油溶性聚氨酯化學灌漿在鋼管壁間堵漏的應用研究

(北京韓建水利水電工程有限公司，北京 102400)

隨著科技的發展，環保意識的提高，各種灌漿技術在工程中的應用不斷創新與發展，尤其是環保灌漿材料[1]的迅速推廣，使之成為將來化學灌漿中的主力軍。本文主要研究油溶性聚氨酯化學灌漿材料在地下穿墻鋼套管管壁間的堵漏技術。該技術在南水北調中線北京段沿線PCCP管道提升改造工程排氣閥的堵漏上進行了試驗，實施效果顯著。

1 工程概況

南水北調中線北京段工程在北京房山區北拒馬河中支南進入北京境內，全長約80km。PCCP管道全長56.4km，占北京段總干渠長度的70%。輸水干線采用2排，主要采用內徑4.0m的PCCP壓力管道，主要職能是將中線調水輸送至北京市區。沿線分水口、排氣排空閥井、連通井內采用不同直徑的鋼管與PCCP壓力管道相連。

北京市南水北調工程自2008年試運行開始，運行至今。在運行過程中，工程分水口、連通井、排氣排空閥井由于設施周邊的開發建設，使地形發生了變化，導致地勢低洼、排水不暢，又因套管存在滲漏水導致地下空間潮濕,遇到短時強降雨天氣，院內易積水，嚴重時將倒灌房屋和閥井內，導致閥井內積水排出困難大、時間長，不利于設備養護，如圖1所示。

圖1 雨季連通井井室現況

2 原設計實施方案

最初穿墻套管安裝投入使用前設計采取目前較為普遍的方案，即“聚硫密封膠+油麻填充+聚硫密封膠+石棉水泥”。該方案由于是在穿墻套管埋設后，外部土方回填覆蓋前實施的，是防滲止水施工的最好時機，能夠從迎水面阻斷水源，效果最好。一旦外部鋼管回填覆蓋后再發生滲漏，處理難度很大，且難以“根治”，除非外部再進行開挖處理，這樣不僅費用大，還可能受周邊建筑物結構的牽制而無法實施。

3 現套管壁滲漏水處理方案

3.1 滲漏原因分析

根據現場查看以及了解滲漏點、滲漏大小與不同季節的關系，分析判斷可能滲漏的原因如下：

a.原滲漏處理方式(油麻填充+聚硫密封膠)因年久老化，熱脹冷縮，迎水面聚硫密封膠可能開裂脫落、油麻腐爛而失效導致水滲入。

b.迎水面聚硫密封膠難以承受夏季雨水高水壓作用而滲漏。

c.結構物的自然沉降引起的與堵漏填充物之間的開裂。

3.2 滲漏處理方案

根據現場實際情況進行滲漏原因分析，組織行業內專家咨詢，一致認為解決最徹底的方案是回到最初套管埋設覆蓋前的狀態，即進行迎水面開挖處理。但因投入大、施工周期長，且地下管路、線路復雜，未得到業主同意。

經過探討，擬定如下方案進行試驗研究。本工程受灌體類似“圍巖”以及“混凝土空洞”體，選擇適合“防滲堵漏”和“充填密閉”的灌漿材料，參照設計要求及現場實際情況結合相關工程經驗，為保證滲漏處理的長久性，擬定采取“表面嵌填環氧膠泥+管口‘水不漏摻水泥基滲漏結晶防水涂料’+管壁內環保型油溶性聚氨酯化學灌漿”綜合處理方案。

首先對現狀滲漏水套管表面聚硫密封膠和填充油麻進行拆除，清理干凈后在套管表面一定深度內(3～5cm)埋設高壓單向閥止水針頭，待止水針頭完全固化后進行套管內行化學灌漿處理，灌漿后井壁由外至內形成隔水層，灌漿材料采用環保型油溶性聚氨酯復合材料。化學灌漿后，將止水針頭外露部分切割掉，再在套管管口與管壁表面嵌填環氧膠泥。

3.2.1 注漿堵漏材料

本工程注漿堵漏材料選用油溶性聚氨酯[2]，一種由甲苯二異氰酸酯和油溶性聚醚進行聚合反應而成的高分子化合物。該材料是一種低黏度，單組分合成高分子聚氨酯材料，形態為遇水產生交聯反應，發泡生成多元網狀封閉彈性體的特征。當它被高壓注入到裂縫結構，會延展至將所有裂縫填滿(包括肉眼難以觀察的0.015mm微縫)，遇水后伴隨交聯反應，會釋放大量二氧化碳氣體，產生二次滲壓，高壓推力與二次滲壓再次將彈性體壓入并充滿所有裂隙，達到止漏目的。油溶性聚氨酯相對水溶性聚氨酯材料[3]的主要優點是：形成的發泡體強度高、耐久性好，適合水頭高、水質復雜的潮濕環境。其主要技術指標見下表。

油溶性聚氨酯材料(OPU)主要技術指標

3.2.2 機械設備

主要機械設備、工具設備：小平鏟、沖擊鉆(清理用)、切割機、高壓泵、注漿管、閥(止水針頭)，如圖2所示。

圖2 止水針頭

3.2.3 施工工藝

施工流程包括：施工準備(材料準備、技術準備)→表層及內部處理→重新填充部分新油麻→埋設注漿管嘴→連接灌漿泵→灌漿→切割注漿嘴外部→縫面清理→管口封閉處理。

a. 清理：詳細檢查分析滲漏點情況，對套管一周全部進行清理，剔除表面聚硫密封膠和內部填充油麻、鑿除表面析出物。在剔除填充油麻時，由于鋼管中部設有擋塊，擋塊前面的油麻必須全部剔除，清理干凈。擋塊后面保證將擋塊與套管之間的縫隙清理，以便漿液流入擋塊后面。實際清理過程中，發現原填充油麻確實大部分已經完全腐爛，幾乎腐爛成渣子，隨水自然流出。且套管壁內還有大量泥沙，可見，油麻已經完全失效，甚至對鋼管壁產生腐蝕作用，如圖3所示。

圖3 管壁清理

b. 重新填充新油麻：在擋塊前重新填充長度約35cm左右的新油麻。清理過程中發現套管內局部有大量泥沙，密實程度不一。因此，填充新油麻的深度是根據清理深度而定的，平均深度35cm左右。

c. 埋設灌漿管、閥(止水針頭)：在對表面聚硫密封膠和填充油麻剔除后，管口采取“水不漏摻水泥基滲漏結晶防水涂料”進行固化，固化深度約為3～5cm，固化的同時沿套管與鋼管之間(約4cm厚)環向埋設灌漿管、閥，灌漿管直徑14mm、環向間距25cm、埋設長度15cm左右。埋設時，確保套管與鋼管之間管口不滲漏。在鋼管的頂部位置埋設一根直徑20mm，長15cm左右的PVC管作為排氣管，如圖4所示。

圖4 埋設灌漿管(止水針頭)

d. 準備注漿設備和材料：使用輕型電動化學灌漿泵和配套設備，該灌漿設備3～6s內壓力可升至30MPa以上工作壓力，對縫灌漿質量有充分保證。

e. 灌漿：待埋設注漿管完全固化后，從標高最低的注漿口開始泵入漿液，灌漿漿液采用環保型油溶性聚氨酯復合材料。灌漿順序采取從底部向兩側對稱、分序進行灌漿；因灌漿設備的壓力由管內水量的多少、水頭高低、灌漿充填物的情況而決定，當接近最上部排氣孔時，如排氣孔往外冒漿，則將排氣孔用“水不漏”封閉，再進行相鄰孔灌漿,見圖5。待所有的孔都灌完后回到先前第一個灌漿孔，再次灌漿，以保證壓力最大化。因止水針頭單向注漿閥需要至少4MPa壓力才能打開,因此灌漿起始壓力應不小于4MPa。當注漿閥打開后，灌漿壓力瞬間降低，灌漿過程中要嚴格控制灌漿壓力，既要保證管內充填密實，又不能因壓力過大導致過多聚氨酯灌漿材料注入外部土層中，更不能因壓力過大導致結構破壞。

圖5 聚氨酯灌漿

f. 切割外露注漿嘴：油溶性聚氨酯灌漿完全固化后(一般為灌漿完畢后24小時)，確認不再漏后將外露灌漿嘴切割掉，清理干凈已固化的溢漏出的灌漿液。

g. 管口封閉處理。

4 實施效果

本方案試驗實施后因受現場條件的限制，既不能在管壁間鉆孔壓水，外部也無檢測空間，最后只能采取通過雨季觀察的方法來判斷實施效果。經過多次降雨后的觀察與檢查，發現處理后的管口表面密實、干燥，無滲漏水現象，質量效果顯著,見圖6。

圖6 堵漏后效果

5 結 語

通過研究方案的試用，證明油溶性聚氨酯化學灌漿在穿墻套管管壁間堵漏的作用明顯、效果顯著。尤其是對于鋼套管管壁間的空腔回填堵漏處理，既起到了防滲漏的作用，同時還可解決工程中要求鋼套管與鋼管之間的柔性接觸問題。

鑒于該試驗方案在類似工程中實施的先例較少，目前這類規范和標準也不健全(鋼管壁之間灌漿)，且實施中受穿墻套管管壁材質的類型、埋設深度、外部地質條件、水文條件等因素影響較多。因此，該方案的推廣應用需要根據工程的實際情況實施，尤其是灌漿中對壓力的選擇與控制，更需謹慎。只有經過以后各種工程情況的實施驗證，以及長時間的效果檢驗觀察才能形成具體的實施標準。