山区,平均海拔为3500~4345m,最高海拔为4345m。隧道进口位于硫磺沟,隧道出口位于小平羌沟,起止里程K1972+358—K1981+873,全长9515m。

1、病害统计
根据对大梁隧道、祁连山隧道的排查情况,隧道主要为2015年未整治完毕的部位见表1、2

表1大梁隧道渗漏水及冻害情况调查表
高寒地区隧道渗水怎么办?_1

表2  祁连山隧道渗漏水及冻害情况调查表
高寒地区隧道渗水怎么办?_2

2、病害照片

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3.整治材料的选择
在修复性堵漏理念和冰冻环境要求下,材料本身不能含水,防止材料被冻胀;其次,材料满足材料必须满足三个性能方面的指标,才能起到修复作用。因此,只有改性环氧堵漏专用灌浆材料才能符合以上要求,改性环氧堵漏灌浆材料利用了环氧树脂对混凝土的较强的粘接力和较高的物理性能,同时通过化学接枝改性解决了传统的环氧树脂遇水不固化、固结体较脆的问题,可以用于冰冻环境隧道混凝土结构的渗漏水治理。材料的具体特点如下:

  1. 剪切粘度适中。如果灌浆材料本体的粘度过低,浆液在裂缝中运动时受到摩擦阻力较小,会在承压水的作用下外流或在灌浆压力作用下流入二衬壁后,因此必须保证一定的剪切粘度,才能保证浆液在灌浆过程中不流失、充填饱满。
  2. 固化速度快。渗漏水的封堵需要灌浆材料在渗漏水通道中能够较快的进行固化,才能实现封堵的目的,否则易被渗漏水稀释、分散降低堵水效果,浪费灌浆材料。
  3. 固化时间可调,室温下固化速度可以在10min-1h之内调节。灌浆材料的可操作时间必须能够满足施工机械和施工环境的要求,才能够顺利的实施灌浆施工,并保障一定的渗透深度,才能够起到较好施工优势和效果。
  4. 较高的粘接强度和机械性能。快速固化的堵水环氧不仅有效的封堵渗漏水,还具有较高的抗压强度和拉伸强度,保障了对裂缝、蜂窝等混凝土缺陷部位的加固补强。同时,良好的粘接性能是堵水效果的有力保障,该产品特有的亲水组分,保证了堵水环氧灌浆材料与混凝土结构表面的浸润性,确保对混凝土表面的粘接强度。

表1 环保型环氧堵漏灌浆材料的基本性能
高寒地区隧道渗水怎么办?_3

 四、整治工程处理措施 

现场病害主要为隧道拱墙衬砌、洞室、侧沟底与道床板间、两线间渗漏水等,针对病害特征及其产生的原因,拟分类别进行处理,具体如下:

1、二衬拱墙渗漏水整治
主要为部分衬砌混凝土裂缝、施工缝渗漏水;整治原则“以排为主,以堵为辅”。
①对于裂缝宽度较小(≤0.2mm)、出水量小(有湿渍但无流水)的裂缝、施工缝采取钻孔注浆堵水进行整治。
②对于裂缝宽度较大(>0.2mm)、水流量大(有明显水流痕迹)的裂缝、施工缝采取水沟侧壁钻孔排水降压及渗水部位周边注浆封闭相结合进行整治。
③疏通该段二衬环向排水盲沟,恢复衬砌背后排水功能。

整治施工工艺工法:

(1)钻孔排水、排水降压
对于渗水较为严重段落,在水沟电缆槽侧壁垂直向衬砌及围岩钻4m长的φ50mm钻孔(自水沟侧壁外侧起),钻孔中心距离水沟盖板顶52cm,沿侧壁纵向间距0.3~0.5m,钻孔末端1~3m范围插入φ30PVC花管,管外以无纺布包紧,外缠细铁丝固定,管两头以麻筋、破布塞紧。排水管安设完成后,在电缆槽侧壁边墙范围的钻孔采用C15细石混凝土封堵。
高寒地区隧道渗水怎么办?_4

(2)注浆堵水、封闭裂缝
①注浆孔布置
衬砌表面裂缝渗水:首先将渗水面清理干净,沿裂缝左右侧15cm布置注浆孔,孔沿裂缝方向间距25cm,孔深40cm(不得穿透防水板),与水平夹角15°,孔径匹配注浆嘴尺寸,为10~12mm。孔位布置示意图如下:
高寒地区隧道渗水怎么办?_5

环向施工缝渗水:钻孔位于缝上侧15cm左右,两边交错布置,孔沿裂缝方向间距40cm,孔深40cm(不得穿透防水板),角度30°~45°,孔径匹配注浆嘴尺寸,为10~20mm。孔位布置示意图如下:

高寒地区隧道渗水怎么办?_6
②注浆材料
由于渗水位置处裂缝较细,因此选择的材料具有良好的可灌性,能在压力作用下进入裂隙的深部,填满整个缝隙,同时材料在胶凝后具有膨胀性和一定的柔性,并具有良好的低温性能和耐久性能,并必须考虑冰冻条件下的冻融破坏,因此选择环保型环氧堵漏灌浆材料。

如渗水面混凝土出现空响的现象,则注浆材料选用为超细水泥浆(浆液配比1:1),对位置的空腔进行封闭填充。

③注浆机具
采用手持式注浆机压浆,最大压力1.5Mpa,压水泵同灌浆泵严格分开,严禁混用。

④注浆参数
注浆压力0.5Mpa以内(需根据现场实际进行调整)。

⑤注浆方式
从上至下分段左右侧交叉开始逐孔顺序注浆。通过高压风冲洗缝隙间的杂质,以使注浆时浆液能顺利扩散而填充缝隙和裂隙,达到最终堵水的目的。对于宽度较大的裂缝,为防止浆液流失,在注浆前采用堵漏防水剂对缝进行封闭。

⑥注浆结束标准
浆液从裂缝中连续溢出时续注2~5min即停止,待浆液接近初凝时,再继续注浆,最终以裂缝处无浆液溢出或无水漏出为准。如压力升高过快、压力长时间不能上升或压力出现异常时即停止注浆,并对异常情况进行分析确定对策后方能继续注浆。

⑦表面处理
注浆完成待浆液凝固后,卸去针孔管,清除表面残留浆液。用钢丝刷将裂缝两侧30cm范围内的砼表面清理干净,确保基面干燥,洁净无粉。随后即在清洁的表面涂刷环氧腻子封闭。

2、洞室内渗漏水整治
洞室内渗漏水整治参照于“二衬拱墙渗漏水整治方式”进行处理,将大水流通过刻槽埋管(刻槽深度为30cm)的方式将其引排至边侧水沟内。

3、侧沟与道床板间渗水整治
此类渗漏水的渗水源主要来于的侧沟沟底施工缝,结合现状,采用“内外结
合”的方式进行处理。
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(1)侧沟墙底注浆处理
①处理范围
以渗水点或渗水面边缘为边界,超过出水点或渗水面10m范围。
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侧沟沟槽底与道床板间渗水处理范围(d=10m)

②注浆
超细水泥浆注浆方式:注浆管纵向布置间距40cm左右,打设深度以超过施工缝10cm。注浆参数:浆液配比(水灰比=1:1),注浆压力控制在0.5Mpa以内,施工前进行现场试验确定最佳压力。

环保型环氧堵漏灌浆材料注浆方式:注浆管纵向间距15~20cm左右,打设深度超过施工缝5cm。注浆参数:注浆压力控制在0.5Mpa以内,施工前进行现场试验确定最佳压力。注浆结束后,参照“边墙渗漏水的处理方式”对其表面进行处理。

(2)两线间及道床板面渗水整治
高寒地区隧道渗水怎么办?_9
①裂缝清理
裂缝清理应沿一端一直到另一端,不能只清理漏水部位,否则即使漏水部位不在渗漏水,其他地方在地下水的压力下也会慢慢的渗漏出来,因此应清理整条裂缝,不遗漏混凝土已开裂的部分。

②钻孔埋管
沿裂缝每隔30-40cm钻斜孔,钻孔应在10cm左右深度贯穿裂缝,埋设前止水型止水针头,因为前止水型灌浆嘴进料口的逆止阀门设在进口处,可将前端拧下来进行泄压排水,泄压后有利于封缝工序的顺利进行,封缝完毕待灌浆时再拧上去进行灌浆。

③裂缝封闭
因为环氧类灌浆材料遇水不会马上反应,因此须对裂缝进行封闭,将灌注的环氧类材料保持在裂缝内部,等达到固化时间后自行固化。裂缝封闭后,有利于灌浆压力有效的传递到混凝土内部最薄弱的部位,压迫浆液反向推水,原则上在一定压力和足够时间内可以使环氧浆液完全充满裂缝内部,固化后形成的高强度固结体有效的修复混凝土裂缝,起到一个永久封闭和修复的作用,不会再出现二次渗漏。

裂缝封闭可采用堵漏王等快固水泥,较短时间内可以进行灌浆且漏浆部位较容易修复。

④压力灌浆
漏水量大的部位固化剂可以稍加多一点,裂缝较小的部位减少固化剂的用量以增长操作时间,增加灌浆深度。灌浆材料的配置以少量多次为准则,防止灌浆材料在注浆泵中固化。注浆完毕后,清洗注浆泵,防止残留的浆液固结在灌浆泵系统内。

(3)道床板板面渗水整治
个别出现道床板板面渗水现象,对渗水面相应的二次填充面裂缝进行钻孔注浆封闭。打设约35cm注浆孔,超过地板施工缝5cm。采用化学浆液(水溶性聚氨酯或丙烯酰胺)注浆方式对其进行封闭。注浆参照“水沟侧壁渗水”的注浆方式。

4、施工现场及结果检查图片

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 五、结语 
  1. 提出了修复性堵漏的理念,该理念基于灌浆材料为基础的综合治理技术,以渗漏治理为手段,修复补强为目的,既能实现对渗漏水治理的要求,又能实现修复混凝土结构的耐久性和整体性的要求。
  2. 提出了修复性材料的技术指标的要求,对灌浆材料本体抗渗系数、抗压强度和粘接强度提出了具体要求,有利于选择研发修复性堵漏材料。
  3. 在修复性堵漏理念的指导下,顺利完成了对兰新客专高寒隧道里的无砟轨道、二衬、找平层、水沟边、施工缝、蜂窝等渗漏水的治理,为以后对寒冷地区隧道混凝土结构渗漏水治理中提供的良好的施工实践指导。
  4. 在高寒地区的隧道渗漏水治理中,应大力提倡修复性堵漏材料和工艺,防止因为冰冻产生的冻胀破坏和冻融循环产生的破坏,避免当前渗漏水治理失效的不足,能够较好的指导高寒地区隧道渗漏水治理的需求,为高铁运营安全作出贡献。

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 发表于2018-09-29   |  只看该作者      

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