粘碳纖維布在穿黃輸水隧洞中的研究與應用

鄭曉陽，張建偉

（1.中國南水北調集團中線有限公司河南分公司，河南 鄭州 450000；2.中國南水北調集團江漢水網建設開發有限公司，湖北 武漢 430040）

1 工程概況

穿黃工程線路總長19.30 km，設計流量265 m3/s，加大流量320 m3/s。穿黃隧洞共長4.25 km，采用雙洞平行布置，中心線距離28 m。隧洞采用內外雙層襯砌結構，兩層襯砌間用透水墊層隔開，該結構形式在國內外均屬先例。隧洞外襯采用C50鋼筋混凝土預制管片拼裝而成，管片外徑8.70 m，內徑7.90 m，管片厚度40 cm，管片環寬1.60 m，采用7 等分管片分塊形式。內襯為后張法有黏結預應力混凝土結構，設置有縱向及環向預應力錨索，穿于波紋管中布置于兩層鋼筋網之間。

2 研究背景

粘碳纖維布常見的有橋梁、隧道、煙囪、樓房等結構補強，但在輸水隧洞中的補強并不常見，項目考慮到該材料的諸多優點，采用粘碳纖維布進行隧洞補強，并開展相關研究。

3 輸水隧洞應用的分析與探討

3.1 粘碳纖維布試驗

3.1.1 試驗目的

在正式施工前，對隧洞局部性缺陷采用粘碳纖維布配套專用修補膠進行處理修補，以驗證碳纖維布黏接強度指標。

3.1.2 試驗步驟

①基面處理：試驗選擇基面3 塊，尺寸為50 cm×50 cm，間隔50 cm并標示邊緣，打磨平整且露出骨料后將基面清理干凈并保持干燥，隨后對3塊基面分別按照干燥基面、潮濕基面（用水桶盛清水潑在基面上，潑水5 次，每次潑水確保濕潤整個基面范圍，每次間隔1 min，5次完成后，使用毛巾擦干基面區以及上方，確保基面濕潤但無明水且上方無水流下）、明水基面（用水桶盛清水潑在基面上，確保清水全部覆蓋整個基面范圍，潑水5次，每次間隔1 min）進行處理。②底膠涂刷及粘貼碳纖維布：基面處理完成后采用浸漬膠均勻涂抹于混凝土表面，底膠涂刷好后隨即粘貼碳纖維布。粘貼時采用專用滾筒順纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，并使碳纖維布完全浸潤。③涂覆浸漬膠并養護：將配制好的浸漬膠樹脂，均勻涂抹在碳纖維布上，用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬膠充分浸透碳纖維布，并與底膠充分結合，隨后養護7 d。④拉拔試驗：根據拉拔頭的尺寸，切割出40×40 cm2的尺寸，粘貼拉拔頭，然后進行使用拉拔試驗儀黏結性能檢測。

3.1.3 試驗結果

試驗采用某纖維廠家生產的碳纖維布、CXs-3/2浸漬膠對進行碳纖維布黏接拉拔試驗。從材料養護7 d后，進行拉拔試驗檢測結果看，干燥基面和潮濕基面的黏接強度均滿足要求：拉拔試驗檢測，粘結強度大于2.50 MPa，且破壞發生在混凝土內，表明浸漬膠的黏接效果較好；明水基面的黏接強度不滿足要求，原因歸結于水在浸漬膠和基層之間形成隔離層，破壞了底涂對基層的附著力，從而降低了整體的黏接強度。

3.2 粘碳纖維布施工

穿黃隧洞下穿黃河內襯較薄、對過流能力要求很高及粘碳纖維布具有質量輕、施工便捷、防腐性能優異，在不增大截面、不增加重量、不改變外形的條件下對輸水隧洞局部混凝土缺陷采用粘碳纖維布進行補強。粘貼碳纖維布加固施工工藝流程：基底處理→找平→涂底膠→粘貼→壓板→碳纖維浸漬膠封閉。

3.2.1 基底處理及找平

粘碳纖維布的處理基礎處理是關鍵，通過“3.1粘碳纖維布試驗”不難看出，混凝土基礎面對粘碳纖維布的拉拔力產生直接影響，結合試驗結果，首先需將混凝土基面打磨至露出骨料，打磨后要求要光滑、平整，壓結鋼板凹陷部位坡度應盡量平緩，不得陡于設計坡度，坡腳處必須平滑過渡。基面應干燥、潔凈。為檢查基礎面清潔程度可用白手套擦拭無痕跡即可。

基面處理驗收后，將底層碳纖維布粘結膠均勻涂刷于混凝土表面，在底層粘結膠指干后進行下一步工序施工。粘貼基面局部有凹凸部位，應先采用找平膠將混凝土填補平整。

3.2.2 粘貼碳纖維布

①底膠表面指干后吹除或擦掉表面灰塵，要求白手套擦拭無痕跡，然后涂刷一層粘結膠，要求涂刷均勻、無漏刷，且不能太薄。粘結膠按A：B=2：1分別稱重后混合，機械拌和，拌和時間3 min，拌和完成后色澤均勻，無結塊、氣泡。每次拌和膠量不宜過多，若發現拌和或涂刷過程中膠液明顯發熱、變稠，禁止使用。②涂刷后立即粘貼，涂膠時若發現涂在基面的膠液有局部或個別地方發白情況，必須立即用刮板刮掉膠液后重新涂刷。③粘貼纖維布時要求擠出氣泡，用專用的滾筒（或刮板）順纖維方向多次滾（刮）壓，擠除氣泡，使膠液充分浸透碳纖維布。④多層粘貼重復上述步驟，應在碳纖維表面指干后，立即進行下一層粘貼；每層粘貼的有效面積不得低于95%，粘貼過程不得出現碳纖維布下墜或氣泡增多現象。為了更好地起到對粘碳纖維布的保護，無論單層還是多層均需在最后一層碳纖維布表面均勻涂碳纖維布粘結膠，并在粘貼完成3 d內不得擾動。

3.2.3 不銹鋼壓結鋼板安裝

壓結鋼板為不銹鋼材質，對于處理缺陷部位存在壓結鋼板的，見圖1。安裝壓結鋼板不得擾動碳纖維布，應在粘貼完成3 d 后安裝壓結鋼板，見圖2。為避免壓結鋼板鉆孔時傷及結構鋼筋或鋼絞線，用儀器探測鋼筋（鋼絞線）位置，避開鋼筋并鉆直徑不小于5 mm，深度不小于6 cm孔，孔間距20 cm。不銹鋼板厚3 mm，寬4 cm，相應位置開直徑5～6 mm孔。塑料套管浸透黏結膠后塞入孔內，鋼板表面涂抹粘結膠用不銹鋼螺釘固定。鋼板表面防護采用碳纖維浸漬膠涂刷2遍。

圖1 碳纖維布補強示意圖

圖2 壓結鋼板布置圖

3.3 粘碳纖維布缺陷分析及處理

在輸水隧洞排水及混凝土面面干后立即排查，避免時間滯后缺陷不宜被排查發現。粘碳纖維布缺陷類型主要包含以下5種：分別是空鼓脫開、滲水、翹邊、壓結鋼板螺絲釘銹蝕、環氧膠泥開裂翹邊，其中空鼓脫開問題相對較少，滲水、翹邊問題相對較多，針對不同的缺陷類型應采取不同的處理方式。

3.3.1 空鼓脫開

①面積不大于100 cm2的空鼓部位采用注膠，對于面積大于100 cm2的采用切割后重新粘碳纖維布處理。②碳纖維布表面空鼓面積大于100 cm2，以脫開部位最大邊緣為切割范圍，切割形狀為“矩形”，重新按原設計層數粘貼碳纖維布，隨后對矩形邊緣外側清理環氧膠泥并搭接（沿纖維方向搭接20 cm）；搭接粘貼碳纖維布時若碰到壓結鋼板，采用切割機切斷壓結鋼板，碳纖維布補貼完成后恢復壓結鋼板；表面防護范圍為新粘碳纖維布表面及周邊外延5 cm，外延部分提前打磨環氧膠泥，要求打磨露出新鮮面。防護方式為涂刷碳纖維浸漬膠2遍。

3.3.2 滲水

排查中滲水作業前已不再滲水的，需割開排查時滲水點部位，是空鼓的按照空鼓處理；如非空鼓，則清除原滲點周邊環氧膠泥，清除范圍20×20 cm2，刷2層碳纖維浸漬膠封閉。

對于作業前仍在滲水的，切開滲水點部位碳纖維布，按照縱向2 cm，環向5 cm切口查找滲水點并處理，為精確查找滲水點，需根據切開后的滲點情況沿水源方向擴大切割范圍，考慮碳纖維布的特性最終切割形狀應為矩形。查找滲點過程中碰到壓結鋼板時，可用切割機切斷壓結鋼板，補貼碳纖維布后再恢復壓結鋼板。滲水點按照混凝土點滲、面滲處理技術處理，按照空鼓處理相關要求，采用碳纖維修補及防護。

3.3.3 翹邊

翹邊寬度不大于5 cm，割除翹起的碳纖維布，清理基面；基面驗收合格后，上涂2層碳纖維浸漬膠。翹邊寬度大于5 cm，割除翹起的碳纖維布，按照空鼓處理要求補貼碳纖維布。

3.3.4 壓結鋼板螺絲釘銹蝕

針對該問題需先清除銹蝕部位環氧膠泥，打磨除銹后采用碳纖維浸漬膠涂刷2遍即可。對于輸水隧洞、潮濕部位粘碳纖維布施工時壓結鋼板固定螺絲建議采用不銹鋼螺絲。

3.3.5 環氧膠泥開裂翹邊

環氧膠泥的缺陷處理：一是，對于已與粘碳纖維布脫落環氧膠泥，采用刮刀翹的方式去除；二是，對于與碳纖維布粘貼牢固的需采用打磨方式盡量去除其表層的環氧膠泥，去除時避免傷及碳纖維布。最后再采用碳纖維浸漬膠涂刷兩遍。

4 結語

南水北調中線穿黃工程自2014年通水至今各項性能指標均滿足設計要求符合建設預期，尤其隧洞滲水量遠低于設計允許值，與隧洞的各項防滲措施、碳纖維布的合理應用密不可分。