王旭君 姜 晶 黃珊珊

(湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司,湖北 武漢 430000)

在水工隧洞施工中,主壩舊輸水隧洞,往往成為下閘蓄水驗(yàn)收的關(guān)鍵工序,它承擔(dān)著主壩新輸水系統(tǒng)加固工程的施工導(dǎo)流任務(wù),對(duì)后續(xù)施工進(jìn)度影響較大。但由于主壩舊輸水系統(tǒng)往往平面軸線曲折,隧洞平面拐點(diǎn)多,縱坡變化多、不平順,隧洞鋼筋混凝土襯砌表面存在較多蜂窩麻面,局部骨料外露,且存在部分滲漏情況。在這種情況下,需要進(jìn)行隧洞補(bǔ)強(qiáng)加固,以提高隧洞的抗?jié)B性能和耐久性。

目前,隧洞內(nèi)表面維修補(bǔ)強(qiáng)主要是蜂窩麻面及漏水部位封堵找平、全斷面粘貼碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固,在蜂窩麻面及漏水部位處理完成后,才能進(jìn)行基面刷毛處理。而基面刷毛均采用人工刷毛,刷毛質(zhì)量差,必須不斷安拆移動(dòng)施工平臺(tái),成本高、施工安全性差,施工環(huán)境得不到保障。因此,通過試驗(yàn)自制了全斷面刷毛機(jī),而且運(yùn)用成功。

1 工藝原理

1.1 自制全斷面刷毛機(jī)工藝原理

刷毛機(jī)由小型履帶式牽引設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(包括傳動(dòng)軸)、高壓水泵等組成。圖1為自制全斷面刷毛機(jī)示意圖,圖2為自制全斷面刷毛機(jī)三維圖。

圖1 自制全斷面刷毛機(jī)示意圖

圖2 自制全斷面刷毛機(jī)三維圖

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由空心傳動(dòng)軸(用于噴水沖洗刷毛部位)、可伸縮的輻條(見圖3)、輻條末端弧形鋼絲刷組成。

圖3 可伸縮輻條示意圖

牽引設(shè)備主要通過激光引導(dǎo)確保其行走方向,通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)刷毛施工質(zhì)量效率來確定牽引設(shè)備的行走速度。動(dòng)力設(shè)備采用3kW的電動(dòng)機(jī),其帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和牽引設(shè)備行走。

高壓水泵采用2.2kW污水泵,通過傳動(dòng)軸和空心輻條噴射嘴邊旋轉(zhuǎn)邊噴水,對(duì)刷毛部位進(jìn)行沖洗。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的8根空心輻條布置在傳動(dòng)軸上,每根輻條末端安裝10mm長(zhǎng)的弧形鋼絲刷,弧度滿足隧洞斷面弧度要求,在刷毛過程中,啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),輻條旋轉(zhuǎn)進(jìn)行刷毛,旋轉(zhuǎn)速度1200r/min,同時(shí)高壓水泵通過傳動(dòng)軸和空心輻條噴射嘴邊旋轉(zhuǎn)邊噴水,對(duì)刷毛部位進(jìn)行沖洗。圖4為鋼絲刷示意圖。

圖4 鋼絲刷示意圖

1.2 碳纖維材料的工藝原理

加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)所用材料主要為兩種:碳纖維布與膠黏劑。兩種材料的作用是提高碳纖維布的黏結(jié)質(zhì)量,膠黏劑使碳纖維布與混凝土形成一個(gè)復(fù)合性整體,在確保碳纖維布與混凝土之間力的傳遞的同時(shí),又不會(huì)產(chǎn)生黏結(jié)材料的脆性破壞,以提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載能力,達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的[1]。

2 創(chuàng)新點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

自制全斷面刷毛機(jī)變截面隧洞粘貼碳纖維布施工工藝的創(chuàng)新點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)如下:

a.自制全斷面刷毛機(jī)輻條可伸縮,刷毛精度可以控制在10mm以內(nèi),保證了碳纖維布粘貼的緊密性與牢固性,以保證與原結(jié)構(gòu)形成整體,共同工作,且保證了隧洞洞徑,滿足隧洞輸水能力要求。

b.自制全斷面刷毛機(jī)刷毛施工快捷、高效,比人工刷毛成本降低較多,改善了隧洞施工環(huán)境。

c.減少了隧洞人工刷毛必需的施工平臺(tái),保證了施工安全。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程見圖5。

圖5 施工工藝流程

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 施工前準(zhǔn)備

a.隧洞內(nèi)清理。首先做好洞內(nèi)通風(fēng)排毒工作,確保工人人身安全,然后完成水、電、通信準(zhǔn)備工作。

b.洞內(nèi)保持暢通,以便刷毛設(shè)備通行。

c.在進(jìn)行混凝土表面處理前,按加固設(shè)計(jì)部位放線定位,對(duì)隧洞各段結(jié)構(gòu)外面復(fù)核,確認(rèn)纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)的范圍,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸調(diào)整,然后按設(shè)計(jì)圖紙中相應(yīng)加固內(nèi)容實(shí)施。

3.2.2 基底處理

a.隧洞外觀質(zhì)量排查。檢查混凝土表面凹凸或破損狀況及龜裂狀況,隧洞附著面情況,有無水、打磨粉塵、外來物污染等。圖6為隧洞外觀排查典型圖,圖7為圓弧角處理示意圖。

圖6 隧洞外觀排查典型圖

圖7 圓弧角處理示意圖1—矩形截面;2—倒角半徑;3—矢高

b.原混凝土附著面外觀良好,新襯砌面或修補(bǔ)砂漿處理后,除去并研磨至粗骨料出露為止。

3.2.3 洞內(nèi)襯砌自制刷毛機(jī)刷毛

自制刷毛機(jī)安裝調(diào)試完畢后,根據(jù)隧洞截面調(diào)節(jié)刷毛機(jī)旋轉(zhuǎn)輻條外徑,旋轉(zhuǎn)速度值設(shè)置為最小值(可用液壓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整,如未設(shè)液壓系統(tǒng),可人工進(jìn)行調(diào)整),使刷片緊貼洞壁后鎖定。

啟動(dòng)刷毛機(jī)行走設(shè)備,行走速度控制在5m/min以內(nèi)。

啟動(dòng)動(dòng)力設(shè)備,驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),旋轉(zhuǎn)速度控制在1000～1200r/min,輻條轉(zhuǎn)動(dòng)邊行走邊刷毛。

同時(shí)啟動(dòng)水泵,對(duì)刷毛面進(jìn)行沖洗,水壓不大于0.5kgf/cm2,避免因水壓太大對(duì)已刷毛的混凝土面造成破壞。

檢查刷毛面的深度,按設(shè)計(jì)要求不大于10mm,小于10mm的部位需要調(diào)整輻條外徑重新刷毛,大于10mm的部位在粘貼碳纖維布前需進(jìn)行處理。

3.2.4 碳纖維布加固施工

3.2.4.1 隧洞水汽處理

由于環(huán)境溫度、濕度和混凝土表面的干燥程度影響底層膠黏劑的黏結(jié)性能,因此施工環(huán)境溫度最好控制在不低于5℃、濕度應(yīng)不高于85%、混凝土表面含水量小于10%的干燥狀況[2]。

3.2.4.2 底層膠黏劑涂刷

將底層膠黏劑和硬化劑依規(guī)定配比,置于攪拌槽中以低速電動(dòng)攪拌器充分且均勻攪拌,一次攪拌量為在可使用時(shí)間的施工量,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣溫決定用量并嚴(yán)格控制使用時(shí)間。用滾筒刷或毛刷將配好的底層膠黏劑均勻涂抹于混凝土構(gòu)件表面,厚度不超過0.4mm,不得漏刷或有流淌、氣泡。

3.2.4.3 找平膠黏劑涂刷

根據(jù)找平膠黏劑供應(yīng)商提供的工藝規(guī)定進(jìn)行配制,然后將混凝土表面凹陷部位填補(bǔ)平整,尤其是模板接頭部位等有高差部位,盡量填補(bǔ)平整且不應(yīng)有棱角,轉(zhuǎn)角處修復(fù)為光滑的圓弧形狀。

3.2.4.4 碳纖維布粘貼

a.確認(rèn)底層膠黏劑干燥。

b.碳纖維布預(yù)先用剪刀或刀片依所設(shè)計(jì)尺寸裁切,裁剪好的碳纖維布卷在小圓棍或圓筒上,并編號(hào)以供使用。

c.按產(chǎn)品供應(yīng)商提供的工藝規(guī)定配制粘貼用膠黏劑,配比稱重后置于攪拌槽中以低速電動(dòng)攪拌器充分均勻攪拌,根據(jù)需粘貼的碳纖維布面積確定所需粘貼用膠黏劑的數(shù)量,施工面用滾筒毛刷將浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位。

d.兩人拉緊碳纖維布,一人用刮板將碳纖維布平順地貼合在含浸漬樹脂的涂布面,并用刮刀沿著纖維方向用力刮平,從一側(cè)邊刮邊貼,以保證不留氣泡,粘貼緊密。

e.用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓,擠除氣泡,使膠黏劑充分浸透碳纖維布。

f.碳纖維布貼覆30min后在其外表面均勻涂抹一遍膠黏劑。

g.碳纖維布由出水口往上游方向沿隧洞環(huán)向粘貼,單環(huán)的封閉接頭留在該環(huán)最高點(diǎn)部位,單環(huán)封閉接頭及各環(huán)之間相互搭接長(zhǎng)度均不小于150mm。

h.施工中若發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象,需擦干和保持干燥后才可施工,同時(shí)在貼覆后要考慮施工環(huán)境對(duì)貼覆的影響。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)廣西南寧市鳳亭河水庫工程進(jìn)行分析,原輸水隧洞洞徑為2.7～2.9m,隧洞襯砌為厚0.9m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。隧洞洞身結(jié)構(gòu)相對(duì)完整,滲水情況較少,但由于施工質(zhì)量稍差,隧洞洞身過水面有較多蜂窩麻面,且隧洞長(zhǎng)時(shí)間不放水,許多河蚌吸附在洞壁上,侵蝕了洞壁表層混凝土,從而提高了隧洞的糙率,對(duì)隧洞過流能力造成了一定影響,需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。將自制全斷面刷毛機(jī)刷毛和人工搭設(shè)操作平臺(tái)刷毛兩種方案進(jìn)行對(duì)比,自制全斷面刷毛機(jī)完成刷毛工作費(fèi)用為33200元,人工刷毛費(fèi)用為61500元,可見自制全斷面刷毛機(jī)刷毛經(jīng)濟(jì)效益明顯,節(jié)約工期,減少成本。經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析見表1。

表1 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

5 結(jié) 語

用自制全斷面刷毛機(jī)進(jìn)行變截面隧洞襯砌刷毛,將碳纖維布與襯砌面緊密粘貼,使兩者共同工作,有效提高構(gòu)件的極限承載力和改善構(gòu)件的變形性能,碳纖維布通過強(qiáng)滲透性和足夠黏結(jié)強(qiáng)度的樹脂貼于需要補(bǔ)強(qiáng)的混凝土表面,可以在不增加混凝土構(gòu)件自重及尺寸的情況下大幅度提高原構(gòu)件的承載力及耐久性,恢復(fù)原構(gòu)件的功能。其施工簡(jiǎn)便,性能可靠,不僅縮短了工期,降低了施工成本,也達(dá)到了較好的加固效果,后期的維護(hù)、修理更加方便快捷。在大型水庫舊輸水隧洞除險(xiǎn)加固中,該技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)型式的適應(yīng)性強(qiáng)、施工靈活、工期短、占用空間小,優(yōu)勢(shì)明顯,具有良好的應(yīng)用前景。