丙烯酸鹽噴膜防水技術在運營隧道中的應用

杜誠誠，朱小明，李玉平，袁永新，馮 勇

(1.甘肅省公路交通建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730030； 2.甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

丙烯酸鹽噴膜是一種廣泛應用于隧道及地下工程中的新型防水材料，它具有施工快速均勻、無接頭及整體性好的優點[1-3]。2013年國際隧道協會年會制定了隧道噴膜防水技術的設計指南，使得丙烯酸鹽噴膜防水技術得到極大的重視和推廣。目前，該技術在隧道工程中的應用實例多見于新建隧道，在初期支護與二次襯砌之間噴涂噴膜防水層以代替防水板和土工布組成的復合式防水層功能[4-6]，如貴陽地鐵1號線雅-蠻區間隧道(2016年)、貴廣高鐵天平山隧道(2012年)、高海拔地區的巴朗山隧道(2011年)。

隨著丙烯酸鹽噴膜防水工程實踐的增加，新建隧道中該技術的設計(防水構造體系、節點部位處理等)、施工(施工工藝、施工要點、質量檢驗)趨于成熟[7-8]。近年來，憑借施工機械化程度高、施工速度快的優點，該技術在運營隧道滲漏水處治中也逐步得到應用。與新建隧道相比，運營隧道防排水設施施做困難，且不允許水向洞內排泄，其防水體系和構造有極大的區別。本文結合甘肅某運營公路隧道進行丙烯酸鹽噴膜防水工程的施工實例，對該技術的主要內容進行總結和探討，以期為同類施工提供一定借鑒。

1 運營隧道噴膜防水體系

圖1 “非排水型”防水體系基本要素

采用丙烯酸鹽噴膜防水技術處治襯砌滲漏水時，由于基面的粗糙程度將會影響噴涂防水層的質量和襯砌的連續封閉效果，因此要求噴膜基面平整[10-12]。而運營隧道襯砌表面平整度一般都較為良好，鼓包、裂縫、剝落及損傷等缺陷處理后基面也可滿足噴膜防水的平整度要求，因此，丙烯酸鹽噴膜防水技術對運營公路隧道滲漏水處治具有較好的適用性。

2 丙烯酸鹽噴膜防水材料成膜機理

目前中國國內已經應用的噴膜防水材料按組分分為單組分、雙組分和多組分，運營隧道滲漏水處治大多采用雙組分成膜體系。雙組分丙烯酸鹽噴膜防水材料是通過在噴射過程中將2種組分快速聚合交聯成膜，此過程中存在放熱，是化學反應過程[13]。丙烯酸鹽噴膜防水層成膜方式如圖2所示。通常是采用不飽和羧酸鹽水性單體作為丙烯酸鹽水劑，過氧酸鹽和硫酸亞鐵分別作為氧化劑和還原劑，起引發劑的作用。

圖2 丙烯酸鹽噴膜防水材料成膜機理

3 工程應用

3.1 工程概況

病害隧道為甘肅省境內某高速公路下行線中的1座2車道長隧道，全長為1 265 m，設計車速為80 km·h-1，建筑限界凈寬為10.25 m，凈高為5 m，于2002年10月建成通車。

隧址區表層為5～50 m厚風積黃土，下伏8～45 m厚的離石黃土(老黃土)，與下臥上第三系紅色泥巖不整合接觸，老黃土及泥巖較堅硬。風積黃土疏松具大孔隙，為自重濕陷性黃土，隧道均穿越上述3種地質體。水文地質條件較簡單，除不同地層接觸處含水量稍高，且有微量滲水外，其余地層為中濕-干燥狀。地下水具結晶性硫酸鹽侵蝕。隧道襯砌結構采用新奧法原理設計，設置鋼拱架噴射混凝土初支及鋼筋混凝土二次襯砌共同組成永久性承載結構。隧道原設計防排水采用“以排為主，防、排、截、堵相結合”的綜合治理原則，達到排水通暢、防水可靠、經濟合理、不留后患的目的。主洞采用復合式防排水體系，通過在初支與二襯之間設置復合式防水板、拱腳縱向排水盲管、環向導水盲管，匯聚水到中心水溝排出隧道，原防排水設計如圖3所示。

圖3 主洞原設計防排水系統構造圖

該隧道運營15年后，2017年10月K1807+465～595段(共130 m)主洞發生滲漏水，主要表現為施工縫連續出水，滴漏成線；襯砌背后水從外到內滲透，襯砌表面出現較大面積的潤濕，涂裝剝落；襯砌滲水流入路面肆流，如圖4～8所示。

圖4 襯砌滲漏水(拱腰)

圖5 滲漏水沿路面肆流

圖6 邊墻滲漏水

圖7 拱腰滲漏水

圖8 拱頂滲水掛冰

3.2 丙烯酸鹽噴膜防水系統設計

遵循滲漏水的“防水是基礎、排水是核心、保溫是關鍵”處治原則，對下行線XK1807+465～XK1807+595(共130 m)段滲漏水采用斜縫注膠+埋管引排+電防滲系統+丙烯酸鹽噴膜防水層的處治措施，以求達到“阻水、防水、排水”綜合功效。以下為施工工序。

鄉鎮政府部門比較關注財政收入、招商引資等提升政績較為明顯的項目，而對直接利潤相對較少的農業缺乏實際投入，嚴重制約了本地區農業現代化發展進程。不少鄉鎮的領導干部對農田水利節水灌溉技術推廣應用重視程度不足，不能做到示范帶動，在政策和資金方面缺乏支持，使得節水灌溉技術一直局限在傳統的自我管理模式中，無法取得突破，更不能促進本地區現代農業實現可持續發展[2]。

(1)滲水段通過中心水溝檢查井疏通中心水溝，保證隧道中心水溝排水通暢，并更換破損和平整性差的中心水溝蓋板。

(2)滲水施工縫、變形縫及沉降縫以鑿槽引排處治。

沿襯砌滲水施工縫、變形縫、沉降縫及集中滲水裂縫于襯砌表面切槽，大小以剛好能安裝直徑為50 mm的半圓透水管為宜。位置根據滲水縫位置或裂縫擴展位置靈活布置，且鑿槽埋管長度應向未漏水裂縫處延伸不小于10 cm。

于滲水處拱墻部位設置直徑為50 mm的半圓透水管作為環向排水，將其引排入墻腳電纜溝內新增設的直徑為116 mm的縱向保溫排水管，縱向排水管通過路面下直徑為116 mm的橫向保溫排水管將水排入中心水溝檢查井。半圓透水盲管根據原襯砌混凝土滲水情況設置，切槽及布設盲管應結合滲漏水及裂縫情況調整實際位置。安裝時應注意按照先拱部后兩側的順序進行，接茬部位由下節壓上節，搭接長度為10～15 cm。在埋管外側涂刷封邊膠，兩側壁原二襯混凝土與水泥砂漿交接處刷界面膠。

(3)在原襯砌施工縫及沉降縫有少量滲水的位置，可采用斜縫注射聚氨酯類發泡膠液封堵+暗埋彈簧半圓管結合的方案綜合治理。兩側電纜槽內應新設直徑為116 mm的HDPE雙壁波紋管(不打孔)，管內縱坡應于路面同坡，通過路面橫向排水管排入中心水溝檢查井。

(4)電防滲阻水層。在先對滲漏水施工縫、裂縫采用引排封堵的情況下，用鈦合金金屬絲在混凝土表面布設形成正極系統(縱向間距為80 cm)，用銅棒(根據現場情況靈活布設，縱向間距不大于30 m)在隧道結構外水體中布置形成負極系統，從而形成并聯回路，再由控制裝置連續施加低壓正負脈沖電流將水電離。混凝土結構內的水分子被電離后將有規律的向負極方向移動，使得混凝土結構保持干燥狀態。

(5)全斷面噴射丙烯酸鹽防水膜，如圖9所示。噴槍應與基面保持垂直，并采用平移或畫圓方式勻速移動噴槍，并宜分2次達到噴膜設計厚度。在基面條件復雜的局部位置，可根據實際噴膜效果進行噴射角度、距離等參數的調整，噴膜應均勻且厚度不小于3 mm。

圖9 丙烯酸鹽噴膜防水系統設計

(6)2 cm厚聚合物抗流掛砂漿保護層，鋪掛鉛絲網防止掉落。

3.3 施工工藝要求及技術要點

3.3.1 施工工藝要求

為確保良好的施工效果，防水材料、噴膜設備、施工工藝都需進行嚴格的選擇，且需要對施工全過程進行管理[14]。

防水材料主要性能指標見表1。

表1 丙烯酸鹽噴膜防水材料性能參數

應選擇成熟的噴膜設備，在滿足粘結強度的同時還應保證較高的噴涂速率，以提高施工效率，一般采用高壓無氣噴涂設備進行作業[15-16]。

噴膜防水施工采用如圖10所示的施工流程，另外對防水層噴涂施工順序及方向、防水層搭接及修補、養護等重點施工工藝做以下要求。

圖10 施工流程圖

(1)按照“自下而上，先變強后拱頂”的順序，分段噴涂作業，分段長度不應大于施工臺架的長度，并盡量減少施工臺架的移動距離。

(2)相鄰兩端防水層施工時，搭接長度不應小于20 cm，且應對接頭部位進行清洗，形成有效的搭接。對防水層不滿足質量要求的部位應進行修補，修補前對至少超過缺陷邊緣10 cm范圍內的噴膜清理，并進行補噴，搭接長度不小于20 cm。

(3)噴膜防水層施工完成后，噴涂材料充分固化前，采用噴水或及時施做2 cm厚聚合物抗流掛砂漿保護層方式對防水層進行養護，防止其性能降低。

3.3.2 施工技術要點

(1)施工前在未進行基面處理的既有襯砌表面進行噴涂時發現，由于既有襯砌混凝土表面存在防火涂料、灰塵和煙霧，導致噴涂后無噴膜材料失水剝落，無法形成有效的防水薄殼，極大地降低了防水效果。因此，噴膜防水施工前需對襯砌表面進行適當的處理，使膜層與既有襯砌表面具有較高的黏結強度，能夠承受一定滲水壓力，防止噴膜后膜層大面積脫落。

(2)噴膜防水施工前需先對滲水進行處理，可以采用注膠封堵、斜縫注膠及鑿槽埋管引排等措施，確保噴膜基面無明水，否則將對噴膜防水層的質量和性能造成影響。

(3)噴膜防水施工前，應對噴膜作業面非施工部位采取遮擋措施。噴膜防水施工現場應做好操作人員的安全防護。對漏噴、鼓包、針孔、剝落及損傷等缺陷應及時進行補噴。噴膜防水作業完成后，不應直接在噴膜防水層上鑿孔、打洞或重物撞擊。

(4)噴膜防水材料隨配隨用，配置后的材料應存放在陰涼處，且不得超過30 min。先期噴膜防水層與后期噴膜間隔時間較長時，在噴射新膜之前，應對先期接頭部位清洗，搭接寬度不小于100 mm。

3.4 襯砌接縫部位噴涂防水處理

由于水具有“無孔不入”的特點，已經發生滲漏水病害的襯砌背后圍巖孔隙會充滿水，在水壓力和圍巖壓力的綜合作用下水將沿襯砌施工縫、裂縫、穿透防水層的預埋件安裝位置等防水比較薄弱的部位滲流[17-19]，因此對以上節點部位的處理是滲漏水處治措施的關鍵。

3.4.1 襯砌施工縫

圖11 施工縫滲水引排

施工縫是隧道建設時每板襯砌混凝土施工時的接縫部位，雖然該部位已經設置了止水帶、止水條等防水措施，但由于施工質量、橡膠材料老化等因素防水設施被破壞，導致施工縫成為易滲水的部位。該隧道由于施工縫滲漏水嚴重，需先采取埋管引排的方式對滲水進行引流和封閉，如圖11所示。為加強施工縫防水，埋管引排涂抹水泥砂漿時預留不小于5 mm的厚度，采用同材質丙烯酸鹽噴射至與整體噴膜防水層齊平。變形縫、沉降縫及集中滲水裂縫的處理措施與施工縫類似，處理寬度通常不小于400 mm。

3.4.2 穿透防水層的預埋件安裝部位

隧道襯砌內通常需要設置穿透原設計防水層的機電設施、通風設施預埋件，導致隧道防排水體系的整體性被破壞，如果建設期間未有效處理，這些部位可能成為“出水口”。該運營隧道對此類細部節點的處理方法是，在節點部位注射堵水膠液填充滲水孔隙，反復噴射丙烯酸鹽防水漿液，以形成封閉、連續的局部加強防水層，確保防水效果。

4 結 語

本文基于丙烯酸鹽噴膜防水技術在甘肅某隧道的應用實例，對運營隧道噴膜防水體系、施工工藝及要點、襯砌接縫部位噴涂防水處理進行了分析和探討。

(1)運營公路隧道滲漏水處治需設置“非排水型”防水體系，防止地下水或圍巖水向洞內排泄，對隧道結構穩定性、隧道內設備以及車行安全等方面產生不良影響。

(2)遵循“防水是基礎、排水是核心、保溫是關鍵”的滲漏處治原則，綜合設計丙烯酸鹽噴膜防水系統，以求達到“阻水、防水、排水”的綜合功效。

(3)噴膜防水施工前需對襯砌表面進行適當的處理，使膜層與既有襯砌表面具有較高的黏結強度，能夠承受一定滲水壓力，防止膜層大面積脫落。

(4)對防水薄弱部位的處理是噴膜防水施工的關鍵，應采用加厚噴層、壓力注膠堵水和反復噴涂的局部加強措施，確保防水效果。