某引水隧洞聚脲防滲施工技術

董祥寬，宋艷波

(中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450000)

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，水資源的匱乏已逐漸顯現(xiàn)，尤其是北方的一些大城市和水資源分布不均衡的區(qū)域。目前，國內(nèi)通過逐步修建引水工程來解決區(qū)域缺水問題，如引大入秦工程、引黃入晉工程、引黃濟青工程、引灤入津工程、引碧入連工程和遼寧大伙房輸水隧洞等［1］，本引水隧洞就是在這樣的大環(huán)境下修建的。

一般的無壓引水隧洞的防滲主要是采用防水混凝土、提高防滲級別、增加防滲關卡(防水板、止水帶等)及對施工縫、伸縮縫進行嚴格防滲施工等，部分有壓引水隧洞也是采用這樣的防滲技術。

聚脲是由異氰酸酯類化合物為甲組分、胺類等化合物為乙組分、噴涂雙組分聚脲［2］采用噴涂工藝使2組分混合后發(fā)生反應生成彈性體涂膜的防水涂料。噴涂聚脲彈性體作為新興的防護技術，具有綠色環(huán)保、防護性能良好和施工技術先進等優(yōu)勢［3］，主要應用于防水工程(隧道、高速鐵路橋梁、水利工程、污水處理池等)的防滲［4－5］、抗裂［6］、抗蝕［7］及結構混凝土防護、防腐工程(管道內(nèi)外壁)、耐磨工程、海洋工程(壩體、溢洪道、柱墩等)、工業(yè)地坪和運動場地(球場、跑道面層防護)等。

本引水隧洞為雙層襯砌，內(nèi)襯為預應力鋼筋混凝土結構，外襯為鋼筋混凝土管片，內(nèi)襯外襯以排水墊層分隔，具單獨受力特性。該引水隧洞的滲水排水方式為內(nèi)水內(nèi)排(隧洞滲水到墊層后，再由盲管匯集到隧洞底板內(nèi)的縱向排水管，最后排入到端頭工作井，再抽排到明渠內(nèi)，沒有滲透到隧洞土體內(nèi)，以節(jié)約輸水成本和保證結構安全)，這種雙層襯砌單獨受力的高壓引水隧洞在國內(nèi)外還沒有先例。隧洞外襯的鋼筋混凝土管片之間為螺栓連接，屬于活動鉸接連接，不能承受隧洞內(nèi)高壓水的外拉張力，只能承受外圍巖的外水土壓力。在基本荷載組合下，全截面受壓，滿足結構承載與正常使用要求，在內(nèi)外襯之間通過設置排水墊層，加強對滲漏水的排放，以防止內(nèi)水外滲造成隧洞外圍土滲透破壞。本次的防滲處理是對內(nèi)襯分段施工的環(huán)向接縫和錨具槽的表面噴涂聚脲，以防止隧洞內(nèi)壓水沿環(huán)向接縫、錨具槽的施工縫滲入混凝土和波紋管鋼鉸線的內(nèi)部。

1 工程概況

河南某隧洞為一個輸水隧洞，長4 250 m，設計流量265 m3/s，加大流量320 m3/s，隧洞運營后內(nèi)壓水將達到0.5 MPa，為高水壓引水隧洞。隧洞為全圓斷面，見圖1。外襯為鋼筋混凝土管片，內(nèi)徑7.0 m，外徑8.7 m，內(nèi)襯采用現(xiàn)澆法施工，為后張法預應力鋼筋混凝土整體結構，采用強度 C40、抗?jié)B等級 W12、抗凍等級F200的預應力混凝土，厚度45 cm，預應力鋼筋張拉完成后，對錨具槽進行封錨。

圖1 引水隧洞結構示意圖Fig.1 Lining structure of water-conveyance tunnel

本次的防滲處理是對內(nèi)襯分段施工的環(huán)向接縫和錨具槽的表面噴涂聚脲，隧洞內(nèi)每個標準段的21個錨具槽都需要進行防滲處理(錨具槽內(nèi)的預應力鋼鉸線的張拉接頭)，陰影部分為聚脲施工范圍，見圖2。

圖2 錨具槽及底板縱向施工縫聚脲封閉施工(隧道展開)(單位:mm)Fig.2 Scope of polyurea spraying(mm)

2 施工環(huán)境影響

隧洞內(nèi)溫度及濕度:隧洞內(nèi)溫度為15～20℃，濕度99%。采用相同工藝在地表以及隧洞內(nèi)噴涂聚脲，隧洞外等強3 d進行拉拔檢測，其黏接力為2.51 MPa，見圖3。隧洞內(nèi)等強7 d進行拉拔檢測，其黏接力為1.8 MPa。由此可見，溫度、濕度環(huán)境對聚脲黏接強度［9］具有一定影響。

圖3 隧洞外拉拔試驗操作Fig.3 Bonding strength test made outside the tunnel

3 施工設備

采用美國固瑞特公司生產(chǎn)的H系列噴涂設備，如圖4所示。施工時將主機配置的2支抽料泵分別插入裝有A、B原料的桶內(nèi)，借助主機產(chǎn)生的高壓(24 MPa)將原料推入噴槍混合室，進行混合、霧化后噴出，噴涂雙組分聚脲。在到達基層的同時，涂料幾乎已近凝膠，5～10 s后，涂層完全固化。

圖4 雙組分聚脲噴涂設備Fig.4 Two-component polyurea spraying equipment

4 材料性能要求

通常包括底涂材料(基層處理劑)、噴涂聚脲材料和搭接專用黏結劑(層間黏合劑)。

4.1 聚脲材料

噴涂聚脲彈性體材料型號為SPUA－SKJ，具有無毒、綠色環(huán)保、防護性能良好和施工技術先進等優(yōu)勢，而且耐久性好、耐老化、耐水、防沖刷，基本性能指標見表1。

表1 聚脲材料基本性能指標Table 1 Basic parameters of polyurea material

4.2 底涂材料

選用現(xiàn)場調(diào)配方便、使用簡單、適應長期水中浸泡的底涂，主要為環(huán)氧型底涂和聚氨酯類底涂，涂在打磨好的基面上，介于打磨基面與聚脲涂層之間，用于提高黏結力;要求底涂與打磨基面、底涂與聚脲涂層之間的黏結強度均大于 2.5 MPa［10］。

底涂技術指標見表2。

表2 底涂技術指標Table 2 Technical parameters of prime coating

5 施工工藝及施工方法

5.1 施工工藝流程

混凝土表面浮漿打磨、切槽—基面清塵—基面潮濕處理—噴涂區(qū)域外保護—第1道環(huán)氧底涂—環(huán)氧膩子修補—刷第2道環(huán)氧底涂(封閉膩子)—刷聚氨酯底涂—表層噴涂聚脲施工—防護。

5.2 施工方法

5.2.1 基面處理

1)對需封閉范圍的內(nèi)襯表面采用砂輪打磨，要求打磨掉浮漿露出混凝土骨料，不留階坎(該工藝的缺點為施工時粉塵多，由于聚脲施工基面必須要求干燥，沒有找到更好除去混凝土表面浮漿的工藝);在封閉范圍邊緣設倒三角嵌槽，見圖5。倒三角嵌槽務必定位準確，采用砂輪打磨以形成嵌槽，并滿足寬度和深度要求;砂輪打磨處理后，檢查基層，對基層凹凸不平部位、孔洞和裂縫部位采用環(huán)氧樹脂膩子厚聚合物水泥砂漿(強度不小于45 MPa)填抹平。等抹平材料固化后再打磨平。

2)對隧道進行分段施工，打磨完成后，用高壓風清掃，不得留有泡沫板殘渣、混凝土灰渣和塵土，以形成新鮮基面。

圖5 錨具槽聚脲嵌槽大樣圖(單位:mm)Fig.5 Detail of polyurea spraying groove of anchorage slot(mm)

5.2.2 基面潮濕處理

使用煤氣對內(nèi)襯混凝土表面明水進行短時間的烘干處理，以達到混凝土作業(yè)面干燥。

5.2.3 底涂施工

采用環(huán)氧型底涂，涂刷第1遍然后使用環(huán)氧膩子進行缺陷修補，待膩子表干后進行第2遍環(huán)氧型底涂涂刷(封閉膩子)，表干(12 h)后48 h內(nèi)涂刷聚氨酯類底漆，具體如下:

1)雙組分環(huán)氧型的底涂材料用攪拌機充分攪拌(攪拌5 min);

2)將環(huán)氧底涂第1遍采用涂刷方法均勻涂布，見圖6;

3)環(huán)氧底涂刷完后24 h內(nèi)刮涂無溶劑環(huán)氧膩子(最短可在刷涂完底涂第1遍后馬上刮涂膩子);

圖6 底涂施工Fig.6 Prime coating construction

4)環(huán)氧膩子表干后進行環(huán)氧型底涂第2遍的施工，底涂施工12～48 h，進行聚氨酯底漆涂刷。如果時間間隔超過48 h，需要重新刷涂1遍聚氨酯底涂后再進行下一步施工。

5)3～4 h聚氨酯底涂干燥后進行下一步聚脲施工。

5.2.4 貼邊保護

底涂施工完成后，為了避免對噴涂工作面以外的混凝土面造成污染，同時為了保持聚脲噴涂面的整潔，需要對聚脲噴涂面兩側使用雙面膠粘貼牛皮紙或其他材料進行貼邊保護，不需要噴涂的地方用牛皮紙蓋住，見圖7。

圖7 聚脲噴涂前錨具槽貼邊保護Fig.7 Protection before polyurea spraying

5.2.5 聚脲噴涂施工

1)在噴聚脲前，先進行試噴，以確定噴射效果，如噴射的速度、膠凝時間等。當聚脲噴出至基層時幾乎已近凝膠，涂層完全固化的凝膠時間5～10 s較為合理，當凝膠時間較長時，易出現(xiàn)聚脲噴涂流淌現(xiàn)象，導致聚脲厚度不均。涂噴涂前必須確認吐出量及配合比是否正常，嚴格控制出料比例(A、B液質(zhì)量比為1∶1)及速度(2.5～3.0 L/min)，參考用量為每毫米的涂料使用量約 1.2 kg/m2。

2)同一位置噴涂2～4遍，縱橫交叉連續(xù)噴涂至所需厚度。噴槍口與噴涂面宜垂直保持60～100 cm，走槍以一槍覆蓋住前一槍的3/4～4/5為準，按約每2秒一步的行進速度控制;第1遍盡可能噴薄一些，走槍速度要稍快，同一位置噴涂第1遍后，應待涂層凝固1 min左右后，再噴第2遍，見圖8和圖9。

噴涂先細部后大面，先上后下，縱橫噴涂，直到噴涂厚度100%達到設計要求。為了保證噴涂厚度均勻，每遍噴涂不要太厚，可以通過噴槍、混合室、噴嘴的不同組合或通過控制噴槍的移動速度來控制。

3)聚脲噴涂厚度不小于3 mm。

4)噴涂環(huán)境:宜在溫度10～50℃，相對濕度小于85%的條件下進行。

5)噴涂施工時應保證表面平整，表面無氣孔、氣泡、褶皺;涂層厚度要均勻，層間不得有水或灰塵，確保各層黏結良好。

圖8 內(nèi)襯混凝土間的接縫噴涂聚脲Fig.8 Polyurea spraying

圖9 錨具槽和接縫噴涂聚脲完成Fig.9 Tunnel lining after polyurea spraying

5.2.6 聚脲修邊

噴涂完成后，及時對聚脲邊緣進行修整，以達到平整美觀的效果，見圖10。

圖10 聚脲修邊Fig.10 Trimming

5.2.7 防護

施工完成后，應注意養(yǎng)護，尤其是車道平臺底部噴涂范圍，應采取防護措施避免完成噴涂的聚脲受損。

5.3 施工作業(yè)面防塵

1)塵土會嚴重影響聚脲施工質(zhì)量，噴涂作業(yè)面需要做防塵處理。對整個隧洞進行分段施工，最前段為打磨基面段，中間為底涂作業(yè)段，最后面為聚脲噴涂作業(yè)段，將聚脲噴涂作業(yè)面的外部影響降至最低。

2)每一步施工前需要使用吸塵器等除塵措施進行徹底清理。

6 質(zhì)量控制措施及質(zhì)量檢測

6.1 壓水試驗檢查

施工過程只對縱向施工縫的聚脲薄膜抽樣進行壓水檢查，見圖11。每條隧洞抽樣檢測的數(shù)量為每艙1條，抽樣檢測的縱向施工縫位置隨機選定。當壓水檢查水壓達到0.55 MPa時，穩(wěn)壓20 min，在此期間聚脲表面不發(fā)生鼓包、撕裂和滲漏等缺陷即為合格。

加壓管位于混凝土板結縫噴涂聚脲層與遇水膨脹橡膠止水條之間，壓水檢測如圖12所示。

圖11 內(nèi)水壓檢測(水壓0.55 MPa)Fig.11 Test under 0.55 MPa pressure

6.2 黏結強度和聚脲厚度檢測

檢測黏接強度時，采用如下方法［11］(見圖3)。

1)噴涂施工后，聚脲材料7 d后強度達到要求最終強度的70%以上，可在施工區(qū)域原位進行黏結強度檢測。

圖12 壓水檢測圖(單位:mm)Fig.12 Sketch of water pressure test(mm)

2)在1 m2的檢測區(qū)域內(nèi)進行黏結強度檢測，用專用刀切透涂層至混凝土面，切縫形狀為直徑40 mm的圓形。

3)將標準鋼塊(φ20 mm)用專用膠黏結在測試位置，采用黏結強度測試儀進行檢測。儀器的安裝使用按照操作說明書進行。

4)把拉拔儀與拉拔頭連接，打開顯示屏，進行拉拔，當檢測部位被拉斷時，屏幕上自動顯示其黏結強度值，記錄數(shù)值。

5)黏結強度檢測后，測量拉拔頭上聚脲涂層的厚度，記錄數(shù)值。

7 結論與討論

高壓引水隧洞經(jīng)過聚脲防滲處理之后，引水隧洞的外滲水量大幅降低，根據(jù)實測，在試運營時沒有防滲處理前整條隧洞滲水量為70 L/s，處理后下降至28.5 L/s，防滲處理效果非常明顯，降低了隧洞結構的運營風險，同時也降低了隧洞輸水的運營成本。

在引水隧洞、鐵路防護、橋梁、隧道和水利工程等均采用過聚脲進行防滲、保護和混凝土結構加固等案例，但在高水壓、快流速的運營環(huán)境下，采用聚脲防滲技術國內(nèi)還沒有先例。聚脲防滲技術在該工程的成功應用，為以后類似項目提供了經(jīng)驗。在長期的高水壓情況下聚脲防滲的耐久性和永久性還需要進一步探討和試驗。

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