盾构法输水隧洞二衬变形缝止水研究与应用

刘海乐 姜 旭 肖玉超

(北京金河水务建设集团有限公司，北京 102206)

北京市南水北调配套工程团城湖至第九水厂输水工程(二期)(简称“团九项目”)输水隧洞使用盾构法成型。以往的盾构法是在输水隧洞二衬变形缝位置采用“紫铜止水+闭孔泡沫板+聚氨酯嵌缝”，结构由于自密实混凝土不能振捣，收缩大，在变形缝紫铜止水带位置难以密实，且变形缝填缝材料以闭孔泡沫板为主，水流沿着变形缝及紫铜周边渗透到隧洞内，同时，变形缝内原施工材料随着使用年限的增加物理性能随之衰减，会造成变形缝及周边混凝土经常出现反渗水现象，最终导致隧洞结构的破坏。传统工程采用管片、防水卷材、紫铜止水、聚氨酯嵌缝的“四层防水结构”，目前，团九二期工程增加了微膨胀水泥浆及丙烯酸盐注浆的“五层防水结构”。

1 工程概况

团城湖至第九水厂输水二期工程，是配套工程“一条环路”中的最后一段未建工程，该工程建成后，环路将会实现贯通，全线闭合。隧洞从团城湖调节池环线分水口末端取水，终点与团城湖至第九水厂输水工程一期龙背村闸站预留的接口连接，总长度约为4.0km。沿线布置有排气阀井4座，排空阀井1座，以及东水西调分水口、团北取水闸站及相关管理用房。

输水隧洞内径4.7m，采用复合式衬砌结构，其中一衬为C50W10F150预制钢筋混凝土盾构管片，厚度300mm，二衬为C30W6F150模筑钢筋混凝土，厚度350mm，采用自密实混凝土，每12m(转弯处7.5m)设置一道永久变形缝(见图1)。

图1 盾构法输水隧洞结构层示意图

2 输水隧洞二衬结构变形缝研究目的

根据输水隧洞运行情况调查分析，变形缝内原施工材料随着使用年限的增加物理性能随之衰减，导致变形缝出现空腔现象，形成水流通道，最终造成变形缝反水现象。因此，解决输水隧洞渗水问题的关键是如何保证二衬结构变形缝的止水性能及止水带周围混凝土的密实程度，提高变形缝位置的抗渗性能，保证工程的正常运行及维护。变形缝施工材料环保无毒且具有足够的强度、良好的密封性、伸缩性、耐久性并且能够填充混凝土的微小裂隙，达到自密实混凝土结构浇筑的密实性和变形缝的止水性能。同时为了填充紫铜止水带周围存在的空隙，保证紫铜周围混凝土浇筑的密实性，有效处理输水隧洞变形缝渗水问题，需改变原来的变形缝施工工艺保证变形缝满足设计压力要求，从而解决输水隧洞运行中变形缝渗水问题，团九二期项目开展了此项技术的研究工作。

3 施工工艺原理

本工程所采用的输水隧洞变形缝施工工艺，按照其作用主要分为三个部分(见图2)，第一部分为变形缝填充，第二部分为混凝土结构填充，第三部分为打压验证。

图2 变形缝注浆管及支管环向布置示意图

第一部分变形缝填充部分主要由注浆三通管、环向注浆管(含支管)闭孔泡沫板、膨胀止水条及聚氨酯组成注浆及打压结构层，其工作原理是以闭孔泡沫板作为填充材料的靠背，膨胀止水条作为止水材料，最后聚氨酯作为注浆及打压的承压结构，通过三通及钢骨架管为剩余两部分做好准备工作，同时为混凝土结构填充创造条件。

第二部分混凝土结构填充部分主要由注浆材料微膨胀水泥及丙烯酸盐组成，注浆材料微膨胀水泥通过预埋注浆三通填充变形缝内以及紫铜周边空隙，但微膨胀水泥分子较大，不能渗入混凝土结构中微小裂隙，而注浆材料丙烯酸盐分子小于水分子，能够填充混凝土中微小裂隙，达到防渗堵漏的目的，且丙烯酸盐凝结后形成果冻状固体，能提高混凝土止水效果，保证变形缝的伸缩效果。

第三部分打压验证部分，主要进行注浆效果验证，其原理是利用纯净水通过预埋打压管进行变形缝打压，通过打压结果判断注浆材料的填充效果，进而确定变形缝施工工艺的成果。

4 变形缝主要施工步骤

4.1 二衬结构变形缝施工工艺

二衬结构变形缝施工艺流程为(见图3)：清理变形缝→抠除175mm聚乙烯泡沫板→埋设三通管→埋设打压管→填充聚乙烯闭孔泡沫板(8.5cm)→填充膨胀止水条(2cm)→聚氨酯嵌缝(4cm)→打压(不合格)→利用三通注膨胀水泥浆→二次打压(达不到设计标准)→利用打压管注丙烯酸盐→打压(验证丙酸盐注浆效果)。

4.2 二衬结构变形缝处理

清除二衬结构变形缝四周灰尘，露出二衬结构变形缝，剔除变形缝填缝材料时，用扁铲、钳子等工具剔除原有的低发泡聚乙烯闭孔泡沫板和多余混凝土，低发泡聚乙烯闭孔泡沫板清理175mm，清理至紫铜止水带表面，不得用凿子凿除，以免对变形缝两侧混凝土结构造成破坏。

4.3 埋设钢骨架打压管及三通管

沿着紫铜止水带表面埋设一根环向钢骨架打压管，环向打压管布置打压支管，材质与打压管相同，通过三通管与打压管连接，打压支管共布置2根，分别位于隧洞底部和顶部。

埋设打压管的同时，在打压管外侧沿隧洞环向布置四个三通管，顶部三通管验证丙烯酸盐注浆效果，其余三通管用于灌注微膨胀水泥浆液。

4.4 聚乙烯闭孔泡沫板填充

打压管埋设完成后，在外侧填充8.5cm聚乙烯闭孔泡沫板，施工前将聚乙烯闭孔泡沫板加工成施工需要的尺寸，现场拼接。根据图纸及现场实际情况，回填时利用小木方(1cm×1cm)将聚乙烯闭孔泡沫板填充到相应的位置(闭孔泡沫板表面距离二衬混凝土表面6cm)，施工前，在小木方上量取6cm，用铁钉标记，控制回填深度。所用支管均穿过聚乙烯闭孔泡沫板，聚乙烯闭孔泡沫板与支管接触位置，回填密实。

4.5 膨胀止水条填充

聚乙烯闭孔泡沫板填充完成后及时填充遇水膨胀止水条，遇水膨胀止水条根据变形缝实际宽度由厂家加工定制，一般为3cm(宽)×2cm(高)，利用专用工具回填，膨胀止水条全圆内分三段回填，每段长5.2m，采用“楔形”搭接(见图4)，搭接10cm，利用专用胶水黏结，遇水膨胀止水条表面距离二衬混凝土表面4cm，控制回填深度，施工时，对回填深度进行测量，防止遇水膨胀止水条回填过深或者回填不到位。

图4 遇水膨胀止水条搭接示意图

4.6 聚氨酯嵌缝

嵌缝深度为4cm，采用聚氨酯密封胶，嵌缝前利用吹风机将二衬结构变形缝表面水分吹干，若表面含水较高，先用棉被或者海绵将表面水分吸干后，再用烤枪将表水分靠干净，用毛刷将二衬结构变形缝两侧黏结处的污渍、水分、锈斑等杂物彻底清洗干净，二衬结构变形缝两侧各打磨3cm，最后用鼓风机将表面灰尘吹扫干净，并在二衬结构变形缝两侧贴上透明胶带，胶带间距为3cm，最后涂抹聚氨酯界面剂，待界面剂达到设计强度后，再施工聚氨酯，从拱顶向两侧施工，施工宽度根据环峰宽度确定，一般为3cm。施工完成后底部120°范围内用软胶皮将底部聚氨酯苫盖，防止后续施工污染底部聚氨酯。

4.7 打压试验

打压前，首先将打压设备与打压支管连接，连接完成后开启打压泵，压力不超过0.1MPa，把打压管内的气体从顶部排除。当顶部打压支管出水后，排气完成，采用专用丝堵对顶部打压支管进行封堵。

缓慢开启打压泵，增大压力。注水加压分两级进行，第一级为试验压力值的1/2，一级加压检验注浆填充的加固效果，若实施一级加压3min，未见缝表面有渗水现象，即可实施二级加压，第二级加压至设计检测压力，二级加压目的是检测变形缝的密闭性。在规定的压力(0.25MPa)条件下稳压5min后进行测试，测试时间为10min。在测试时间内压力下降不大于10%，且变形缝未见渗水，即判定变形缝打压试验合格。

5 施工工艺特点

本工艺以闭孔泡沫板作为伸缩材料，膨胀止水条作为变形缝止水材料，聚氨酯为封堵作为承压材料，同时利用注浆三通管对变形缝注微膨胀水泥浆，利用环向钢骨架管进行变形缝打压，最后利用丙烯酸盐填充混凝土微小裂隙。结合本工程实际特点，对本工艺进行摸索、创新、优化，优化后的工艺具备以下特点：ⓐ本工艺能够有效控制地下水通过变形缝及紫铜周边自密实混凝土渗入输水隧洞内，增强了变形缝及紫铜周边自密实混凝土的止水效果，并能通过打压试验验证施工成果；ⓑ本工艺通过注浆三通管向变形缝注浆，通过打压管验证注浆效果，注浆与打压相互结合，能够有效保证施工止水效果；ⓒ本工艺注浆材料微膨胀水泥浆液为刚性材料、丙烯酸盐为柔性材料，能够有效填充变形缝周围混凝土裂隙，实现注浆材料的刚柔结合，保证变形缝的伸缩作用；ⓓ本工艺能够弥补自密实混凝土凝固过程中产生的微小裂隙；ⓔ本工艺通过止水材料埋设及注浆工艺，从而提高变形缝的抗渗性和耐久性；ⓕ本工艺在施工阶段解决了变形缝及紫铜周边自密实混凝土渗水问题，降低了输水隧洞运行维护成本；ⓖ本工艺具有施工速度快、投资成本低、应用范围广的特点。

6 结 论

盾构法微膨胀水泥浆及丙烯酸盐注浆施工工艺，适用于水利行业有压输水隧洞的变形缝施工。本工法最大限度地避免了变形缝在后期运行中出现的渗水现象，通过施工材料的刚柔结合，保证了变形缝的伸缩作用，同时也保证了混凝土结构强度，提高了输水隧洞运行的耐久性，减少了后期运行维护中的隐患，并给后期的维护节省了工程费用，具有良好的社会效益。