隧道工程噴膜防水施工工藝的試驗研究

蔣雅君 楊其新 蔣波 劉東民 盛草櫻

西南交通大學 四川成都610031

引言

    目前在新奧法施工的隧道中多采用在初支與二襯之間鋪設(shè)防水板進行防水，而從其實際使用效果來看存在一定的問題與缺陷，隧道防水效果不理想。為避免其弊端而更加有效合理地利用這種夾層式的防水型式，國內(nèi)外近年來出現(xiàn)了一種用于隧道工程的噴膜防水技術(shù)。一些發(fā)達國家如瑞士、英國、日本等提出了基于不同高分子材料的隧道噴膜防水新技術(shù)，并在部分隧道工程中進行了前期的應(yīng)用研究；我國西南交通大學近年也展開了基于丙烯酸鹽的隧道噴膜防水技術(shù)的研究，已經(jīng)取得了一定成果。

    完備的隧道工程噴膜施工工藝是保證隧道噴膜防水層良好防水效能的主要措施，也是在該項新技術(shù)順利推廣前必須解決的主要問題。它與所使用的噴膜材料、噴膜設(shè)備以及現(xiàn)場工程條件有直接的關(guān)系，鑒于此，本文在大比例隧道試驗?zāi)Ｐ椭心�擬了在隧道中進行噴膜防水施工過程中可能會遇到的各種現(xiàn)場工程情況，并基于丙烯酸鹽噴膜防水材料與高壓無氣噴膜設(shè)備進行了噴膜施工試驗，對隧道工程噴膜防水施工工藝進行了研究與總結(jié)。

1、基本情況

    1.1隧道試驗?zāi)Ｐ?/span>

    自行設(shè)計與修建了一個較大比例的隧道試驗?zāi)Ｐ停瑢�實際隧道工程環(huán)境中的一些主要工況條件進行模擬，以提供一個良好的試驗平臺。

    (1)模型尺寸

    該模型為直墻式明洞，總長9m，外拱圈直徑長4m，直墻高約2m。模型兩側(cè)及端面修筑片石擋墻并填土予以覆蓋，并在頂部設(shè)置水箱及水路控制與轉(zhuǎn)換裝置。模型外觀如圖l所示。

圖1試驗?zāi)Ｐ屯庥^

    (2)內(nèi)壁基面分區(qū)

    該模型分成三段各長3m的基面區(qū)間，并分別在單個的區(qū)間中對噴射混凝土、模筑混凝土、圍巖基面進行了模擬。其中采用在模型內(nèi)壁面上甩射砂漿的方式形成具有一定粗糙和凹凸度的區(qū)域模擬噴射混凝土基面；采用預(yù)先在模型混凝土內(nèi)模板上固定選定的圍巖片材來模擬不同圍巖基面；模筑混凝土基面則為模型混凝土模板拆模后自然形成。

    (3)附屬物設(shè)置

    在模型中的圍巖基面、噴混凝土基面模擬區(qū)段中按梅花形布局鉆孔打入了共5環(huán)不同出露長度(2～5cm)的中22錨桿頭。

    (4)滲漏水環(huán)境模擬

    在模型混凝土中預(yù)埋與頂部進水控制系統(tǒng)相連的鉆孔PPR管網(wǎng)，形成模型內(nèi)的滲水通道，并經(jīng)過一定的后期處理(鉆孔等)，形成直達模型內(nèi)壁面的滲流通路。經(jīng)過量測與觀察，模型內(nèi)壁面上形成了多處點、線、面等不同形式、不同滲水量的滲漏點，且各滲漏點處的滲水量會隨供水水壓的大小發(fā)生相應(yīng)變化，與現(xiàn)場實際情況相符。

    1.2高壓無氣噴膜設(shè)備

    為獲得更快的噴涂速率與更好的噴膜質(zhì)量，西南交通大學開發(fā)了用于隧道工程噴膜防水施工的配套高壓無氣噴膜設(shè)備，在本試驗中用于噴膜防水主液的輸送和噴涂。

    該噴膜設(shè)備集成了行走、攪拌混合、計量、輸送、控制、噴射等6大部分。各子系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2噴膜設(shè)備的子系統(tǒng)

    該噴膜設(shè)備的主要性能參數(shù)如下：①噴射速率2.5～9L/min；②計量精度5％；③泵送性能：揚程≥l0m。

    1.3試驗項目與試驗流程

    試驗中對在隧道工程中進行噴膜防水施工時的全過程工序均進行了測試和試驗，包括如下主要項目：噴膜基面平整度要求、基面附屬物處理、排水材料施作、噴嘴運動參數(shù)選擇、噴膜設(shè)備控制、局部噴膜處理措施、噴膜質(zhì)量的檢查及防水膜層修補方法等。

    由于試驗項目較多，且各子項試驗的試驗要求也不相同，因此各子項目的試驗手段也有所區(qū)別，但最終均以能夠獲得滿足使用要求的噴膜防水層為試驗結(jié)果的判定準則。各試驗測試項目基本的試驗流程(如圖3所示)如下：先根據(jù)工程實際情況設(shè)置該子項目合理的試驗環(huán)境條件與參數(shù)，隨后在此試驗環(huán)境中進行噴膜操作，并以最終是否會對噴膜防水層的質(zhì)量產(chǎn)生影響為試驗結(jié)束準則，最后進行該子項目技術(shù)參數(shù)與標準的定型。在總體試驗的結(jié)果上，再對隧道工程噴膜防水施工工藝進行歸納和總結(jié)。

2、試驗結(jié)果與分析

    2.1基面平整條件要求 

    (1)基面粗糙度

    噴射混凝土初支基面通常會有一些凸出的毛刺，這種毛刺對成膜的均勻性造成影響；圍巖基面由于爆破后造成表面粗糙不均時，若直接在圍巖基面上噴膜也會對防水膜的均勻性造成影響。在試驗?zāi)Ｐ椭写植诨�面處直接進行的噴膜效果如圖4所示，可見防水膜表面局部存在許多未封閉完全的孔隙，要么形成后期滲漏的隱患，要么則必須重復(fù)補噴造成費料，因此必須事先對粗糙基面進行處理。

    試驗結(jié)果表明，當基面毛刺凸出高度≥1cm時，就會影響噴膜效果，必須將毛刺刮平；當基面較為粗糙時(表面粗糙，小凹坑過多)，則必須用砂漿找平后方可進行噴膜。

    (2)基面凹凸度

    噴混凝土初支基面通常不會非常平整，這會造成防水板鋪設(shè)后的局部受拉。目前相關(guān)隧道設(shè)計規(guī)范中要求初襯的局部凹凸度指標需滿足D/B≤1/6(D為局部最大凹陷深度，B為凹陷面最大寬度)，否則就需要找平處理。但對于噴膜防水來說，該指標并不能正確地反映出基面對噴膜的影響程度，而需要根據(jù)噴膜防水的施工特點進行重新調(diào)整。比如當曰較大時(如B=20cm)，盡管此時可能D/B=1/5(D=4cm時)，雖然不滿足規(guī)范要求，但噴膜主液被高壓打散后的小液滴仍然可以順利地到達凹陷的底部，并能形成與基面密貼的均勻有效的防水膜層，在二襯澆注過程中防水層也不會受到拉力而破壞。

    試驗結(jié)果表明，影響噴膜效果的基面凹凸程度實際與其凹陷范圍有很大關(guān)系，最終確定D與基面局部單個連通的凹陷面積S為影響參數(shù)。當基面凹陷處深度D≥20mm，且凹陷處面積S<20mm×20mm時，此時噴膜主液打散后的液滴就已經(jīng)不能較理想地將凹坑均勻填充滿。在該情況下，必須預(yù)先對該類基面局部進行砂漿找平處理。

    (3)基面潔凈度

    噴膜基面通常并不潔凈，但通過試驗中在不同潔凈度的基面進行噴膜后發(fā)現(xiàn)，基面表面自然附著的粉塵、碎屑等并不會對整體成膜效果造成明顯的影響，也不會造成局部噴膜費料過多，因此要求噴膜基面上不存在明顯、大塊的松散物即可。

    2.2基面附屬物處理

    初支基面上可能會有一些附屬設(shè)施，如角鋼、膨脹螺栓、未覆蓋完全的格柵、未截干凈的錨桿頭等，其中對防水施工影響最大的因素是錨桿頭。常規(guī)防水板鋪設(shè)前要求對錨桿頭齊根部徹底截斷，并用砂漿將其表面抹平處理，以防止對防水板造成穿刺破壞。但噴膜防水對附屬物的適應(yīng)性強，可以將附屬物全面有效覆蓋，可以不對錨桿進行過多處理。

    試驗結(jié)果表明，錨桿根部的局部凹坑處會對噴膜造成影響，經(jīng)過對錨桿根部砂漿抹平處理之后就能形成較好噴膜覆蓋效果。

    2.3排水材料鋪設(shè)

    (1)局部排水材料

    試驗中進行了不同基面局部滲漏程度對噴膜效果的對比影響試驗，結(jié)果見表l。

表1基面滲漏及排水處理對噴膜效果的影響

    由試驗結(jié)果知，影響噴膜質(zhì)量的基面滲漏標準為是否出現(xiàn)流動的明水。對于基面干燥或局部表面濕潤但無明顯流水的情況，可以直接噴膜。如果基面局部出現(xiàn)明水，則必須鋪設(shè)無紡布或其他排水材料將滲水引流至隧道墻腳的排水管中方可進行噴膜。局部排水材料施作是否合格，也是以噴膜基面是否還有明水流動為標準進行檢驗。

    (2)系統(tǒng)排水材料

    試驗中觀察到當基面滲漏點明確，且在滲漏點的位置施作完善的排水材料處理后，已經(jīng)能進行正常的噴膜施工，不會影響防水膜的整體防水效果。但從安全度儲備的角度來考慮，為防止后期其他位置出現(xiàn)意外滲漏水造成噴膜防水層局部受到水壓，仍然需要重視系統(tǒng)排水材料的施作，以保證所有滲漏水能被有效地排走。

    系統(tǒng)排水材料包括間隔一定距離安裝的環(huán)向透水軟管或環(huán)向無紡布條、隧道全長范圍內(nèi)的縱向排水管等，以滿足防水膜層后分區(qū)排水的需要。

    2.4噴膜設(shè)備壓力

    由于在本試驗中采用高壓無氣噴膜設(shè)備，噴槍處的氣壓只起到開啟噴槍的作用，因此噴槍的空氣壓力值對噴膜效果不造成影響，預(yù)先設(shè)置為0．6 MPa固定不動即可，試驗中主要需要調(diào)整噴膜設(shè)備中主液輸送比例泵處的輸送壓力值。將試驗中的主液輸送比例泵壓力值及其對噴膜操作的影響總結(jié)如表2所示。

表2噴膜設(shè)備壓力值與噴膜效果

    由表2綜合噴膜主液的霧化效果、回彈程度等，可以確定通常在噴膜時將主液比例泵壓力控制在0.25MPa左右；當進行局部噴膜修補時，可以適當將主液比例泵的壓力調(diào)低到0.20MPa左右。

    2.5噴嘴運動參數(shù)

    噴嘴的運動參數(shù)主要包括噴射距離、噴射角度、運動軌跡等，先初步根據(jù)噴膜效果及經(jīng)驗，定出各參數(shù)的合理范圍，之后再進行參數(shù)組合搭配對比試驗。

    由于基面條件、回彈率、操作人員的經(jīng)驗等因素的影響，使得在實際噴膜時這些參數(shù)的取值也會根據(jù)噴膜效果不斷進行實時調(diào)整，因此該項試驗的主要目的是確定噴嘴運動參數(shù)的合理取值范圍，用以指導施工，噴手可在噴射時根據(jù)不同的基面條件、實際成膜效果適當實時調(diào)整以上噴膜參數(shù)。

圖5噴嘴平面運動軌跡示意圖

    (1)各參數(shù)范圍的初步確定

    ①噴嘴的平面運動軌跡：從減小回彈及控制膜厚均勻度出發(fā)，確定噴嘴的平面運動軌跡應(yīng)為螺旋形前進(如圖5所示)。將噴嘴的運動軌跡分解為圓周運動及水平運動，其控制參數(shù)主要是圓周半徑r及噴嘴走完單個圓周后運動至血Δx=2r處的時間s，試驗中初步選擇較合理的r取值為10一15cm，s取值為l—4s。

    ②噴嘴與基面的角度關(guān)系：一般情況下，當噴嘴與基面不垂直時，將會造成回彈率增加、防水膜表面質(zhì)量不均、厚度較難控制等問題，因此以噴嘴垂直基面為宜(θ=90°)。允許噴嘴與基面不垂直的情況發(fā)生在基面局部出現(xiàn)凹凸不平、表面有附屬物等位置，可以根據(jù)實際情況進行適當調(diào)整。

    ③噴嘴至基面的距離：噴膜距離D過大時，會造成霧化主液飛散面積過大，較難控制，對噴膜質(zhì)量造成影響；D過小時，又會使得主液與基面碰撞后回彈增加。經(jīng)試驗對比，確定在噴膜距離為40。60cm時噴膜效果較好。

    (2)各參數(shù)取值的比選試驗

    在確定了各參數(shù)的基本范圍后，在較平整的基面上進行了如表3所示的不同噴嘴運動參數(shù)下的噴膜效果對比試驗。試驗噴膜設(shè)備中主液比例泵處壓力相同，均為0.25MPa，噴槍處壓力值為0.6MPa。

    根據(jù)試驗結(jié)果，可以確定在基面較平整的條件下達到噴射約3.5mm厚的防水膜時，噴嘴的基本運動參數(shù)的大致取值范圍如表4所示。

表3噴嘴運動參數(shù)對比試驗

表4噴嘴運動參數(shù)的合理取值范圍

    2.6噴膜分區(qū)及噴射順序

    為方便在噴膜時減少噴手的移動距離，并合理安排噴射順序，噴膜時應(yīng)分段、分部、分塊進行。由于噴膜時的回彈物會附著在下部的壁面上并形成一定數(shù)量的小顆粒聚合物，影響后續(xù)噴膜與基面的黏結(jié)效果。因此噴膜時應(yīng)按照由下而上，先邊墻，后拱腳和拱腰，最后噴拱頂?shù)脑瓌t進行噴射，其中在同一水平高度上也應(yīng)將基面分塊進行噴膜，以提高工作效率。圖6反映出噴膜時分區(qū)、分塊及噴膜前進時的運動方向規(guī)律，其中W為單個分區(qū)的寬度，一般為l.5～2m左右，可根據(jù)噴手的個人身高、臂長來確定；h為單個分區(qū)的高度，一般可取1m左右，也可根據(jù)噴手個人情況來確定。

圖6噴膜分區(qū)、分塊示意圖

    2.7局部噴膜處理

    (1)新舊防水膜之間的搭接

    由于施工的間隔，存在新舊防水膜之間搭接的問題。搭接長度過長則費料，搭接長度過短則黏結(jié)效果不佳易產(chǎn)生剝離而影響防水效果。

    試驗表明新舊防水膜之間最佳的搭接長度在5～10cm之間，即能保證較好的黏結(jié)強度與防水效果。

    (2)無紡布排水材料上的噴膜

    在無紡布排水材料上的噴膜，必須按照從上往下、從中間往兩邊的步驟來進行，以保證隧道內(nèi)滲水沿無紡布自上而下流出，防止噴膜出現(xiàn)鼓包、破壞的現(xiàn)象。此時可適當調(diào)整噴膜運動順序，優(yōu)先處理無紡布后再噴涂其他位置。

    在無紡布上的噴膜應(yīng)特別注意對其邊緣處的處理，鋪設(shè)無紡布時應(yīng)將其邊緣盡量貼近壁面，以免后期噴膜時造成裂口。在噴射到無紡布邊緣時，噴手可將噴槍口側(cè)向?qū)�準無紡布邊緣處(噴嘴可偏移30°，噴射距離可相應(yīng)縮近10cm左右)，上下快速移動兩個來回，即可將無紡布邊緣縫隙封堵。

    (3)錨桿頭處的噴膜

    如前所述，在對錨桿頭進行噴膜覆蓋以前，需要將錨桿頭根部的凹坑填平處理。噴槍運動到錨桿頭處時對準錨桿根部，順時針旋轉(zhuǎn)2個來回，即可保證在錨桿根部形成有效封閉的防水膜。

    試驗結(jié)果表明對于出露長度小于2cm的錨桿頭，在封閉其根部時即已同時將錨桿頭也有效封閉；出露長度為2—10cm時，則需要將錨桿頭全部噴膜封閉，噴膜方法也是將噴嘴對準錨桿根部，在旋轉(zhuǎn)的同時逐漸提升，至其頂部時稍作停留即可；出露長度大于10cm時，封閉其根部以上10cm的長度即可。

    2.8成膜質(zhì)量檢查方法

    (1)膜厚

    滿足要求的防水膜膜厚應(yīng)不低于3.5 mm，在試驗中通過用肉眼觀察防水膜表面顏色及針刺測量這兩種方法來檢驗。

    其中前者為非破損檢測手段，一般由具有一定經(jīng)驗的施工人員采用，準確率與個人經(jīng)驗有關(guān)；后者為微損檢測手段，由于采用了輔助測量工具，準確率要高于前者，適用于質(zhì)量檢查人員使用。兩種方法的檢驗手段、標準如表5所示。

表5防水膜的膜厚檢驗方法及標準

    (2)表觀質(zhì)量

    成膜表觀質(zhì)量檢查主要通過噴膜過程中及后續(xù)的即時觀察來確定。成膜質(zhì)量較好的防水膜噴射時回彈量小、聚合時放熱量大、成膜后表面無針孔和氣泡；成膜質(zhì)量差的防水膜則與之相反。

    2.9防水膜修補方法

    對于施工中存在局部缺陷的防水膜，應(yīng)及時進行修補，修補方法與措施一般需滿足以下幾點要求:

    ①對低于標準厚度的膜，立即進行補噴，使之達到標準厚度，噴膜的表面要求無滲水或其他如油漬、干燥粉塵等，否則應(yīng)進行相應(yīng)沖洗處理；

    ②對防水膜表面出現(xiàn)蜂窩、針眼等情況，應(yīng)將該局部的防水膜切割，然后補噴修復(fù)，缺陷邊緣需噴滿；

    ③對接縫不良的情況，應(yīng)將搭接不良處的防水膜切割掉，然后重新噴膜，補噴前對基面應(yīng)進行清洗。

3、結(jié)語

    進行隧道工程噴膜防水施工工藝的試驗研究，不但確定了噴膜防水技術(shù)的施工工藝，也為該項技術(shù)中的重要組成部分——噴膜材料與噴膜設(shè)備的定型起到了重要的參考與借鑒作用，為該項技術(shù)的順利推廣打下了牢固的基礎(chǔ)。本文在隧道試驗?zāi)Ｐ椭休^系統(tǒng)全面地試驗了隧道工程噴膜防水施工工藝的各項操作，并總結(jié)出相關(guān)工序的技術(shù)參數(shù)或施作要求及方法。試驗結(jié)果表明，只有經(jīng)過系統(tǒng)和全面的準備，且在每一個施工工序中均按照要求進行仔細施工，才能最終形成質(zhì)量均勻、致密有效的防水膜，達到有效防水的目的。

    本試驗是在自建的隧道試驗?zāi)Ｐ推脚_中進行，由于修建條件的限制，對所模擬的部分隧道工況條件進行了簡化處理，因此在實際隧道工程中進行的噴膜施工過程中，仍然需要根據(jù)一些特殊的情況進行調(diào)整，以滿足使用要求和質(zhì)量標準。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)