某引水隧洞聚脲防渗施工技术

董祥宽，宋艳波

(中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450000)

0 引言

随着国内经济的不断发展，水资源的匮乏已逐渐显现，尤其是北方的一些大城市和水资源分布不均衡的区域。目前，国内通过逐步修建引水工程来解决区域缺水问题，如引大入秦工程、引黄入晋工程、引黄济青工程、引滦入津工程、引碧入连工程和辽宁大伙房输水隧洞等［1］，本引水隧洞就是在这样的大环境下修建的。

一般的无压引水隧洞的防渗主要是采用防水混凝土、提高防渗级别、增加防渗关卡(防水板、止水带等)及对施工缝、伸缩缝进行严格防渗施工等，部分有压引水隧洞也是采用这样的防渗技术。

聚脲是由异氰酸酯类化合物为甲组分、胺类等化合物为乙组分、喷涂双组分聚脲［2］采用喷涂工艺使2组分混合后发生反应生成弹性体涂膜的防水涂料。喷涂聚脲弹性体作为新兴的防护技术，具有绿色环保、防护性能良好和施工技术先进等优势［3］，主要应用于防水工程(隧道、高速铁路桥梁、水利工程、污水处理池等)的防渗［4－5］、抗裂［6］、抗蚀［7］及结构混凝土防护、防腐工程(管道内外壁)、耐磨工程、海洋工程(坝体、溢洪道、柱墩等)、工业地坪和运动场地(球场、跑道面层防护)等。

本引水隧洞为双层衬砌，内衬为预应力钢筋混凝土结构，外衬为钢筋混凝土管片，内衬外衬以排水垫层分隔，具单独受力特性。该引水隧洞的渗水排水方式为内水内排(隧洞渗水到垫层后，再由盲管汇集到隧洞底板内的纵向排水管，最后排入到端头工作井，再抽排到明渠内，没有渗透到隧洞土体内，以节约输水成本和保证结构安全)，这种双层衬砌单独受力的高压引水隧洞在国内外还没有先例。隧洞外衬的钢筋混凝土管片之间为螺栓连接，属于活动铰接连接，不能承受隧洞内高压水的外拉张力，只能承受外围岩的外水土压力。在基本荷载组合下，全截面受压，满足结构承载与正常使用要求，在内外衬之间通过设置排水垫层，加强对渗漏水的排放，以防止内水外渗造成隧洞外围土渗透破坏。本次的防渗处理是对内衬分段施工的环向接缝和锚具槽的表面喷涂聚脲，以防止隧洞内压水沿环向接缝、锚具槽的施工缝渗入混凝土和波纹管钢铰线的内部。

1 工程概况

河南某隧洞为一个输水隧洞，长4 250 m，设计流量265 m3/s，加大流量320 m3/s，隧洞运营后内压水将达到0.5 MPa，为高水压引水隧洞。隧洞为全圆断面，见图1。外衬为钢筋混凝土管片，内径7.0 m，外径8.7 m，内衬采用现浇法施工，为后张法预应力钢筋混凝土整体结构，采用强度 C40、抗渗等级 W12、抗冻等级F200的预应力混凝土，厚度45 cm，预应力钢筋张拉完成后，对锚具槽进行封锚。

图1 引水隧洞结构示意图Fig.1 Lining structure of water-conveyance tunnel

本次的防渗处理是对内衬分段施工的环向接缝和锚具槽的表面喷涂聚脲，隧洞内每个标准段的21个锚具槽都需要进行防渗处理(锚具槽内的预应力钢铰线的张拉接头)，阴影部分为聚脲施工范围，见图2。

图2 锚具槽及底板纵向施工缝聚脲封闭施工(隧道展开)(单位:mm)Fig.2 Scope of polyurea spraying(mm)

2 施工环境影响

隧洞内温度及湿度:隧洞内温度为15～20℃，湿度99%。采用相同工艺在地表以及隧洞内喷涂聚脲，隧洞外等强3 d进行拉拔检测，其黏接力为2.51 MPa，见图3。隧洞内等强7 d进行拉拔检测，其黏接力为1.8 MPa。由此可见，温度、湿度环境对聚脲黏接强度［9］具有一定影响。

图3 隧洞外拉拔试验操作Fig.3 Bonding strength test made outside the tunnel

3 施工设备

采用美国固瑞特公司生产的H系列喷涂设备，如图4所示。施工时将主机配置的2支抽料泵分别插入装有A、B原料的桶内，借助主机产生的高压(24 MPa)将原料推入喷枪混合室，进行混合、雾化后喷出，喷涂双组分聚脲。在到达基层的同时，涂料几乎已近凝胶，5～10 s后，涂层完全固化。

图4 双组分聚脲喷涂设备Fig.4 Two-component polyurea spraying equipment

4 材料性能要求

通常包括底涂材料(基层处理剂)、喷涂聚脲材料和搭接专用黏结剂(层间黏合剂)。

4.1 聚脲材料

喷涂聚脲弹性体材料型号为SPUA－SKJ，具有无毒、绿色环保、防护性能良好和施工技术先进等优势，而且耐久性好、耐老化、耐水、防冲刷，基本性能指标见表1。

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

4.2 底涂材料

选用现场调配方便、使用简单、适应长期水中浸泡的底涂，主要为环氧型底涂和聚氨酯类底涂，涂在打磨好的基面上，介于打磨基面与聚脲涂层之间，用于提高黏结力;要求底涂与打磨基面、底涂与聚脲涂层之间的黏结强度均大于 2.5 MPa［10］。

底涂技术指标见表2。

表2 底涂技术指标Table 2 Technical parameters of prime coating

5 施工工艺及施工方法

5.1 施工工艺流程

混凝土表面浮浆打磨、切槽—基面清尘—基面潮湿处理—喷涂区域外保护—第1道环氧底涂—环氧腻子修补—刷第2道环氧底涂(封闭腻子)—刷聚氨酯底涂—表层喷涂聚脲施工—防护。

5.2 施工方法

5.2.1 基面处理

1)对需封闭范围的内衬表面采用砂轮打磨，要求打磨掉浮浆露出混凝土骨料，不留阶坎(该工艺的缺点为施工时粉尘多，由于聚脲施工基面必须要求干燥，没有找到更好除去混凝土表面浮浆的工艺);在封闭范围边缘设倒三角嵌槽，见图5。倒三角嵌槽务必定位准确，采用砂轮打磨以形成嵌槽，并满足宽度和深度要求;砂轮打磨处理后，检查基层，对基层凹凸不平部位、孔洞和裂缝部位采用环氧树脂腻子厚聚合物水泥砂浆(强度不小于45 MPa)填抹平。等抹平材料固化后再打磨平。

2)对隧道进行分段施工，打磨完成后，用高压风清扫，不得留有泡沫板残渣、混凝土灰渣和尘土，以形成新鲜基面。

图5 锚具槽聚脲嵌槽大样图(单位:mm)Fig.5 Detail of polyurea spraying groove of anchorage slot(mm)

5.2.2 基面潮湿处理

使用煤气对内衬混凝土表面明水进行短时间的烘干处理，以达到混凝土作业面干燥。

5.2.3 底涂施工

采用环氧型底涂，涂刷第1遍然后使用环氧腻子进行缺陷修补，待腻子表干后进行第2遍环氧型底涂涂刷(封闭腻子)，表干(12 h)后48 h内涂刷聚氨酯类底漆，具体如下:

1)双组分环氧型的底涂材料用搅拌机充分搅拌(搅拌5 min);

2)将环氧底涂第1遍采用涂刷方法均匀涂布，见图6;

3)环氧底涂刷完后24 h内刮涂无溶剂环氧腻子(最短可在刷涂完底涂第1遍后马上刮涂腻子);

图6 底涂施工Fig.6 Prime coating construction

4)环氧腻子表干后进行环氧型底涂第2遍的施工，底涂施工12～48 h，进行聚氨酯底漆涂刷。如果时间间隔超过48 h，需要重新刷涂1遍聚氨酯底涂后再进行下一步施工。

5)3～4 h聚氨酯底涂干燥后进行下一步聚脲施工。

5.2.4 贴边保护

底涂施工完成后，为了避免对喷涂工作面以外的混凝土面造成污染，同时为了保持聚脲喷涂面的整洁，需要对聚脲喷涂面两侧使用双面胶粘贴牛皮纸或其他材料进行贴边保护，不需要喷涂的地方用牛皮纸盖住，见图7。

图7 聚脲喷涂前锚具槽贴边保护Fig.7 Protection before polyurea spraying

5.2.5 聚脲喷涂施工

1)在喷聚脲前，先进行试喷，以确定喷射效果，如喷射的速度、胶凝时间等。当聚脲喷出至基层时几乎已近凝胶，涂层完全固化的凝胶时间5～10 s较为合理，当凝胶时间较长时，易出现聚脲喷涂流淌现象，导致聚脲厚度不均。涂喷涂前必须确认吐出量及配合比是否正常，严格控制出料比例(A、B液质量比为1∶1)及速度(2.5～3.0 L/min)，参考用量为每毫米的涂料使用量约 1.2 kg/m2。

2)同一位置喷涂2～4遍，纵横交叉连续喷涂至所需厚度。喷枪口与喷涂面宜垂直保持60～100 cm，走枪以一枪覆盖住前一枪的3/4～4/5为准，按约每2秒一步的行进速度控制;第1遍尽可能喷薄一些，走枪速度要稍快，同一位置喷涂第1遍后，应待涂层凝固1 min左右后，再喷第2遍，见图8和图9。

喷涂先细部后大面，先上后下，纵横喷涂，直到喷涂厚度100%达到设计要求。为了保证喷涂厚度均匀，每遍喷涂不要太厚，可以通过喷枪、混合室、喷嘴的不同组合或通过控制喷枪的移动速度来控制。

3)聚脲喷涂厚度不小于3 mm。

4)喷涂环境:宜在温度10～50℃，相对湿度小于85%的条件下进行。

5)喷涂施工时应保证表面平整，表面无气孔、气泡、褶皱;涂层厚度要均匀，层间不得有水或灰尘，确保各层黏结良好。

图8 内衬混凝土间的接缝喷涂聚脲Fig.8 Polyurea spraying

图9 锚具槽和接缝喷涂聚脲完成Fig.9 Tunnel lining after polyurea spraying

5.2.6 聚脲修边

喷涂完成后，及时对聚脲边缘进行修整，以达到平整美观的效果，见图10。

图10 聚脲修边Fig.10 Trimming

5.2.7 防护

施工完成后，应注意养护，尤其是车道平台底部喷涂范围，应采取防护措施避免完成喷涂的聚脲受损。

5.3 施工作业面防尘

1)尘土会严重影响聚脲施工质量，喷涂作业面需要做防尘处理。对整个隧洞进行分段施工，最前段为打磨基面段，中间为底涂作业段，最后面为聚脲喷涂作业段，将聚脲喷涂作业面的外部影响降至最低。

2)每一步施工前需要使用吸尘器等除尘措施进行彻底清理。

6 质量控制措施及质量检测

6.1 压水试验检查

施工过程只对纵向施工缝的聚脲薄膜抽样进行压水检查，见图11。每条隧洞抽样检测的数量为每舱1条，抽样检测的纵向施工缝位置随机选定。当压水检查水压达到0.55 MPa时，稳压20 min，在此期间聚脲表面不发生鼓包、撕裂和渗漏等缺陷即为合格。

加压管位于混凝土板结缝喷涂聚脲层与遇水膨胀橡胶止水条之间，压水检测如图12所示。

图11 内水压检测(水压0.55 MPa)Fig.11 Test under 0.55 MPa pressure

6.2 黏结强度和聚脲厚度检测

检测黏接强度时，采用如下方法［11］(见图3)。

1)喷涂施工后，聚脲材料7 d后强度达到要求最终强度的70%以上，可在施工区域原位进行黏结强度检测。

图12 压水检测图(单位:mm)Fig.12 Sketch of water pressure test(mm)

2)在1 m2的检测区域内进行黏结强度检测，用专用刀切透涂层至混凝土面，切缝形状为直径40 mm的圆形。

3)将标准钢块(φ20 mm)用专用胶黏结在测试位置，采用黏结强度测试仪进行检测。仪器的安装使用按照操作说明书进行。

4)把拉拔仪与拉拔头连接，打开显示屏，进行拉拔，当检测部位被拉断时，屏幕上自动显示其黏结强度值，记录数值。

5)黏结强度检测后，测量拉拔头上聚脲涂层的厚度，记录数值。

7 结论与讨论

高压引水隧洞经过聚脲防渗处理之后，引水隧洞的外渗水量大幅降低，根据实测，在试运营时没有防渗处理前整条隧洞渗水量为70 L/s，处理后下降至28.5 L/s，防渗处理效果非常明显，降低了隧洞结构的运营风险，同时也降低了隧洞输水的运营成本。

在引水隧洞、铁路防护、桥梁、隧道和水利工程等均采用过聚脲进行防渗、保护和混凝土结构加固等案例，但在高水压、快流速的运营环境下，采用聚脲防渗技术国内还没有先例。聚脲防渗技术在该工程的成功应用，为以后类似项目提供了经验。在长期的高水压情况下聚脲防渗的耐久性和永久性还需要进一步探讨和试验。

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