海底盾构管廊隧道结构病害分析及治理技术

颜庭祥，孙国庆

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055;2.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009)

0 引言

我国水域辽阔，交通事业的发展和隧道修建技术的进步为水下隧道的发展提供了优越的条件。大量的穿江过海隧道广泛地分布在交通和市政管网等领域，如武汉长江隧道和天津海河共同沟隧道等。然而，隧道在施工和长期的运营过程中，各种因素的综合影响会形成不同程度的病害，盾构隧道病害不断出现，从而造成了诸多质量风险。隧道研究者已逐渐开展了隧道病害维修加固工作，且也已开展了相关的研究工作［1］。刘海京等［2］对隧道病害的现状进行了深入研究，提出了要采取及时有效的维修加固措施，延缓隧道病害的发展。目前，隧道病害主要表现为开裂及渗漏水，其病害原因是多重因素作用的结果，但采取的措施都是“注浆补强、封堵补强，局部限量排放材料”，主要以传统的水泥浆、聚氨酯化学浆以及涂抹材料为主，能够达到一定的病害治理目标［3］。海底隧道由于其所处环境的特殊性，病害的主要诱因为隧道结构长期处于海水侵蚀下，海水长期对混凝土管片、管片连接件及管廊内的管道造成严重腐蚀，造成病害的迅速发展;因此，采用传统的病害治理措施难以避免海水对隧道结构的进一步侵蚀破坏，而针对海水侵蚀下的隧道病害治理研究相对较少。

本文以某管线过海隧道病害治理为例，分析隧道结构缺陷及病害的成因，通过壁后注浆在隧道结构外形成致密的隔水层，减少海水对隧道结构的长期直接侵蚀，并通过混凝土结构的补强、裂缝粘结等技术，尤其采用抗海水侵蚀的硫铝酸盐水泥特种注浆材料，遵循“以堵为主、标本兼治、综合治理”的原则，在隧道病害治理中取得了较好的效果。

1 工程概况

某管线过海隧道采用盾构法施工，隧道长度为1 448 m，内径为2.44 m，隧道埋深24 m(至海平面)，上层覆盖层厚度10～16 m，内衬砌为厚25 cm的C40混凝土管片，另外，隧道两端始发井直径18 m，深28.5 m，接收井直径8 m，深32 m。隧道内敷设1根φ 762×15.9 mm、长1 492 m的热油管道，管道材质为X65直缝埋弧焊钢管，同时并行1条光缆，如图1和图2所示。隧道盾构始发井采用沉井法施工，隧道大部分区域采用盾构法施工，主要穿过第四系冲洪积粗砂层、第四系花岗岩残积层和全－强风化花岗岩地层，仅在盾构法施工后部局部地段穿越中风化花岗岩地层。盾构接收井及临近隧道部分区域采用矿山法施工，主要穿越第四系人工填石层、第四系海陆交互相淤泥质砂层、第四系冲洪积粗砂层和燕山期强－中风化花岗岩地层，采用排桩及锚喷组合支护结构。

图1 隧道横断面及附属管线设施布置图(单位:mm)Fig.1 Cross-section of tunnel showing layout of utility lines(mm)

图2 管廊及其管线布置图Fig.2 Picture of utility lines in tunnel

按照隧道设计要求，隧道盾构段防水等级为一级，结构不允许渗水，结构表面无湿渍。隧道内应充淡水运行，但因故一直未能充水运营。隧道竣工后投入使用已有9年之久，隧道结构出现严重腐蚀，淤泥和积水较多，渗漏水问题日趋严重，隧道和管道安全存在潜在风险。为确保隧道运营安全及结构的使用寿命，需对隧道进行病害及结构安全检测，并根据检测结果及时进行修复治理。

2 隧道病害检测

为满足内部管线防腐技术要求和隧道结构安全，拟按原设计要求注水运行。由于隧道缺陷及病害已经发生，在注水运营前须对隧道结构的整体性能及功能状况作出分析鉴定。通过对隧道实施相关的检查和检测，从而对隧道的安全性和耐久性进行全面评估，并根据检测结果对隧道进行维修整治处理［4］。

对隧道的结构变形进行检测发现，隧道整体外观及结构性能现状良好。隧道本体结构无明显的沉降、变形和露筋，仅有极个别地方出现轻微的混凝土缺损、裂缝、腐蚀及脱落现象，但尚未影响到隧道结构的整体安全性能;隧道结构混凝土强度保持较好，能够满足隧道刚度、强度和耐久性的要求［5］。

管片螺栓表层锈蚀严重。其中，螺杆尾端锈蚀率为80%、螺母锈蚀率为92.3%、垫片锈蚀率为99.5%，部分锈蚀严重的螺栓已出现松动和渗漏水。隧道内附属钢筋构建锈蚀严重，已失去使用功能。

管廊渗漏检测共记录渗漏点114处，其中，渗水、渗滴水107处，线状出水点4处，股状出水点3处，并含有少量泥砂，隧道总出水量约为80 m3/d。渗漏水严重区域存在大量泥砂淤积，地段主要集中在盾构隧道始发段和矿山法到达空推段。

隧道壁后存在不同程度的空洞，共检测出环片背后存在59处空洞，空洞长度在0.2～6.5 m，深度在0.25～1.3 m。漏水越严重的地方空洞越严重，漏水点与环片壁后空洞呈对应关系。

3 隧道缺陷修复

虽然目前隧道整体外观及结构性能状况良好，但管片螺栓表层锈蚀已较为严重，渗漏点较多，局部管段已超出了原设计要求的二级防水标准，隧道壁后也已出现了不同程度的空洞，并且伴随着渗漏的发展，空洞有进一步扩大蔓延的趋势。因此，需对隧道内出现的病害及缺陷进行整治处理。

3.1 管片背后空洞回填

管片背后空洞主要由2种因素影响形成:1)施工过程中管片背后回填注浆不密实，形成一定的蓄水空间;2)隧道构筑物长期在海水侵蚀破坏下，管片接缝止水带破坏，出现渗漏水，逐渐形成贯通的过水通道，地层介质随水不断流失形成空腔。

为了保证隧道洞室结构的稳定，需对环片外侧空腔进行注浆回填处理。施工工艺顺序如下:

1)注浆孔定位。根据雷达检测成果，在空腔附近区域确定注浆孔位置，采用钻孔法钻穿管片，钻孔达到空腔深度。

2)安装孔口管。钻孔孔径为20 mm，深度为25 cm，并装φ15 mm孔口管和阀门，防止突水涌砂。

3)注浆管安装。在孔口管中钻孔，直径为φ10 mm无缝钢管，长度为60 cm，孔内40 cm。

4)注浆材料选择。注浆材料采用抗海水侵蚀的硫铝酸盐水泥，水灰质量比为1∶1 ～1.2∶1。

5)注浆。注浆采用全孔一次压入式，注浆结束标准按照“定压定量相结合”的双重控制标准，注浆压力为0.2～0.4 MPa。注浆时应注意观察洞身和管廊动态变化，及时调整注浆参数。

6)割除管头。表面采用钢刷清理干净、抹平，并涂抹渗透结晶防水涂料。

回填注浆结束后，采用地质雷达进行空洞检测［6］，管片外原有空腔得到有效填充，地层密实，未发现空腔存在。

3.2 渗漏水治理

渗漏水治理遵循“以堵为主、标本兼治、综合治理”的原则，根据涌水特点和涌水区域进行分类，主要采用快凝硫铝酸盐水泥对涌水区域管片及围护结构背后的蓄水孔隙、渗水裂隙和松散地层进行充填加固，提高病害区域地层的稳定性、抗渗性及耐久性。对小的渗水点、变形缝、管片受损区域采用化学浆材或渗透结晶材料进行注浆加固和补强。

3.2.1 渗漏水产生的原因［7－8］

1)渗漏水严重地段主要集中在盾构隧道始发段和矿山法到达空推段。始发阶段盾构掘进参数还处于试验调整阶段，盾构姿态和管片拼装控制较差，小直径管片错台较为严重;矿山法施工盾构空推段，初期支护和盾构管片之间注浆充填不密实，是运营期渗漏水的主要原因之一。

2)盾构掘进过程中，由于掘进速度快、掘进速度和同步注浆速度不匹配、管片壁后注浆充填不密实，不能使围岩和衬砌整体协调受力，因而造成受力不均，局部变形过大，防水失效而引起渗水。

3)管片制作和养护不合理，水灰质量比过大，出现气孔和微裂纹。

4)遇水膨胀橡胶密封垫粘贴不牢，或过早浸水膨胀，致使止水效果降低。

5)管片拼装质量差、管片错台、螺栓未拧紧，造成接缝张开过大;手孔、注浆孔等薄弱部位封孔质量差，螺栓孔未加防水密封垫等。

6)水下隧道长期处于水压作用下，受海水的侵蚀作用，构件受侵蚀严重。

3.2.2 明显股状水治理

对于隧道区间存在严重的股状、线状出水点，先采用钻斜孔法，对管片背后进行径向注浆封堵，然后骑缝钻孔安设注浆针头对裂缝进行化学灌浆封堵。施工工艺顺序如下:

1)在集中出水缝隙或点两侧钻设斜孔，孔径φ25 mm，孔深15 cm，并安设φ25 mm孔口管(带有球阀，长度20 cm)。

2)通过孔口管钻孔，孔深和探测空洞范围以钻穿空腔为准。

3)通过孔口管注入水泥浆，封堵裂隙水及蓄空腔，并对地层进行加固，提高地层的抗渗性，注浆终压力为0.2～0.4 MPa。当注浆过程中注浆量大于探测空腔时，可采取调节浆液凝胶时间或采取间歇注浆的工艺，控制浆液的有效扩散范围，必要时可通过增加注浆孔进行多次注浆，以提高地层的加固效果，如图3所示。

图3 股状涌水治理示意图Fig.3 Schematic diagram of treatment of flowing water

4)水泥注浆完成后，骑缝或与出水裂隙斜交间隔20 cm钻设φ10 mm钻孔，孔深20 cm，并安设注浆针头，注入环氧树脂进行补强，注浆压力为0.1 MPa，如图4所示。

5)割除管头，表面采用钢刷清理干净、抹平，并涂抹渗透结晶防水涂料。

6)注浆结束后，若水沿着管片背后的其他渗水通道纵向传递，在其他的薄弱区域有可能会产生新的漏水点，则采用同样的方法对新的渗漏水点进行钻孔注浆治理。

3.2.3 滴状渗流出水点治理

对区间内的隧道管片接缝、注浆孔、螺栓孔和管片表面滴状渗流的治理主要采取在接缝处注入化学浆液封堵，表面采用抗渗结晶涂料进行涂抹，施工工艺如下:

1)在接缝、注浆孔、螺栓孔和管片表面微渗点骑缝或与出水裂隙斜交钻孔(见图4)，并安设注浆针头。

2)通过注浆针头注入化学浆液，对透水缝隙进行封堵，并采用隔孔注入改性环氧树脂进行补强，注浆终压为0.1 ～0.2 MPa。

3)注浆结束后，割除管头，表面采用钢刷清理干净、抹平，并涂抹渗透结晶防水涂料。

4)注浆结束后，若在其他薄弱区域产生新的渗水点，则采用同样的方法进行处理。

图4 裂缝渗水治理示意图Fig.4 Schematic diagram of treatment of water seeping from cracks

3.2.4 底部垫层渗漏水治理

对于隧底垫层部分渗水，在隧道底部渗水位置每隔5 m沿底部垫层两侧进行钻孔回填注浆处理，钻孔注浆施工工艺同隧道管廊集中出水点治理施工工艺。

3.2.5 注浆材料

依据“技术可行，经济合理”的注浆材料选用原则，在能够满足注浆条件的前提下［9］，注浆材料的选用应充分考虑对环境及结构耐久性的影响。

对于混凝土管片及混凝土结构的细小裂隙或表面渗水，诸如水泥类的悬浮颗粒浆液很难注入或无法达到效果时，必须采取溶液型浆液的水溶性聚氨酯，但考虑到聚氨酯的耐久性较差，在达到堵水效果后需要采取耐久性强、固结强度高的环氧树脂进行补强注浆。浆液材料配比如表2和表3所示。

表1 水泥注浆材料配比参数表Table 1 Parameters of cement mortars

表2 水溶性聚氨酯浆液配比参数表Table 2 Parameters of soluble polyurethane mortar

表3 改性环氧树脂浆液配比参数表Table 3 Parameters of modified epoxy mortar g

3.3 螺栓孔除锈及防腐处理

1)螺栓除锈。处理时先喷1层除锈漆，再采用抛光机或钢刷等对螺杆尾端、螺母和垫片分别进行磨刷，直至将表面的铁锈全部清理干净。要达到St2除锈标准，表面应无可见的油脂和污垢，并且没有附着不牢的氧化皮、铁锈和油漆涂层等附着物。

2)防腐刷漆。选用不燃无毒(低毒)的水性防锈漆，对外露的螺栓及附属金属构件进行涂刷防腐，刷漆厚度为1～2 mm。

3)螺栓封堵。采用环氧树脂砂浆胶拌合物封裹螺栓和螺帽外露部分，隔绝空气，防止腐蚀，并在封裹砂浆外加罩塑料帽套。

3.4 附属构件拆除

两侧竖井的爬梯已被锈蚀，隧道注水后爬梯会进一步被腐蚀，一旦脱落会与竖井内的管线发生撞击，产生危险，并且爬梯腐蚀严重时，对人员的上下亦会产生安全隐患;因此，需对爬梯进行拆除。对管廊内的原电缆支架等腐蚀严重的构建全部拆除。

4 治理效果

经过2个月的施工，完成了管片后空洞回填、渗漏水、螺栓除锈等病害的治理，后通过采用地质雷达检测管片背后未见明显空洞，管片和地层充填饱满，无脱空。隧道区间渗漏水得到了有效控制，除局部有少量湿渍外，无明显出水点，基本达到国家二级防水标准。根据施工过程的监测，病害治理过程隧道收敛、环片拱顶与底板沉降监测数据均未发生明显变化，隧道结构处于稳定状态。

5 结论与体会

1)由于地质水文条件和工程环境的复杂性，尤其是长期在海水水压侵蚀下的隧道结构，不可避免地会出现管片背后脱空、管片开裂、接缝渗漏水以及连接螺栓锈蚀等隧道病害，对隧道的运营及结构安全造成威胁。

2)本项目渗漏水严重地段主要集中在盾构隧道始发段和矿山法到达空推段，因此，严格控制盾构掘进参数、协调控制好盾构姿态和管片拼装质量是减少运营期隧道病害的主要措施。

3)隧道结构病害及缺陷治理前，必须对病害进行科学地调查、检测及分析，制定出具有针对性的修复治理措施。

4)在海水环境下治理隧道病害，为了确保治理效果的有效性和耐久性，必须选择具有一定抗海水侵蚀能力的材料。本项目选取抗海水侵蚀的硫铝酸盐水泥，取得了较好的治理效果。

5)该工程的病害治理实践证明，通过全面分析病害原因，制定具有针对性的治理措施，能够取得较好的治理效果，保证隧道结构的安全运营，延长隧道使用寿命。

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