呂 剛， 王 婷， 劉建友， 岳 嶺

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司， 北京 100055)

0 引言

近年來隨著鐵路隧道建設(shè)的蓬勃發(fā)展，我國已經(jīng)躋身為世界上隧道數(shù)量最多、發(fā)展速度最快、地質(zhì)條件和隧道結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜的國家[1]。隧道防排水體系與隧道結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，以確保隧道在設(shè)計期限內(nèi)滿足穩(wěn)定性和耐久性要求，保障隧道正常運營。然而，"十隧九漏" 的現(xiàn)狀一直難以根治，而且水害是隧道其他諸多病害的誘發(fā)因素，如隧道凍害、隧底翻漿冒泥等，給隧道運營安全帶來極大的威脅[2]。

從1981年修建大瑤山鐵路隧道首次將塑料防水板作為隧道結(jié)構(gòu)防水引入國內(nèi)以來[3]，高分子防水板(EVA、ECB)作為目前礦山法隧道的防水材料被廣泛使用。而明挖隧道防水層一般由防水涂料和防水板2層組成[4]，通常采用高聚物改性瀝青類、高分子防水卷材或塑料防水板[5-6]。通過大量隧道滲漏實例調(diào)查發(fā)現(xiàn)，防水材料的實際使用效果存在一些弊端[7]，例如： 防水板與結(jié)構(gòu)基面附著性差、不密貼；卷材與基面很難保證滿粘，出現(xiàn)"竄水"現(xiàn)象； 接縫多，容易造成漏水； 人工操作質(zhì)量難以保證等，隧道漏水問題難以根治。噴涂式速凝橡膠瀝青作為一種新型防水材料，具有延伸率高、自愈力強、防水密貼性強、耐高溫、環(huán)保、施工便捷等優(yōu)點，已逐漸成為未來隧道防水的發(fā)展方向[8-9]，但目前噴涂防水設(shè)計體系尚不完善，設(shè)計參數(shù)主要依賴經(jīng)驗。

噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料作為一種新型噴涂防水材料逐步被認識并開始推廣應(yīng)用，目前在研究及工程實踐中取得了一定成果和經(jīng)驗。沈春林等[10]對噴膜防水技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀的應(yīng)用情況作了綜合性介紹； 劉志杰等[11]、盧飛等[12]和崔劍[13]介紹了新型噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料的性能特點、使用要求，并將該材料應(yīng)用到市政地下工程中； 田春春等[14]將該材料應(yīng)用于明挖地鐵車站的防水設(shè)計，并對施工工藝做法進行了詳細介紹； 王志強等[15]通過試驗研究涂速凝橡膠瀝青防水涂層在變形縫處的適應(yīng)性； 胡希寶等[16]提出機械化噴涂施工技術(shù)，可以在保證施工質(zhì)量的同時大大降低成本、提高施工效率。目前，噴涂防水材料在隧道工程中的應(yīng)用相對較少，且隧道噴涂式防水體系設(shè)計尚不完善，本文依托京張高鐵東花園明挖隧道工程，對新型噴涂防水材料在隧道工程中的防水設(shè)計及施工應(yīng)用進行深入研究。

1 噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料特性

噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料被稱為"Liquid Rubber"，即液體橡膠[17]。該涂料是由橡膠瀝青乳液及促凝劑2種組分混合，通過化學(xué)反應(yīng)生成的防水材料。其中，橡膠瀝青乳液(A組分)由超細、懸浮、微乳型的改性陰離子乳化瀝青和合成高分子聚合物配制而成[18]； 促凝劑(B組分)為電解質(zhì)配制成的水溶液。將A組分和B組分充分混合，噴至混凝土基面時瞬間固化，從而形成致密、連續(xù)、完整的涂膜[19]。這種新型噴涂防水材料與傳統(tǒng)隧道防水材料相比，主要特性如下：

1)抗穿刺及抗裂能力高。噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料延伸率、抗穿刺能力遠高于防水板，對混凝土產(chǎn)生的溫度收縮裂縫具有顯著的防護效果，具有破損后自愈能力。能夠有效解決因隧道結(jié)構(gòu)變形、開裂、穿刺等產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)滲漏或鋼筋銹蝕等病害問題。

2)防水密貼性強。噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料涂刷到結(jié)構(gòu)物表面，經(jīng)固化后形成的防水薄膜與基面附著性好，可以達到與結(jié)構(gòu)完全密貼的效果，且涂層連續(xù)無接縫、防水可靠性高、工藝性好。

3)耐高低溫性。噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料具有顯著的耐高低溫特點，成膜施工對溫度要求不高，可適用于-20～130 ℃氣溫條件。

4)環(huán)保性高。傳統(tǒng)防水板在施工過程中不可避免地需要采用熱熔焊接，容易造成環(huán)境污染[20]。而噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料是無毒無味、無廢料、無污染的水性涂料，滿足節(jié)能、生態(tài)環(huán)保的要求。

5)施工便捷。噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料固化速度快，具備大規(guī)模施工、一次成型的條件，施工速度快、工效高的特點。

綜上所述，噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料作為隧道新型防水材料具有傳統(tǒng)防水板所不具備的優(yōu)異性能，在隧道工程中的應(yīng)用前景非常廣闊，可作為隧道防水工程的優(yōu)選材料。

2 隧道噴涂式防水體系設(shè)計

中國鐵路總公司頒布了鐵路工程噴膜防水材料關(guān)于噴涂橡膠瀝青的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[21]，提出了防水材料物理力學(xué)性能指標(biāo)，但未對隧道防水設(shè)計提出具體要求。為了提高隧道防排水技術(shù)水平，改善隧道運營環(huán)境，節(jié)約工程全壽命周期總成本，在借鑒現(xiàn)有研究、設(shè)計、施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出一種全封閉噴涂橡膠瀝青防水體系。

2.1 類似工程實例參考

目前，噴涂速凝橡膠防水涂料在隧道、管道、地鐵車站、地下室和屋面等工程的防水體系中均有一定應(yīng)用，工程實例中的噴涂厚度參考如表1所示。根據(jù)文獻[21]中的要求，隧道用噴涂橡膠瀝青防水層厚度不應(yīng)小于1.5 mm，噴層基本厚度可以參考規(guī)范及既有工程實例進行設(shè)置。

表1 工程實例中的噴涂厚度參考

2.2 噴涂式防水噴層厚度設(shè)計

2.2.1 一般部位噴層厚度設(shè)計

1)工程的防水等級。鐵路隧道防水等級根據(jù)工程重要性、使用功能及運營安全等要求分為4級，噴涂式防水層厚度應(yīng)根據(jù)防水等級設(shè)置，如表2所示。

表2 噴涂式防水層厚度設(shè)置建議值

2)工程的設(shè)計使用年限。噴涂式防水失效是噴涂材料隨時間逐漸老化的過程，增加噴層厚度可有效提高整個防水體系的耐久性。因此，可根據(jù)工程的設(shè)計使用年限，設(shè)計不同的噴層厚度，如表3所示。

表3 設(shè)計使用年限修正建議值

3)地下水狀況。當(dāng)隧道襯砌出現(xiàn)開裂時，地下水將在噴層內(nèi)外兩側(cè)形成壓力差，導(dǎo)致噴層受力拉伸，水壓力越大，需要的噴層厚度越大，如表4所示。

4)隧道縱坡設(shè)計。隧道縱坡的形式影響隧道運營期排水成本，人字坡自然排水，隧道滲漏量不影響運營成本；而V形坡隧道的抽排水成本由滲漏量決定，應(yīng)盡量減少V形坡隧道的滲漏量，因此，V形坡隧道的噴層厚度應(yīng)適當(dāng)增大，如表5所示。

表4 地下水狀況修正建議值

表5 隧道縱坡設(shè)計形式修正建議值

5)隧道所處環(huán)境條件(暴曬、干濕交替、溫度變化、地下水侵蝕環(huán)境、恒溫恒濕等)。隧道所處的環(huán)境是影響噴涂材料老化、劣化的主要因素，恒溫恒濕最有利于噴涂材料的耐久，而暴曬、干濕交替、溫度頻繁變化、地下水侵蝕性都將加速噴涂材料的老化，隧道環(huán)境條件修正建議值如表6所示。

表6 隧道環(huán)境條件修正建議值

6)噴涂方式。不同噴涂方式施工質(zhì)量差異較大，人工噴涂的隨機性大，噴層厚度不均勻；而機械噴涂噴層厚度均一，施工質(zhì)量較好，噴涂方式修正建設(shè)值如表7所示。

表7 噴涂方式修正建議值

7)混凝土表面的狀態(tài)?；炷帘砻媸侵竾娡克倌鹉z瀝青防水材料的接合面。混凝土表面狀態(tài)對防水層耐久性有一定影響，其修正建議值如表8所示。

表8 混凝土表面狀態(tài)修正建議值

2.2.2 特殊部位噴層厚度設(shè)計

隧道結(jié)構(gòu)變形縫、施工縫等特殊部位防水是保證隧道防水成敗的關(guān)鍵，由于變形縫、施工縫存在張拉、變形，該部位噴層厚度需考慮接縫處伸縮變形影響。

假設(shè)施工縫最大張開量為m2，最大錯動量為m1，施工縫處防水涂料的初始厚度為d1，裂縫發(fā)生錯動和張開后，防水涂層被拉長，厚度減薄，建立上述參量相互關(guān)系的計算模型，如圖1所示，則減薄后的防水涂層厚度

(1)

式中L為裂縫錯動對噴層的影響范圍，根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。

圖1 裂縫處噴層厚度計算模型

2.3 全封閉噴涂防水體系

明挖隧道全封閉防水體系主要由地表處理、噴涂防水層、保護層、找平層、襯砌結(jié)構(gòu)、接縫防水等部分組成。

地表處理是為防止地表水下滲對隧道造成影響，結(jié)合工程環(huán)境條件，如地表有溝谷、洼地等，采取地表疏導(dǎo)、防滲等措施；噴涂防水層是隧道全封閉防水體系中最重要的防水環(huán)節(jié)，其延伸率高、耐穿刺強、密貼性好等優(yōu)異性能為阻隔地下水起到至關(guān)重要的作用；保護層是為了防止施作時人為破壞噴涂防水層；找平層主要作用在于為噴涂防水施工提供較為堅硬、平整的基面；襯砌結(jié)構(gòu)除了承擔(dān)水、土壓力荷載以外，結(jié)構(gòu)自防水起到防水體系中安全儲備的作用；接縫防水結(jié)合施工縫及變形縫位置通常選用止水帶、注漿管、密封膏等防水材料。

3 京張高鐵東花園隧道噴涂式防水設(shè)計

3.1 工程概況

新建北京至張家口鐵路東花園隧道位于張家口市懷來縣東花園鎮(zhèn)，東花園隧道平面示意如圖2所示。隧址區(qū)地勢平坦、開闊，隧道上方多為耕地、既有河道。隧道全長4 970 m，設(shè)計速度350 km/h。隧道內(nèi)縱坡為"V"字形，隧道內(nèi)最大坡度為25‰，最大開挖深度為21.96 m，全隧采用放坡明挖法施工。

圖2 東花園隧道平面示意圖

3.2 東花園隧道噴涂式防水設(shè)計

東花園隧道采用全封閉防水，按《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定為防水1級標(biāo)準(zhǔn)。明洞襯砌為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按100年設(shè)計使用年限標(biāo)準(zhǔn)，拱墻采用自動化噴涂設(shè)備。由2.2節(jié)噴涂式防水噴層厚度設(shè)計計算可以得到拱墻處修正值為0.4 mm，噴層厚度建議不小于2.4 mm； 仰拱修正值為0.8 mm，噴層厚度建議不小于2.8 mm。

東花園隧道襯砌防水體系設(shè)計如圖3所示。明洞襯砌拱墻采用環(huán)氧砂漿找平，依次噴涂2.5 mm厚速凝橡膠瀝青防水涂料+2層400 g/m2無紡布+1.5 cm厚綠色可降解緩沖層；仰拱底部采用C20混凝土墊層+1.5 mm厚HDPE膜作為保護層+3.0 mm厚噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料；明洞頂部回填層采用60 cm黏土進行地表隔水處理。

環(huán)氧砂漿、環(huán)氧水泥涂料作為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)頂板的找平材料，雖然也有防水功效，但由于配制的可控性、涂抹的和易性、固化時間的掌握等欠佳，未必比聚合物砂漿或水泥可靠，因此找平層材料的選擇有待進一步研究。

圖3 東花園隧道襯砌防水系統(tǒng)示意圖

3.3 特殊部位防水設(shè)計

對隧道結(jié)構(gòu)變形縫、施工縫等特殊部位進行專項防水設(shè)計。在變形縫采取中埋式鋼邊橡膠止水帶+聚乙烯閉孔泡沫板+聚硫密封膏嵌縫的復(fù)合防水措施，如圖4所示；在環(huán)向施工縫采取中埋式鋼邊橡膠止水帶+水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料+可維護注漿管的復(fù)合防水措施，如圖5所示；在縱向施工縫采用中埋式鋼板止水帶?？紤]變形縫、施工縫接縫處伸縮變形，噴涂橡膠厚度均加厚至4 mm。

圖4 變形縫防水設(shè)計示意圖(單位： mm)

4 隧道自動化噴涂防水施工技術(shù)

防水涂料機械噴涂正在面臨新的發(fā)展機遇[22]，隨著隧道修建技術(shù)和裝備水平的進步，隧道噴涂防水逐步向機械化、自動化方向發(fā)展。自動化噴涂通過電腦控制走行裝置和噴涂機械手進行操作，摒棄了傳統(tǒng)的人工噴涂方式，實現(xiàn)了機械化生產(chǎn)，提高了防水施工質(zhì)量。

圖5 環(huán)向施工縫防水設(shè)計示意圖(單位： mm)

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

4.1 隧道自動化噴涂防水優(yōu)勢

1)實現(xiàn)噴涂用量精細化。自動化噴涂可以精確控制噴涂用量，噴涂厚度均勻，有效避免了人工噴涂存在的噴涂厚度不一、搭接面處理不到位等誤差，極大降低了隧道出現(xiàn)滲漏水的風(fēng)險。

2)提高施工安全性。自動化噴涂機械手代替了傳統(tǒng)的人工手拿噴槍作業(yè)，操作人員在操作平臺上進行操作，有效降低了人工在襯砌倒弧形結(jié)構(gòu)上高空進行噴涂施工作業(yè)的危險。

3)有效降低施工成本。自動化噴涂工效是人工噴涂工效的4倍，有提高了工作效率，降低了施工成本。

4.2 自動化噴涂設(shè)備

噴涂速凝橡膠防水涂料的自動化噴涂設(shè)備由工作平臺、控制系統(tǒng)、供料系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、走行系統(tǒng)和噴涂小車等共同組成，見圖6。工作平臺、控制系統(tǒng)與供料系統(tǒng)屬于控制部，為整套設(shè)備工作提供原料與動力；支撐系統(tǒng)、走形系統(tǒng)組成行走部，為噴涂機械手行走提供保障；噴涂小車作為噴涂部完成最終的機械噴涂作業(yè)。

圖6 速凝橡膠瀝青防水自動化噴涂架構(gòu)

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

4.3 自動化噴涂施工

自動化噴涂施工流程如圖7所示?；嫣幚戆ㄇ宄嫠炙伞⑵鹕?、起皮混凝土，并清掃基面灰塵；用角磨機將基面表層浮漿打磨并用吹風(fēng)機清理干凈；將陰角凹凸不平部位、局部孔洞缺陷用環(huán)氧水泥漿抹平。

圖7 自動化噴涂施工流程

襯砌節(jié)點處理包括縱向縫、環(huán)向縫兩側(cè)各0.5 m范圍,采用手刷料和無紡布進行加強處理。仰拱與拱墻搭接處理方案如圖8所示。仰拱和拱墻噴層搭接長度為400 mm，翻折搭接后形成復(fù)合防水層。

(a) 步序1

(b) 步序2

上述工序完成后在噴涂區(qū)域涂刷專用底漆，然后采用專用噴槍噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料，每遍噴涂厚度約為0.3 mm，噴涂8遍，經(jīng)常檢查，嚴格控制噴涂厚度。2次噴涂作業(yè)面之間的搭接寬度不應(yīng)小于100 mm。噴涂后靜置 12 h以上，保證析出水分和排出氣體再進行下道工序。采用測厚儀對涂膜防水層進行實時監(jiān)測，每100 m2抽查1處，最小厚度不小于設(shè)計厚度的80%，涂膜搭接部位采用逐漸薄噴處理。

4.4 現(xiàn)場實施情況及效果評價

2018年4月，東花園隧道拱墻防水開始采用新型速凝橡膠瀝青自動噴涂機器人進行自動噴涂作業(yè)，見圖9。自動噴涂歷時11 d完成，比傳統(tǒng)人工噴涂節(jié)約工期33 d，施工完成后采用針測法測厚儀對噴涂防水層進行實時監(jiān)測，現(xiàn)場檢查合格率達到100%，噴涂防水施工效果如圖10所示。

噴涂橡膠瀝青材料為水性、無毒無味、無污染，是新一代節(jié)能環(huán)保材料；整個施工過程無需加熱、無明火、常溫施工，保證了施工的安全可靠。采用國際防水行業(yè)最新發(fā)展趨勢--單層防水用材，既減少材料用量、節(jié)約資源，又減少施工過程產(chǎn)生的建筑垃圾，真正實現(xiàn)節(jié)材節(jié)能，具有良好的環(huán)保效益。

圖9 噴涂機器人施工現(xiàn)場

圖10 噴涂防水施工效果

5 結(jié)論與討論

1)噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料的抗穿刺、抗裂性、密貼性等能力遠高于防水板，破損后具有自愈能力，耐高低溫、環(huán)保、一次成型，施工快、工效高等。

2)通過調(diào)研現(xiàn)有工程案例，系統(tǒng)分析鐵路隧道一般部位及特殊部位防水噴層厚度設(shè)計的影響因素，提出了適用于明洞隧道的全封閉噴涂橡膠瀝青防水體系，并應(yīng)用于京張高鐵東花園隧道噴涂式防水設(shè)計中。

3)通過研發(fā)東花園隧道自動化噴涂防水裝置，實現(xiàn)了隧道噴涂防水施工自動化，極大提高了防水施工質(zhì)量和施工效率，降低了施工成本，經(jīng)現(xiàn)場檢測合格率達100%。

4)考慮隧道使用年限、地下水狀況、隧道所處環(huán)境等因素，提出了噴涂式防水層厚度的定量設(shè)計方法，并初步提出了噴層厚度基本值和修正值的建議，但具體取值還需要大量試驗和工程實踐，并根據(jù)實際使用效果進行修正。