利用超高壓水射流技術進行LNG儲罐預應力孔道疏通的施工實踐

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1 工程概況

中國石油某LNG（液化天然氣）儲罐工程，儲罐為后張拉預應力加強混凝土結構，混凝土罐壁內徑41 m，外徑41.80 m，墻板內共有環向波紋管95×2道，豎向波紋管96道，環向波紋管軸線半徑為41.54 m，波紋管為由厚0.60 mm鍍鋅鋼帶卷壓成型的管道，內徑95 mm，其中1道波紋管從錨座口起始約13 m范圍內被混凝土漿液堵塞，波紋管從錨座口到扶壁柱內2 m位置處為平直段，之后分別在水平向和豎直向平滑過渡到墻板內，墻板內的波紋管為圓弧曲線（圖1）。

圖1 波紋管堵塞段與罐體相對位置

2 方案遴選

由于曲線預應力鋼絞線穿線及張拉的過程中孔道的摩擦力對穿線機張拉的質量影響，需保證波紋管內壁光滑順暢，盡量減小摩擦力，使鋼絞線能順暢地穿過圓弧形的波紋管孔道。所以在進行孔道清理的過程中需保證混凝土清理較干凈，且不能損傷波紋管內壁。在清理完成后若孔道罐壁內仍有粗糙的混凝土黏附著，會造成預應力鋼絞線穿線過程中摩擦力太大或者被混凝土頂住而造成鋼絞線無法通過，也會造成張拉過程中摩擦過大而影響張拉的質量甚至導致鋼絞線被拉斷。

2.1 方案1：采用水鉆進行鉆芯鉆出堵住的混凝土

由于水鉆的尺寸本身和孔道的尺寸不是很匹配（或小或大），孔道為鍍鋅鋼帶卷壓而成的波紋管，內里有凹凸紋路，用鉆頭無法將混凝土清除干凈，殘留的粗糙的混凝土會對預應力鋼絞線穿線造成極大的影響，而且鉆頭不好控制，無法控制方向，在拐點及圓弧段必然會損傷波紋管，鉆頭也無法深入非直線段的孔道內進行施工，即使深入也難保證能夠沿著波紋管走向行進。所以在嘗試了用鉆頭在錨座口處鉆入70 cm后放棄了該方案。

2.2 方案2：墻面破除進行清理疏通

破墻本身就是對結構具有較大破壞性的措施，而且也需要徹底破壞波紋管，孔道堵住的長度較長（13 m），破墻會對墻體結構造成較大的影響，所以在萬不得已的情況下才能采取這種極端的疏通方式。

2.3 方案3：超高壓水射流技術

水射流技術為近幾年快速發展的一種以超高壓的水作為介質進行切割、破巖和清洗的技術，由于水射流對表面致密光滑且不存在微孔隙的波紋管很難造成直接的損傷，且波紋管本身為金屬材料，具有較好的彈性、延展性和耐疲勞性能，水射流很難對波紋管造成嚴重的破壞。而混凝土為脆性多孔隙材料，水射流對其能夠有效地破碎。水射流可通過高壓軟管接噴頭深入曲線波紋管內進行破碎混凝土，研究小組認為該技術能夠非常好地滿足該工程的需求，所以選擇了該方案。

3 參數確定及方案實施

選擇可壓力切換的超高壓水射流設備，其壓力分別為140 MPa、280 MPa。為了確保有足夠的壓力對波紋管內凝固的混凝土漿液進行破碎，我們在現場將波紋管內的凝固混凝土漿液鉆芯取出一段進行現場試驗，試驗結果表明在140 MPa的水壓下，混凝土芯柱和試件瞬間就被水柱破壞，而280 MPa的水壓下，由于水流量減小，對于混凝土試件的破壞效果不理想。為了提高混凝土破碎效率，增加了1臺高壓水泵并聯供水，并選擇了流量更大的噴頭。

為了便于將混凝土碎屑、水及雜物排出管道，噴頭設計成前后有多個噴口的形式，前面的噴口較大，用于提供破碎混凝土的水柱，向后噴射的水柱則將水、雜物及混凝土碎屑向后推出管道，以保證噴頭和高壓水管前進方向暢通，并對管壁上的殘余混凝土進行清理，同時利用向后的水柱的反作用力提供噴頭旋轉和向前的動力（圖2）。

圖2 塔式噴頭工作示意

4 效果驗證

設備選擇及參數確定后，以每天疏通4 m的速度順利完成整個堵塞段的疏通工作。疏通完成后采用攝像頭對波紋管內部的疏通質量進行了驗收，管道內沒有殘留混凝土附著，且波紋管內壁無損壞現象，滿足預應力施工質量要求。實踐證明用該方法進行預應力孔道的疏通，在能夠保證高質量疏通效果的情況下，對波紋管、墻體結構等影響都較小，且施工相對簡單。

5 效果分析及總結

1）由于混凝土被包裹在波紋管和墻體混凝土內，孔道內的混凝土形成了類似鋼管混凝土的結構形式，且此時墻板的豎向鋼絞線束已經張拉完畢，墻體受到豎向預應力的作用而對波紋管內的混凝土產生垂直于波紋管方向的壓應力，波紋管和墻體混凝土限制了孔道內混凝土的形變，從而使孔道內的混凝土得到了加強，抗破碎能力增強。在這種情況下高壓水柱只能通過2種方式對波紋管內的混凝土進行破壞：

（1）滲透入接觸面上的混凝土的空隙和氣泡中，使混凝土產生應力集中，將混凝土在氣泡和裂縫周邊呈粉末狀或小顆粒狀進行碎裂；

（2）水柱對混凝土接觸面的不斷沖擊，水柱的巨大沖擊力傳遞給混凝土形成壓縮應力波傳遞到接觸面上的部分混凝土，使混凝土壓縮，壓縮后又回彈，在此過程中不斷地積累壓應力和拉應力，最終積累到拉應力足夠大時，表面的混凝土會大塊剝落。2種方式的作用和效果都比較緩慢，實際破碎效果比試驗結果稍差（圖3）。

2）由于孔道內的空間有限，且孔道坡度為向內、向下傾斜的坡度，造成部分水無法順利排出而在孔道內蓄積，超高壓水柱在沖擊混凝土表面后，由于水的黏滯性會在混凝土表面形成一層水膜，水膜本身也會消耗部分水柱的作用效果。

3）在超高壓水柱的沖擊下，部分混凝土被破碎，由于孔道直徑小、距孔道口距離遠，且存在一定曲率，加之高壓水管在孔道內阻礙破碎物的運動，部分粒徑較大的混凝土碎塊無法及時排出，必須徹底粉碎或者碎裂成更小粒徑的混凝土碎塊后才能排出孔道，部分小粒徑的碎塊在噴頭向后的水柱的作用下向后移動了5 m左右，由于水流的作用力減小，使得部分碎塊堆積在這些位置，影響了混凝土碎屑的導出，且對壓力水管造成一定的磨損（圖4）。在這種情況下，宜采用金屬及其他柔性光滑的塑料管材（由于PE管材耐磨、摩擦力小，可以選用該材質的合適的管材套在壓力管外進行保護）對噴頭及水管進行保護，并間歇對孔道內的碎屑進行清理后再進行后續的作業，既能提高作業效率，也能保護設備。

圖3 通過孔隙沖擊后碎裂的混凝土

圖4 在應力波持久作用下碎 裂的混凝土塊

6 結語

在后張法預應力施工過程中，預應力孔道往往存在孔徑較小、管道走向較復雜的現象，極易被堵塞，如果預應力孔道被堵塞，采用常規的鑿除和水鉆疏通的方法難度極大，疏通效果不理想，且極易對張拉孔內壁造成破壞，影響預應力張拉質量。采用水射流技術不僅能較簡單且便捷地疏通曲線及異形孔道，而且能保護孔道，從而保證疏通質量及后續預應力施工質量。