BR型增强防水剂在隧洞充填灌浆中的应用

刘天山，王进鹏

(1.甘肃省引洮工程水资源利用中心，甘肃 兰州 730046；2.甘肃水利工程地质建设有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

引洮供水一期工程于2006年11月22日开工建设，2015年8月6日正式通水运行，为定西、兰州、白银3个市辖的会宁、安定、陇西、渭源、临洮、通渭、榆中7个县区城乡生产生活用水、工业供水、生态供水提供了水资源保障，发展灌溉1.27万公顷，受益人口达225.35万人。

引洮供水一期工程为Ⅱ等工程，工程规模为大(2)型，工程主要建设内容为：新建总干渠长109.40km，设计引水流量32m3/s，加大引水流量36m3/s；一、二、三干渠总长145.40km，支渠17条总长226.73km；城市专用供水管线2条长28.40km，各级渠管道线路总长为509.93km，19万亩灌区田间配套工程。

引洮一期工程总干渠15#隧洞桩号全长4761.99m，为三心圆类马蹄型断面型式，净断面尺寸为B(宽)×H(高)=3.80m×3.89m，纵坡1/1500，顶拱半径1.32m，侧拱半径3.80m，底拱半径5.50m，二衬采用现浇C20钢筋砼，厚度350～400mm。设计引水流量21m3/s，加大引水流量24m3/s。

15#隧洞围岩主要为：轻粉质壤土、重粉质壤土、粉质壤土、砂壤土，整体土层具有不均一性，围岩性状差异大，受地下水长期浸润作用，土体处于饱和状态，洞内围岩属极不稳定的Ⅴ类围岩，开挖后围岩自稳时间短，侧墙和拱脚易发生剥落、滑塌，顶拱易掉块、塌方，掌子面易出现滑塌、流土等现象，成洞条件差。

自2014年12月28日通水试运行以来，因地质复杂、地下水丰富、施工质量不良等原因造成隧洞衬砌混凝土裂缝病害，裂缝的存在，不仅会影响结构的刚度和整体性，还会降低隧洞的抗渗能力，引起钢筋的锈蚀、混凝土的碳化，严重影响隧洞运行安全。经与其它技术方案对比，从工期、修复效果考虑，此次病害修复采用灌注掺入BR型增强防水剂的水泥浆液处理隧洞衬砌混凝土裂缝。

2 作用机理及目的

BR型系列增强防水剂属于无机类粉状防水剂，防水剂与水泥水化时，反应成为三氧化二铝无机硅胶凝体，粘结握裹粒子呈链状粘结，降低泌水、离析，改善成型期应用质量；固化后的混凝土内部结构中生成许多针状和絮状结晶体，封闭了粒子间隙和游离水通道，形成结构内部的网状纤维体，提高韧性，有限改善混凝土的脆性；增加混凝土的粘接附着力，达到高抗渗自防水的新型结构，耐久性稳定；能有效降低混凝土pH值，抑制混凝土内部的化学腐蚀危害。

BR型增强防水剂广泛应用于煤炭、交通行业，在水利行业应用较少，此次灌浆试验主要目的是验证掺入BR型增强防水剂的水泥浆液，经充填灌浆能否有效充填混凝土与围岩接触部位的空洞空隙，充填混凝土衬砌结构裂缝，是否能起到封堵漏水的作用。

3 配合比试验

3.1 制浆材料

(1)永登祁连山水泥有限公司生产的强度等级42.5高抗硫酸盐硅酸盐水泥，执行标准GB 748—2005《抗硫酸盐硅酸盐水泥》。检测成果见表1。

(2)山西建华化工有限公司生产的BR-CE型增强防水剂、专用粉，执行标准JC 474- 2008《混凝土外加剂》。检测成果见表2。

(3)甘肃唯克隆工程建材有限公司生产的高性能减水剂，执行标准GB 8076—2008《混凝土外加剂》。检测成果见表2。

3.2 浆液性能

鉴于增强防水剂生产厂家推荐浆液水灰比为0.5∶1～1.5∶1，BR型增强防水剂推荐掺入比为水泥重量的8%～10%，BR专用粉推荐掺入比为水泥重量的1%～3%。水泥基浆液配合比试验选用0.5∶1、0.7∶1、1∶1，BR型增强防水剂掺入比(水泥重量比，下同)8%、10%进行试验，BR专用粉1%、2%，高性能减水剂1%。掺入不同比例外加剂的水泥基浆液性能见表3。

表1 水泥试验检测成果表

表2 外加剂检测成果表

表3 掺入外加剂水泥基浆液性能指标

4 配合比分析

4.1 密度

浆液密度随着水灰比由稀到浓而增长，随着BR型增强防水剂掺入比例的增加呈微增长，BR专用粉对浆液密度影响可忽略不计。水灰比0.5∶1浆液密度为1.85～1.87，水灰比0.7∶1浆液密度为1.69～1.71，水灰比1∶1浆液密度为1.55～1.57。

4.2 流动性

浆液流动性随着水灰比由稀到浓而增长，随着BR型增强防水剂掺入比例的增加而增长，随着BR专用粉掺入比例的增加而减小。水灰比0.5∶1浆液流动性为62～86mm，水灰比0.7∶1浆液流动性为86～109mm，水灰比1∶1浆液流动性为115～142mm。

4.3 析水率

浆液析水率随着水灰比由稀到浓而减小，随着BR专用粉掺入比例的增加而减小，BR型增强防水剂对浆液析水率影响可忽略不计。水灰比0.5∶1浆液析水率为0，水灰比0.7∶1浆液析水率为0，水灰比1∶1浆液析水率为1.80%～2.50%。

4.4 凝结时间

浆液凝结时间随着水灰比由稀到浓而缩短，随着BR型增强防水剂掺入比例的增加而延长，随着BR专用粉掺入比例的增加而缩短。水灰比0.5∶1浆液凝结时间为186～268min，水灰比0.7∶1浆液凝结时间为486～675min，水灰比1∶1浆液凝结时间为1150～1360min。

4.5 不透水性

浆液结石不透水性在水灰比0.7∶1时数值最大，随着BR专用粉掺入比例的增加浆液结石不透水性系数持续降低，BR型增强防水剂对浆液结石不透水性系数影响微弱。水灰比0.5∶1不透水性系数为0.80～1.10MPa.h，水灰比0.7∶1不透水性系数为1.50～1.80MPa.h，水灰比1∶1不透水性系数为0.80～1.30MPa.h。

4.6 抗压强度

浆液结石抗压强度随着水灰比由稀到浓而增高，抗压强度随着BR型增强防水剂、BR专用粉掺入比例的增加而减低。水灰比0.5∶1浆液结石28d抗压强度18.30～24.90MPa，水灰比0.7∶1浆液结石28d抗压强度9.90～18.60MPa，水灰比1∶1浆液结石28d抗压强度3.80～6.20MPa。

4.7 推荐配合比

通过上述水泥基浆液及浆液结石性能测试成果，15#隧洞推荐最佳水灰比为0.7∶1、1∶1，BR型增强防水剂掺入比例8%，BR专用粉掺入比例1%，高性能减水剂掺入比例1%。

孔口涌水的灌浆孔，灌浆前测记涌水压力和涌水量，水灰比为0.5∶1，BR型增强防水剂掺入比例8%，BR专用粉最优掺入比例2%～3%，高性能减水剂掺入比例1%。为防止浆液凝结、凝胶时间过短造成灌浆管路堵塞，宜采用双液注浆机灌注。

5 施工参数

5.1 钻孔

(1)设备：YT- 28型气动凿岩机。

(2)孔位：隧洞洞壁奇数环布设5个钻孔，偶数环布设布设4个钻孔。钻孔呈梅花状布置。灌浆孔位与设计偏差不大于10cm。

(3)孔距、排距：2.50m。

(4)孔径：不小于Φ38mm。

(5)孔深：入岩20cm。

(6)钻孔方向：侧壁及顶部钻孔均垂直于隧洞洞壁。

(7)钻孔方法：钻孔作业需要符合灌浆进度的要求，避免钻孔和灌浆作业空间和时间交叉。严格按照设计图纸布置钻孔位置，尽量避开钢筋及钢拱架的部位。若钻孔过程遇到钢筋或钢拱架，应立即停止钻进，技术人员按照钢拱架或钢筋走向重新布置孔位。钻孔间距离不得小于5cm，禁止连续、集中钻孔。

5.2 灌浆

(1)设备：采用JYB- 2型泥浆泵，高压胶管输送浆液。孔口封闭器采用挤压式，密封胶球要具有良好的膨胀性和耐压性。灌浆记录采用安泰通ATT- 8500F型灌浆自动记录仪，实时监测和自动记录各项参数。

(2)灌浆方式及方法：采用纯压式灌浆，孔口封闭灌浆法

(3)灌浆分区：充填灌浆分成区段进行，每个区段长度为3个衬砌段。

(4)灌浆分序：环间孔分序，环内孔不分序，后序孔包括顶孔。自较低的一端(隧洞下游段)开始，向较高的一端(隧洞上游段)推进，同一区段内的同一次序孔全部或部分钻出后再进行灌浆。

(5)灌浆压力：采用0.10～0.30MPa。Ⅰ序孔取低值，Ⅱ序孔取高值。灌浆压力控制采用分级升压法。升压过程中应保持灌浆压力与注入率相适应，避免隧洞衬砌钢筋混凝土结构发生变形破坏。衬砌钢筋混凝土外观发生明显破坏的部位，灌浆压力降为0.10MPa。

5.3 结束条件

达到设计压力，持续10min不吸浆，含水层已无出水点，洞壁裂缝无渗水现象为止，灌浆结束。

5.4 封孔

灌浆完成后，使用干硬性水泥砂浆将钻孔封填密实，孔口压抹齐平。

6 质量检查

采用检查孔注浆试验或取芯检查的方法。检查孔注浆试验为该部位灌浆结束7d后，取芯检测为该部位灌浆结束28d后。检查孔布置在顶拱中心线、脱空较大和灌浆情况异常的部位，孔深穿透衬砌深入围岩10cm。每个区段布置1个检查孔。

15#隧洞全洞段布置单孔注浆试验孔37个，水泥浆液水灰比2∶1，灌浆压力0.30MPa情况下，初始10min内注入浆量为1.24～9.35L。布置取芯孔12个，所提取岩芯中浆液结石充填饱满密实。充填灌浆施工质量全部达到合格标准。

7 结语

引洮一期工程总干渠15#隧洞病害修复试验段的顺利完成，说明了现场灌浆试验对于重要水工建筑物水泥灌浆的必要性，论证了施工方法和工艺在技术上的可行性。根据灌浆目的、地质条件和拌和用水等因素确定灌浆材料，经过试验对比分析，得出了水泥浆液密度、流动性、析水率、凝结时间及浆液结石不透水系数、抗压强度等技术参数与设计指标的差异数据。

受限于经费原因及特殊围岩地质情况，本文在环境水对灌浆质量影响未开展深入研究。本文通过对掺入BR型增强防水剂的水泥浆液进行充填灌浆论证，取得了良好的处理效果，类似水工引水隧洞衬砌砼裂缝病害问题可借鉴应用。