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(jì)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(jì)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(jí)別、增加防滲關(guān)卡(防水板、止水帶等)及對施工縫、伸縮縫進(jìn)行嚴(yán)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(shù)。

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(yīng)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(hù)技術(shù)，具有綠色環(huán)保、防護(hù)性能良好和施工技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)勢［3］，主要應(yīng)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(jié)構(gòu)混凝土防護(hù)、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(yùn)動(dòng)場地(球場、跑道面層防護(hù))等。

本引水隧洞為雙層襯砌，內(nèi)襯為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(dú)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(jié)構(gòu)安全)，這種雙層襯砌單獨(dú)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(dòng)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(jié)構(gòu)承載與正常使用要求，在內(nèi)外襯之間通過設(shè)置排水墊層，加強(qiáng)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(gè)輸水隧洞，長4 250 m，設(shè)計(jì)流量265 m3/s，加大流量320 m3/s，隧洞運(yùn)營后內(nèi)壓水將達(dá)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(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，采用強(qiáng)度 C40、抗?jié)B等級(jí) W12、抗凍等級(jí)F200的預(yù)應(yīng)力混凝土，厚度45 cm，預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉完成后，對錨具槽進(jìn)行封錨。

圖1 引水隧洞結(jié)構(gòu)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)段的21個(gè)錨具槽都需要進(jìn)行防滲處理(錨具槽內(nèi)的預(yù)應(yīng)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(qiáng)3 d進(jìn)行拉拔檢測，其黏接力為2.51 MPa，見圖3。隧洞內(nèi)等強(qiáng)7 d進(jìn)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(qiáng)度［9］具有一定影響。

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

3 施工設(shè)備

采用美國固瑞特公司生產(chǎn)的H系列噴涂設(shè)備，如圖4所示。施工時(shí)將主機(jī)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(jī)產(chǎn)生的高壓(24 MPa)將原料推入噴槍混合室，進(jìn)行混合、霧化后噴出，噴涂雙組分聚脲。在到達(dá)基層的同時(shí)，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(shè)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(jié)劑(層間黏合劑)。

4.1 聚脲材料

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

表1 聚脲材料基本性能指標(biāo)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(yīng)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(jié)力;要求底涂與打磨基面、底涂與聚脲涂層之間的黏結(jié)強(qiáng)度均大于 2.5 MPa［10］。

底涂技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 底涂技術(shù)指標(biāo)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(hù)—第1道環(huán)氧底涂—環(huán)氧膩?zhàn)有扪a(bǔ)—刷第2道環(huán)氧底涂(封閉膩?zhàn)?—刷聚氨酯底涂—表層噴涂聚脲施工—防護(hù)。

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(diǎn)為施工時(shí)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(shè)倒三角嵌槽，見圖5。倒三角嵌槽務(wù)必定位準(zhǔn)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?zhàn)雍窬酆衔锼嗌皾{(強(qiáng)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(jìn)行分段施工，打磨完成后，用高壓風(fēng)清掃，不得留有泡沫板殘?jiān)?、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(jìn)行短時(shí)間的烘干處理，以達(dá)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?zhàn)舆M(jìn)行缺陷修補(bǔ)，待膩?zhàn)颖砀珊筮M(jìn)行第2遍環(huán)氧型底涂涂刷(封閉膩?zhàn)?，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(jī)充分?jǐn)嚢?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?zhàn)?最短可在刷涂完底涂第1遍后馬上刮涂膩?zhàn)?;

圖6 底涂施工Fig.6 Prime coating construction

4)環(huán)氧膩?zhàn)颖砀珊筮M(jìn)行環(huán)氧型底涂第2遍的施工，底涂施工12～48 h，進(jìn)行聚氨酯底漆涂刷。如果時(shí)間間隔超過48 h，需要重新刷涂1遍聚氨酯底涂后再進(jìn)行下一步施工。

5)3～4 h聚氨酯底涂干燥后進(jìn)行下一步聚脲施工。

5.2.4 貼邊保護(hù)

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(shí)為了保持聚脲噴涂面的整潔，需要對聚脲噴涂面兩側(cè)使用雙面膠粘貼牛皮紙或其他材料進(jìn)行貼邊保護(hù)，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(hù)Fig.7 Protection before polyurea spraying

5.2.5 聚脲噴涂施工

1)在噴聚脲前，先進(jìn)行試噴，以確定噴射效果，如噴射的速度、膠凝時(shí)間等。當(dāng)聚脲噴出至基層時(shí)幾乎已近凝膠，涂層完全固化的凝膠時(shí)間5～10 s較為合理，當(dāng)凝膠時(shí)間較長時(shí)，易出現(xiàn)聚脲噴涂流淌現(xiàn)象，導(dǎo)致聚脲厚度不均。涂噴涂前必須確認(rèn)吐出量及配合比是否正常，嚴(yán)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(zhǔn)，按約每2秒一步的行進(jìn)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(yīng)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(xì)部后大面，先上后下，縱橫噴涂，直到噴涂厚度100%達(dá)到設(shè)計(jì)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(dòng)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(jìn)行。

5)噴涂施工時(shí)應(yīng)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(jié)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(shí)對聚脲邊緣進(jìn)行修整，以達(dá)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(hù)

施工完成后，應(yīng)注意養(yǎng)護(hù)，尤其是車道平臺(tái)底部噴涂范圍，應(yīng)采取防護(hù)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?xí)?yán)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(gè)隧洞進(jìn)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(jìn)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(yàn)檢查

施工過程只對縱向施工縫的聚脲薄膜抽樣進(jìn)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(jī)選定。當(dāng)壓水檢查水壓達(dá)到0.55 MPa時(shí)，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(jié)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(jié)強(qiáng)度和聚脲厚度檢測

檢測黏接強(qiáng)度時(shí)，采用如下方法［11］(見圖3)。

1)噴涂施工后，聚脲材料7 d后強(qiáng)度達(dá)到要求最終強(qiáng)度的70%以上，可在施工區(qū)域原位進(jìn)行黏結(jié)強(qiáng)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(jìn)行黏結(jié)強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)鋼塊(φ20 mm)用專用膠黏結(jié)在測試位置，采用黏結(jié)強(qiáng)度測試儀進(jìn)行檢測。儀器的安裝使用按照操作說明書進(jìn)行。

4)把拉拔儀與拉拔頭連接，打開顯示屏，進(jìn)行拉拔，當(dāng)檢測部位被拉斷時(shí)，屏幕上自動(dòng)顯示其黏結(jié)強(qiáng)度值，記錄數(shù)值。

5)黏結(jié)強(qiáng)度檢測后，測量拉拔頭上聚脲涂層的厚度，記錄數(shù)值。

7 結(jié)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(shí)測，在試運(yùn)營時(shí)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(jié)構(gòu)的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也降低了隧洞輸水的運(yùn)營成本。

在引水隧洞、鐵路防護(hù)、橋梁、隧道和水利工程等均采用過聚脲進(jìn)行防滲、保護(hù)和混凝土結(jié)構(gòu)加固等案例，但在高水壓、快流速的運(yùn)營環(huán)境下，采用聚脲防滲技術(shù)國內(nèi)還沒有先例。聚脲防滲技術(shù)在該工程的成功應(yīng)用，為以后類似項(xiàng)目提供了經(jīng)驗(yàn)。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(jìn)一步探討和試驗(yàn)。

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