隧洞预应力混凝土锚具槽防腐方案研究

2014-03-22曲宝玺

东北水利水电 2014年5期

关键词：锚具钢绞线环氧

曲宝玺

（辽宁省大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳 110003）

隧洞预应力混凝土锚具槽防腐方案研究

曲宝玺

（辽宁省大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳 110003）

大伙房水库输水工程隧洞，采用双圈环绕无粘结预应力衬砌，是目前国内采用无粘结预应力衬砌技术最长的隧洞。锚具是环形无粘结预应力混凝土体系的关键所在，因此锚具及锚固区的防腐处理是保证该体系完整性和耐久性的关键工序。通过试验研究比较，锚具槽防腐工艺采用独创的 SLF 双组分涂料、带密封卡环的无氯塑料保护套管、高压无气设备灌注，使张拉时剥离的裸钢绞线和夹片全部密封，达到防腐目的，取得了较好的效果。

隧洞；预应力；锚具槽；防腐

1 方案背景

大伙房水库输水（二期）工程隧洞段总长 25.5 km，其中采用双圈环绕无粘结预应力衬砌段总长11.47km，占总长度的 45%。混凝土设计指标为C40W12F150，采用 φ15.24 高强低松弛 1860 级钢绞线。整个环形预应力体系具有材料强度高、抗裂和抗渗性能好、结构变形小、耐久性高等优点，在承受 0.5MPa 内压情况下，显著降低了隧洞开挖、支护、回填等工程量和结构材料用量，技术经济综合效益高。

锚具是环形无粘结预应力混凝土体系的关键所在，一旦失效，预应力钢筋将丧失全部预应力。因此锚具及锚固区的防腐处理是保证该体系完整性和耐久性的关键工序。小浪底排沙洞在此方面积累了一些经验教训，其锚具槽内张拉区的钢绞线采用了与其他部位相同的防腐润滑方式，即 PE套+防腐润滑脂，运行一年后，进洞检查发现了锚具槽处大量的渗油和流油现象，将造成预应力钢绞线防腐体系的破坏、影响锚固夹片使用寿命、锚固力减少较快等，长期工作将使整个预应力体系失效，发现此类严重问题后，进行了多种补救方案的必选，最后采用环氧类材料修补，单槽造价近 2000元。对于大型输水工程而言，技术要求将更加苛刻，第一该工程输水隧洞只有一条，几乎没有检修时间，不可能象小浪底排沙洞那样安排充足的时间专门处理；第二绝不允许防腐润滑油出漏污染水质；第三对锚具体系的安全性要求更高，一旦预应力体系失效，将造成严重的经济损失和恶劣的社会影响。因此如何保证锚具及其锚固区的防腐方案的安全性至关重要。

2 试验方案研究

根据锚具及其锚固区防腐重要性要求，利用刘山出口段隧洞已衬砌完成的二板预应力混凝土试验段，在 2008 年进行了多种方案的试验与比较，具体如下：

1）环氧砂浆回填方案。此方案的要点是将锚具槽凿毛后，采用抹布和砂纸将已完成张拉锚固工作的裸露钢绞线表面的油脂、浮锈、氧化皮和其他污物等清理干净，套上 PE 套管，然后采用高压风枪将锚具槽内的浮渣、浮尘、浮物等吹出，采用专用的 NE-Ⅱ型环氧砂浆先在混凝土界面涂刷基液，然后进行锚具槽回填。环氧砂浆的主要技术指标为：抗压强度不小于 85.0MPa，抗拉强度不小于10.0MPa，与混凝土粘结抗拉强度大于 4.0MPa，为无毒环氧配制的材料。用量推荐：底层基液 0.5 kg/m2、环氧砂浆 2100kg/m3。

2）环氧混凝土回填方案。此方案的要点是将锚具槽凿毛后，采用抹布和砂纸将已完成张拉锚固工作的裸露钢绞线表面的油脂、浮锈、氧化皮和其他污物等清理干净，套上 PE 套管，然后采用高压风枪将锚具槽内的浮渣、浮尘、浮物等吹出，采用专用的 NE-Ⅰ型环氧混凝土先在混凝土界面涂刷基液，然后进行锚具槽回填。环氧混凝土的主要技术指标为：抗压强度不小于 60.0MPa，抗拉强度不小于 8.0MPa，与混凝土粘结抗拉强度大于 4.0 MPa，为无毒环氧配制的材料。用量推荐：底层基液 0.5kg/m2、环氧砂浆 2000kg/m3。

3）环氧涂料手工涂刷方案。此方案的要点是将锚具槽凿毛后，采用抹布和砂纸将已完成张拉锚固工作的裸露钢绞线表面的油脂、浮锈、氧化皮和其他污物等清理干净，手工涂刷 SLF-2 型无溶剂双组分涂料环氧涂料，厚度要求不小于 600 μm，采用湿海绵直流针孔检测器检测无漏点后，采用高压风枪将锚具槽内的浮渣、浮尘、浮物等吹出，采用微膨胀混凝土进行锚具槽回填。

4）专用工具压力式灌注改性环氧涂料方案。此方案的要点是将锚具槽凿毛后，采用抹布和砂纸将已完成张拉锚固工作的裸露钢绞线表面的油脂、浮锈、氧化皮和其他污物等清理干净，采用经多次室内模拟试验的专用高压无气灌注装备和工艺，灌注 SLF-2 型无溶剂双组分涂料环氧涂料，整体式专用灌注套管 24 根，一次安装成型，分次灌注，专用灌注套管内径 19mm，采用湿海绵直流针孔检测器检测无漏点后，采用高压风枪将锚具槽内的浮渣、浮尘、浮物等吹出，采用微膨胀混凝土进行锚具槽回填。

3 技术经济比较

3.1 技术比较

从材料特性和现场表观观察，环氧砂浆和环氧混凝土的方案优于微膨胀混凝土方案，具有一定的自密实和抗渗透特性。但环氧砂浆、环氧混凝土、微膨胀混凝土均属于后浇筑性质，如何保证一二期混凝土可靠的结合是关键。尽管尽最大可能将锚具槽布置的同心角有 90°优化为 80°，但二期混凝土或砂浆仍存在顺锚具槽平面滑动的自重分力。另外根据锚具槽的断面尺寸 1.3m×0.2m× 0.22m，模板架立和振捣困难，保证一二期混凝土或砂浆的结合质量和整体性较为困难，另外二期混凝土为非预应力区，是整个预应力体系的薄弱部位，承受内水压力时，最易受拉，因此从施工质量和受力特性两方面分析，单纯采用二期混凝土回填封锚的方案可靠性低。当二期混凝土出现结合缝隙、裂缝、受力拉裂等现象时，将导致防腐润滑脂外漏污染水源，影响夹片、锚具和槽内钢绞线的使用寿命。因此必须考虑二期混凝土出现裂缝时，而采用的内部封锚防护技术，这是保证无粘结预应力体系安全性和耐久性的根本。而内部封锚采用手工涂刷方案，工效低、质量难以保证、补涂点多，且存在对锚具槽一期混凝土二次污染，除污困难。采用专用高压无气灌注装备和工艺，工效相对高、现场电火花检测无漏点，将形成可靠的内部防护体系。从质量控制的及时性、有效性方面比较，电火花检测控制手段和措施可以当场发现问题、当场处理，达到质量控制指标。该工程所处环境可定义为三类，即水位变化区（存在检修工况），根据 JGJ92-2004 《无粘结预应力混凝土结构技术规程》对锚具及锚固区应采用连续全封闭的防腐和防水体系，而供水工程必须避免对水质潜在的污染，不应采用防腐润滑脂。因此，采用环氧类材料进行封闭处理是合理和可靠的，因为环氧树脂在防水、防腐、绝缘性能等方面是防腐油脂无法比拟的。

3.2 经济比较

对于四种试验方案，进行经济分析如下：

表1 经济分析比较表

注：手工涂刷环氧厚度为 600 μm，压力灌注环氧厚度为 1500 μm。

4 方案确定

4.1 方案特点

通过上述技术经济比较，确定采用专用工具压力式灌注改性环氧涂料+回填微膨胀混凝土方案为最优。专用工具压力灌注环氧技术特点如下：

1）高性能热固性无溶剂涂料：该涂料固体含量在 95%以上，在灌注过程中无挥发性和污染环境的溶剂，固化过程中体积收缩率低；涂层与钢绞线的粘结和剪切强度高，抗化学性能特别是对氯离子好，有一定的柔韧性满足外界混凝土结构的不同程度的形变。采用适合于现场施工的 SLF-2 无溶剂环氧改性高分子液体，修补灌注涂料就能达到如上的要求。

2）采用高压无气灌注装备和工艺：利用无气喷涂机连续灌注的目的使得空气不得混入灌注的涂层体系中不产生气泡和夹杂，并且采用高压压注的工艺，使得在钢绞线的内部和夹片等形状复杂部位灌注的涂层致密均匀，无孔隙。

3）合理的灌注塑料外套和夹具：通过合理的专门设计使得无氯塑料外套在现场无论是已经张拉完毕或未张拉都能快速安装，并且密封可靠，灌注的长度随意，使得锚具张拉端和固定端连成一体，灌注的涂层厚度均匀。

通过以上的设计和施工，形成完整的封闭防护体系，技术可靠，经济优势明显。

4.2 总体施工方案

1）采用高性能无溶剂双组分低收缩热固化涂料，固化和凝胶时间可调，适合现场高压无气灌注现场防腐的进度和要求，涂层养护完毕成不溶的耐久保护屏障；

2）防腐施工工艺高压无气装备，双组分独立或混合进料的方式，不排空，灌注压力采用自动无级调压，灌注料连续无空气混合，比列双组分按照设计的要求进行充分的混合，施工简便和规范性强，通过以上的装备和工艺确保 SLF－2MG 涂层的高性能和稳定性以及耐久性的要求，施工环境在不小于－10 ℃和湿度不大于 90%能够施工作业。

3）采用合理的专用无氯灌注塑料护套和夹具，使得无氯塑料外套在现场无论是已经张拉完毕或未张拉都能快速安装，并且密封可靠，满足高压灌注的需要，灌注的长度可变，使得锚具张拉端、固定端和锚具连成一体，灌注的涂层厚度均匀。同时节约锚具系统防腐的辅助材料，无需使用固定端橡胶密封板、钢夹板等材料，减少工程的成本和节约压紧密封板的时间。

4.3 无粘结钢绞线锚具灌注防腐施工的工艺流程

钢绞线表面除油、除锈→固定密封灌注套管→调配 SLF 双组分涂料→高压无气设备灌注→回填微膨胀混凝土→养护。