引黄总干线水工隧洞工程检测和缺陷处理
摘要：本文介绍了万家寨引黄工程总干线水工隧洞应用面波法、探地雷达等先进技术对钢筋混凝土衬砌的内部缺陷、密实性、裂缝性状、混凝土强度、抗渗性能等检测的主要成果，并对缺陷处理方案提出了建议。关键词：水工隧洞；工程检测；缺陷处理
1、工程概况
山西省万家寨引黄入晋工程是一项大型跨流域调水工程，位于山西省的西北部，由总干线、南干线、北干线组成，全线长453km，引水流量48m3/s，年引水总量12亿m3，沿线设5个泵站分级提水，总扬程达636m.
3条干线中的输水建筑物以隧洞为主，总长约170km，工程分两期实施。一期工程总干线长44.35km，其中隧洞11条，长42.20km.隧洞沿线经过地层岩性主要为寒武系灰岩、下奥陶系白云岩、中奥陶系灰岩、N2红黏土和Q2、Q3黄土等。Q2、Q3黄土隧洞分布在穿越沟谷的地段，黄土结构松散，具有中强湿陷性，在局部洞段的N2红黏土中，节理裂隙十分发育，围岩稳定性差，地质条件十分复杂。
总干线9#隧洞为无压输水隧洞，隧洞全长217m，全部穿越第四系Q2、Q3湿陷性黄土地层。原设计断面为内径5.36m×5.36m的标准马蹄形钢筋混凝土衬砌断面，纵坡1/1500，施工采用人工开挖，一次支护采用模注混凝土，厚约30cm，二次支护采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为50cm.
6#、7#、8#隧洞总长为21.17km，均为无压隧洞，围岩主要为灰岩和白云岩，并多次穿越Q2、Q3黄土和N2红黏土层，由意大利CMC-SELI公司承包进行施工图设计和施工。隧洞开挖采用全断面隧洞掘进机（TBM），钢筋混凝土预制管片衬砌，圆形断面内径5.46m，衬砌由4片管片组成，衬砌厚0.25m，管片为长六边形的弧形片，每片宽度1.60m，隧洞每延米洞长有14.33m的接缝。隧洞的防渗设计除用豆砾石回填灌浆外，岩洞段采用SIKA材料勾缝，土洞段采用两道止水，暗止水采用BW遇水膨胀止水条，明止水采用双组分聚硫胶。 总干线三级泵站出水压力平洞为泵站主要输水建筑物，所在山体主要为寒武系和奥陶系碳酸盐岩，区内孔隙水量较丰富。其设计断面为圆形，内径5.20m，总衬砌长度348.90m，钢筋混凝土衬砌厚度60cm，进口部位为两条断面尺寸相同、长度相等的支洞，直径3.80m，长度为110.00m.平洞下游通过上弯段与泵站出水压力竖井衔接。
隧洞自施工贯通以来，由于不良地质条件、衬砌结构设计存在一些不足及施工质量较差等原因，出现了较严重裂缝、渗漏、管片错台、接缝超差、外水内渗现象普遍等质量缺陷，严重影响了引水工程的安全运行。山西省万家寨引黄工程总公司对引黄工程质量十分重视，为消除工程隐患，全面了解总干线水工隧洞的混凝土质量和工程状态，于1997～2002年曾多次委托中国水利水电科学研究院结构材料研究所对9#洞和总干线三级泵站压力平洞等工程混凝土缺陷情况进行较全面的无损检测，建议工程质量缺陷处理方案，并承担7#、8#隧洞防渗处理施工任务。文献［1～4］对引黄入晋工程中缺陷处理已进行了研究，本文简要介绍该工程的主要检测成果，缺陷处理成功经验，可供类似工程借鉴。
2、主要检测项目和方法
2.1 混凝土强度的检测
一般混凝土的强度可用回弹法和超声回弹综合法进行测定。若构件较厚，回弹法只能反映材料的表层特性，超声波对穿测试时可以穿透材料，它所反映的是材料的整体弹性性质，但其检测精度受被测混凝土内部的钢筋和含水量影响较大。表面波法是混凝土无损检测的一种新技术。表面波（亦称瑞利波）是沿介质表层传播的一种弹性波，它与横波具有相似的性质，受材料中的含水量和钢筋影响较小。表面波的速度与材料干密度、抗压强度等具有良好的相关性。因此，用它来检测结构物混凝土材料的力学性能及存在的缺陷具有重要意义，已被广泛应用于混凝土建筑物的无损检测。
本次检测采用表面波法、回弹法和钻芯法相结合来综合评定混凝土的强度。表面波法应用的仪器是由中国水利水电科学研究院工程安全监测中心研制的BZJ-3H型表面波混凝土质量检测仪。
2.2 混凝土内部缺陷及密实性的检测 本次检测主要采用高精度探地雷达技术，它是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术，也是目前国内外用于检测混凝土内部缺陷最先进的技术之一。人们从20世纪30年代初就开始探索和研究混凝土无损检测方法，并获得迅速发展。1970年美国研制生产出第一台探地雷达，探地雷达的应用大大提高了混凝土质量无损检测的速度和精度。近年来国内铁道、公路、市政及水利等部门先后进口了国外探地雷达，从此我国混凝土无损检测进入了一个新纪元，实现了真正的无损、快速探查。探地雷达利用一个天线发射高频率宽频带短脉冲电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波，电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形等资料，可探测介质的结构、构造与埋设物体，混凝土内部均质性的变化会在雷达图象上有不同的反映。当混凝土内部存在某种缺陷（如孔洞、松散体、异物等）时，雷达图象将呈现出异常变化。
本次检测采用美国GSSI公司生产的SIR-2000型探地雷达，分别选用了频率为400MHz、900MHz、1500MHz的测量天线，其探测控制深度及分辨率分别为3.0m、15cm；0.9m、5cm；0.4m、1cm.此外，在应用表面波法检测混凝土强度的同时，利用表面波经过混凝土内部孔洞部位时引起的波形畸变、幅度衰减和波速降低等异常现象，对混凝土内部可能存在的缺陷及其位置进行了判断，并钻取少量芯样予以验证。
2.3 混凝土裂缝性状的检测
主要调查裂缝的形式、宽度、长度、深度及裂缝发生的部位和分布情况，并对裂缝成因和危害性进行分析。 采用读数显微镜对裂缝宽度进行检测，测量精度为0.01mm.采用CTS-45型非金属超声波检测分析仪，按照《水工混凝土试验规程》“超声波检测混凝土裂缝深度方法（平测法）”检测混凝土的裂缝深度。
2.4 混凝土抗渗性能的检测 为了对各检测工程目前混凝土渗漏的情况有一个宏观的了解，对各隧洞渗漏的形式、发生的部位、渗漏程度进行全面调查。结合渗漏普查与探地雷达检测结果，钻取有代表性的混凝土芯样，按照《水工混凝土试验规程》进行混凝土室内抗渗试验，检测各工程混凝土施工质量是否达到原混凝土设计抗渗性能。
2.5 混凝土的压浆（水）检测 本项目检测的主要目的是检查隧洞一、二次支护新老混凝土结合层的粘结情况，并根据压浆（水）试验结果判别是否需要进行接缝灌浆及预估可能的灌浆量。
2.6 混凝土的碳化检测 主要检测混凝土的碳化状况，并按GBJ-82-85《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》的有关规定进行。
2.7 混凝土衬砌厚度和钢筋保护层的检测 衬砌厚度和钢筋保护层厚度主要应用探地雷达和表面波法的频散特性进行检测，并钻取少量芯样予以校核。
3、隧洞检测主要成果
3.1 总干线9#隧洞
中国水利水电科学研究院在?1997年9月和1999年4月两次对9#隧洞进行较全面的检测，发现该洞存在的主要质量缺陷如下：
（1）全洞32个浇筑段中有19段在拱顶出现纵向裂缝，共22条，总长86.9m，最大缝宽0.5mm，最大缝深278mm，大多数裂缝发生在隧洞进、出口段和塌方处理段。
（2）约有三分之一的环向伸缩缝，因止水带安装错位，混凝土浇筑不密实发生渗漏，不能满足止水设计要求。
（3）底拱混凝土约有50％的芯样强度低于设计标号。
（4）压水检查发现，一、二次支护新老混凝土结合层质量大多不良，约有60%的检查孔的混凝土单位吸水率达不到设计要求。共发现混凝土衬砌渗水点54处。
（5）混凝土碳化严重，平均碳化深度为14.2～17.0mm，实测最大碳化深度达42.4mm，已接近钢筋保护层厚度。
（6）底拱表层钢筋实测位置大多位于距底拱表面150～200mm处，对底拱衬砌的受力状态不利。
（7）在6个浇筑段中存在局部混凝土内部缺陷（孔洞、蜂窝等），严重影响底拱混凝土的总体强度和抗渗能力。
3.2 总干线6#～8#隧洞
（1）由国电公司成都勘测设计研究院聚石地基公司在现场检测的管片混凝土强度统计结果表明，44组实测强度的平均值为52.4MPa，最大值为74.0MPa，最小值为37.9MPa，均达到或超过了设计强度C30.
（2）由于TBM施工的原因，6#隧洞N2红黏土洞段从桩号0+980至桩号1+318，在两侧管片中部连续或间断产生一条或多条裂缝，该段长约338m，裂缝宽度一般为0.1～0.5mm，个别宽达1.0mm，缝深为20～80mm.该洞段的侧拱和顶拱管片之间不同程度地发生了错台现象，即侧拱管片向洞内移位，其中以758～766环最为明显，移位错台最严重的达100mm.
（3）由于局部施工质量未达设计要求，6#～8#洞的管片错台、接缝超差情况比较普遍，防渗效果较差，接缝和安装孔外水内渗现象普遍。据对施工调查不完全统计，共发现管片接缝和安装孔渗漏约9千处（点），隧洞防渗问题较为突出。
3.3 总干线三级泵站压力平洞 中国水利水电科学研究院在2002年3月对现场检测，主要结论如下：
（1）出水压力平洞主洞120个测区和支洞80个测区的实测混凝土强度平均值为37.0MPa，高于设计强度C30，其中最大值为43.6MPa，最小值为33.0MPa.6组芯样强度也达到或超过了设计强度。
（2）出水压力平洞主洞共发现裂缝75条，其中贯穿性裂缝59条，裂缝长度贯通整环的36条，最大裂缝宽度为1.0mm；2条支洞共发现环向裂缝51条，其中贯穿性裂缝17条，裂缝长度贯通整环的有16条，最大裂缝宽度为0.6mm.
（3）混凝土施工质量较差，存在大量表面和内部缺陷，如表面蜂窝麻面，施工冷缝、模板接缝处漏浆，共发现混凝土渗漏81处。衬砌混凝土与围岩之间存在较大空隙，并有水充填。混凝土内部不密实，个别部位疏松，存在蜂窝、孔洞及较大裂缝，形成渗漏通道。
（4）回填灌浆孔封堵不实，封孔质量较差，有的甚至基本未封，造成灌浆孔附近漫渗和漏水现象。
（5）混凝土芯样抗渗试验在1.0MPa水压力下，恒定24h未出现渗水现象。
（6）平洞三叉段和顶拱混凝土由于布筋较密，泵送混凝土施工时振捣困难，存在程度不同的蜂窝、孔洞、裂缝和不密实等缺陷。上述工程质量缺陷对隧洞的防渗、衬砌的耐久性和结构的整体性将产生严重危害，特别是对于湿陷性黄土洞段，一旦发生渗漏并使黄土饱和，将有可能造成黄土隧洞的破坏，后果不堪设想，因此对这些工程隐患必须要进行处理。
4、缺陷处理方案
4.1 总干线9#隧洞对9#洞存在工程缺陷和质量问题，中国水利水电科学研究院建议采取恢复整体性和加强耐久性的修补、加固措施，以防渗为重点。
具体实施方案如下：
（1）对9#洞衬砌的裂缝采用化学灌浆处理，化学灌浆材料选用环氧树脂浆液。
（2）对全部环向伸缩缝和纵向施工冷缝，采用开槽、嵌填双组份聚硫密封胶处理。
（3）对6个浇筑段底拱内部混凝土存在的蜂窝、孔洞、骨料架空等局部缺陷，采用水泥压浆法逐步加密处理，钻孔呈梅花形布置，孔深小于衬砌厚度。
（4）对于钢筋保护层大于10cm的洞段，凿除底拱表层10cm厚混凝土，代之以一级配C25补偿收缩混凝土和配置受力钢筋，受力钢筋与原侧拱内侧受力筋焊牢，钢筋保护层厚4cm.9#洞缺陷经上述方法处理后，已于2001年11月和2002年10月通过引黄入晋工程两次试通水检查，防渗效果显著，达到了预期效果。
4.2 总干线6#～8#隧洞
针对6#～8#隧洞的工程质量缺陷，2001年引黄工程总公司对其进行了处理，由中国水利水电科学研究院中水科工程总公司承担7#、8#洞防渗处理施工。主要内容如下：
（1）对土洞段进行反复灌浆，填充洞外松动层。对管片缝宽大于0.2mm的裂缝，用高强聚氨酯浆材进行化学灌浆处理，表面细缝用环氧树脂类涂料进行封闭处理。对管片接缝采用化学灌浆和嵌填聚合物水泥砂浆进行防渗处理，在其表面涂刷聚氨酯防渗涂层（要求在干燥状况下施工），防止内水外渗。
（2）对不良地质洞段的衬砌进行锚杆加固，以增加衬砌结构的稳定性。
（3）对Q3湿陷性黄土洞段和管片错台大于10cm影响结构稳定的洞段，对管片进行先复位后锚固，再用钢板加固。
（4）对个别影响过水能力的洞段，拆除原管片，现浇混凝土。
（5）对岩石洞段，主要对围岩进行回填灌浆和固接灌浆，在管片接缝处增设防渗涂层。总干线6#～8#隧洞的工程缺陷，通过上述措施处理后，防渗效果显著。经过引黄入晋工程两次试通水的检验，基本上没有发现渗漏现象，可以满足安全运行要求。
4.3 总干线三级泵站压力平洞 根据检测结果，中国水利水电科学研究院建议对压力平洞存在的工程质量缺陷，采取下列措施：
（1）对出水压力平洞继续进行回填灌浆和固结灌浆。回填灌浆可填塞平洞顶拱脱空区域，封堵渗漏通道。固结灌浆可提高围岩的防渗性能，应结合地质条件合理选择灌浆深度和压力，并保证所有灌浆孔封堵质量，对于渗漏严重洞段要进行全断面固结灌浆。
（2）裂缝是本工程最主要的渗漏通道，建议对缝宽≥0.2mm的裂缝进行化学灌浆处理，对于缝宽<0.2mm的裂缝进行封闭处理。
（3）对于平洞抗渗性能较差部位，建议在其混凝土表面涂刷一层厚为1.5mm的水泥基渗透结晶型防水材料，利用该材料特有的活性化学物质，填塞混凝土孔隙或毛细管，从而使混凝土致密防水。
（4）对渗漏严重的混凝土和内部有孔洞、蜂窝的低强部位进行化学灌浆补强处理。
（5）修复和增设内防渗涂层。建议采用中国水利水电科学研究院为引黄工程研制开发的PAE防渗抗裂水泥胶浆新型防水材料。该材料既有一定的本体抗拉强度，又具有较高的变形性能，它与混凝土的界面相容性好，无潮湿敏感性缺点，粘结力强，是一种较为理想的大面积防渗处理涂料。
引黄工程总公司采纳了上述大部分建议，该工程经2003年8月处理后，泵站渗漏量在设计扬程时，由原来的Q=27.0m3/h（2001年）降至Q=6.0m3/h，取得了较好的防渗效果。
5、结语
（1）在Q2、Q3湿陷性黄土和N2红黏土中修建水工隧洞，从设计理论到施工方法，都没有比较成熟的经验，难免出现一些工程缺陷。引黄入晋工程应用面波法、探地雷达等先进技术较全面地检测了水工隧洞的施工质量缺陷，为缺陷处理方案提供了科学的基础。
（2）黄土隧洞无论在施工和长期输水过程中均严禁水浸润土体，也严禁上游隧洞漏水浸润下游黄土隧洞土体。对于引黄隧洞的施工缺陷，修补处理的重点是防渗，主要是防止外水内渗和内水外渗。治本措施是对围岩进行回填灌浆和固结灌浆，辅以加强对衬砌接缝和表面增设内防渗涂层。对于严重的不良地质洞段和影响结构稳定的洞段，增加锚固和钢衬措施，是行之有效的。
（3）建议加强对引黄入晋工程隧洞的安全监测。凡有Q2、Q3黄土、N2红黏土等洞段和施工期与运行期起控制作用的部位，应设置不同数量的重点监测断面，以加强运行期对工程安全的监测，确保工程安全。应不断总结工程实践经验，进一步完善和提高水工隧洞的设计、施工方法和缺陷处理技术。
参考文献：
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