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(guò)去的幾十年里，國(guó)際液化天然氣貿(mào)易量繼續(xù)顯著增長(zhǎng)，中國(guó)的液化天然氣行業(yè)近年來(lái)也在迅速發(fā)展，包括接收站在內(nèi)的陸上液化天然氣項(xiàng)目已在規(guī)劃和實(shí)施[1-2]。為了便于儲(chǔ)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(shí)，為連接LNG船的泊位和接收站的罐區(qū)，有時(shí)需要設(shè)計(jì)和建造LNG工藝隧道(也稱卸料管道專(zhuān)用隧道，如文獻(xiàn)[4]中所述的美國(guó)Cove接收站和日本扇島接收站)。

為了降低運(yùn)營(yíng)期間的安全和環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)，通常需要對(duì)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(zhuān)門(mén)的防災(zāi)設(shè)計(jì)[5]。對(duì)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(shí)會(huì)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(huì)凍傷混凝土襯砌。因此，在運(yùn)營(yíng)期間LNG隧道內(nèi)必須充滿氮?dú)?，這樣即使出現(xiàn)管道泄漏，LNG也不會(huì)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(guò)完善的防水設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(guó)在內(nèi)的許多國(guó)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(guò)在初期支護(hù)和二次襯砌之間鋪設(shè)1層防水板來(lái)實(shí)現(xiàn)防水目的[9]。然而，從實(shí)際情況來(lái)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(jì)并選用性能良好的防水材料。在過(guò)去的20年里，噴膜防水技術(shù)開(kāi)始在世界各地的隧道中得到大量運(yùn)用，在越來(lái)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(kāi)始由西南交通大學(xué)研發(fā)成功之后，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的鐵路隧道、公路隧道、地鐵等幾十個(gè)項(xiàng)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(chǎng)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(lèi)工程提供借鑒和參考。

1 項(xiàng)目工程概況

LNG接收站是由眾多相關(guān)設(shè)備組成的一個(gè)有機(jī)整體，包括卸料臂、儲(chǔ)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(guò)這些設(shè)備的相互協(xié)作，將海上運(yùn)輸來(lái)的LNG通過(guò)一定的工藝流程存儲(chǔ)在LNG儲(chǔ)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(gè)部分，這2個(gè)部分之間通過(guò)各類(lèi)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(yíng)。第1階段建設(shè)包括1個(gè)液化天然氣船泊位和4個(gè)儲(chǔ)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(wàn)m3的液化天然氣運(yùn)輸船，碼頭容量為每年400萬(wàn)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(guò)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(chǎng)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(lèi)型單一。場(chǎng)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?；◢弾r。受到相鄰區(qū)域斷裂構(gòu)造的影響，隧道場(chǎng)地局部基巖裂隙發(fā)育。隧道場(chǎng)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(chǎng)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?？辈炱陂g，測(cè)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(zhǎng)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(jí)別，隧道橫斷面設(shè)計(jì)共包含有Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ 5個(gè)等級(jí)圍巖的復(fù)合式襯砌類(lèi)型，并在隧道進(jìn)口端設(shè)3 m長(zhǎng)明洞，出口端設(shè)5 m長(zhǎng)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(jì)，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(jí)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(jì)

2.1 隧道防排水構(gòu)造形式

該隧道的防水等級(jí)按一級(jí)設(shè)計(jì)，防水設(shè)計(jì)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?？紤]到LNG工藝隧道對(duì)防水的要求，最終采用全斷面防水設(shè)計(jì)，并在防水層后鋪設(shè)排水系統(tǒng)對(duì)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(jì)： 噴射混凝土支護(hù)封閉巖面裂隙，并對(duì)隧道Ⅳ～Ⅵ級(jí)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(jì)： 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(guò)環(huán)向盲管匯入縱向盲管、中心排水管，最終通過(guò)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)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(shí)存在諸多潛在的問(wèn)題和困難，例如： 鋼板接縫的焊接質(zhì)量控制問(wèn)題、鋼筋混凝土襯砌的固定問(wèn)題、鋼板與混凝土之間的間隙問(wèn)題以及多層混凝土二次襯砌施工復(fù)雜等問(wèn)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(guò)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(guò)程中較易被后續(xù)工序破壞、防水板接縫過(guò)多且檢查困難等問(wèn)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(wú)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(wú)紡布層上，以達(dá)到2個(gè)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(kāi)處進(jìn)入隧道。針對(duì)LNG工藝隧道對(duì)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(wú)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(wú)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(jí)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(kāi)挖的山嶺隧道相似，部分工序見(jiàn)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(duì)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(wú)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(wú)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(duì)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(chǔ)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(kāi)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(gè)區(qū)段的噴膜防水作業(yè)分為2個(gè)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(wú)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(tái)的長(zhǎng)度為6 m(如圖9所示)，在縱向長(zhǎng)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(tái)必須向前移動(dòng)到第2個(gè)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(kāi)始，噴手在工作平臺(tái)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(kāi)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(dòng)工作平臺(tái)，開(kāi)始第2個(gè)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(tái)車(chē)

(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(gè)區(qū)段完成后應(yīng)檢查以下項(xiàng)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(jì)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(shí)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(chǎng)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(cè)試檢查，主要性能要求為： 1)拉伸強(qiáng)度≥ 1.1 MPa； 2)最大伸長(zhǎng)率≥ 200%； 3)撕裂強(qiáng)度≥5 kN/m； 4)對(duì)于透水性(0.3 MPa/30 min)，透水率為0。

4 現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)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(yíng)。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(guò)程中的焊接作業(yè)總是會(huì)對(duì)防水層帶來(lái)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(gè)重要因素。丙烯酸鹽噴膜防水層的耐火等級(jí)為難燃(B1級(jí))，能有效防止鋼筋焊接所造成的損傷。通過(guò)對(duì)該隧道二次襯砌鋼筋的焊接工作進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(méi)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(duì)噴膜防水層和下覆的EVA防水板幾乎沒(méi)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(jiàn)表1。該隧道將全斷面劃分為2個(gè)區(qū)域進(jìn)行防水施工，A區(qū)的仰拱部位對(duì)于噴膜防水是有利的，因?yàn)閲娔さ幕貜梿?wèn)題顯著降低，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(tái)高度引起的噴涂壓力差也會(huì)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(lèi)隧道中首次通過(guò)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(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)施工人員的培訓(xùn)，開(kāi)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(lèi)似高標(biāo)準(zhǔn)防水隧道的防水設(shè)計(jì)和施工提供了一些參考和借鑒，但也有一些問(wèn)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(duì)防水效果的影響問(wèn)題、噴涂防水類(lèi)材料在施工現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題等。

致謝

本文的研究工作得到了中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司、中鐵工程設(shè)計(jì)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(chǎng)技術(shù)資料、數(shù)據(jù)收集方面的協(xié)助，在此對(duì)相關(guān)單位和人員的支持和幫助表示由衷的感謝！