公路隧道喷射防水体系排水层研究.docx

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公路隧道喷射防水体系排水层研究

交通编号：

单位编号：

分类号：

西部交通建设科技项目

合同号：

200531874020

密级：

公路隧道喷射防水层技术研究

研究报告简本

招商局重庆交通科研设计院有限公司

2009年5月

1绪论

1.1研究目的与意义

公路隧道的修建因施工开挖将导致围岩周围的水体向坑道内渗漏或涌出，为了防止这种隧道水害的发生，《公路隧道设计规范》中提出了明确的防水与排水规定，即隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，保证隧道结构物和营运设备的正常使用和行车安全。

隧道防水目前通常的做法是在初期支护与二次衬砌之间设置防水板+无纺布（如图1）。

图1防水板+无纺布防水方式

喷射防水层防水技术是近年来国内外隧道工程界关注的一项新型技术。

它的主要技术优势：

一是效率高，可一次性喷射完成，施工效率高于目前防水板“粘贴法”；二是所形成的防水膜为无缝整体膜，且采用全机械化作业，可以避免防水板人工施工中常产生的一些工艺缺陷。

1.2国内外研究概况

隧道防水层采用的方式有涂刷式、喷射式和粘贴式等三种，其中目前广泛使用的铺设防水板+无纺布为粘贴式。

喷射防水层作为一种新型的防水技术，在国内外的隧道、地下工程中已进行过试验和研究，并取得了一些的经验。

1.2.1单层喷射混凝土防水技术

1.2.2无机防水材料

1.2.3沥青基防水涂料

1.2.4高聚物改性沥青基类防水涂料

1.2.5丙烯酸金属盐喷射防水材料

1.2.6聚氨酯弹性体喷射防水材料

1.2.7聚脲弹性体喷射防水材料

1.2.8主要喷射防水材料的技术性能比较

1.3主要研究内容与实施方案

1.3.1主要研究内容

1）喷射防水层适应环境与条件分析

2）喷射防水结构体系研究

3）喷射防水体系材料配方研究

4）防水层喷射机具研究

5）喷射防水技术工艺研究

6）喷射防水层质量控制指标与检验方法的研究

1.3.2依托工程概况

本项目依托工程选择西部开发省际通道重庆至长沙公路洪安至上官桥段平阳隧道，为分离式双向四车道隧道，公路等级为高速公路，设计行车速度为80Km/h，隧道全长3358.3m，隧道围岩以灰岩、泥质灰岩、粉砂岩、页岩夹煤线为主，局部岩溶发育，且穿越平阳盖向斜轴部，地下水丰富。

试验工程范围为2号车行横洞，该横洞长26.102m，宽5.86m，围岩为Ⅳ级。

喷射防水层面积约446m2。

防水层喷射完成已13个月，衬砌表面至今未发现漏渗水，防水效果良好。

1.3.3技术路线与实施方案

1、总体技术路线与实施方案

2、适应环境与条件研究技术路线与实施方案

本项内容的研究主要通过调研与理论研究的方式进行。

3、防水结构体系研究技术路线与实施方案

主要通过室内试验进行研究。

初步拟定如图2的防水结构体系进行研究。

图2拟定防水体系结构示意图

4、配方研究技术路线与实施方案

1）排水材料配方研究实施方案

2）防水材料配方研究实施方案

5、喷射机具研究技术路线与实施方案

6、工艺研究技术路线与实施方案

7、质量控制指标与检验方法研究技术路线与实施方案

2公路隧道喷射防水层适应环境与结构体系研究

2.1公路隧道地下水渗流特征研究

1、按突水类型分类

1）渗（漏）水型

2）充水管道网络型

3）阻水断层型

4）水力劈裂型

5）底膨破坏型

2按渗漏量分类

根据预测计算的渗漏水量可将地下水渗漏水分为：

1）湿渍（潮湿）

2）点渗水（点滴状出水）

3）线渗水（淋雨状或涌流状出水）

4）面渗水

3按地质构造分类

1）断裂破碎带

2）贮水构造

3）饱水的砂层、卵砾石层

4）岩溶溶蚀带

按地质构造也有如下划分法：

1）层面裂隙

2）卸荷裂隙

3）岩溶管道

2.2喷射防水机理研究

2.2.1防水材料成膜机理

2.2.2喷射防水材料反应机理

1、聚氨酯防水材料

2、聚脲防水材料

2.3喷射防水结构体系与适应环境研究

1、喷射排水层+喷射防水层结构体系

2、无纺布+喷射防水层结构体系

3、单层喷射防水层结构体系

3公路隧道喷射防水体系排水层研究

3.1排水层功能要求

1、排水功能

2、凹凸面找平功能

3、弹性功能

3.2排水层材料与结构

3.2.1材料的选择

1、排水材料

选用矿棉纤维作为添加混入物，可保持良好的透水性。

2、弹性主材

为废旧橡胶胶粉，具备排水成型层所需的高弹性。

3、粘结材料

选用VAE乳液作为排水层的粘结材料。

3.2.2组成料配合比和排水结构体系确定

1、排水层料的配合试验研究

4公路隧道喷射防水体系防水层研究

4.1高固含量单组分聚氨酯防水层方案

4.1.1配方研究

4.1.1.1单组分聚氨酯反应原理

4.1.1.2配合组分主要原料选择

1、异氰酸酯

确定采用TDI-80为异氰酸酯组分的原料。

2、多元醇

确定采用聚醚为多元醇组分的原料。

3、填料和触变剂

采用气相白炭黑为触变剂，轻质碳酸钙为填料。

4、增塑剂

邻苯二甲酸二辛酯DOP。

5、催化剂

锡类催化剂。

6、阻聚剂

磷酸。

4.1.1.3配合试验与分析筛选

配合试验原材料：

聚醚N220，聚醚330N，甲苯二异氰酸酯（IDI-80），锡类催化剂、有机硅消泡剂、填料、其他助剂。

1、-NCO/-OH摩尔比与涂膜性能的关系

2、聚醚N220/330质量比对涂膜性能的影响

3、-NCO质量分数对涂膜性能的影响

4、防水料贮存稳定性和施工性分析

5、涂膜气泡产生原因分析与潜固剂的引入

6、单组分聚氨酯防水料配合设计计算

4.1.2合成制造工艺

1、合成温度、反应时间的确定

2、合成制造流程

3、合成工艺

4.1.3防水膜性能特性分析

4.1.4实用性能评价

1、材料自身性能

2、材料喷射工艺性能

4.2聚脲弹性体防水层方案

4.2.1喷射聚脲弹性体技术特性

1、聚脲概念

2、技术特性

1）基本化学反应与合成原理

2）SPUA的结构

4.2.2配方设计与合成制备工艺研究

1配方设计原理

聚脲弹性体的配方设计应该遵循以下三个基本原理：

1）等体积比混合原理

2）黏度相近原理

3）等当量反应原理

在SPUA配方中，A组分和R组分物质的量即异氰酸酯指数一般设定在1.05～1.10。

2基本原材料选择及对性能影响研究

①异氰酸酯

②聚醚

③扩链剂

3A、R组分配方设计

1、A组分的配合

1）合成反应方式的选取和配合原料组分的确定

2）预聚反应的配合设计计算与预聚组分配比

2、R组分的配合筛选

3、拟定配方与A、R组分配比设计

4A、R预聚组分合成制备工艺

①-NCO预聚A组分合成影响因素分析

1）合成温度对预聚反应的影响

2）反应时间对预聚的影响

3）反应时间和温度对预聚体黏度的影响

一般情况下，随反应时间的延长，体系的黏度逐渐增大。

4）水分对聚氨酯预聚体的影响

为确保预聚物的质量，必须严格控制原材料的含水量低于0.05%。

5与国外同类产品性能比较

4.2.3聚脲喷射关键装备与喷射工艺

1、聚脲喷射装备

确定H-20/35喷射系统最为适合公路隧道喷射聚脲。

2、SPUA喷射工艺

1）喷射前设备的准备

2）喷射前原料的准备

3）喷射

4）喷射设备的维护

4.2.4小结

1）采用喷射聚脲弹性体具有独特技术优势的观点。

2）合成制造了公路隧道用喷射聚脲弹性体防水层材料：

3）提出了满足公路隧道防水层喷射施工的关键装备及其喷射工艺。

4）喷射聚脲弹性体防水层研究的创新点：

①获得的SPUA材料配方采用高固配合，在隧道半封闭环境的喷射施工中，不存在有机挥发物的弥漫，避免了防水层材质可能造成的地下水污染，形成的喷射防水层对环境友好；

②采用半预聚方式合成的A组分与R组分配套获得了SPUA材料产品，并首次在国内公路隧道的防水中应用。

获得的SPUA产品的喷射喷层具有传统喷层明显的技术优势，喷射喷层具有瞬间快速固化的鲜明技术特性和优异的物理力学性能，解决了在新奥法施工隧道背水的垂直边墙面和拱顶面的整体喷射成膜的难题：

5公路隧道喷射防水技术工艺研究

5.1基面处理工艺研究

5.1.1聚脲弹性体直喷初支混凝土基面处理

5.1.2喷射排水层基面处理工艺

5.1.3无纺布排水层的基面处理工艺

5.2聚脲防水层喷射施工工艺

5.2.1喷射排水层混合料制备与施工

1、弹性橡胶粒的质量控制

2、粘结料的质量控制

3、排水纤维材料的质量控制

4、喷射排水层料的混合制备与喷射

5.2.2喷射聚脲弹性体防水层施工工艺

1、施工条件的确定

2、施工材料与施工装备配套工具

3、喷射施工

1）施工基面再检查：

确认各基面的处理达到施工要求

2）喷射施工装备参数的设定

3）喷射施工

4、喷射施工质量保证

5.3小结

1）提出了被喷基面的处理工艺，重点是SPUA直喷技术方案的基面处理工艺；

2）针对填充弹性型喷射排水层混合料的材料特征提出了其制备与喷射施工工艺；

3）提出了喷射聚脲弹性体防水层施工工艺；

4）创新点：

在国内率先提出SPUA在实体公路隧道应用的成套喷射施工工艺。

6喷射防水层质量检验标准与施工技术指南研究

6.1喷射防水材料检验标准与方法

1、喷射排水层

一）原材料

二）弹性排水层材料混合

2、喷射聚脲防水层

一）主要原材料

二）合成产品（半预聚A组分、R组分）

三）喷射聚脲弹性体防水材料（喷射膜）

6.2喷射防水层质量检验标准与方法

1、基面

2、防水层

3、防水层保护

4、实测项目与检验方法

6.3喷射防水层施工技术指南

6.3.1施工准备

1、材料准备

2、设备准备

3、人员准备

4、现场检查

6.3.2基层处理

1、初期支护内引排水处理

2、基面处理

3、预埋件处理

4、基面集中滴漏水处理

6.3.3喷射施工

1、施工工艺流程

2、施工条件确定

3、机具参数设定

4、喷射控制

6.3.4设备维护与废物处理

6.3.5常见问题与解决方案

1、喷层颇色不均匀和不固化

2、鼓泡

3、针孔

4、阴影效应

5、基面缺陷孔造成的空缺

6、过喷

7、分层

8、缩孔

6.3.5安全环保措施

1、生产过程中的安全防护

一）A料预聚物的合成

二）R料氨基聚醚的混合

三）环境保护

2、施工过程中的安全防护

3、急救措施

6.3.6质量记录与检验

施工过程中，应做好以下质量记录：

1、防水材料产品合格证等质量证明文件。

2、防水材料和喷射膜现场取样检验报告。

3、隐蔽工程检验资料及质量检查评定资料。

4、防水层完工后的现场检查记录。

5、施工过程中，重大技术问题的处理记录和工程变更记录。

7结论与建议

7.1结论

1、在公路隧道典型地下水渗流特征研究的基础上，分析了喷射防水材料成膜机理和防水机理。

2、提出了三种防排水结构体系及其各自的适应条件和范围，所提结构体系能满足公路隧道防排水要求。

3、通过排水材料、弹性材料和粘结材料的选择和配比优化，研制了兼具排水、找平、弹性补偿三大功能的喷射排水层材料。

4、合成制造了高固含量单组分聚氨酯防水层材料，并提出了喷射施工工艺。

5、提出了公路隧道喷射聚脲弹性体（SPUA）防水层技术，它由SPUA材料配方、合成制造、喷射装备和喷射施工工艺四部分核心技术组成。

6、提出了公路隧道喷射聚脲弹性体（SPUA）防水层施工工艺。

7、针对喷射防水层技术特征和公路隧道环境实际，提出了公路隧道喷射防水层质量检验指标与检验方法，编制了公路隧道喷射防水层施工技术指南。

8、喷射聚脲弹性体（SPUA）防水层技术当前在公路隧道应用的惟一制约点是经济性，国内公路隧道现阶段大规模采用喷射聚脲弹性体（SPUA）防水层技术尚存在一定的经济性问题，有待SPUA主体原材料的国产规模化来降低SPUA产品制造成本。

7.2主要创新点

1、首次提出了喷射排水层+喷射防水层的公路隧道防排水结构体系。

2、首次研制出喷射排水层材料。

3、首次提出了公路隧道聚脲喷射防水层成套技术。

4、首次提出了公路隧道喷射防水层质量检验标准与施工技术指南。

7.3今后需开展的研究

1、弹性排水层料的混合（橡胶胶粉+矿棉纤维+VAE乳液混合体系）和喷射施工。

2、本课题由于经费等原因，隧道SPUA喷射专用施工车的研究暂未开展，建议开展此项研究工作。