京张高铁东花园隧道喷涂式防水设计施工技术

2021-01-06刘建友

隧道建设(中英文) 2020年12期

吕刚，王婷，刘建友，岳岭

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

0 引言

近年来随着铁路隧道建设的蓬勃发展，我国已经跻身为世界上隧道数量最多、发展速度最快、地质条件和隧道结构形式最复杂的国家[1]。隧道防排水体系与隧道结构协同作用，以确保隧道在设计期限内满足稳定性和耐久性要求，保障隧道正常运营。然而，"十隧九漏" 的现状一直难以根治，而且水害是隧道其他诸多病害的诱发因素，如隧道冻害、隧底翻浆冒泥等，给隧道运营安全带来极大的威胁[2]。

从1981年修建大瑶山铁路隧道首次将塑料防水板作为隧道结构防水引入国内以来[3]，高分子防水板(EVA、ECB)作为目前矿山法隧道的防水材料被广泛使用。而明挖隧道防水层一般由防水涂料和防水板2层组成[4]，通常采用高聚物改性沥青类、高分子防水卷材或塑料防水板[5-6]。通过大量隧道渗漏实例调查发现，防水材料的实际使用效果存在一些弊端[7]，例如：防水板与结构基面附着性差、不密贴；卷材与基面很难保证满粘，出现"窜水"现象；接缝多，容易造成漏水；人工操作质量难以保证等，隧道漏水问题难以根治。喷涂式速凝橡胶沥青作为一种新型防水材料，具有延伸率高、自愈力强、防水密贴性强、耐高温、环保、施工便捷等优点，已逐渐成为未来隧道防水的发展方向[8-9]，但目前喷涂防水设计体系尚不完善，设计参数主要依赖经验。

喷涂速凝橡胶沥青防水涂料作为一种新型喷涂防水材料逐步被认识并开始推广应用，目前在研究及工程实践中取得了一定成果和经验。沈春林等[10]对喷膜防水技术的发展与现状的应用情况作了综合性介绍；刘志杰等[11]、卢飞等[12]和崔剑[13]介绍了新型喷涂速凝橡胶沥青防水涂料的性能特点、使用要求，并将该材料应用到市政地下工程中；田春春等[14]将该材料应用于明挖地铁车站的防水设计，并对施工工艺做法进行了详细介绍；王志强等[15]通过试验研究涂速凝橡胶沥青防水涂层在变形缝处的适应性；胡希宝等[16]提出机械化喷涂施工技术，可以在保证施工质量的同时大大降低成本、提高施工效率。目前，喷涂防水材料在隧道工程中的应用相对较少，且隧道喷涂式防水体系设计尚不完善，本文依托京张高铁东花园明挖隧道工程，对新型喷涂防水材料在隧道工程中的防水设计及施工应用进行深入研究。

1 喷涂速凝橡胶沥青防水涂料特性

喷涂速凝橡胶沥青防水涂料被称为"Liquid Rubber"，即液体橡胶[17]。该涂料是由橡胶沥青乳液及促凝剂2种组分混合，通过化学反应生成的防水材料。其中，橡胶沥青乳液(A组分)由超细、悬浮、微乳型的改性阴离子乳化沥青和合成高分子聚合物配制而成[18]；促凝剂(B组分)为电解质配制成的水溶液。将A组分和B组分充分混合，喷至混凝土基面时瞬间固化，从而形成致密、连续、完整的涂膜[19]。这种新型喷涂防水材料与传统隧道防水材料相比，主要特性如下：

1)抗穿刺及抗裂能力高。喷涂速凝橡胶沥青防水涂料延伸率、抗穿刺能力远高于防水板，对混凝土产生的温度收缩裂缝具有显著的防护效果，具有破损后自愈能力。能够有效解决因隧道结构变形、开裂、穿刺等产生的结构渗漏或钢筋锈蚀等病害问题。

2)防水密贴性强。喷涂速凝橡胶沥青防水涂料涂刷到结构物表面，经固化后形成的防水薄膜与基面附着性好，可以达到与结构完全密贴的效果，且涂层连续无接缝、防水可靠性高、工艺性好。

3)耐高低温性。喷涂速凝橡胶沥青防水涂料具有显著的耐高低温特点，成膜施工对温度要求不高，可适用于-20～130 ℃气温条件。

4)环保性高。传统防水板在施工过程中不可避免地需要采用热熔焊接，容易造成环境污染[20]。而喷涂速凝橡胶沥青防水涂料是无毒无味、无废料、无污染的水性涂料，满足节能、生态环保的要求。

5)施工便捷。喷涂速凝橡胶沥青防水涂料固化速度快，具备大规模施工、一次成型的条件，施工速度快、工效高的特点。

综上所述，喷涂速凝橡胶沥青防水涂料作为隧道新型防水材料具有传统防水板所不具备的优异性能，在隧道工程中的应用前景非常广阔，可作为隧道防水工程的优选材料。

2 隧道喷涂式防水体系设计

中国铁路总公司颁布了铁路工程喷膜防水材料关于喷涂橡胶沥青的企业标准[21]，提出了防水材料物理力学性能指标，但未对隧道防水设计提出具体要求。为了提高隧道防排水技术水平，改善隧道运营环境，节约工程全寿命周期总成本，在借鉴现有研究、设计、施工经验的基础上，提出一种全封闭喷涂橡胶沥青防水体系。

2.1 类似工程实例参考

目前，喷涂速凝橡胶防水涂料在隧道、管道、地铁车站、地下室和屋面等工程的防水体系中均有一定应用，工程实例中的喷涂厚度参考如表1所示。根据文献[21]中的要求，隧道用喷涂橡胶沥青防水层厚度不应小于1.5 mm，喷层基本厚度可以参考规范及既有工程实例进行设置。

表1 工程实例中的喷涂厚度参考

2.2 喷涂式防水喷层厚度设计

2.2.1 一般部位喷层厚度设计

1)工程的防水等级。铁路隧道防水等级根据工程重要性、使用功能及运营安全等要求分为4级，喷涂式防水层厚度应根据防水等级设置，如表2所示。

表2 喷涂式防水层厚度设置建议值

2)工程的设计使用年限。喷涂式防水失效是喷涂材料随时间逐渐老化的过程，增加喷层厚度可有效提高整个防水体系的耐久性。因此，可根据工程的设计使用年限，设计不同的喷层厚度，如表3所示。

表3 设计使用年限修正建议值

3)地下水状况。当隧道衬砌出现开裂时，地下水将在喷层内外两侧形成压力差，导致喷层受力拉伸，水压力越大，需要的喷层厚度越大，如表4所示。

4)隧道纵坡设计。隧道纵坡的形式影响隧道运营期排水成本，人字坡自然排水，隧道渗漏量不影响运营成本；而V形坡隧道的抽排水成本由渗漏量决定，应尽量减少V形坡隧道的渗漏量，因此，V形坡隧道的喷层厚度应适当增大，如表5所示。

表4 地下水状况修正建议值

表5 隧道纵坡设计形式修正建议值

5)隧道所处环境条件(暴晒、干湿交替、温度变化、地下水侵蚀环境、恒温恒湿等)。隧道所处的环境是影响喷涂材料老化、劣化的主要因素，恒温恒湿最有利于喷涂材料的耐久，而暴晒、干湿交替、温度频繁变化、地下水侵蚀性都将加速喷涂材料的老化，隧道环境条件修正建议值如表6所示。

表6 隧道环境条件修正建议值

6)喷涂方式。不同喷涂方式施工质量差异较大，人工喷涂的随机性大，喷层厚度不均匀；而机械喷涂喷层厚度均一，施工质量较好，喷涂方式修正建设值如表7所示。

表7 喷涂方式修正建议值

7)混凝土表面的状态。混凝土表面是指喷涂速凝橡胶沥青防水材料的接合面。混凝土表面状态对防水层耐久性有一定影响，其修正建议值如表8所示。

表8 混凝土表面状态修正建议值

2.2.2 特殊部位喷层厚度设计

隧道结构变形缝、施工缝等特殊部位防水是保证隧道防水成败的关键，由于变形缝、施工缝存在张拉、变形，该部位喷层厚度需考虑接缝处伸缩变形影响。

假设施工缝最大张开量为m2，最大错动量为m1，施工缝处防水涂料的初始厚度为d1，裂缝发生错动和张开后，防水涂层被拉长，厚度减薄，建立上述参量相互关系的计算模型，如图1所示，则减薄后的防水涂层厚度

(1)

式中L为裂缝错动对喷层的影响范围，根据现场试验确定。

图1 裂缝处喷层厚度计算模型

2.3 全封闭喷涂防水体系

明挖隧道全封闭防水体系主要由地表处理、喷涂防水层、保护层、找平层、衬砌结构、接缝防水等部分组成。

地表处理是为防止地表水下渗对隧道造成影响，结合工程环境条件，如地表有沟谷、洼地等，采取地表疏导、防渗等措施；喷涂防水层是隧道全封闭防水体系中最重要的防水环节，其延伸率高、耐穿刺强、密贴性好等优异性能为阻隔地下水起到至关重要的作用；保护层是为了防止施作时人为破坏喷涂防水层；找平层主要作用在于为喷涂防水施工提供较为坚硬、平整的基面；衬砌结构除了承担水、土压力荷载以外，结构自防水起到防水体系中安全储备的作用；接缝防水结合施工缝及变形缝位置通常选用止水带、注浆管、密封膏等防水材料。

3 京张高铁东花园隧道喷涂式防水设计

3.1 工程概况

新建北京至张家口铁路东花园隧道位于张家口市怀来县东花园镇，东花园隧道平面示意如图2所示。隧址区地势平坦、开阔，隧道上方多为耕地、既有河道。隧道全长4 970 m，设计速度350 km/h。隧道内纵坡为"V"字形，隧道内最大坡度为25‰，最大开挖深度为21.96 m，全隧采用放坡明挖法施工。

图2 东花园隧道平面示意图

3.2 东花园隧道喷涂式防水设计

东花园隧道采用全封闭防水，按《铁路隧道设计规范》规定为防水1级标准。明洞衬砌为钢筋混凝土结构，按100年设计使用年限标准，拱墙采用自动化喷涂设备。由2.2节喷涂式防水喷层厚度设计计算可以得到拱墙处修正值为0.4 mm，喷层厚度建议不小于2.4 mm；仰拱修正值为0.8 mm，喷层厚度建议不小于2.8 mm。

东花园隧道衬砌防水体系设计如图3所示。明洞衬砌拱墙采用环氧砂浆找平，依次喷涂2.5 mm厚速凝橡胶沥青防水涂料+2层400 g/m2无纺布+1.5 cm厚绿色可降解缓冲层；仰拱底部采用C20混凝土垫层+1.5 mm厚HDPE膜作为保护层+3.0 mm厚喷涂速凝橡胶沥青防水涂料；明洞顶部回填层采用60 cm黏土进行地表隔水处理。

环氧砂浆、环氧水泥涂料作为现浇混凝土结构顶板的找平材料，虽然也有防水功效，但由于配制的可控性、涂抹的和易性、固化时间的掌握等欠佳，未必比聚合物砂浆或水泥可靠，因此找平层材料的选择有待进一步研究。

图3 东花园隧道衬砌防水系统示意图

3.3 特殊部位防水设计

对隧道结构变形缝、施工缝等特殊部位进行专项防水设计。在变形缝采取中埋式钢边橡胶止水带+聚乙烯闭孔泡沫板+聚硫密封膏嵌缝的复合防水措施，如图4所示；在环向施工缝采取中埋式钢边橡胶止水带+水泥基渗透结晶型防水涂料+可维护注浆管的复合防水措施，如图5所示；在纵向施工缝采用中埋式钢板止水带。考虑变形缝、施工缝接缝处伸缩变形，喷涂橡胶厚度均加厚至4 mm。

图4 变形缝防水设计示意图(单位： mm)

4 隧道自动化喷涂防水施工技术

防水涂料机械喷涂正在面临新的发展机遇[22]，随着隧道修建技术和装备水平的进步，隧道喷涂防水逐步向机械化、自动化方向发展。自动化喷涂通过电脑控制走行装置和喷涂机械手进行操作，摒弃了传统的人工喷涂方式，实现了机械化生产，提高了防水施工质量。

图5 环向施工缝防水设计示意图(单位： mm)

Fig. 5 Waterproof design of circumferential construction joint(unit: mm)

4.1 隧道自动化喷涂防水优势

1)实现喷涂用量精细化。自动化喷涂可以精确控制喷涂用量，喷涂厚度均匀，有效避免了人工喷涂存在的喷涂厚度不一、搭接面处理不到位等误差，极大降低了隧道出现渗漏水的风险。

2)提高施工安全性。自动化喷涂机械手代替了传统的人工手拿喷枪作业，操作人员在操作平台上进行操作，有效降低了人工在衬砌倒弧形结构上高空进行喷涂施工作业的危险。

3)有效降低施工成本。自动化喷涂工效是人工喷涂工效的4倍，有提高了工作效率，降低了施工成本。

4.2 自动化喷涂设备

喷涂速凝橡胶防水涂料的自动化喷涂设备由工作平台、控制系统、供料系统、支撑系统、走行系统和喷涂小车等共同组成，见图6。工作平台、控制系统与供料系统属于控制部，为整套设备工作提供原料与动力；支撑系统、走形系统组成行走部，为喷涂机械手行走提供保障；喷涂小车作为喷涂部完成最终的机械喷涂作业。

图6 速凝橡胶沥青防水自动化喷涂架构

Fig. 6 Automatic spraying structure of quick setting rubber asphalt waterproof

4.3 自动化喷涂施工

自动化喷涂施工流程如图7所示。基面处理包括清除基面酥松、起砂、起皮混凝土，并清扫基面灰尘；用角磨机将基面表层浮浆打磨并用吹风机清理干净；将阴角凹凸不平部位、局部孔洞缺陷用环氧水泥浆抹平。

图7 自动化喷涂施工流程

衬砌节点处理包括纵向缝、环向缝两侧各0.5 m范围,采用手刷料和无纺布进行加强处理。仰拱与拱墙搭接处理方案如图8所示。仰拱和拱墙喷层搭接长度为400 mm，翻折搭接后形成复合防水层。

(a) 步序1

(b) 步序2

上述工序完成后在喷涂区域涂刷专用底漆，然后采用专用喷枪喷涂速凝橡胶沥青防水涂料，每遍喷涂厚度约为0.3 mm，喷涂8遍，经常检查，严格控制喷涂厚度。2次喷涂作业面之间的搭接宽度不应小于100 mm。喷涂后静置 12 h以上，保证析出水分和排出气体再进行下道工序。采用测厚仪对涂膜防水层进行实时监测，每100 m2抽查1处，最小厚度不小于设计厚度的80%，涂膜搭接部位采用逐渐薄喷处理。