輸水隧洞混凝土表面降糙及補強研究與應(yīng)用

李 娜 劉海樂 王禮峰

(北京金河水務(wù)建設(shè)集團有限公司，北京 102206)

北京市南水北調(diào)配套工程團城湖至第九水廠輸水工程(二期)(下文簡稱“團九項目”)輸水隧洞使用盾構(gòu)法成型，以往的二襯混凝土表面涂刷一層環(huán)氧陶瓷，但對其進行的停水檢修發(fā)現(xiàn)，隧洞中存在大量的脫落現(xiàn)象，主要是因為環(huán)氧陶瓷與混凝土表面接觸面附著性不強，隧洞長期處于滿流狀態(tài)可能會避免起皮、脫落的發(fā)生，但是無法避免低水位運行及停水檢修等。目前，為滿足團九項目的隧洞表面糙率及耐久性要求，采用了環(huán)氧涂層的施工技術(shù)，解決了糙率過大及耐久性不足的問題。

1 工程概況

團城湖至第九水廠輸水二期工程，是配套工程“一條環(huán)路”中的最后一段未建工程，該工程建成后，環(huán)路將會實現(xiàn)貫通，全線閉合。隧洞從團城湖調(diào)節(jié)池環(huán)線分水口末端取水，終點與團城湖至第九水廠輸水工程一期龍背村閘站預(yù)留的接口連接，總長度約為4.0km。沿線布置有排氣閥井4座，排空閥井1座，東水西調(diào)分水口、團北取水閘站及相關(guān)管理用房。

輸水隧洞為內(nèi)徑4.7m，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，其中一襯為C50W10F150預(yù)制鋼筋混凝土盾構(gòu)管片，厚度300mm，二襯為圓形，采用C30W6F150模筑鋼筋混凝土，厚度350mm，使用C30W6F150自密實混凝土，每12m(轉(zhuǎn)彎處7.5m)設(shè)置一道永久變形縫(見圖1)。

圖1 盾構(gòu)法輸水隧洞結(jié)構(gòu)層示意圖

2 輸水隧洞混凝土表面涂層技術(shù)研究目的

根據(jù)近年來水工隧洞檢修經(jīng)驗，水工輸水隧洞(有壓引水或無壓引水)由于多種原因，會不可避免地存在幾方面的問題：一是混凝土襯砌微細(xì)裂隙的滲漏對混凝土長期耐久性和圍巖安全可靠性的影響問題；二是混凝土襯砌表面淡水殼菜及生物附著生長影響過水流速和流量問題；三是混凝土襯砌表面粗糙度較大影響過水效率和過水安全穩(wěn)定可靠問題。

團九(二期)工程正向輸水規(guī)模：南段輸水規(guī)模為28.3m3/s；北段輸水規(guī)模為24.3m3/s。反向輸水規(guī)模：18.3m3/s。經(jīng)過現(xiàn)場測定，混凝土的糙率為0.013，為確保輸水隧洞長期安全、穩(wěn)定高效運行、能夠滿足本工程輸水規(guī)模要求，設(shè)計給定的糙率為0.010以下，因此輸水隧洞混凝土襯砌表面實施有效技術(shù)措施增加防護及降糙是必要的。

長距離自流輸水隧洞的過流能力是水頭差、斷面形狀尺寸、隧洞長度和糙率的函數(shù)。在長距離輸水隧洞可用水頭差、斷面及長度等已經(jīng)確定的情況下，隧洞糙率是影響隧洞輸水能力和運行效益的關(guān)鍵因素。糙率是衡量輸水建筑物過流表面粗糙程度對水流阻力影響的綜合性系數(shù)，是過流表面當(dāng)量粗糙度和水力半徑、流態(tài)的函數(shù)，是輸水系統(tǒng)設(shè)計、運行的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)之一。對于長距離有壓輸水系統(tǒng)而言，水流通常處于阻力平方區(qū)，在過水?dāng)嗝嫘螤畛叽缫欢ǖ那闆r下，其水力半徑為常數(shù)，則糙率值只與輸水建筑物過流表面當(dāng)量粗糙度有關(guān)。而過流表面當(dāng)量粗糙度會受到襯砌施工質(zhì)量、混凝土養(yǎng)護條件、使用年限、生物附著、泥沙淤積等諸多因素影響。對于長距離輸水工程而言，在施工建設(shè)階段提高混凝土襯砌施工質(zhì)量，降低壁面粗糙度，在運行維護階段延長混凝土壽命，減緩混凝土壁面劣化、防止生物附著和侵蝕，減緩壁面粗糙度增大，均是減少沿程輸水阻力、增加工程輸水能力、提高工程運行效益的有效途徑。因此，開展長距離輸水工程降糙提效研究，對于充分挖掘和提升工程效益，提高城市供水保障能力具有重要意義。

3 工藝原理

輸水隧洞混凝土表面缺陷修復(fù)的技術(shù)路線為“增加混凝土面干燥度+混凝土表面處理+環(huán)氧涂層施工”。在這個技術(shù)原則指導(dǎo)下，擬定具體的技術(shù)要求和施工工藝。

基礎(chǔ)的技術(shù)措施分為兩部分：基面處理和環(huán)氧涂層施工。對防滲基面進行打磨或高壓水沖洗，清除表面浮漿、灰塵、油污及其他附著物，露出堅實表面并干燥；采用封閉型環(huán)氧膩子對基層氣孔、空洞等缺陷進行填充修復(fù)，使基層表面平整，無氣孔等缺陷；在混凝土表面涂刷環(huán)氧涂層進行降糙處理，降低洞壁糙率，隔絕隧洞內(nèi)水和混凝土表層，減少混凝土面的侵蝕，增加耐久性。

4 技術(shù)工藝流程

最終形成：表面清理(高壓水槍)→高強砂漿找平補強→錯臺打磨→二襯沖洗→表面風(fēng)干→檢查干燥度→洞壁噴涂→底部平臺滾涂的混凝土表面防護施工藝流程(見圖2)。高壓清洗機(30MPa)反復(fù)沖洗基面，露出新鮮的混凝土基面，使混凝土表面達到干燥、堅實、潔凈的效果；高強砂漿基礎(chǔ)能夠補強混凝土表面強度、封堵混凝土表面裂縫，提高了混凝土結(jié)構(gòu)的合理施工年限，為面層施工提供堅實基礎(chǔ)，保證了后續(xù)施工質(zhì)量。環(huán)氧涂層面層結(jié)構(gòu)底漆+底漆+面漆+面漆+面漆總厚度達到500μm，底漆作為基礎(chǔ)及面漆的過渡層，能夠保證基礎(chǔ)與面漆達到最佳的黏結(jié)強度，面漆作為混凝土表面的防護材料，是降低混凝土表面粗糙程度的主要基礎(chǔ)，保證了水工隧洞過水率要求，整個施工技術(shù)利用基礎(chǔ)與面層材料與混凝土的黏結(jié)，同時利用面層的光滑度，降低了混凝土襯砌表面因淡水殼菜及生物附著生長影響過水流速和流量問題，同時也降低了混凝土襯砌表面粗糙度較大影響過水效率和過水安全穩(wěn)定可靠問題，保證了水工隧洞的輸水規(guī)模要求。

圖2 環(huán)氧涂層施工流程

4.1 基面清洗

先利用自動高壓清洗機(30MPa)反復(fù)沖洗基面，沖洗輸水隧洞混凝土清表面浮漿、灰塵、油污及其他附著物，達到干燥、堅實、潔凈、無塵、無雜物、無脫模劑等。露出新鮮混凝土基面，使混凝土表層潔凈。清洗完成后混凝土表面如存在氣孔，采用高強砂漿進行氣孔封閉處理，達到封閉效果。高強砂漿施工后3h后，可進行防滲面層涂覆。

4.2 錯臺打磨

輸水隧洞混凝土表面如存在錯臺利用角磨機打磨平整，打磨后如果出現(xiàn)氣孔，則需要在涂覆防滲涂層前利用高強砂漿進行封閉處理。

4.3 二次沖洗

利用自動高壓清洗機(30MPa)沖洗表面灰塵、水泥渣及疏松的附著物等。

4.4 表面風(fēng)干

隧洞內(nèi)用大功率風(fēng)機(37kW)送風(fēng)，樁號0+000～1+308.089送風(fēng)方向從上游到下游，從東水西調(diào)分水井、1號排氣閥井、2號排氣閥井出風(fēng)，樁號1+316.489～2+154.629送風(fēng)方向從下游到上游，從東水西調(diào)分水井出風(fēng)，通風(fēng)直至隧洞干燥為止。同時在隧洞局部彎管處，需增加風(fēng)機，保證每30m一臺。

4.5 檢查干燥

采用覆膜觀測法，準(zhǔn)備一片5cm×5cm的薄膜和一卷膠帶，然后將薄膜覆蓋到混凝土表面，用膠帶黏住這塊塑料薄膜四周，確保薄膜密不透氣，約12h后撕開膠帶，檢查薄膜上是否有水珠。如果有水珠，則表明基面含水過高，基面不得進行涂刷作業(yè)，需要對基面繼續(xù)進行強制通風(fēng)干燥處理。如薄膜干燥沒有水珠，則表明含水量符合要求，可以對基面進行施工。

4.6 涂層施工

4.6.1 底漆涂刷

取預(yù)配好的底料適量，按10(主料)∶1(固化劑)的比例加入攪拌至顏色均勻后使用，且一次配料使用時間不應(yīng)超過30min。用毛刷或滾筒均勻地將配制好的底漆涂刷到已處理的待襯基體表面上。待第一道底涂涂刷12h后涂刷第二道底涂，第二道底涂涂刷前應(yīng)檢查第一道底涂的固化程度和涂裝施工的條件，且第二道配制的底涂其顏色應(yīng)明顯不同于第一道底涂，兩道底涂涂刷方向應(yīng)相互垂直。

4.6.2 施工料配制

取基料適量，按比例加入規(guī)定量的輔料，采用電動攪拌措施，充分?jǐn)嚢杈鶆?。每次攪拌的施工料?yīng)控制在30～40min內(nèi)用完，施工料初凝時間應(yīng)控制在45～60min。配料桶在重復(fù)使用時，必須清理干凈。

4.6.3 襯砌修補

對未硬化、夾雜物質(zhì)量缺陷實施挖除修補(見圖3)。

圖3 修補工序

4.6.4 面涂涂刷

取預(yù)配好的面涂適量，按比例加入輔料，攪拌至顏色均勻后使用。將已配制好的面涂均勻地涂裝(可采用噴涂、刷涂、滾涂等工藝)到已完成上述工序作業(yè)的襯里表面上。待第一道面涂涂刷12h后可涂裝第二道面涂，第二道面涂涂裝前應(yīng)檢查第一道面涂的固化程度和涂裝施工的條件，兩道面漆涂刷方向應(yīng)相互垂直(采用噴涂工藝時無此要求)。每道面涂厚度約100μm，設(shè)計要求環(huán)氧涂層施工厚度不低于500μm(即底涂一遍，面涂四遍)。面料表面涂刷要求光滑、無毛刺、無流淌。

平臺隧洞二襯平臺位置采用滾輪涂刷，管壁采用管內(nèi)壁機械噴涂，施工時從上到下施工，先施工洞壁涂層，最后統(tǒng)一施工二襯平臺部位。

5 檢測與評價

5.1 外觀檢查

面層養(yǎng)護7天后可進行相關(guān)檢測與評價，對外觀、厚度、黏結(jié)力進行檢測。目視檢查，應(yīng)外觀均勻一致，涂層飽滿，無氣泡、開裂、剝落等缺陷。

5.2 黏結(jié)力抽查

涂層固化后，環(huán)氧涂層與基層的黏結(jié)強度應(yīng)采用拉開法檢測。檢測齡期為7～14天，測試按《環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5193—2021)規(guī)定執(zhí)行：用取芯鉆垂直鉆孔，深度應(yīng)透過環(huán)氧涂層并深入混凝土基層10～20mm，切割時應(yīng)盡量減小對混凝土基層的擾動；清除鉆芯表面的塵土，用快凝強力膠黏劑將φ50的標(biāo)準(zhǔn)試柱黏結(jié)到環(huán)氧涂層待測面上，膠黏劑固化前不得擾動；連接拉拔儀并以0.10kN/s±0.02kN/s(相當(dāng)于0.05MPa/s)的速率持續(xù)加力直至破壞，過程中避免波動。記錄破壞拉力值及破壞類型。以5測點為一組，以其算數(shù)平均值作為該組檢驗值。一組測點中應(yīng)至少有3個檢測有效值，如不足3個，重做試驗；如測點為基面破壞，且檢驗值低于設(shè)計值時，不應(yīng)計入檢測平均值計算，但應(yīng)計為黏結(jié)強度合格測點?，F(xiàn)場檢測報告應(yīng)包括每個測點的破壞形式、黏結(jié)力值和黏結(jié)強度的平均值。

5.3 厚度檢查

施工過程中隨時采用梳規(guī)測量每一層涂層厚度，對未固化涂層厚度進行控制，發(fā)現(xiàn)不合格情況及時處理。涂層的平均厚度應(yīng)滿足設(shè)計要求，測點最小厚度應(yīng)不小于設(shè)計厚度的80%，厚度小于設(shè)計厚度的比例不大于15%。

6 效果分析

本工程所采用的混凝土表面補強、降糙技術(shù)創(chuàng)新按照其作用主要分為兩個部分。

第一部分(基礎(chǔ)處理部分)主要利用高壓水(30MPa)沖洗及高強度砂漿使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層滿足要求，其工作原理利用自動高壓清洗機(30MPa)沖洗，表面灰塵、水泥渣及疏松的附著物等達到混凝土表面干凈整潔，減少由打磨帶來的不利環(huán)境，再利用高強砂漿進行基礎(chǔ)處理解決了輸水隧洞內(nèi)空氣濕度較大問題，最終使基礎(chǔ)平整度、強度等滿足施工要求，為涂層施工做好準(zhǔn)備工作，為增加涂層與混凝土表面的黏結(jié)強度創(chuàng)造條件。

第二部分(涂層結(jié)構(gòu)部分)主要由底漆及面漆組成，底漆按10(主料)∶1(固化劑)的比例加入攪拌至顏色均勻后使用涂刷兩遍，底漆能夠是基礎(chǔ)與面漆過渡層，能夠保證基礎(chǔ)與面漆達到最佳的黏結(jié)強度，使黏結(jié)強度達到設(shè)計要求，而面漆施工完成后能夠使混凝土表面更加光滑，達到降糙及防止微生物附著的效果。

7 結(jié) 論

混凝土表面增加保護能夠減少淡水殼菜及生物附著生長在混凝土表面，避免了對混凝土表面的侵蝕，同時，也保證了混凝土結(jié)構(gòu)強度，提高了輸水隧洞運行的耐久性。能夠保證輸水規(guī)模的要求，滿足了自來水廠的供水要求，保證了各水廠的正常供水，具有良好的社會效益。減少了后期運行維護中的隱患，并給后期的維護節(jié)省了工程費用，具有良好的社會效益。此技術(shù)在新建水利項目及檢修工程應(yīng)用前景廣闊，應(yīng)積極推廣。