输水隧洞混凝土表面降糙及补强研究与应用

李 娜 刘海乐 王礼峰

(北京金河水务建设集团有限公司，北京 102206)

北京市南水北调配套工程团城湖至第九水厂输水工程(二期)(下文简称“团九项目”)输水隧洞使用盾构法成型，以往的二衬混凝土表面涂刷一层环氧陶瓷，但对其进行的停水检修发现，隧洞中存在大量的脱落现象，主要是因为环氧陶瓷与混凝土表面接触面附着性不强，隧洞长期处于满流状态可能会避免起皮、脱落的发生，但是无法避免低水位运行及停水检修等。目前，为满足团九项目的隧洞表面糙率及耐久性要求，采用了环氧涂层的施工技术，解决了糙率过大及耐久性不足的问题。

1 工程概况

团城湖至第九水厂输水二期工程，是配套工程“一条环路”中的最后一段未建工程，该工程建成后，环路将会实现贯通，全线闭合。隧洞从团城湖调节池环线分水口末端取水，终点与团城湖至第九水厂输水工程一期龙背村闸站预留的接口连接，总长度约为4.0km。沿线布置有排气阀井4座，排空阀井1座，东水西调分水口、团北取水闸站及相关管理用房。

输水隧洞为内径4.7m，采用复合式衬砌结构，其中一衬为C50W10F150预制钢筋混凝土盾构管片，厚度300mm，二衬为圆形，采用C30W6F150模筑钢筋混凝土，厚度350mm，使用C30W6F150自密实混凝土，每12m(转弯处7.5m)设置一道永久变形缝(见图1)。

图1 盾构法输水隧洞结构层示意图

2 输水隧洞混凝土表面涂层技术研究目的

根据近年来水工隧洞检修经验，水工输水隧洞(有压引水或无压引水)由于多种原因，会不可避免地存在几方面的问题：一是混凝土衬砌微细裂隙的渗漏对混凝土长期耐久性和围岩安全可靠性的影响问题；二是混凝土衬砌表面淡水壳菜及生物附着生长影响过水流速和流量问题；三是混凝土衬砌表面粗糙度较大影响过水效率和过水安全稳定可靠问题。

团九(二期)工程正向输水规模：南段输水规模为28.3m3/s；北段输水规模为24.3m3/s。反向输水规模：18.3m3/s。经过现场测定，混凝土的糙率为0.013，为确保输水隧洞长期安全、稳定高效运行、能够满足本工程输水规模要求，设计给定的糙率为0.010以下，因此输水隧洞混凝土衬砌表面实施有效技术措施增加防护及降糙是必要的。

长距离自流输水隧洞的过流能力是水头差、断面形状尺寸、隧洞长度和糙率的函数。在长距离输水隧洞可用水头差、断面及长度等已经确定的情况下，隧洞糙率是影响隧洞输水能力和运行效益的关键因素。糙率是衡量输水建筑物过流表面粗糙程度对水流阻力影响的综合性系数，是过流表面当量粗糙度和水力半径、流态的函数，是输水系统设计、运行的关键技术参数之一。对于长距离有压输水系统而言，水流通常处于阻力平方区，在过水断面形状尺寸一定的情况下，其水力半径为常数，则糙率值只与输水建筑物过流表面当量粗糙度有关。而过流表面当量粗糙度会受到衬砌施工质量、混凝土养护条件、使用年限、生物附着、泥沙淤积等诸多因素影响。对于长距离输水工程而言，在施工建设阶段提高混凝土衬砌施工质量，降低壁面粗糙度，在运行维护阶段延长混凝土寿命，减缓混凝土壁面劣化、防止生物附着和侵蚀，减缓壁面粗糙度增大，均是减少沿程输水阻力、增加工程输水能力、提高工程运行效益的有效途径。因此，开展长距离输水工程降糙提效研究，对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义。

3 工艺原理

输水隧洞混凝土表面缺陷修复的技术路线为“增加混凝土面干燥度+混凝土表面处理+环氧涂层施工”。在这个技术原则指导下，拟定具体的技术要求和施工工艺。

基础的技术措施分为两部分：基面处理和环氧涂层施工。对防渗基面进行打磨或高压水冲洗，清除表面浮浆、灰尘、油污及其他附着物，露出坚实表面并干燥；采用封闭型环氧腻子对基层气孔、空洞等缺陷进行填充修复，使基层表面平整，无气孔等缺陷；在混凝土表面涂刷环氧涂层进行降糙处理，降低洞壁糙率，隔绝隧洞内水和混凝土表层，减少混凝土面的侵蚀，增加耐久性。

4 技术工艺流程

最终形成：表面清理(高压水枪)→高强砂浆找平补强→错台打磨→二衬冲洗→表面风干→检查干燥度→洞壁喷涂→底部平台滚涂的混凝土表面防护施工艺流程(见图2)。高压清洗机(30MPa)反复冲洗基面，露出新鲜的混凝土基面，使混凝土表面达到干燥、坚实、洁净的效果；高强砂浆基础能够补强混凝土表面强度、封堵混凝土表面裂缝，提高了混凝土结构的合理施工年限，为面层施工提供坚实基础，保证了后续施工质量。环氧涂层面层结构底漆+底漆+面漆+面漆+面漆总厚度达到500μm，底漆作为基础及面漆的过渡层，能够保证基础与面漆达到最佳的黏结强度，面漆作为混凝土表面的防护材料，是降低混凝土表面粗糙程度的主要基础，保证了水工隧洞过水率要求，整个施工技术利用基础与面层材料与混凝土的黏结，同时利用面层的光滑度，降低了混凝土衬砌表面因淡水壳菜及生物附着生长影响过水流速和流量问题，同时也降低了混凝土衬砌表面粗糙度较大影响过水效率和过水安全稳定可靠问题，保证了水工隧洞的输水规模要求。

图2 环氧涂层施工流程

4.1 基面清洗

先利用自动高压清洗机(30MPa)反复冲洗基面，冲洗输水隧洞混凝土清表面浮浆、灰尘、油污及其他附着物，达到干燥、坚实、洁净、无尘、无杂物、无脱模剂等。露出新鲜混凝土基面，使混凝土表层洁净。清洗完成后混凝土表面如存在气孔，采用高强砂浆进行气孔封闭处理，达到封闭效果。高强砂浆施工后3h后，可进行防渗面层涂覆。

4.2 错台打磨

输水隧洞混凝土表面如存在错台利用角磨机打磨平整，打磨后如果出现气孔，则需要在涂覆防渗涂层前利用高强砂浆进行封闭处理。

4.3 二次冲洗

利用自动高压清洗机(30MPa)冲洗表面灰尘、水泥渣及疏松的附着物等。

4.4 表面风干

隧洞内用大功率风机(37kW)送风，桩号0+000～1+308.089送风方向从上游到下游，从东水西调分水井、1号排气阀井、2号排气阀井出风，桩号1+316.489～2+154.629送风方向从下游到上游，从东水西调分水井出风，通风直至隧洞干燥为止。同时在隧洞局部弯管处，需增加风机，保证每30m一台。

4.5 检查干燥

采用覆膜观测法，准备一片5cm×5cm的薄膜和一卷胶带，然后将薄膜覆盖到混凝土表面，用胶带黏住这块塑料薄膜四周，确保薄膜密不透气，约12h后撕开胶带，检查薄膜上是否有水珠。如果有水珠，则表明基面含水过高，基面不得进行涂刷作业，需要对基面继续进行强制通风干燥处理。如薄膜干燥没有水珠，则表明含水量符合要求，可以对基面进行施工。

4.6 涂层施工

4.6.1 底漆涂刷

取预配好的底料适量，按10(主料)∶1(固化剂)的比例加入搅拌至颜色均匀后使用，且一次配料使用时间不应超过30min。用毛刷或滚筒均匀地将配制好的底漆涂刷到已处理的待衬基体表面上。待第一道底涂涂刷12h后涂刷第二道底涂，第二道底涂涂刷前应检查第一道底涂的固化程度和涂装施工的条件，且第二道配制的底涂其颜色应明显不同于第一道底涂，两道底涂涂刷方向应相互垂直。

4.6.2 施工料配制

取基料适量，按比例加入规定量的辅料，采用电动搅拌措施，充分搅拌均匀。每次搅拌的施工料应控制在30～40min内用完，施工料初凝时间应控制在45～60min。配料桶在重复使用时，必须清理干净。

4.6.3 衬砌修补

对未硬化、夹杂物质量缺陷实施挖除修补(见图3)。

图3 修补工序

4.6.4 面涂涂刷

取预配好的面涂适量，按比例加入辅料，搅拌至颜色均匀后使用。将已配制好的面涂均匀地涂装(可采用喷涂、刷涂、滚涂等工艺)到已完成上述工序作业的衬里表面上。待第一道面涂涂刷12h后可涂装第二道面涂，第二道面涂涂装前应检查第一道面涂的固化程度和涂装施工的条件，两道面漆涂刷方向应相互垂直(采用喷涂工艺时无此要求)。每道面涂厚度约100μm，设计要求环氧涂层施工厚度不低于500μm(即底涂一遍，面涂四遍)。面料表面涂刷要求光滑、无毛刺、无流淌。

平台隧洞二衬平台位置采用滚轮涂刷，管壁采用管内壁机械喷涂，施工时从上到下施工，先施工洞壁涂层，最后统一施工二衬平台部位。

5 检测与评价

5.1 外观检查

面层养护7天后可进行相关检测与评价，对外观、厚度、黏结力进行检测。目视检查，应外观均匀一致，涂层饱满，无气泡、开裂、剥落等缺陷。

5.2 黏结力抽查

涂层固化后，环氧涂层与基层的黏结强度应采用拉开法检测。检测龄期为7～14天，测试按《环氧树脂砂浆技术规程》(DL/T 5193—2021)规定执行：用取芯钻垂直钻孔，深度应透过环氧涂层并深入混凝土基层10～20mm，切割时应尽量减小对混凝土基层的扰动；清除钻芯表面的尘土，用快凝强力胶黏剂将φ50的标准试柱黏结到环氧涂层待测面上，胶黏剂固化前不得扰动；连接拉拔仪并以0.10kN/s±0.02kN/s(相当于0.05MPa/s)的速率持续加力直至破坏，过程中避免波动。记录破坏拉力值及破坏类型。以5测点为一组，以其算数平均值作为该组检验值。一组测点中应至少有3个检测有效值，如不足3个，重做试验；如测点为基面破坏，且检验值低于设计值时，不应计入检测平均值计算，但应计为黏结强度合格测点。现场检测报告应包括每个测点的破坏形式、黏结力值和黏结强度的平均值。

5.3 厚度检查

施工过程中随时采用梳规测量每一层涂层厚度，对未固化涂层厚度进行控制，发现不合格情况及时处理。涂层的平均厚度应满足设计要求，测点最小厚度应不小于设计厚度的80%，厚度小于设计厚度的比例不大于15%。

6 效果分析

本工程所采用的混凝土表面补强、降糙技术创新按照其作用主要分为两个部分。

第一部分(基础处理部分)主要利用高压水(30MPa)冲洗及高强度砂浆使基础结构层满足要求，其工作原理利用自动高压清洗机(30MPa)冲洗，表面灰尘、水泥渣及疏松的附着物等达到混凝土表面干净整洁，减少由打磨带来的不利环境，再利用高强砂浆进行基础处理解决了输水隧洞内空气湿度较大问题，最终使基础平整度、强度等满足施工要求，为涂层施工做好准备工作，为增加涂层与混凝土表面的黏结强度创造条件。

第二部分(涂层结构部分)主要由底漆及面漆组成，底漆按10(主料)∶1(固化剂)的比例加入搅拌至颜色均匀后使用涂刷两遍，底漆能够是基础与面漆过渡层，能够保证基础与面漆达到最佳的黏结强度，使黏结强度达到设计要求，而面漆施工完成后能够使混凝土表面更加光滑，达到降糙及防止微生物附着的效果。

7 结 论

混凝土表面增加保护能够减少淡水壳菜及生物附着生长在混凝土表面，避免了对混凝土表面的侵蚀，同时，也保证了混凝土结构强度，提高了输水隧洞运行的耐久性。能够保证输水规模的要求，满足了自来水厂的供水要求，保证了各水厂的正常供水，具有良好的社会效益。减少了后期运行维护中的隐患，并给后期的维护节省了工程费用，具有良好的社会效益。此技术在新建水利项目及检修工程应用前景广阔，应积极推广。