丙烯酸盐喷膜防水技术在运营隧道中的应用

2021-01-06杜诚诚朱小明李玉平袁永新

筑路机械与施工机械化 2020年11期

杜诚诚，朱小明，李玉平，袁永新，冯勇

(1.甘肃省公路交通建设集团有限公司，甘肃兰州 730030； 2.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030)

0 引言

丙烯酸盐喷膜是一种广泛应用于隧道及地下工程中的新型防水材料，它具有施工快速均匀、无接头及整体性好的优点[1-3]。2013年国际隧道协会年会制定了隧道喷膜防水技术的设计指南，使得丙烯酸盐喷膜防水技术得到极大的重视和推广。目前，该技术在隧道工程中的应用实例多见于新建隧道，在初期支护与二次衬砌之间喷涂喷膜防水层以代替防水板和土工布组成的复合式防水层功能[4-6]，如贵阳地铁1号线雅-蛮区间隧道(2016年)、贵广高铁天平山隧道(2012年)、高海拔地区的巴朗山隧道(2011年)。

随着丙烯酸盐喷膜防水工程实践的增加，新建隧道中该技术的设计(防水构造体系、节点部位处理等)、施工(施工工艺、施工要点、质量检验)趋于成熟[7-8]。近年来，凭借施工机械化程度高、施工速度快的优点，该技术在运营隧道渗漏水处治中也逐步得到应用。与新建隧道相比，运营隧道防排水设施施做困难，且不允许水向洞内排泄，其防水体系和构造有极大的区别。本文结合甘肃某运营公路隧道进行丙烯酸盐喷膜防水工程的施工实例，对该技术的主要内容进行总结和探讨，以期为同类施工提供一定借鉴。

1 运营隧道喷膜防水体系

图1 “非排水型”防水体系基本要素

采用丙烯酸盐喷膜防水技术处治衬砌渗漏水时，由于基面的粗糙程度将会影响喷涂防水层的质量和衬砌的连续封闭效果，因此要求喷膜基面平整[10-12]。而运营隧道衬砌表面平整度一般都较为良好，鼓包、裂缝、剥落及损伤等缺陷处理后基面也可满足喷膜防水的平整度要求，因此，丙烯酸盐喷膜防水技术对运营公路隧道渗漏水处治具有较好的适用性。

2 丙烯酸盐喷膜防水材料成膜机理

目前中国国内已经应用的喷膜防水材料按组分分为单组分、双组分和多组分，运营隧道渗漏水处治大多采用双组分成膜体系。双组分丙烯酸盐喷膜防水材料是通过在喷射过程中将2种组分快速聚合交联成膜，此过程中存在放热，是化学反应过程[13]。丙烯酸盐喷膜防水层成膜方式如图2所示。通常是采用不饱和羧酸盐水性单体作为丙烯酸盐水剂，过氧酸盐和硫酸亚铁分别作为氧化剂和还原剂，起引发剂的作用。

图2 丙烯酸盐喷膜防水材料成膜机理

3 工程应用

3.1 工程概况

病害隧道为甘肃省境内某高速公路下行线中的1座2车道长隧道，全长为1 265 m，设计车速为80 km·h-1，建筑限界净宽为10.25 m，净高为5 m，于2002年10月建成通车。

隧址区表层为5～50 m厚风积黄土，下伏8～45 m厚的离石黄土(老黄土)，与下卧上第三系红色泥岩不整合接触，老黄土及泥岩较坚硬。风积黄土疏松具大孔隙，为自重湿陷性黄土，隧道均穿越上述3种地质体。水文地质条件较简单，除不同地层接触处含水量稍高，且有微量渗水外，其余地层为中湿-干燥状。地下水具结晶性硫酸盐侵蚀。隧道衬砌结构采用新奥法原理设计，设置钢拱架喷射混凝土初支及钢筋混凝土二次衬砌共同组成永久性承载结构。隧道原设计防排水采用“以排为主，防、排、截、堵相结合”的综合治理原则，达到排水通畅、防水可靠、经济合理、不留后患的目的。主洞采用复合式防排水体系，通过在初支与二衬之间设置复合式防水板、拱脚纵向排水盲管、环向导水盲管，汇聚水到中心水沟排出隧道，原防排水设计如图3所示。

图3 主洞原设计防排水系统构造图

该隧道运营15年后，2017年10月K1807+465～595段(共130 m)主洞发生渗漏水，主要表现为施工缝连续出水，滴漏成线；衬砌背后水从外到内渗透，衬砌表面出现较大面积的润湿，涂装剥落；衬砌渗水流入路面肆流，如图4～8所示。

图4 衬砌渗漏水(拱腰)

图5 渗漏水沿路面肆流

图6 边墙渗漏水

图7 拱腰渗漏水

图8 拱顶渗水挂冰

3.2 丙烯酸盐喷膜防水系统设计

遵循渗漏水的“防水是基础、排水是核心、保温是关键”处治原则，对下行线XK1807+465～XK1807+595(共130 m)段渗漏水采用斜缝注胶+埋管引排+电防渗系统+丙烯酸盐喷膜防水层的处治措施，以求达到“阻水、防水、排水”综合功效。以下为施工工序。

乡镇政府部门比较关注财政收入、招商引资等提升政绩较为明显的项目，而对直接利润相对较少的农业缺乏实际投入，严重制约了本地区农业现代化发展进程。不少乡镇的领导干部对农田水利节水灌溉技术推广应用重视程度不足，不能做到示范带动，在政策和资金方面缺乏支持，使得节水灌溉技术一直局限在传统的自我管理模式中，无法取得突破，更不能促进本地区现代农业实现可持续发展[2]。

(1)渗水段通过中心水沟检查井疏通中心水沟，保证隧道中心水沟排水通畅，并更换破损和平整性差的中心水沟盖板。

(2)渗水施工缝、变形缝及沉降缝以凿槽引排处治。

沿衬砌渗水施工缝、变形缝、沉降缝及集中渗水裂缝于衬砌表面切槽，大小以刚好能安装直径为50 mm的半圆透水管为宜。位置根据渗水缝位置或裂缝扩展位置灵活布置，且凿槽埋管长度应向未漏水裂缝处延伸不小于10 cm。

于渗水处拱墙部位设置直径为50 mm的半圆透水管作为环向排水，将其引排入墙脚电缆沟内新增设的直径为116 mm的纵向保温排水管，纵向排水管通过路面下直径为116 mm的横向保温排水管将水排入中心水沟检查井。半圆透水盲管根据原衬砌混凝土渗水情况设置，切槽及布设盲管应结合渗漏水及裂缝情况调整实际位置。安装时应注意按照先拱部后两侧的顺序进行，接茬部位由下节压上节，搭接长度为10～15 cm。在埋管外侧涂刷封边胶，两侧壁原二衬混凝土与水泥砂浆交接处刷界面胶。

(3)在原衬砌施工缝及沉降缝有少量渗水的位置，可采用斜缝注射聚氨酯类发泡胶液封堵+暗埋弹簧半圆管结合的方案综合治理。两侧电缆槽内应新设直径为116 mm的HDPE双壁波纹管(不打孔)，管内纵坡应于路面同坡，通过路面横向排水管排入中心水沟检查井。

(4)电防渗阻水层。在先对渗漏水施工缝、裂缝采用引排封堵的情况下，用钛合金金属丝在混凝土表面布设形成正极系统(纵向间距为80 cm)，用铜棒(根据现场情况灵活布设，纵向间距不大于30 m)在隧道结构外水体中布置形成负极系统，从而形成并联回路，再由控制装置连续施加低压正负脉冲电流将水电离。混凝土结构内的水分子被电离后将有规律的向负极方向移动，使得混凝土结构保持干燥状态。

(5)全断面喷射丙烯酸盐防水膜，如图9所示。喷枪应与基面保持垂直，并采用平移或画圆方式匀速移动喷枪，并宜分2次达到喷膜设计厚度。在基面条件复杂的局部位置，可根据实际喷膜效果进行喷射角度、距离等参数的调整，喷膜应均匀且厚度不小于3 mm。

图9 丙烯酸盐喷膜防水系统设计

(6)2 cm厚聚合物抗流挂砂浆保护层，铺挂铅丝网防止掉落。

3.3 施工工艺要求及技术要点

3.3.1 施工工艺要求

为确保良好的施工效果，防水材料、喷膜设备、施工工艺都需进行严格的选择，且需要对施工全过程进行管理[14]。

防水材料主要性能指标见表1。

表1 丙烯酸盐喷膜防水材料性能参数

应选择成熟的喷膜设备，在满足粘结强度的同时还应保证较高的喷涂速率，以提高施工效率，一般采用高压无气喷涂设备进行作业[15-16]。

喷膜防水施工采用如图10所示的施工流程，另外对防水层喷涂施工顺序及方向、防水层搭接及修补、养护等重点施工工艺做以下要求。

图10 施工流程图

(1)按照“自下而上，先变强后拱顶”的顺序，分段喷涂作业，分段长度不应大于施工台架的长度，并尽量减少施工台架的移动距离。

(2)相邻两端防水层施工时，搭接长度不应小于20 cm，且应对接头部位进行清洗，形成有效的搭接。对防水层不满足质量要求的部位应进行修补，修补前对至少超过缺陷边缘10 cm范围内的喷膜清理，并进行补喷，搭接长度不小于20 cm。

(3)喷膜防水层施工完成后，喷涂材料充分固化前，采用喷水或及时施做2 cm厚聚合物抗流挂砂浆保护层方式对防水层进行养护，防止其性能降低。

3.3.2 施工技术要点

(1)施工前在未进行基面处理的既有衬砌表面进行喷涂时发现，由于既有衬砌混凝土表面存在防火涂料、灰尘和烟雾，导致喷涂后无喷膜材料失水剥落，无法形成有效的防水薄壳，极大地降低了防水效果。因此，喷膜防水施工前需对衬砌表面进行适当的处理，使膜层与既有衬砌表面具有较高的黏结强度，能够承受一定渗水压力，防止喷膜后膜层大面积脱落。

(2)喷膜防水施工前需先对渗水进行处理，可以采用注胶封堵、斜缝注胶及凿槽埋管引排等措施，确保喷膜基面无明水，否则将对喷膜防水层的质量和性能造成影响。

(3)喷膜防水施工前，应对喷膜作业面非施工部位采取遮挡措施。喷膜防水施工现场应做好操作人员的安全防护。对漏喷、鼓包、针孔、剥落及损伤等缺陷应及时进行补喷。喷膜防水作业完成后，不应直接在喷膜防水层上凿孔、打洞或重物撞击。

(4)喷膜防水材料随配随用，配置后的材料应存放在阴凉处，且不得超过30 min。先期喷膜防水层与后期喷膜间隔时间较长时，在喷射新膜之前，应对先期接头部位清洗，搭接宽度不小于100 mm。

3.4 衬砌接缝部位喷涂防水处理

由于水具有“无孔不入”的特点，已经发生渗漏水病害的衬砌背后围岩孔隙会充满水，在水压力和围岩压力的综合作用下水将沿衬砌施工缝、裂缝、穿透防水层的预埋件安装位置等防水比较薄弱的部位渗流[17-19]，因此对以上节点部位的处理是渗漏水处治措施的关键。

3.4.1 衬砌施工缝

图11 施工缝渗水引排

施工缝是隧道建设时每板衬砌混凝土施工时的接缝部位，虽然该部位已经设置了止水带、止水条等防水措施，但由于施工质量、橡胶材料老化等因素防水设施被破坏，导致施工缝成为易渗水的部位。该隧道由于施工缝渗漏水严重，需先采取埋管引排的方式对渗水进行引流和封闭，如图11所示。为加强施工缝防水，埋管引排涂抹水泥砂浆时预留不小于5 mm的厚度，采用同材质丙烯酸盐喷射至与整体喷膜防水层齐平。变形缝、沉降缝及集中渗水裂缝的处理措施与施工缝类似，处理宽度通常不小于400 mm。

3.4.2 穿透防水层的预埋件安装部位

隧道衬砌内通常需要设置穿透原设计防水层的机电设施、通风设施预埋件，导致隧道防排水体系的整体性被破坏，如果建设期间未有效处理，这些部位可能成为“出水口”。该运营隧道对此类细部节点的处理方法是，在节点部位注射堵水胶液填充渗水孔隙，反复喷射丙烯酸盐防水浆液，以形成封闭、连续的局部加强防水层，确保防水效果。