矿山法隧道丙烯酸盐喷膜防水技术应用探析

蒋雅君,杨其新,刘东民,盛草樱

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室,四川 成都 610031；2.西南交通大学希望学院土木工程学院,四川 成都 610400；3. 西南交通大学 生命科学与工程学院,四川 成都 610031)

丙烯酸盐喷膜防水材料在我国的研究和应用始于20世纪末,从株六复线大竹林铁路隧道平导中的试验开始(1999年)[1],已经在国内的20余个各类工程中得到了应用，包括公路隧道、铁路隧道、地铁区间隧道、城市公路隧道、电力隧道、特殊隧道等。目前该技术已被列入一些防水技术标准中[2-5],也为其推广应用奠定了较好的基础。

随着国内外隧道工程界对喷涂防水技术的日益关注,新型的喷涂防水材料如喷涂聚脲、喷涂速凝橡胶等近年也发展迅速[6]。国际隧道协会(ITA)近年的年会(WTC)中对该技术的研究进展和应用实例进行交流(我国学者也在WTC2015的分会场报告中介绍了丙烯酸盐喷膜防水材料在寒区隧道中的一个应用实例[7]),并且ITA于WTC2013上推出了一本设计和施工指南，用于指导和规范喷涂防水技术的应用[8],因此可以预见喷涂防水技术将得到进一步快速发展。

目前，各类喷涂防水材料在我国隧道工程中的实践应用大多仍然处于起步阶段,在设计和施工中都存在有待探讨的地方,如防水构造体系、细部节点处理、施工工艺及质量检验等,以上因素容易影响该技术的应用效果甚至有时造成防水失效,无法充分发挥该技术的优势。丙烯酸盐喷膜防水材料目前在国内各类隧道和地下工程中的实践应用经验较多,已经积累了较为充分的资料,因此本文以目前较为常见的矿山法隧道为背景,结合工程应用经验对丙烯酸盐喷膜防水材料应用技术的主要内容进行总结和探讨,以便为喷涂防水技术在隧道中的应用提供一定借鉴。

1 矿山法隧道喷涂防水体系及构造

1.1 矿山法隧道防水体系常见类型

我国矿山法隧道中目前常用的防水体系主要可以分为排水型、非排水型(防水型)两大类。对这两种不同的防水体系进行设计时,最大的区别在于衬砌上承担水压力的大小和分布形态[9]，见图1。通常认为排水型隧道由于设置了通畅的排水系统,因此衬砌承受的水荷载量不大或者理解为在可以接受的范围内，设计时可以忽略。

图1 隧道衬砌作用的水压模式示意

目前我国矿山法隧道的防水体系在山岭环境中以排水型居多，如公路隧道、铁路隧道；在城市环境中则以非排水型居多，如地铁区间隧道、城市公路隧道、电力隧道等。为配合这两种隧道防水体系的构造形式、充分发挥喷涂防水层的优势,需要根据喷涂防水材料的性能特点、施工要求等做出合理考虑。

1.2 排水型矿山法隧道喷涂防水构造

目前国内大多数山岭隧道都是该种类型的防水体系,也将是喷涂防水材料在国内隧道工程中应用的主要对象。常见排水型隧道防水构造的主要组成部分包括初期支护、无纺布缓冲层、防水层(板)、二次衬砌及衬砌背后排水设施,其中防水层(板)通常只设置在拱墙部位,仰拱处一般只设置横向排水管和中央排水沟[9]，见图2。

图2 排水型隧道防水构造

排水型隧道结构充分利用布置的排水设施，尽可能地排出防水层后的积水,以消除作用在二次衬砌上的水压力。除了在初期支护表面布置的环向、纵向排水管以外,拱墙部位全面铺设的无纺布也能起到排水作用[10]；同时,由于初期支护基面不平顺所形成的与防水层之间的空腔,在一定程度上也能起到排水的作用，见图3。文献[11-12]分析和探讨了在衬砌中设置排水措施对衬砌水压的消除作用,因此不应忽视山岭隧道防水体系的排水能力和作用。

图3 排水型隧道防水构造基本要素

在一些工程实例中,也有设计师提出取消无纺布缓冲层，将丙烯酸盐喷膜防水层直接施作在拱墙部位的初期支护表面,其初衷是利用喷涂防水层与基面的良好密贴性,增强初期支护、防水层、二次衬砌的协同工作能力。但是由于衬砌结构及防水体系中取消了无纺布缓冲层(及空腔),也去掉了将防水层后积水引排至排水体系中的通道,将改变二次衬砌部位下水水压的作用模式和水压荷载大小。此时二次衬砌受到的水压荷载该如何考虑以及该水压荷载是否还可以忽略等问题仍然有待研究和探讨。根据丙烯酸盐喷膜防水材料在牟尼沟隧道(2010年)洞口浅埋段的应用经验[4, 7],第一个试验区段中喷膜防水层直接施作在初期支护基面上,短期内观察到邻近区段的初期支护基面渗水情况增加较明显,说明初期支护基面的封闭可能导致地下水向未被防水层封闭的相邻区段迁移,也能在一定程度上说明这种防水体系对地下水作用模式的改变。

综合以上分析,在排水型隧道中采用喷涂防水技术时建议仅将图3中的防水板替换为喷涂防水层,但不应取消无纺布,否则应在二次衬砌设计时计入拱墙部位的水压荷载,以保证结构安全。为达到复合式衬砌结构各层密贴的效果,也可开发喷涂型排水材料用于初期支护与喷涂防水层之间,以保证排水型隧道防水构造体系排除积水和消除水压的能力不被削弱。

1.3 非排水型矿山法隧道喷涂防水构造

非排水型隧道主要在地下水水位不高或对地下水环境保护要求较为严格的条件下使用,地铁区间隧道即为典型的非排水型隧道。该类隧道防水构造的主要组成部分包括初期支护、无纺布缓冲层、防水层(板)、二次衬砌,其中防水层(板)在隧道全周设置,并取消了衬砌背后的排水系统[9]，见图4。

图4 非排水型隧道防水构造

由于非排水型隧道中不允许地下水向洞内排泄,因此在二次衬砌设计时通常计入全水头高度的水压荷载，这种情况下将喷涂防水层直接施作在初期支护基面是适宜的，见图5,能使初期支护-防水层-二次衬砌结合紧密,并在一定程度上防止窜水发生。

图5 非排水型隧道喷涂防水体系基本要素

图5仅为理论构造形式,而根据丙烯酸盐喷膜防水材料在贵阳地铁1号线区间隧道(2015年)、石家庄高新区昆仑大街220 kV电力隧道(2016年)和广州地铁13号线区间隧道(2016年)中的应用经验(以上三个工程实例均为非排水型隧道),在此类隧道防水构造体系的实施过程中,如下问题需要予以重视并采取措施解决:喷射混凝土目前难以达到很平整,而基面的粗糙程度将会影响喷涂防水层的质量和对基面的连续封闭；初期支护基面的渗水点处无法有效形成喷涂防水层,会造成防水层缺陷及可能造成喷涂防水层后期剥离脱落；仰拱部位通常有积水或渗水无法彻底排除,应考虑隔水设施以保证喷涂防水层的施作。对应的现场施作条件实例见图6。

图6 非排水型隧道喷涂防水基面条件

因此,建议在非排水型隧道中采取图7所示的防水构造,其中拱墙部位应在初期支护表面铺挂一层无纺布(此时无纺布的作用主要是临时隔离初期支护基面渗水并起到找平作用)或砂浆找平层(在基面无渗水或渗水轻微的条件下)；在仰拱部位则应铺设无纺布或其他能起到临时隔水作用的材料以便隔绝隧道施工阶段仰拱部位积水的影响。

图7 非排水型隧道喷涂防水体系构造

2 矿山法隧道喷涂防水细部节点处理

由于地下水“无孔不入”的特点,在防水设计与施工中细部构造部位的处理往往是防水成败的关键。虽然相比明挖法地下结构而言，矿山法隧道中细部节点更少,但仍然应重视。

2.1 衬砌结构接缝部位

在矿山法隧道中,常见的设缝部位包括衬砌施工缝(纵向、环向)与变形缝两大类,此处主要说明喷涂防水层在这些部位的处理,其余防水措施仅做示意或列出代表性做法。

纵向施工缝主要在衬砌的仰拱与边墙结合部位(矮边墙顶部),环向施工缝主要是在每模衬砌混凝土的接缝部位。施工缝是衬砌易出现渗水的部位,因此在采用防水板的防水体系中,施工缝处通常会在防水板表面设置背贴式止水带来加强防水。在采用喷涂防水材料的防水体系中,由于目前背贴式止水带产品多为塑料或者橡胶制品,与各类喷涂材料黏结困难,止水效果有限,因此在丙烯酸盐喷膜防水材料的应用中对衬砌施工缝部位的处理方式为采用与喷膜防水层同厚度、同材质的局部喷膜防水层进行加强,加强层的宽度不小于400 mm，见图8。变形缝部位的处理与施工缝类似,也在缝的部位采用同材质、同厚度的喷膜防水材料对喷膜防水层进行加强处理,加强层的宽度通常不小于400 mm。

图8 隧道衬砌施工缝部位喷涂防水处理措施

贵阳地铁1号线区间隧道(2015年)采用了图8所示的构造及方法对施工缝部位的喷涂防水层进行了加强处理。对衬砌接缝部位的喷涂防水加强层处理,加上衬砌结构本身在接缝部位的其他防水措施,能较好地保证接缝部位防水的效果。

2.2 喷涂防水层与其他防水材料的连接措施

在丙烯酸盐喷膜防水的应用中也经常需要处理与其他防水材料(主要是防水板)的搭接或覆盖问题,以形成连续、有效的整体防水层,其本质是在同一防水体系中解决不同防水材料间的相容性问题。比如在深圳中海油LNG工艺隧道(2015年)中采用了双层防水体系,在EVA防水板表面喷涂一层丙烯酸盐喷膜防水层,需要解决两种不同材质防水层之间的黏结问题；还有些案例中需要处理喷膜防水层与高分子防水板的搭接部位,甚至有时还需要处理与其他喷涂防水材料的搭接(广州地铁13号线区间隧道,2016年)。

以下为丙烯酸盐喷膜防水材料在实际案例中的一些应用，见图9。为简化起见,在图9中略去了隧道初期支护、衬砌等结构。

(1)喷膜防水层覆盖高分子防水板(通常为EVA、PVC等)以形成双层防水构造时,先铺挂防水板,再在防水板的表面喷射丙烯酸盐喷膜防水层。所采用的防水板为复合了无纺布的防水层,利用无纺布自身的纤维构造与喷膜防水材料紧密连接。

(2)喷膜防水层与高分子防水板搭接时,可以通过防水板过渡段进行处理。选用与相邻区段高分子防水板同材质且表面复合了一层无纺布的防水板,裁成宽度不小于200 mm的过渡段板材,与相邻区段防水板通过焊接连接,之后在过渡段板材上喷膜覆盖。

(3)喷膜防水层与其他喷涂防水材料搭接时,由于两种喷涂防水材料材质存在差异有时不能形成有效黏结,可通过胶粘剂层(如非固化橡胶沥青涂料)进行接头部位的处理,涂刷胶粘材料的宽度不小于100 mm,之后再喷涂第二层防水层进行接头部位的覆盖。

图9 喷涂防水层与其他防水材料的连接处理措施

2.3 其他细部节点

在矿山法隧道结构中,由于结构形式相对单一,需要处理的其他细部节点也较少,可能遇到的其他细部节点主要包括:

(1)隧道洞身与人行及车行横洞、隧道洞身与避车洞等附属洞室的交接部位均可能形成基面的较大起伏变化,造成局部阴阳角的出现,在阴阳角处对基面进行适当的找平、倒角处理,然后设置防水加强层(加强层的制作方法、宽度与施工缝部位要求相同)。

(2)在部分矿山法隧道(尤其是地铁区间隧道)中还有采用分区防水的措施,但基于喷涂防水技术的隧道分区防水配套设施还没有进行较为系统的开发,由于界面黏结的问题,目前也不能直接套用基于防水板体系的分区防水设施(该问题将另文探讨)。

(3)在有些矿山法隧道(如电力隧道、城市人行隧道)中还会遇到预埋设施穿透防水层部位的处理问题,如二衬内预埋件安装部位的防水处理。处理此类细部节点部位,总体上只要考虑充分都能形成密闭、连续的喷涂防水层，保证防水效果。

3 矿山法隧道喷涂防水施工技术要点

施工技术是保证喷涂防水技术效果的重要因素[13],通过近年来丙烯酸盐喷膜防水材料的工程应用,较为全面的施工技术及要求已经被列入文献[2, 14],本文仅对其中一些关键的内容进行探讨。

3.1 施工方案编制及交底

目前国内大多数隧道施工单位对喷涂防水技术了解尚不够全面,因此需要防水单位针对每个具体工程编制出针对性强的施工方案,这也是防水质量的重要保障手段。表1列出了目前编制丙烯酸盐喷膜防水施工方案的要点,其中施工方法及工艺要求是重点内容,需要结合工程概况、工程地质及水文地质条件、结构形式、防水设计、施工环境等因素进行综合考虑,往往也是对编制人员技术水平、施工经验的全面考验。

表1 喷涂防水施工方案编制内容

方案编制完成后,须对防水施工队伍从上到下展开全面技术交底,保证一线人员能掌握方案要点、有力执行,保证实际效果。必要时还需要进行人员的培训,以提高施工队伍的技术能力,确保防水质量。

3.2 防水基面处理措施

根据丙烯酸盐喷膜防水材料的应用经验,防水基面(初期支护表面)的状况对喷膜质量有直接影响,以下情况一般需要在施作喷涂防水层之前进行处理。

(1)粗糙基面。喷射混凝土初期支护基面会对直接施作在表面的喷涂防水层均匀性造成影响[13],同时也会造成单位面积上喷涂防水材料用量的增加。在初期支护基面铺设一层无纺布是一种简单有效的做法,铺设无纺布层后单位面积丙烯酸盐喷膜防水材料的用量与平整混凝土基面上的用量接近,且防水层的形成效果良好。在非排水型隧道中也可以采用喷涂砂浆找平层的方式对基面进行处理,但是效果可能不如无纺布层明显。

(2)基面渗水。在存在渗水尤其是流动或带压的明水基面上直接喷涂通常会造成喷涂防水层的缺陷,必须对基面渗水点进行处理,常用措施包括注浆消除渗水或者布设局部排水设施进行引排。部分喷涂防水材料可在潮湿基面上进行喷射,但大部分喷涂防水材料对基面渗水控制要求较高,而通过注浆措施达到基面完全无渗水的状况非常困难,铺设无纺布或者其他具有临时隔水、排水功能的材料就成了较好的选择。

(3)基面积水。通常情况下由于仰拱的部位处于隧道的最低点,往往存在底部渗水和积水，难以抽排干净,对施作找平层和喷涂防水层都有较大的影响。根据丙烯酸盐喷膜防水材料在深圳中海油LNG工艺隧道(2015年)、贵阳地铁1号线区间隧道(2015年)中的应用经验,在仰拱部位应先铺设一层具有临时隔水功能的复合土工膜,土工膜底部还宜设置临时导排水设施,将底部积水隔离后引排至临时抽水点排出,以保证喷涂防水材料的正常固化。

(4)基面附属物。初期支护基面上可能会有注浆导管、锚杆头等,为避免这些凸出物对无纺布、防水层造成的损伤或者穿透,初期支护基面出露的锚杆或者注浆管需要在铺挂无纺布或者喷涂砂浆找平层前齐根切掉并砸平。对于一些必须要伸入二次衬砌内的设施(如电力隧道的托架预埋件),则应对其根部进行妥善的渗漏处理后再喷涂防水层封闭。

(5)基面平整度。初期支护基面平整度目前通常要求控制在D/B<1/6(D为局部最大凹陷深度，B为凹陷面最大宽度),但施工现场往往不易达到,因此要求在无纺布层铺设时通过加密钉距的方法尽量与基面密贴,防止无纺布层局部绷紧,避免在二次衬砌混凝土浇筑过程中撕裂喷涂防水层。在基面用喷涂砂浆找平的情况下防水层可与基面密贴,此问题能得到改善。

3.3 喷枪操作控制参数

目前国内隧道工程喷涂防水施工已经全面采用了各类成熟的喷涂设备(以高压无气喷涂设备为主)[15],但总体上来看,国内隧道喷涂防水施工还是以人工操作喷枪的方式为主,机械手喷涂系统尚未普及,因此此处仅对人工操作喷枪的一些参数进行说明。

(1)喷射角度。在进行大面喷涂时,要求喷枪与基面保持垂直,使成膜较均匀、回弹率也能得到一定控制。在基面局部凹凸不平、表面有凸出物、处理局部缺陷等情况下,喷手可以根据情况适当调整喷射角度。

(2)喷射距离。喷嘴至基面的距离过大会造成雾化喷涂防水材料液体飞散面积过大,较难控制,对防水层形成质量造成影响；距离过小时,又会使得喷涂防水材料液体与基面碰撞后回弹增加。一般情况下,喷射距离为40～60 cm 时喷涂效果较好[13]。

(3)喷枪运动轨迹。目前用在隧道工程喷涂防水喷枪上的喷嘴大致可以分为圆形和扇形两种,这两种喷嘴的运动轨迹有一定区别。圆形喷嘴喷枪宜采用螺旋形轨迹[14],扇形喷嘴喷枪则宜采用直线形轨迹(见图10，其中，虚线为喷涂区域，实线为喷嘴运动轨迹)。以上两种运动轨迹均应保证基面同一部位被多次重复喷涂覆盖,以减少单次喷涂可能存在的缺陷。

图10 喷嘴平面运动轨迹示意

3.4 喷涂防水施工工艺要求

在隧道内形成连续的喷涂防水层还需要解决同一区段防水层喷涂施工顺序及方向、相邻区段内的防水层搭接、缺陷防水层的修补等主要施工工艺问题。

(1)喷涂基面分区及喷射顺序。隧道内喷涂防水施工时需要分段前进,每段长度以取施工台架的长度为宜。在单段喷膜基面内,同一台架层上也应将基面分块进行喷膜,以减少喷手在台架上的移动距离。喷涂作业时最好按照自下而上、先边墙后拱顶的原则进行,以减少上部回弹物附着在基面上的影响。图11演示了在隧道内进行喷涂时的分区、分块及前进方向原则[13],其中w为单个分区的宽度,一般为1.5～2 m；h为单个分区的高度,一般可取1 m。

图11 喷涂分区、分块示意

(2)前后区段喷涂防水层搭接。在喷涂下一区段的防水层时,应对前一段喷涂防水层的接头部位进行清洗以保证其表面清洁,前后防水层的搭接长度不小于10 cm,以形成有效的搭接。

(3)缺陷喷涂防水层修补[14]。对低于标准厚度的防水层应进行补喷,喷涂覆盖面要求无渗水并无油渍、干燥粉尘等,否则应进行冲洗处理；对防水层表面出现蜂窝、针眼等情况,应将局部防水层割掉后补喷修复,缺陷边缘需喷满并超过边缘50 mm 以上；对接缝不良的情况,应将搭接处的防水层割掉然后重新补喷,覆盖边缘需达到50～100 mm。

(4)喷涂防水层养护。喷涂防水材料的充分固化通常都需要一定的时间和环境条件,在环境条件比较恶劣(如高海拔地区)或者二次衬砌浇筑滞后的情况下,还需要采取一定的措施(如喷水或及时施作保护层封闭等)对喷涂防水层进行养护,以保证其性能不降低。

(5)喷涂防水层保护。在仰拱部位的防水层上应浇筑50 mm厚的细石混凝土保护层,以防止绑扎仰拱钢筋时对防水层造成损伤以及隧道其他施工环节对防水层的破坏；对拱墙部位的防水层则主要注意在钢筋绑扎过程中造成的穿刺损伤,并应及时进行修补。

3.5 喷涂防水层质量检验与验收

喷涂防水层质量的检验项目可以分为主控项目和一般项目两类,每种喷涂防水材料的性能特点、施工要求可能存在差异,因此检验项目与验收要求也可能会有差别,此处主要对丙烯酸盐喷膜防水材料的相关内容进行说明[2]。

(1)主控项目主要包括喷涂防水层的性能检验、现场施作质量检验等内容。喷涂防水层的性能检验可在施工现场选取平整基面喷涂制样,送第三方检验机构进行测试；喷涂防水层现场施作质量检验项目主要包括防水层厚度、防水层外观、有无渗漏水等,分批次或者全部进行检查和验收。

(2)一般项目包括对各类设计与施工文件、产品合格证、质量检验报告的要求和检查,以及对细部构造处防水质量的检查和验收等。

4 结语

本文基于丙烯酸盐喷膜防水材料在国内矿山法隧道中的应用经验,对喷涂防水材料在排水型隧道、非排水型隧道中的防水构造形式、细部节点处理措施、施工技术要点进行了分析和探讨,喷涂材料、喷涂设备等内容将在其他文章中进行探讨分析。

(1)在不同的矿山法隧道防水体系中,需要根据隧道结构形式、水压作用模式、施工条件及要求等因素,合理确定防水体系中喷涂防水层、找平层及排水设施的设置形式,以发挥喷涂防水材料的优势。

(2)在处理矿山法隧道衬砌结构的防水细部节点时,重点需要解决的问题包括衬砌结构接缝部位的加强措施、喷涂防水体系中防水材料的相容性问题,以形成有效连接的整体防水体系。

(3)施工技术要求是喷涂防水材料在矿山法隧道中应用的重要控制因素,主要有施工方案编制、防水基面处理、喷枪操作控制、喷涂作业要求、质量检验与验收等内容,需要根据相关的技术要求进行施工,以保证防水质量。