油溶性聚氨酯化学灌浆在钢管壁间堵漏的应用研究

(北京韩建水利水电工程有限公司，北京 102400)

随着科技的发展，环保意识的提高，各种灌浆技术在工程中的应用不断创新与发展，尤其是环保灌浆材料[1]的迅速推广，使之成为将来化学灌浆中的主力军。本文主要研究油溶性聚氨酯化学灌浆材料在地下穿墙钢套管管壁间的堵漏技术。该技术在南水北调中线北京段沿线PCCP管道提升改造工程排气阀的堵漏上进行了试验，实施效果显著。

1 工程概况

南水北调中线北京段工程在北京房山区北拒马河中支南进入北京境内，全长约80km。PCCP管道全长56.4km，占北京段总干渠长度的70%。输水干线采用2排，主要采用内径4.0m的PCCP压力管道，主要职能是将中线调水输送至北京市区。沿线分水口、排气排空阀井、连通井内采用不同直径的钢管与PCCP压力管道相连。

北京市南水北调工程自2008年试运行开始，运行至今。在运行过程中，工程分水口、连通井、排气排空阀井由于设施周边的开发建设，使地形发生了变化，导致地势低洼、排水不畅，又因套管存在渗漏水导致地下空间潮湿,遇到短时强降雨天气，院内易积水，严重时将倒灌房屋和阀井内，导致阀井内积水排出困难大、时间长，不利于设备养护，如图1所示。

图1 雨季连通井井室现况

2 原设计实施方案

最初穿墙套管安装投入使用前设计采取目前较为普遍的方案，即“聚硫密封胶+油麻填充+聚硫密封胶+石棉水泥”。该方案由于是在穿墙套管埋设后，外部土方回填覆盖前实施的，是防渗止水施工的最好时机，能够从迎水面阻断水源，效果最好。一旦外部钢管回填覆盖后再发生渗漏，处理难度很大，且难以“根治”，除非外部再进行开挖处理，这样不仅费用大，还可能受周边建筑物结构的牵制而无法实施。

3 现套管壁渗漏水处理方案

3.1 渗漏原因分析

根据现场查看以及了解渗漏点、渗漏大小与不同季节的关系，分析判断可能渗漏的原因如下：

a.原渗漏处理方式(油麻填充+聚硫密封胶)因年久老化，热胀冷缩，迎水面聚硫密封胶可能开裂脱落、油麻腐烂而失效导致水渗入。

b.迎水面聚硫密封胶难以承受夏季雨水高水压作用而渗漏。

c.结构物的自然沉降引起的与堵漏填充物之间的开裂。

3.2 渗漏处理方案

根据现场实际情况进行渗漏原因分析，组织行业内专家咨询，一致认为解决最彻底的方案是回到最初套管埋设覆盖前的状态，即进行迎水面开挖处理。但因投入大、施工周期长，且地下管路、线路复杂，未得到业主同意。

经过探讨，拟定如下方案进行试验研究。本工程受灌体类似“围岩”以及“混凝土空洞”体，选择适合“防渗堵漏”和“充填密闭”的灌浆材料，参照设计要求及现场实际情况结合相关工程经验，为保证渗漏处理的长久性，拟定采取“表面嵌填环氧胶泥+管口‘水不漏掺水泥基渗漏结晶防水涂料’+管壁内环保型油溶性聚氨酯化学灌浆”综合处理方案。

首先对现状渗漏水套管表面聚硫密封胶和填充油麻进行拆除，清理干净后在套管表面一定深度内(3～5cm)埋设高压单向阀止水针头，待止水针头完全固化后进行套管内行化学灌浆处理，灌浆后井壁由外至内形成隔水层，灌浆材料采用环保型油溶性聚氨酯复合材料。化学灌浆后，将止水针头外露部分切割掉，再在套管管口与管壁表面嵌填环氧胶泥。

3.2.1 注浆堵漏材料

本工程注浆堵漏材料选用油溶性聚氨酯[2]，一种由甲苯二异氰酸酯和油溶性聚醚进行聚合反应而成的高分子化合物。该材料是一种低黏度，单组分合成高分子聚氨酯材料，形态为遇水产生交联反应，发泡生成多元网状封闭弹性体的特征。当它被高压注入到裂缝结构，会延展至将所有裂缝填满(包括肉眼难以观察的0.015mm微缝)，遇水后伴随交联反应，会释放大量二氧化碳气体，产生二次渗压，高压推力与二次渗压再次将弹性体压入并充满所有裂隙，达到止漏目的。油溶性聚氨酯相对水溶性聚氨酯材料[3]的主要优点是：形成的发泡体强度高、耐久性好，适合水头高、水质复杂的潮湿环境。其主要技术指标见下表。

油溶性聚氨酯材料(OPU)主要技术指标

3.2.2 机械设备

主要机械设备、工具设备：小平铲、冲击钻(清理用)、切割机、高压泵、注浆管、阀(止水针头)，如图2所示。

图2 止水针头

3.2.3 施工工艺

施工流程包括：施工准备(材料准备、技术准备)→表层及内部处理→重新填充部分新油麻→埋设注浆管嘴→连接灌浆泵→灌浆→切割注浆嘴外部→缝面清理→管口封闭处理。

a. 清理：详细检查分析渗漏点情况，对套管一周全部进行清理，剔除表面聚硫密封胶和内部填充油麻、凿除表面析出物。在剔除填充油麻时，由于钢管中部设有挡块，挡块前面的油麻必须全部剔除，清理干净。挡块后面保证将挡块与套管之间的缝隙清理，以便浆液流入挡块后面。实际清理过程中，发现原填充油麻确实大部分已经完全腐烂，几乎腐烂成渣子，随水自然流出。且套管壁内还有大量泥沙，可见，油麻已经完全失效，甚至对钢管壁产生腐蚀作用，如图3所示。

图3 管壁清理

b. 重新填充新油麻：在挡块前重新填充长度约35cm左右的新油麻。清理过程中发现套管内局部有大量泥沙，密实程度不一。因此，填充新油麻的深度是根据清理深度而定的，平均深度35cm左右。

c. 埋设灌浆管、阀(止水针头)：在对表面聚硫密封胶和填充油麻剔除后，管口采取“水不漏掺水泥基渗漏结晶防水涂料”进行固化，固化深度约为3～5cm，固化的同时沿套管与钢管之间(约4cm厚)环向埋设灌浆管、阀，灌浆管直径14mm、环向间距25cm、埋设长度15cm左右。埋设时，确保套管与钢管之间管口不渗漏。在钢管的顶部位置埋设一根直径20mm，长15cm左右的PVC管作为排气管，如图4所示。

图4 埋设灌浆管(止水针头)

d. 准备注浆设备和材料：使用轻型电动化学灌浆泵和配套设备，该灌浆设备3～6s内压力可升至30MPa以上工作压力，对缝灌浆质量有充分保证。

e. 灌浆：待埋设注浆管完全固化后，从标高最低的注浆口开始泵入浆液，灌浆浆液采用环保型油溶性聚氨酯复合材料。灌浆顺序采取从底部向两侧对称、分序进行灌浆；因灌浆设备的压力由管内水量的多少、水头高低、灌浆充填物的情况而决定，当接近最上部排气孔时，如排气孔往外冒浆，则将排气孔用“水不漏”封闭，再进行相邻孔灌浆,见图5。待所有的孔都灌完后回到先前第一个灌浆孔，再次灌浆，以保证压力最大化。因止水针头单向注浆阀需要至少4MPa压力才能打开,因此灌浆起始压力应不小于4MPa。当注浆阀打开后，灌浆压力瞬间降低，灌浆过程中要严格控制灌浆压力，既要保证管内充填密实，又不能因压力过大导致过多聚氨酯灌浆材料注入外部土层中，更不能因压力过大导致结构破坏。

图5 聚氨酯灌浆

f. 切割外露注浆嘴：油溶性聚氨酯灌浆完全固化后(一般为灌浆完毕后24小时)，确认不再漏后将外露灌浆嘴切割掉，清理干净已固化的溢漏出的灌浆液。

g. 管口封闭处理。

4 实施效果

本方案试验实施后因受现场条件的限制，既不能在管壁间钻孔压水，外部也无检测空间，最后只能采取通过雨季观察的方法来判断实施效果。经过多次降雨后的观察与检查，发现处理后的管口表面密实、干燥，无渗漏水现象，质量效果显著,见图6。

图6 堵漏后效果

5 结 语

通过研究方案的试用，证明油溶性聚氨酯化学灌浆在穿墙套管管壁间堵漏的作用明显、效果显著。尤其是对于钢套管管壁间的空腔回填堵漏处理，既起到了防渗漏的作用，同时还可解决工程中要求钢套管与钢管之间的柔性接触问题。

鉴于该试验方案在类似工程中实施的先例较少，目前这类规范和标准也不健全(钢管壁之间灌浆)，且实施中受穿墙套管管壁材质的类型、埋设深度、外部地质条件、水文条件等因素影响较多。因此，该方案的推广应用需要根据工程的实际情况实施，尤其是灌浆中对压力的选择与控制，更需谨慎。只有经过以后各种工程情况的实施验证，以及长时间的效果检验观察才能形成具体的实施标准。