液化天然气接收站LNG工艺隧道喷膜防水应用技术

2018-12-05蒋雅君杨其新刘东民盛草樱赵菊梅

隧道建设(中英文) 2018年11期

蒋雅君，杨其新，刘东民，盛草樱，赵菊梅

(1. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031； 2. 西南交通大学希望学院，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)

0 引言

液化天然气是一种重要的绿色能源，在过去的几十年里，国际液化天然气贸易量继续显著增长，中国的液化天然气行业近年来也在迅速发展，包括接收站在内的陆上液化天然气项目已在规划和实施[1-2]。为了便于储存和运输，需将天然气在大气压下冷却至非常低的温度(约-162 ℃)冷凝成液化天然气(LNG)[3]。当LNG接收站建设在海岸边时，为连接LNG船的泊位和接收站的罐区，有时需要设计和建造LNG工艺隧道(也称卸料管道专用隧道，如文献[4]中所述的美国Cove接收站和日本扇岛接收站)。

为了降低运营期间的安全和环境影响风险，通常需要对包括LNG工艺隧道在内的液化天然气接收设施进行专门的防灾设计[5]。对于LNG工艺隧道而言，如果隧道内的天然气输送管道出现泄漏，液化天然气蒸发时会迅速吸收空气中的热量；如果隧道衬砌结构有渗水，则会冻伤混凝土衬砌。因此，在运营期间LNG隧道内必须充满氮气，这样即使出现管道泄漏，LNG也不会与氧气混合发生爆炸。所以LNG工艺隧道的防水密封标准比常规隧道更为严格[4,6]。由文献[6]可知，在迭福接收站建成之前，全世界只有2条LNG工艺隧道(分别为沉管隧道和盾构隧道)，均通过完善的防水设计和施工达到了令人满意的防水质量。虽然迭福接收站的LNG工艺隧道采用了同样严格的防水标准，但该隧道采用新奥法(NATM)设计和施工，其防水体系和措施不同于沉管隧道[7]和盾构隧道[8]。因此，先前2条隧道的防水设计经验并不能为迭福接收站LNG工艺隧道提供直接指导。

目前包括中国在内的许多国家都采用基于新奥法理念的复合式隧道衬砌结构，其是通过在初期支护和二次衬砌之间铺设1层防水板来实现防水目的[9]。然而，从实际情况来看，这种常规做法的防水效果往往有限，因此，迭福接收站LNG工艺隧道需要进行特殊的防水设计并选用性能良好的防水材料。在过去的20年里，喷膜防水技术开始在世界各地的隧道中得到大量运用，在越来越多的案例中已经被证明其是减少隧道渗水的一种经济有效的方案(如文献[10-14]所述的案例)。丙烯酸盐喷膜防水材料自20世纪90年代开始由西南交通大学研发成功之后，已经在国内的铁路隧道、公路隧道、地铁等几十个项目中成功应用，证明了其可有效改善隧道的防水质量[15-17]。基于此，在与其他可能的防水方案进行比较后，迭福接收站LNG工艺隧道最终采用了包括丙烯酸盐喷膜防水层在内的复合防水系统。本文介绍了该隧道的防水方案和现场施工情况，阐述和总结了丙烯酸盐喷膜防水材料在迭福接收站LNG工艺隧道中的应用技术和效果，以期为后续同类工程提供借鉴和参考。

1 项目工程概况

LNG接收站是由众多相关设备组成的一个有机整体，包括卸料臂、储罐、低压输送泵、高压输送泵、汽化器、BOG压缩机、火炬塔等。通过这些设备的相互协作，将海上运输来的LNG通过一定的工艺流程存储在LNG储罐并外输至用户。LNG接收站通常包括LNG船泊位和罐区2个部分，这2个部分之间通过各类LNG输送管道和设施进行连接。迭福液化天然气接收站位于深圳市东部大鹏湾，已经于2017年投入运营。第1阶段建设包括1个液化天然气船泊位和4个储罐。迭福接收站平面布局如图1所示。泊位由栈桥建成，可容纳容量达27万m3的液化天然气运输船，码头容量为每年400万t。接收站主体(罐区)位于相邻的陆地区域，限于地形，LNG输送管道需要穿过LNG工艺隧道从泊位抵达罐区。

图1 迭福接收站平面布局

隧道场地浅部主要为第四系坡洪积含砾粉质黏土层，总厚度0.80～5.90 m，土质类型单一。场地内分布的地层自上而下有：人工填土层、第四系全新统坡洪积层、第四系残积层及燕山期中粒花岗岩。受到相邻区域断裂构造的影响，隧道场地局部基岩裂隙发育。隧道场地沿线地下水主要为赋存于中粒花岗岩及脉岩中的基岩裂隙水，主要分布于强、中风化层裂隙中，在微风化岩裂隙发育带也有赋存。场地地下水主要受大气降水补给，由北东向南西往大鹏湾排泄。勘察期间，测得地下水稳定水位埋深为1.20～18.30 m。

该隧道为山岭隧道，东西走向，全长584 m，最大埋深约43 m。隧道进口位于大鹏湾海边，地形为陡崖，出口距离罐区约100 m，靠近罐区西南侧。隧道纵坡采用单面坡，从进口端向出口端下坡，坡度为0.298%，两端高差为1.74 m。根据围岩级别，隧道横断面设计共包含有Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ 5个等级围岩的复合式衬砌类型，并在隧道进口端设3 m长明洞，出口端设5 m长明洞。隧道净空尺寸宽度为11 m，高度为8.28 m。隧道内空间分为管道区和检查通道，安装在隧道中的管道包括LNG接收管、回流(BOG)管、通风管和公共管线[4]。迭福接收站LNG工艺隧道横断面如图2所示。

图2 迭福接收站LNG工艺隧道横断面

迭福接收站LNG工艺隧道按新奥法原理设计，隧道支护结构除明洞段外，均采用复合式衬砌结构。隧道支护结构形式如图3所示。初期支护由喷射混凝土、钢架、锚杆、钢筋网等形成联合支护，二次衬砌采用钢筋混凝土结构，初期支护与二次衬砌之间设防排水设施，初期支护与二次衬砌共同形成支护体系，依据围岩级别不同，该隧道中共有5种不同支护参数的衬砌结构(明洞段除外)。

图3 隧道支护结构形式

2 隧道防水系统设计

2.1 隧道防排水构造形式

该隧道的防水等级按一级设计，防水设计遵循“以防为主，防排结合，多道设防，因地制宜，综合治理”的原则，采取了多种措施进行综合处理。考虑到LNG工艺隧道对防水的要求，最终采用全断面防水设计，并在防水层后铺设排水系统对地下水进行引排。防排水构造形式如图4所示。

1)防水设计：喷射混凝土支护封闭岩面裂隙，并对隧道Ⅳ～Ⅵ级围岩进行径向注浆，使隧道外围形成一道防水屏障；在初期支护与二次衬砌之间采用丙烯酸盐喷膜防水层+EVA防水板的复合防水层；二次衬砌采用模筑C40防水混凝土实现结构的自身防水。

2)排水设计：隧道初期支护施工完成后，沿初期支护设置φ50 mm的环向盲管，纵向间距为9 m(地下水丰富之处可增设盲管)；在隧道墙脚处各设置φ100 mm的纵向盲管，隧道底部设φ250 mm的中心排水管；渗入到隧道初期支护的地下水通过环向盲管汇入纵向盲管、中心排水管，最终通过中心排水管排入隧道外的防洪渠。

图4 LNG工艺隧道防排水构造形式

2.2 防水方案的比较和选取

本项目的设计单位最初提出了几种防水方案(如图5所示)，包括喷涂防水和钢筋混凝土衬砌。这些方案均未被采用，因为在施作防水层时存在诸多潜在的问题和困难，例如：钢板接缝的焊接质量控制问题、钢筋混凝土衬砌的固定问题、钢板与混凝土之间的间隙问题以及多层混凝土二次衬砌施工复杂等问题。

(a) 喷膜防水层+钢板(模板工程)

(b) 喷膜防水层+钢板(内衬套)

(d) 喷膜防水层+钢板(二次衬砌内)

Fig. 5 Initial waterproofing solutions for LNG unloading line tunnel

经过多次讨论，最终采用了如图4所示的“EVA防水板+丙烯酸盐喷膜防水层”的复合防水方案。如果EVA防水板施作质量良好，隧道的防水效果是有保证的，但是考虑到防水板施工过程中较易被后续工序破坏、防水板接缝过多且检查困难等问题，为保证防水效果，决定采用双防水层的方案，即在EVA防水板的表面再施作一层丙烯酸盐喷膜防水层，与EVA防水板复合使用。为保证两防水层之间的有效黏结，选用了复合了一层无纺布的EVA防水板并进行反铺，丙烯酸盐喷膜防水层喷射在EVA防水板表面的无纺布层上，以达到2个防水层之间的全面黏结效果。在EVA防水板的接缝部位(也是防水层容易失效的重点隐患部位)，丙烯酸盐喷膜防水层需要进行加厚处理，以防止地下水从EVA防水板接缝脱开处进入隧道。针对LNG工艺隧道对防水的高标准要求，将丙烯酸盐喷膜防水层的厚度从3 mm增加为4 mm，EVA防水板接缝部位处的丙烯酸盐喷膜防水层厚度为7 mm。

2.3 防排水材料规格与参数

所选方案中提到的主要防排水材料的规格如下： 1)径向注浆压力为1～1.5 MPa，水灰比为1∶1～0.5∶1； 2)无纺布缓冲层面密度为400 g/m2； 3)EVA防水板厚度为1.5 mm，且一侧复合100 g/m2的无纺布； 4)丙烯酸盐喷膜防水层正常区域厚度为4 mm，EVA防水板接缝处厚度为7 mm； 5)环向排水管直径为50 mm，安装间距为9 m； 6)纵向排水管为直径100 mm的环形管； 7)中心排水管采用直径250 mm×2的钻孔波纹管； 8)二次衬砌采用C40混凝土，抗渗等级为P8、P10、P12。

3 喷膜防水施工技术

3.1 喷膜防水前安装的防排水设施

安装工序与其他新奥法开挖的山岭隧道相似，部分工序见图6。1)初期支护收敛稳定后进行径向注浆作业； 2)对初期支护基面进行清洁和平整； 3)在初期支护表面铺设排水管和无纺布； 4)将EVA防水板焊接固定在垫圈上，相邻板材之间的接缝用焊缝焊机密封。

(a) 初期支护灌浆

(b) 中心排水管铺设

(d) 铺挂EVA防水板

3.2 喷膜防水的准备工作

包括人员、设备和材料在内的充足准备工作对于实施喷膜防水是非常重要的。喷膜防水的准备工作如图7所示。1)将丙烯酸盐溶液、引发剂和水从储存位置转移到工作区； 2)将喷膜装置和空气压缩机移到工作区的适宜位置，检查其工作状况以确保其功能； 3)采取适当的环境保护措施，如覆盖在防水施工区域附近已安装的钢筋； 4)将引发剂加入丙烯酸盐溶液中，并均匀混合； 5)在开始喷膜防水作业之前，先进行喷膜尝试，以检查聚合反应速度是否正常。

(a) 设备、材料就位

(b) 混合搅拌引发剂

3.3 喷膜防水作业

隧道内一个区段的喷膜防水作业分为2个分区：仰拱和侧墙墙脚及侧墙加拱顶。

仰拱和侧墙墙脚的喷膜防水工序为： 1)清洗EVA防水板的基面以去除水和泥浆，进而保证丙烯酸盐膜的黏结效果； 2)将丙烯酸盐溶液喷射到EVA防水板表面的无纺布层，快速固化后形成复合防水层； 3)在仰拱处的喷膜防水层上施作一层厚度为50 mm的混凝土保护层，以避免后续工作破坏防水膜。仰拱和侧墙墙脚的喷膜防水作业如图8所示。

(a) 仰拱部位喷膜防水作业

(b) 侧墙墙脚喷膜防水作业

由于工作平台的长度为6 m(如图9所示)，在纵向长度为12 m的隧道内的喷膜防水作业必须分为2段施工，即第1段完成后，工作平台必须向前移动到第2个区段。侧墙及拱顶喷膜防水施工的主要工序如下： 1)喷膜工作可以从任何一侧侧墙开始，喷手在工作平台上自下而上逐层喷膜，直至拱顶； 2)从未喷膜的另一侧侧墙开始再次进行喷膜工作，直到膜与之前在同一区段内的拱顶喷膜相连接为止，即完成一次循环； 3)移动工作平台，开始第2个区段的喷膜防水作业。侧墙和拱顶的喷膜防水作业如图10所示。

图9 隧道内防水作业台车

(a) 侧墙部位喷膜防水作业

(b) 拱顶喷膜防水作业

3.4 喷膜质量的控制与验收

每一个区段完成后应检查以下项目： 1)喷膜防水层必须完全覆盖EVA防水板； 2)防水膜的最小厚度不应小于设计厚度； 3)防水膜上发现的任何缺陷，如针孔或膜的损坏，均须进行修补； 4)防水膜施作完毕后，如果3天内未能及时施作二次衬砌混凝土，则需进行喷水养护，防止出现脱水干裂。根据相关规范的要求，现场应采集完全固化的喷膜防水层样品，并送到实验室进行测试检查，主要性能要求为： 1)拉伸强度≥ 1.1 MPa； 2)最大伸长率≥ 200%； 3)撕裂强度≥5 kN/m； 4)对于透水性(0.3 MPa/30 min)，透水率为0。

4 现场应用结果及讨论

4.1 防水效果检查

该隧道的喷膜防水作业于2014年2月开始，并于2014年12月完成，该LNG接收站已经于2017年投入运营。在2015年6月，隧道的二次衬砌已经施工完毕，管道安装工作仍在进行中，隧道出入口的建设情况如图11所示。在全面检查了隧道的防水情况后，未在隧道内发现渗水现象。隧道防水效果如图12所示。

(a) 靠海侧入口

(b) 靠罐区侧出口

图12 隧道防水效果

4.2 喷膜防水层的防火性能

二次衬砌钢筋安装过程中的焊接作业总是会对防水层带来一定的破坏，这也被认为是削弱隧道防水系统防水性能的一个重要因素。丙烯酸盐喷膜防水层的耐火等级为难燃(B1级)，能有效防止钢筋焊接所造成的损伤。通过对该隧道二次衬砌钢筋的焊接工作进行现场观察(如图13所示)可知，在有些情况下钢筋被紧贴在喷膜防水层表面进行固定和焊接，然而防水膜上并没有发现严重的损伤，只有膜的表面被覆盖了1层深棕色焊灰。显然，焊接温度对喷膜防水层和下覆的EVA防水板几乎没有造成损伤。经实践检验证明，丙烯酸盐喷膜防水层具有很好的防火性能。

(a) 钢筋焊接作业

(b) 焊接作业完成后防水层表面的情况

图13钢筋焊接作业及焊接作业完成后防水层表面的情况

Fig. 13 Influence of the welding of steel bars to waterproof membrane

4.3 喷膜防水层施工效率

喷膜防水的作业效率见表1。该隧道将全断面划分为2个区域进行防水施工，A区的仰拱部位对于喷膜防水是有利的，因为喷膜的回弹问题显著降低，也降低了丙烯酸盐溶液的用量，A区的喷膜覆盖效率高于B区。除了侧墙和拱顶处的回弹损失较大之外，还应考虑其他因素如由工作平台高度引起的喷涂压力差也会降低喷涂设备的工作速率。