液化天然氣接收站LNG工藝隧道噴膜防水應(yīng)用技術(shù)

蔣雅君， 楊其新， 劉東民， 盛草櫻， 趙菊梅

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)希望學(xué)院， 四川 成都 610400； 3. 西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

0 引言

液化天然氣是一種重要的綠色能源，在過去的幾十年里，國際液化天然氣貿(mào)易量繼續(xù)顯著增長，中國的液化天然氣行業(yè)近年來也在迅速發(fā)展，包括接收站在內(nèi)的陸上液化天然氣項目已在規(guī)劃和實(shí)施[1-2]。為了便于儲存和運(yùn)輸，需將天然氣在大氣壓下冷卻至非常低的溫度(約-162 ℃)冷凝成液化天然氣(LNG)[3]。當(dāng)LNG接收站建設(shè)在海岸邊時，為連接LNG船的泊位和接收站的罐區(qū)，有時需要設(shè)計和建造LNG工藝隧道(也稱卸料管道專用隧道，如文獻(xiàn)[4]中所述的美國Cove接收站和日本扇島接收站)。

為了降低運(yùn)營期間的安全和環(huán)境影響風(fēng)險，通常需要對包括LNG工藝隧道在內(nèi)的液化天然氣接收設(shè)施進(jìn)行專門的防災(zāi)設(shè)計[5]。對于LNG工藝隧道而言，如果隧道內(nèi)的天然氣輸送管道出現(xiàn)泄漏，液化天然氣蒸發(fā)時會迅速吸收空氣中的熱量； 如果隧道襯砌結(jié)構(gòu)有滲水，則會凍傷混凝土襯砌。因此，在運(yùn)營期間LNG隧道內(nèi)必須充滿氮?dú)猓@樣即使出現(xiàn)管道泄漏，LNG也不會與氧氣混合發(fā)生爆炸。所以LNG工藝隧道的防水密封標(biāo)準(zhǔn)比常規(guī)隧道更為嚴(yán)格[4,6]。由文獻(xiàn)[6]可知，在迭福接收站建成之前，全世界只有2條LNG工藝隧道(分別為沉管隧道和盾構(gòu)隧道)，均通過完善的防水設(shè)計和施工達(dá)到了令人滿意的防水質(zhì)量。雖然迭福接收站的LNG工藝隧道采用了同樣嚴(yán)格的防水標(biāo)準(zhǔn)，但該隧道采用新奧法(NATM)設(shè)計和施工，其防水體系和措施不同于沉管隧道[7]和盾構(gòu)隧道[8]。因此，先前2條隧道的防水設(shè)計經(jīng)驗(yàn)并不能為迭福接收站LNG工藝隧道提供直接指導(dǎo)。

目前包括中國在內(nèi)的許多國家都采用基于新奧法理念的復(fù)合式隧道襯砌結(jié)構(gòu)，其是通過在初期支護(hù)和二次襯砌之間鋪設(shè)1層防水板來實(shí)現(xiàn)防水目的[9]。然而，從實(shí)際情況來看，這種常規(guī)做法的防水效果往往有限，因此，迭福接收站LNG工藝隧道需要進(jìn)行特殊的防水設(shè)計并選用性能良好的防水材料。在過去的20年里，噴膜防水技術(shù)開始在世界各地的隧道中得到大量運(yùn)用，在越來越多的案例中已經(jīng)被證明其是減少隧道滲水的一種經(jīng)濟(jì)有效的方案(如文獻(xiàn)[10-14]所述的案例)。丙烯酸鹽噴膜防水材料自20世紀(jì)90年代開始由西南交通大學(xué)研發(fā)成功之后，已經(jīng)在國內(nèi)的鐵路隧道、公路隧道、地鐵等幾十個項目中成功應(yīng)用，證明了其可有效改善隧道的防水質(zhì)量[15-17]。基于此，在與其他可能的防水方案進(jìn)行比較后，迭福接收站LNG工藝隧道最終采用了包括丙烯酸鹽噴膜防水層在內(nèi)的復(fù)合防水系統(tǒng)。本文介紹了該隧道的防水方案和現(xiàn)場施工情況，闡述和總結(jié)了丙烯酸鹽噴膜防水材料在迭福接收站LNG工藝隧道中的應(yīng)用技術(shù)和效果，以期為后續(xù)同類工程提供借鑒和參考。

1 項目工程概況

LNG接收站是由眾多相關(guān)設(shè)備組成的一個有機(jī)整體，包括卸料臂、儲罐、低壓輸送泵、高壓輸送泵、汽化器、BOG壓縮機(jī)、火炬塔等。通過這些設(shè)備的相互協(xié)作，將海上運(yùn)輸來的LNG通過一定的工藝流程存儲在LNG儲罐并外輸至用戶。LNG接收站通常包括LNG船泊位和罐區(qū)2個部分，這2個部分之間通過各類LNG輸送管道和設(shè)施進(jìn)行連接。迭福液化天然氣接收站位于深圳市東部大鵬灣，已經(jīng)于2017年投入運(yùn)營。第1階段建設(shè)包括1個液化天然氣船泊位和4個儲罐。迭福接收站平面布局如圖1所示。泊位由棧橋建成，可容納容量達(dá)27萬m3的液化天然氣運(yùn)輸船，碼頭容量為每年400萬t。接收站主體(罐區(qū))位于相鄰的陸地區(qū)域，限于地形，LNG輸送管道需要穿過LNG工藝隧道從泊位抵達(dá)罐區(qū)。

圖1 迭福接收站平面布局

隧道場地淺部主要為第四系坡洪積含礫粉質(zhì)黏土層，總厚度0.80～5.90 m，土質(zhì)類型單一。場地內(nèi)分布的地層自上而下有： 人工填土層、第四系全新統(tǒng)坡洪積層、第四系殘積層及燕山期中粒花崗巖。受到相鄰區(qū)域斷裂構(gòu)造的影響，隧道場地局部基巖裂隙發(fā)育。隧道場地沿線地下水主要為賦存于中粒花崗巖及脈巖中的基巖裂隙水，主要分布于強(qiáng)、中風(fēng)化層裂隙中，在微風(fēng)化巖裂隙發(fā)育帶也有賦存。場地地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，由北東向南西往大鵬灣排泄。勘察期間，測得地下水穩(wěn)定水位埋深為1.20～18.30 m。

該隧道為山嶺隧道，東西走向，全長584 m，最大埋深約43 m。隧道進(jìn)口位于大鵬灣海邊，地形為陡崖，出口距離罐區(qū)約100 m，靠近罐區(qū)西南側(cè)。隧道縱坡采用單面坡，從進(jìn)口端向出口端下坡，坡度為0.298%，兩端高差為1.74 m。根據(jù)圍巖級別，隧道橫斷面設(shè)計共包含有Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ 5個等級圍巖的復(fù)合式襯砌類型，并在隧道進(jìn)口端設(shè)3 m長明洞，出口端設(shè)5 m長明洞。隧道凈空尺寸寬度為11 m，高度為8.28 m。隧道內(nèi)空間分為管道區(qū)和檢查通道，安裝在隧道中的管道包括LNG接收管、回流(BOG)管、通風(fēng)管和公共管線[4]。迭福接收站LNG工藝隧道橫斷面如圖2所示。

圖2 迭福接收站LNG工藝隧道橫斷面

迭福接收站LNG工藝隧道按新奧法原理設(shè)計，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)除明洞段外，均采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。初期支護(hù)由噴射混凝土、鋼架、錨桿、鋼筋網(wǎng)等形成聯(lián)合支護(hù)，二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)防排水設(shè)施，初期支護(hù)與二次襯砌共同形成支護(hù)體系，依據(jù)圍巖級別不同，該隧道中共有5種不同支護(hù)參數(shù)的襯砌結(jié)構(gòu)(明洞段除外)。

圖3 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)形式

2 隧道防水系統(tǒng)設(shè)計

2.1 隧道防排水構(gòu)造形式

該隧道的防水等級按一級設(shè)計，防水設(shè)計遵循“以防為主，防排結(jié)合，多道設(shè)防，因地制宜，綜合治理”的原則，采取了多種措施進(jìn)行綜合處理。考慮到LNG工藝隧道對防水的要求，最終采用全斷面防水設(shè)計，并在防水層后鋪設(shè)排水系統(tǒng)對地下水進(jìn)行引排。防排水構(gòu)造形式如圖4所示。

1)防水設(shè)計： 噴射混凝土支護(hù)封閉巖面裂隙，并對隧道Ⅳ～Ⅵ級圍巖進(jìn)行徑向注漿，使隧道外圍形成一道防水屏障； 在初期支護(hù)與二次襯砌之間采用丙烯酸鹽噴膜防水層+EVA防水板的復(fù)合防水層；二次襯砌采用模筑C40防水混凝土實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自身防水。

2)排水設(shè)計： 隧道初期支護(hù)施工完成后，沿初期支護(hù)設(shè)置φ50 mm的環(huán)向盲管，縱向間距為9 m(地下水豐富之處可增設(shè)盲管)； 在隧道墻腳處各設(shè)置φ100 mm的縱向盲管，隧道底部設(shè)φ250 mm的中心排水管； 滲入到隧道初期支護(hù)的地下水通過環(huán)向盲管匯入縱向盲管、中心排水管，最終通過中心排水管排入隧道外的防洪渠。

圖4 LNG工藝隧道防排水構(gòu)造形式

2.2 防水方案的比較和選取

本項目的設(shè)計單位最初提出了幾種防水方案(如圖5所示)，包括噴涂防水和鋼筋混凝土襯砌。這些方案均未被采用，因?yàn)樵谑┳鞣浪畬訒r存在諸多潛在的問題和困難，例如： 鋼板接縫的焊接質(zhì)量控制問題、鋼筋混凝土襯砌的固定問題、鋼板與混凝土之間的間隙問題以及多層混凝土二次襯砌施工復(fù)雜等問題。

(a) 噴膜防水層+鋼板(模板工程)

(b) 噴膜防水層+鋼板(內(nèi)襯套)

(c) 雙層噴膜防水層

(d) 噴膜防水層+鋼板(二次襯砌內(nèi))

Fig. 5 Initial waterproofing solutions for LNG unloading line tunnel

經(jīng)過多次討論，最終采用了如圖4所示的“EVA防水板+丙烯酸鹽噴膜防水層”的復(fù)合防水方案。如果EVA防水板施作質(zhì)量良好，隧道的防水效果是有保證的，但是考慮到防水板施工過程中較易被后續(xù)工序破壞、防水板接縫過多且檢查困難等問題，為保證防水效果，決定采用雙防水層的方案，即在EVA防水板的表面再施作一層丙烯酸鹽噴膜防水層，與EVA防水板復(fù)合使用。為保證兩防水層之間的有效黏結(jié)，選用了復(fù)合了一層無紡布的EVA防水板并進(jìn)行反鋪，丙烯酸鹽噴膜防水層噴射在EVA防水板表面的無紡布層上，以達(dá)到2個防水層之間的全面黏結(jié)效果。在EVA防水板的接縫部位(也是防水層容易失效的重點(diǎn)隱患部位)，丙烯酸鹽噴膜防水層需要進(jìn)行加厚處理，以防止地下水從EVA防水板接縫脫開處進(jìn)入隧道。針對LNG工藝隧道對防水的高標(biāo)準(zhǔn)要求，將丙烯酸鹽噴膜防水層的厚度從3 mm增加為4 mm，EVA防水板接縫部位處的丙烯酸鹽噴膜防水層厚度為7 mm。

2.3 防排水材料規(guī)格與參數(shù)

所選方案中提到的主要防排水材料的規(guī)格如下： 1)徑向注漿壓力為1～1.5 MPa，水灰比為1∶1～0.5∶1； 2)無紡布緩沖層面密度為400 g/m2； 3)EVA防水板厚度為1.5 mm，且一側(cè)復(fù)合100 g/m2的無紡布； 4)丙烯酸鹽噴膜防水層正常區(qū)域厚度為4 mm，EVA防水板接縫處厚度為7 mm； 5)環(huán)向排水管直徑為50 mm，安裝間距為9 m； 6)縱向排水管為直徑100 mm的環(huán)形管； 7)中心排水管采用直徑250 mm×2的鉆孔波紋管； 8)二次襯砌采用C40混凝土，抗?jié)B等級為P8、P10、P12。

3 噴膜防水施工技術(shù)

3.1 噴膜防水前安裝的防排水設(shè)施

安裝工序與其他新奧法開挖的山嶺隧道相似，部分工序見圖6。1)初期支護(hù)收斂穩(wěn)定后進(jìn)行徑向注漿作業(yè)； 2)對初期支護(hù)基面進(jìn)行清潔和平整； 3)在初期支護(hù)表面鋪設(shè)排水管和無紡布； 4)將EVA防水板焊接固定在墊圈上，相鄰板材之間的接縫用焊縫焊機(jī)密封。

(a) 初期支護(hù)灌漿

(b) 中心排水管鋪設(shè)

(c) 鋪設(shè)無紡布

(d) 鋪掛EVA防水板

3.2 噴膜防水的準(zhǔn)備工作

包括人員、設(shè)備和材料在內(nèi)的充足準(zhǔn)備工作對于實(shí)施噴膜防水是非常重要的。噴膜防水的準(zhǔn)備工作如圖7所示。1)將丙烯酸鹽溶液、引發(fā)劑和水從儲存位置轉(zhuǎn)移到工作區(qū)； 2)將噴膜裝置和空氣壓縮機(jī)移到工作區(qū)的適宜位置，檢查其工作狀況以確保其功能； 3)采取適當(dāng)?shù)沫h(huán)境保護(hù)措施，如覆蓋在防水施工區(qū)域附近已安裝的鋼筋； 4)將引發(fā)劑加入丙烯酸鹽溶液中，并均勻混合； 5)在開始噴膜防水作業(yè)之前，先進(jìn)行噴膜嘗試，以檢查聚合反應(yīng)速度是否正常。

(a) 設(shè)備、材料就位

(b) 混合攪拌引發(fā)劑

3.3 噴膜防水作業(yè)

隧道內(nèi)一個區(qū)段的噴膜防水作業(yè)分為2個分區(qū)： 仰拱和側(cè)墻墻腳及側(cè)墻加拱頂。

仰拱和側(cè)墻墻腳的噴膜防水工序?yàn)椋?1)清洗EVA防水板的基面以去除水和泥漿，進(jìn)而保證丙烯酸鹽膜的黏結(jié)效果； 2)將丙烯酸鹽溶液噴射到EVA防水板表面的無紡布層，快速固化后形成復(fù)合防水層； 3)在仰拱處的噴膜防水層上施作一層厚度為50 mm的混凝土保護(hù)層，以避免后續(xù)工作破壞防水膜。仰拱和側(cè)墻墻腳的噴膜防水作業(yè)如圖8所示。

(a) 仰拱部位噴膜防水作業(yè)

(b) 側(cè)墻墻腳噴膜防水作業(yè)

由于工作平臺的長度為6 m(如圖9所示)，在縱向長度為12 m的隧道內(nèi)的噴膜防水作業(yè)必須分為2段施工，即第1段完成后，工作平臺必須向前移動到第2個區(qū)段。側(cè)墻及拱頂噴膜防水施工的主要工序如下： 1)噴膜工作可以從任何一側(cè)側(cè)墻開始，噴手在工作平臺上自下而上逐層噴膜，直至拱頂； 2)從未噴膜的另一側(cè)側(cè)墻開始再次進(jìn)行噴膜工作，直到膜與之前在同一區(qū)段內(nèi)的拱頂噴膜相連接為止，即完成一次循環(huán)； 3)移動工作平臺，開始第2個區(qū)段的噴膜防水作業(yè)。側(cè)墻和拱頂?shù)膰娔し浪鳂I(yè)如圖10所示。

圖9 隧道內(nèi)防水作業(yè)臺車

(a) 側(cè)墻部位噴膜防水作業(yè)

(b) 拱頂噴膜防水作業(yè)

3.4 噴膜質(zhì)量的控制與驗(yàn)收

每一個區(qū)段完成后應(yīng)檢查以下項目： 1)噴膜防水層必須完全覆蓋EVA防水板； 2)防水膜的最小厚度不應(yīng)小于設(shè)計厚度； 3)防水膜上發(fā)現(xiàn)的任何缺陷，如針孔或膜的損壞，均須進(jìn)行修補(bǔ)； 4)防水膜施作完畢后，如果3天內(nèi)未能及時施作二次襯砌混凝土，則需進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，防止出現(xiàn)脫水干裂。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，現(xiàn)場應(yīng)采集完全固化的噴膜防水層樣品，并送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試檢查，主要性能要求為： 1)拉伸強(qiáng)度≥ 1.1 MPa； 2)最大伸長率≥ 200%； 3)撕裂強(qiáng)度≥5 kN/m； 4)對于透水性(0.3 MPa/30 min)，透水率為0。

4 現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果及討論

4.1 防水效果檢查

該隧道的噴膜防水作業(yè)于2014年2月開始，并于2014年12月完成，該LNG接收站已經(jīng)于2017年投入運(yùn)營。在2015年6月，隧道的二次襯砌已經(jīng)施工完畢，管道安裝工作仍在進(jìn)行中，隧道出入口的建設(shè)情況如圖11所示。在全面檢查了隧道的防水情況后，未在隧道內(nèi)發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象。隧道防水效果如圖12所示。

(a) 靠海側(cè)入口

(b) 靠罐區(qū)側(cè)出口

圖12 隧道防水效果

4.2 噴膜防水層的防火性能

二次襯砌鋼筋安裝過程中的焊接作業(yè)總是會對防水層帶來一定的破壞，這也被認(rèn)為是削弱隧道防水系統(tǒng)防水性能的一個重要因素。丙烯酸鹽噴膜防水層的耐火等級為難燃(B1級)，能有效防止鋼筋焊接所造成的損傷。通過對該隧道二次襯砌鋼筋的焊接工作進(jìn)行現(xiàn)場觀察(如圖13所示)可知，在有些情況下鋼筋被緊貼在噴膜防水層表面進(jìn)行固定和焊接，然而防水膜上并沒有發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的損傷，只有膜的表面被覆蓋了1層深棕色焊灰。顯然，焊接溫度對噴膜防水層和下覆的EVA防水板幾乎沒有造成損傷。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)證明，丙烯酸鹽噴膜防水層具有很好的防火性能。

(a) 鋼筋焊接作業(yè)

(b) 焊接作業(yè)完成后防水層表面的情況

圖13鋼筋焊接作業(yè)及焊接作業(yè)完成后防水層表面的情況

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

4.3 噴膜防水層施工效率

噴膜防水的作業(yè)效率見表1。該隧道將全斷面劃分為2個區(qū)域進(jìn)行防水施工，A區(qū)的仰拱部位對于噴膜防水是有利的，因?yàn)閲娔さ幕貜梿栴}顯著降低，也降低了丙烯酸鹽溶液的用量，A區(qū)的噴膜覆蓋效率高于B區(qū)。除了側(cè)墻和拱頂處的回彈損失較大之外，還應(yīng)考慮其他因素如由工作平臺高度引起的噴涂壓力差也會降低噴涂設(shè)備的工作速率。

表1 噴膜防水作業(yè)效率

5 結(jié)論與建議

迭福接收站LNG工藝隧道是同類隧道中首次通過新奧法并采用噴膜防水技術(shù)施工的隧道。根據(jù)應(yīng)用結(jié)果可知，其防水效果達(dá)到了預(yù)期的高標(biāo)準(zhǔn)防水質(zhì)量。

1)合理正確地設(shè)計防水系統(tǒng)是滿足高防水標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵所在。雖然丙烯酸鹽噴膜防水層在這一工程中發(fā)揮了重要作用，但是包括徑向灌漿、EVA防水板和排水設(shè)施在內(nèi)的防水系統(tǒng)的其他部分也是該防水系統(tǒng)成功應(yīng)用不可缺少的重要部分。

2)丙烯酸鹽防水材料的防火性能對雙層防水材料的防水性能至關(guān)重要，尤其是其在施工環(huán)節(jié)中發(fā)揮了較為重要的作用，避免了鋼筋焊接對防水層造成的損傷，保證了防水層的防水質(zhì)量。

3)施工人員的作業(yè)質(zhì)量對最終的防水效果至關(guān)重要。噴膜防水層是防止隧道滲漏的最后屏障，為保證該防水系統(tǒng)的成功應(yīng)用，需加強(qiáng)對施工人員的培訓(xùn)，開展充分的施工準(zhǔn)備和細(xì)致的噴膜作業(yè)，制定完善的質(zhì)量控制和驗(yàn)收措施。

該隧道的成功實(shí)施為以后類似高標(biāo)準(zhǔn)防水隧道的防水設(shè)計和施工提供了一些參考和借鑒，但也有一些問題需進(jìn)一步研究和分析，例如： 復(fù)合防水層之間各層的黏結(jié)強(qiáng)度對防水效果的影響問題、噴涂防水類材料在施工現(xiàn)場的質(zhì)量控制體系、后期出現(xiàn)滲漏后的預(yù)留維修措施、噴膜防水層的耐久性問題等。

致謝

本文的研究工作得到了中國海洋石油集團(tuán)有限公司、中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司、中鐵大橋局集團(tuán)有限公司、成都市嘉洲新型防水材料有限公司等單位的支持以及張玉蘭、葉大為、汪健、王平、楊娟、何雨帝、劉基泰等人在現(xiàn)場技術(shù)資料、數(shù)據(jù)收集方面的協(xié)助，在此對相關(guān)單位和人員的支持和幫助表示由衷的感謝！