摘 要：渗漏水会严重影响隧道结构质量、服役状态及使用寿命，一直以来都是困扰工程技术人员的难题。对衬砌裂缝进行注浆是一种有效的方法，不仅能够防止衬砌渗漏水，而且可以提高衬砌结构的整体强度。研发了一种湿固化低粘度堵漏材料，在含水状态下具有较大的粘合强度，能够有效排斥从隧道基岩裂隙中渗漏出的水分，起到隔水防水的作用。本文通过室内注浆试验检验改性环氧树脂在各种工况下的堵水效果，总结其施工工艺，为隧道衬砌裂缝注浆堵水设计提供重要的参考。首先设计一种室内衬砌裂缝模拟方法，极大限度还原隧道衬砌中自然形成的裂缝。在此基础上，通过预先注水模拟隧道渗水情况，然后对裂缝进行注浆并对注浆完成的试块进行渗水试验，得到了不同因素作用下改性环氧树脂材料的堵水效果。
关键词：衬砌裂缝;渗漏水;注浆工艺;模型试验;
基金：陕西省交通科技项目(15-15K、16-44T);
裂缝是隧道衬砌常见病害之一，由此导致的衬砌渗漏水会严重影响隧道结构质量、服役状态及使用寿命，一直以来都是困扰工程技术人员的难题。对衬砌裂缝进行注浆堵漏是一种非常常见和有效的方法，不仅能够防止衬砌渗漏水，而且可以提高衬砌结构的整体强度。注浆材料是注浆技术中不可缺少的一个重要组成部分，注浆过程中材料要求保持很好的流动性，粘度增长不大，可注性好。浆液注入以后粘度要迅速增长，在有水的湿表面和干表面均有良好粘结强度，适用于相对复杂的渗漏环境，能够快速修复衬砌渗漏水裂缝。改性环氧树脂是一种湿固化低粘度堵漏材料，在含水状态下具有较大的粘合强度，能够有效排斥从隧道基岩裂隙中渗漏出的水分，起到隔水防水的作用。然而，目前对于改性环氧树脂材料注浆工艺和注浆效果的研究还非常有限，值得进一步的开展工作以更好的利用其粘度和强度特性，为隧道衬砌裂缝注浆堵水设计提供重要的参考。为此，本文首先设计一种室内衬砌裂缝模拟方法，极大限度还原隧道衬砌中自然形成的裂缝。在此基础上，通过预先注水模拟隧道渗水情况，然后对裂缝进行注浆并对注浆完成的试块进行渗水试验，得到不同因素作用下改性环氧树脂材料的堵水效果，并对其注浆工艺进行总结。
本文中所测试的注浆材料为一种湿固化低粘度环氧堵漏材料，将环氧树脂与有机胺按一定比例搅拌混合，用适量溶剂二甲苯稀释，然后加热到60℃进行改性反应，2h后结束反应，生成改性环氧树脂。改性环氧树脂分子带有更多的-OH和-NH2等亲水基团，使其具有更好的亲水性，保证了渗漏水新型修复材料与隧道渗漏水位置处混凝土表面在含水状态下的粘合强度，使材料不致被水排斥在基层以外，确保材料能够与混凝土湿表面紧密结合;同时，由于环氧树脂分子本身含有苯环等疏水链段，又使其具有疏水性，能够排斥从隧道基岩裂隙中渗漏出的水分，起到隔水防水的作用。
室内注浆试验的一个关键是混凝土裂缝的制作，现有研究中，为了操作简单和造价低廉，大都采用固定模具进行裂缝的制作，这种方法的缺点是制作完成的裂缝形状单一，且裂缝断面光滑，研究简单问题有可取性，但对于工程中较复杂问题的研究显得不具有针对性，并且不适合大型裂缝的制作;采用3D打印技术或其他复杂手段虽能完美模拟裂缝形态，但随着裂缝的增长，其操作难度较大，成本随之倍数升高，对于研究工程实际问题比如探究新型材料封缝效果则太过复杂。为解决上述问题，本文设计了一种成本低廉、实用性高且能模拟工程实际的混凝土裂缝制作方法。具体操作如下:
选用长L=0.5m，宽W=0.4m，高H=0.6m的立方体混凝土试块，在混凝土试块浇筑前，在距离模具底部0.1m处放置两根长度同试块宽度一致，直径为0.5cm的铁丝，以防止试块因裂缝而分为两半，影响裂缝之间的契合度。当混凝土试块养护完成后，在其上表面平行于试块长边位置处进行成排钻孔，钻孔深度
，钻孔方向与宽边中线位置重合，钻孔数量为3个，中心位置处一个，其余两个距试块边缘0.1m，孔径大小为1.5cm。钻孔完成后进行孔内清灰处理，并向孔内浇筑水料配比5∶1的硫铝酸钙型混凝土膨胀剂，待其反应24h后，混凝土因膨胀剂的内部化学反应造成的体积膨胀而产生裂缝。图1是混凝土试块结构示意图，其中1为混凝土试块，2为钻孔，3为铁丝。图2为图1的俯视图。图3为图2的A-A剖视图。
经过多次试验发现该方法在模拟隧道裂缝时实际操作简单，成本低廉，并且生成的裂缝可以极大程度接近实际工程中的隧道裂缝，实用性强。
图1 混凝土试块结构示意图 下载原图
图2 混凝土试块俯视图 下载原图
试验所用注浆材料存在A、B两个组分，将两组分配比在一起充分搅拌发生反应后能够产生一定强度。当水存在时该材料与裂缝基体表面粘结性很强，使得填充材料在有水存在的缝隙内能够有效的附着于缝隙内表面，并在湿表面有足够的粘结强度，对缝隙内水有很好的封堵效果。同时填充材料固化后具有较强的韧性、良好的耐久性和抗腐蚀性，并且该材料反应速度快，在常温下十五分钟即可凝固。
图3 混凝土试块A-A剖视图 下载原图
将混凝土试块侧边的裂缝使用注浆材料进行封缝以防止水及注浆材料从侧边流出，采用封缝材料对裂缝表面封缝，封缝完成后在裂缝的一侧设置出水口，连接储水容器，在储水容器中加水，模拟裂缝的富水条件，通过观察裂缝周围是否漏水来检验封缝效果。
由于实际问题中渗水裂缝有水平裂缝、倾斜裂缝、竖直裂缝等，为了模拟裂缝的倾角，在试验中通过设置试块放置的倾角来体现渗水裂缝的倾角。
注浆材料在短时间内会发生凝固，因此需要提前估计所需注浆材料的体积，注浆材料的体积计算公式为:
其中t为裂缝的宽度，l为裂缝的长度，h为裂缝的深度，c为考虑浆液损失引入的系数，取1.5。
注浆具体操作步骤如下:
(1)开槽:在裂缝表面凿U字形槽，将裂缝周边杂物用高压水枪去除干净，槽深度3cm，宽度5cm。
(2)开孔埋管:正对裂缝打孔埋设注浆嘴，确保注浆嘴正对裂缝以保证注浆效果，注浆嘴间距为实验中优化变量。
(3)封缝:使用混合后的注浆材料对裂缝进行封缝。
(4)压水实验:将所有注浆嘴堵住，封缝和埋管具有一定强度后提高储水容器的位置进行压水实验，清洗裂缝，检查封缝及埋管质量。
(5)注浆:对于水平裂缝，从裂缝的一端到另一端进行注浆;对于倾斜或者竖直裂缝，从底部开始注浆直到顶部注浆孔。注浆压力为0.2-0.5MPa并根据注浆量的大小适时进行调整，注浆时当在额定注浆压力下不进浆或者相邻注浆孔冒出纯浆液时停止注浆，改注相邻注浆孔。在顶部或者另一端注浆孔设置注水管，注浆时在储水容器中加水以模拟渗水环境。对于无水裂缝，则不需要设置储水容器。
(6)封孔:注浆结束后敲掉注浆嘴，但保留注水管以便检验注浆堵水效果。清理混凝土基面，刷注浆材料或其他防水涂料。
图4为注浆结构示意图，其中1,2是注浆口，3是出水口，4是储水容器。在注浆过程中通过调节容器高度模拟水压的不同，模拟实际注浆过程中裂缝渗水情况。
图4 注浆结构图 下载原图
注浆结束后利用悬挂在不同高度的储水容器研究不同水压下修复裂缝处渗水量与正常混凝土衬砌渗水量的数值关系，利用单一变量来避免外界环境因素对于供水瓶内水损耗的干扰，能够直观量化比较修复裂缝处渗水量的多少，进而获取修复材料防水性能，对于不同工艺下修复材料防水性能比对提供数据支持，便于推广使用。
渗水试验过程如下:
(1)打渗水孔:用钻机在注浆口与出水口之间打三个孔作为连接水管的渗水口，为保证三个孔之间的渗水情况互不影响，孔与孔之间的距离为10cm;打孔深度为7cm，便于注浆嘴的插入，也使水能充分接触到注浆材料。
(2)设置好不同高度的注水容器:为模拟隧道中的渗水压力，查阅资料分析，设置三个梯度大小的水压进行实验设计。分别取2m、3m、5m高度的水压进行实验，根据水压公式P=ρgh，即20k Pa,30k Pa,50k Pa。具体操作是固定一根6m高的不锈钢管，分别在2.2m,3.3m,5.4m(考虑渗水口已有的高度补足)处水平焊上一根长15cm直径3mm的钢丝即两端各7.5cm。实验中用1L的储水容器，在容器上方开一0.8mm直径的小口作为出气口，使瓶内气压与外界大气压始终保持一致，瓶内的水压不会因为液体的渗入而发生变化从而水压减小。在容器顶部用胶带固定一个铁丝弧形状挂钩，将容器挂在所焊钢丝上。
(3)连接注水容器:在打好的三个渗水孔中插入通用单相注浆嘴，用孔嘴大小的钻头将注浆嘴打通，使水可以通过注浆嘴不需要压力接触到注浆材料。插好后用注浆材料对孔的四周进行封堵，避免漏水影响实验结果。用柔软性好的胶管分别连接不同高度的注水容器，用抽水泵对储水容器进行注水，水管连接注浆嘴与储水容器，并对连接处也进行防漏水处理，进行渗水试验。
(4)做对比实验:在同一面上无裂缝修补处按同样的位置同样的方法打三个渗水口，后续操作与上述一致。
(5)动态观测:通过连接不同高度的储水容器来研究不同水压下渗水情况，这样可以避免由于外界因素导致水分流失所带来的实验误差，进行7天动态压水试验。
渗水装置如图5所示，其中1是注浆材料接触注水口，2是混凝土接触注水口，3是储水容器。
图5 渗水装置 下载原图
在注浆试验中需要考虑的因素有四种，分别是注浆材料的浓度或粘度、注浆嘴的间距、裂缝的倾角以及水压的大小。注浆材料的粘度取三个代表性的值:A1,A2,A3，材料配比浓度逐渐升高。裂缝的倾角分别取水平裂缝B1，倾斜裂缝B2和竖直向裂缝B3，如图6所示。注浆间距分别取25cm(C1),35cm(C2)和45cm (C3)。水压的大小分别取无水压(D1),1m水压(D2)和2m水压(D3)。由于试验影响因素较多，若完全考虑所有影响因素组合，则共需要34=81组试验，工作量较大，因此采用代表性的因素组合进行试验。所选取的试验组合如表1所示。
确定试验方案后，针对每一组试验参数，按照前述试验方法进行室内注浆试验。注浆试验完成后5天，待浆液完全凝固后进行渗水试验，在不同渗水压力条件下，测定渗水14天过程中容器水分减少量以便对注浆堵水效果进行检验。通过试验获得在不同裂缝及水压条件下，在保证注浆堵水效果以及注浆对混凝土结构强度修复效果的前提下，堵水效果最好的注浆间距和注浆浓度，为注浆堵水提供工艺指南，节省成本，提高注浆效果。
图6 裂缝角度图示 下载原图
表1 试验组合 下载原图
渗水试验结果如表1所示，图7-10为不同因素作用下修复后裂缝渗水量均值随渗水高度的变化曲线。从表中可以看出，在不考虑外界蒸发损耗下，对比1,3,7组渗水结果并结合图7中注浆材料浓度对于修复后裂缝渗水量均值影响可以发现，随着注浆材料浓度的增大，修复后的裂缝堵水效果更好，但随着浓度升高，效果差异不大;对比1,2,3组渗水结果并结合图8中注浆角度对于修复后裂缝渗水量均值影响可以发现，随着注浆角度的不同，材料堵水性能有着很大的区别，竖向裂缝修复后堵水性能优于倾斜裂缝，明显优于水平裂缝;对比4,5,6组渗水结果并结合图9中注浆间距对于修复后裂缝渗水量均值影响可以发现，注浆间距对结果影响很大，随着注浆间距的增大，修复后材料堵水性能逐渐降低，但注浆间距为35cm与注浆间距为25cm所得到的渗水量相差不多，考虑施工方便和节约成本，实际施工可选择35cm作为最佳间距;对比7,8,9组渗水结果并结合图10中注浆过程中水压大小对于修复后裂缝渗水量均值影响可以发现，注浆时外界水压大小对于注浆效果影响不大，修复后裂缝堵水性能基本保持一致。从各图中对比混凝土接触渗水量来看，该材料的堵水效果远远优于未开裂混凝土衬砌。
图7 注浆材料浓度(A因素)对于修复后裂缝渗水量均值影响 下载原图
图8 注浆角度(B因素)对于修复后裂缝渗水量均值影响 下载原图
图9 注浆间距(C因素)对于修复后裂缝渗水量均值影响 下载原图
因此可以得出结论:(1)浆液浓度越大，衬砌裂缝修复后堵水效果越好，但随着浓度的升高，浆液流动性变差，且堵水效果趋于一致，在满足渗水要求的条件下，应选则合理经济的浓度配比。(2)随着注浆间距的增大，堵水效果会逐渐变差，可以选则35cm作为最佳注浆间距。(3)随着水压的逐渐增大，堵水效果影响不大，这证明该材料的疏水性能强，在注浆过程中受到裂缝内水压影响较小。(4)裂缝倾角对于结果有一定影响，这是因为在重力作用下，浆液会朝着裂缝下端流动，使注浆材料的密实性更好。实验证明该材料堵水性能强，能有效应用于工程实际。在实际使用过程中可参考室内试验所选最优注浆工艺，保证材料浓度适中，注浆间距不宜过大，从而使操作简便且经济。
图1 0 注浆时水压大小(D因素)对于修复后裂缝渗水量均值影响 下载原图
本文针对一种新型的湿固化低粘度环氧堵漏材料注浆堵水效果进行检验。设计了一种室内裂缝模拟方法，能够极大限度还原隧道中自然形成的裂缝，在此基础上，通过预先注水模拟隧道渗水情况，然后对裂缝进行注浆试验并对注浆完成的试块进行渗水检验，通过典型试验得到了不同因素下注浆材料的堵水效果。注浆试验结果表明:(1)浆液浓度越大，衬砌裂缝修复后堵水效果越好，但随着浓度的升高，堵水效果趋于一致。(2)随着注浆间距的增大，堵水效果会逐渐变差，可以选则35cm作为最佳注浆间距。(3)随着水压的逐渐增大，堵水效果影响不大。(4)裂缝倾角越大，注浆效果越好。实验证明该材料堵水性能强，能够有效粘结于有水的混凝土表面，为隧道衬砌渗漏水修复提供了一种合理、有效的选择。
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