自制全斷面刷毛機變截面隧洞粘貼碳纖維施工技術應用研究

王旭君 姜 晶 黃珊珊

(湖北水總水利水電建設股份有限公司,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收的關鍵工序,它承擔著主壩新輸水系統加固工程的施工導流任務,對后續施工進度影響較大。但由于主壩舊輸水系統往往平面軸線曲折,隧洞平面拐點多,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,需要進行隧洞補強加固,以提高隧洞的抗滲性能和耐久性。

目前,隧洞內表面維修補強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強加固,在蜂窩麻面及漏水部位處理完成后,才能進行基面刷毛處理。而基面刷毛均采用人工刷毛,刷毛質量差,必須不斷安拆移動施工平臺,成本高、施工安全性差,施工環境得不到保障。因此,通過試驗自制了全斷面刷毛機,而且運用成功。

1 工藝原理

1.1 自制全斷面刷毛機工藝原理

刷毛機由小型履帶式牽引設備、動力設備、旋轉機構(包括傳動軸)、高壓水泵等組成。圖1為自制全斷面刷毛機示意圖,圖2為自制全斷面刷毛機三維圖。

圖1 自制全斷面刷毛機示意圖

圖2 自制全斷面刷毛機三維圖

旋轉機構主要由空心傳動軸(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

牽引設備主要通過激光引導確保其行走方向,通過現場試驗旋轉刷毛施工質量效率來確定牽引設備的行走速度。動力設備采用3kW的電動機,其帶動旋轉機構和牽引設備行走。

高壓水泵采用2.2kW污水泵,通過傳動軸和空心輻條噴射嘴邊旋轉邊噴水,對刷毛部位進行沖洗。

旋轉機構的8根空心輻條布置在傳動軸上,每根輻條末端安裝10mm長的弧形鋼絲刷,弧度滿足隧洞斷面弧度要求,在刷毛過程中,啟動電機進行旋轉,輻條旋轉進行刷毛,旋轉速度1200r/min,同時高壓水泵通過傳動軸和空心輻條噴射嘴邊旋轉邊噴水,對刷毛部位進行沖洗。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

加固修復混凝土結構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質量,膠黏劑使碳纖維布與混凝土形成一個復合性整體,在確保碳纖維布與混凝土之間力的傳遞的同時,又不會產生黏結材料的脆性破壞,以提高結構構件的抗彎、抗剪承載能力,達到對結構構件進行加固、補強的目的[1]。

2 創新點及關鍵技術

自制全斷面刷毛機變截面隧洞粘貼碳纖維布施工工藝的創新點及關鍵技術如下:

a.自制全斷面刷毛機輻條可伸縮,刷毛精度可以控制在10mm以內,保證了碳纖維布粘貼的緊密性與牢固性,以保證與原結構形成整體,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,改善了隧洞施工環境。

c.減少了隧洞人工刷毛必需的施工平臺,保證了施工安全。

3 施工工藝流程及操作要點

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

3.2.1 施工前準備

a.隧洞內清理。首先做好洞內通風排毒工作,確保工人人身安全,然后完成水、電、通信準備工作。

b.洞內保持暢通,以便刷毛設備通行。

c.在進行混凝土表面處理前,按加固設計部位放線定位,對隧洞各段結構外面復核,確認纖維復合材料補強的范圍,根據現場尺寸調整,然后按設計圖紙中相應加固內容實施。

3.2.2 基底處理

a.隧洞外觀質量排查。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,新襯砌面或修補砂漿處理后,除去并研磨至粗骨料出露為止。

3.2.3 洞內襯砌自制刷毛機刷毛

自制刷毛機安裝調試完畢后,根據隧洞截面調節刷毛機旋轉輻條外徑,旋轉速度值設置為最小值(可用液壓系統自動調整,如未設液壓系統,可人工進行調整),使刷片緊貼洞壁后鎖定。

啟動刷毛機行走設備,行走速度控制在5m/min以內。

啟動動力設備,驅動旋轉機構,旋轉速度控制在1000～1200r/min,輻條轉動邊行走邊刷毛。

同時啟動水泵,對刷毛面進行沖洗,水壓不大于0.5kgf/cm2,避免因水壓太大對已刷毛的混凝土面造成破壞。

檢查刷毛面的深度,按設計要求不大于10mm,小于10mm的部位需要調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性能,因此施工環境溫度最好控制在不低于5℃、濕度應不高于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定配比,置于攪拌槽中以低速電動攪拌器充分且均勻攪拌,一次攪拌量為在可使用時間的施工量,結合現場實際氣溫決定用量并嚴格控制使用時間。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

根據找平膠黏劑供應商提供的工藝規定進行配制,然后將混凝土表面凹陷部位填補平整,尤其是模板接頭部位等有高差部位,盡量填補平整且不應有棱角,轉角處修復為光滑的圓弧形狀。

3.2.4.4 碳纖維布粘貼

a.確認底層膠黏劑干燥。

b.碳纖維布預先用剪刀或刀片依所設計尺寸裁切,裁剪好的碳纖維布卷在小圓棍或圓筒上,并編號以供使用。

c.按產品供應商提供的工藝規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攪拌器充分均勻攪拌,根據需粘貼的碳纖維布面積確定所需粘貼用膠黏劑的數量,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向粘貼,單環的封閉接頭留在該環最高點部位,單環封閉接頭及各環之間相互搭接長度均不小于150mm。

h.施工中若發生結露現象,需擦干和保持干燥后才可施工,同時在貼覆后要考慮施工環境對貼覆的影響。

4 經濟效益分析

對廣西南寧市鳳亭河水庫工程進行分析,原輸水隧洞洞徑為2.7～2.9m,隧洞襯砌為厚0.9m的鋼筋混凝土結構。隧洞洞身結構相對完整,滲水情況較少,但由于施工質量稍差,隧洞洞身過水面有較多蜂窩麻面,且隧洞長時間不放水,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,對隧洞過流能力造成了一定影響,需進行補強加固。將自制全斷面刷毛機刷毛和人工搭設操作平臺刷毛兩種方案進行對比,自制全斷面刷毛機完成刷毛工作費用為33200元,人工刷毛費用為61500元,可見自制全斷面刷毛機刷毛經濟效益明顯,節約工期,減少成本。經濟效益對比分析見表1。

表1 經濟效益對比分析

5 結 語

用自制全斷面刷毛機進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,有效提高構件的極限承載力和改善構件的變形性能,碳纖維布通過強滲透性和足夠黏結強度的樹脂貼于需要補強的混凝土表面,可以在不增加混凝土構件自重及尺寸的情況下大幅度提高原構件的承載力及耐久性,恢復原構件的功能。其施工簡便,性能可靠,不僅縮短了工期,降低了施工成本,也達到了較好的加固效果,后期的維護、修理更加方便快捷。在大型水庫舊輸水隧洞除險加固中,該技術對結構型式的適應性強、施工靈活、工期短、占用空間小,優勢明顯,具有良好的應用前景。