喷涂聚脲防水涂料在地铁与隧道工程中的应用.docx

喷涂聚脲防水涂料在地铁与隧道工程中的应用朱祖熹（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200070）摘要：结合喷涂聚脲防水涂料在国内外隧道与地铁工程中的应用，分析了喷涂聚脲防水涂料的防水机理以及施工上的优势， 阐述了其应用前景和存在问题。 关键词：喷涂聚脲防水涂料；地铁与隧道；矿山法；侧墙结构 文章编号：1007-497X（2010）-21-0043-06 中图分类号：TU761.1+1; TU56+1.65文献标识码：B凝土直接接触外界腐蚀性介质的机会相对较小，混凝土耐久性也较强，从长远来看其安全性较高，京、津、穗等市的地铁都采用了此结构。1.2地铁地下车站叠合墙结构与防水 叠合结构是外墙围护结构与主体结构内衬墙体通过钢筋连接器（又称接驳器）连接，同时新旧混凝土 间凿毛咬合所形成的整体受力结构。由于永久受力 构件外侧混凝土直接接触各种外界介质，因此在设计 围护结构时需考虑其保护层的厚度及混凝土的密实 性。因外墙围护结构通常是地下连续墙等排桩结构， 桩间接头的整体性与防水性需采取加强措施。根据受力形式，叠合结构内衬墙的厚度为 400600 mm，可见其减薄量。衬墙与围护结构间的有效连 接：结合面的剪应力应超过 0.7 MPa，在围护结 构与 内衬墙的混凝土板处设置足够的接驳器以保证叠合 面之间可以传递拉、压、剪力，同时在顶、中、底板的连 接点处可以传递弯矩。叠合后两者变形协调一致，可视为整体墙。图 1 为叠合式侧墙结构防水构造，图示 水泥基渗透结晶防水材料仅在地下墙墙缝及地下墙 钢筋连接器处应用。叠合结构的优点：1）两墙合一，受力合理，省工省 料，增加建筑面积；2）底板不施工防水层，对饱和含水 软弱地层而言，减少了基坑暴露时间长所引起的位移 风险；3）侧墙虽无防水层，但大尺寸的地下墙可视为 刚性挡水体。叠合结构的缺点：1）混凝土耐久性相对Application of spray polyurea waterproofingsubways and tunnels/Zhu ZuxicoatinginAbstract: This article analyses waterproofing mechanism andconstruction advantage of spray polyurea waterproofing coating, based on its application in subways and tunnels at home and abroad. It expatiates its prospects and existing problems.Key words: spray polyurea waterproofing coating; subways andtunnels; mining construction; side wall1 地铁结构构造形式与防水1.1地铁地下车站复合墙结构与防水 明挖暗埋车站复合结构也称重合结构，区别于矿山法喷锚支护、隔层防水层及内衬模筑混凝土构成的 暗挖复合结构。复合结构施工阶段围护结构单独承 受侧向水土压力，使用阶段的土压力由围护结构和主 体结构共同承受，水压力由主体结构承受。采用复合 结构时，主体结构往往需要通过再设底板桩或顶板压 顶桩解决抗浮问题。复合结构增设了附加防水层，且隧道主体结构混43201021 中国建筑防水住宅防水涂聚脲防水涂料在隧道工程上的应用更有意义：1）快速固化，可在任意曲面喷涂成型而不产生流挂，5 s 凝 胶，10 min 即可达到步行强度，能满足都市中心区地 铁工程顶板早覆土、早恢复路面的要求。2）对水分、 湿度不敏感，施工时受环境温湿度的影响较小，符合 顶板防水层及时施工的要求。3）100%固含量，不含挥 发性有机物 VOC，属环境友好型材料，符合城市隧道 与地铁地下施工的要求，因无阳光直射的情况，不必 苛求材料的原料为脂肪族异氰酸脂，可节约成本。4） 物理性能优异，如拉伸强度高、伸长率好，既可省略一 般涂料必须的保护层（只要按照 GB 502022002建 筑地基基础工程施工质量验收规范土方回填规定填 土即可），又可节省时间，降低造价。5）涂层致密连续、 无接缝，抗渗透性强，背水面防水，适合旧隧道维修。如前所述，SPUA 与传统的防水材料相比，在不 少情况下，更适合在隧道工程中应用。笔者认为，根据喷涂施工的特点，SPUA 作为放坡开挖的隧道或分离式侧墙的现浇混凝土箱形结构（如大型箱涵涵管）、 预制混凝土管节（如沉管法隧道的管段）的顶板侧墙， 以及沉井井壁外防外喷涂层，尤其适合。当然，目前 也有将喷涂聚脲防水涂料喷涂在围护结构上，或者喷 涂在挂于围护结构的土工布上，取内喷外防的防水方 式。也就是说，SPUA 适合于复合墙结构工程防水。SPUA 还可以用来进行旧隧道的维修。此外，用 作混凝土的内防水、防腐蚀涂层处理已弱化的老混凝 土内面的实例也不少。据日本的 隧道工学论文集 中刊文介绍，东京、名古屋、大阪都市中心建造了 20 年以上约 600 km 的通讯电缆隧道，其裂缝渗漏水治 理有直接采用喷涂聚脲涂料止水，替代钻孔埋管注 浆、嵌填密封等工法的。值得一提的是，喷涂型速凝聚氨酯弹性涂料也有 接近聚脲的良好性能，造价又较低，在日本等国广泛 取代了手涂聚氨酯，在我国也会有良好的应用前景。2.2工程实例2.2.1国外于复合墙全包防水较弱，尤其在腐蚀性地层中；2）因内外墙间约束大，内衬侧墙温度裂缝多，漏水概率高。1.3地铁地下车站分离墙结构与防水 围护墙作为施工阶段的临时支护，短期承受水土压力，而主体侧墙则长期承受水土压力。两墙分离， 中间留有 0.8 m 以上的间隙，用来进行全包外防水层 作业，完工后用砂土填实。由于占用空间大，在地铁 车站中使用较少。1.4地铁地下车站单墙结构与防水 地铁车站的地下连续墙既作为围护结构墙，又作为主体结构墙，则属于单墙，也是功能意义上的两墙 合一。其优点是省工省料、节省建筑体积；缺点是耐 久性远逊于叠合结构，易造成顶板、底板与侧墙的使 用年限不协调，尤其是在膨润土面而非高分子类护壁 泥浆的槽段中浇筑混凝土时，其结构耐久性会较差（按英联邦土木工程规定不允许作为永久结构），目前 已较少使用。2喷涂聚脲弹性涂料（SPUA）的应用 喷涂聚脲防水涂料的优点已被广泛认识，并获得了一系列工程实践的验证，在地铁与隧道工程中的应 用也能发挥自身的优势。2.1喷涂聚脲防水涂料用于地铁隧道工程的优势 喷涂聚脲弹性体涂料克服了许多传统防水材料的缺点，就某种程度而言，其材料性能和施工技术都 是目前国际上最先进的。与传统的防水材料相比，喷44CBW 201021地铁与隧道防水1）波士顿地铁隧道为双孔钢筋混凝土沉管隧道。由于混凝土采用钢模整体浇筑工艺，所以表面存在大 量的孔洞等缺陷。除需打磨表面的毛刺及突起物外， 还需要用丙烯酸酯聚合物砂浆作基底嵌填、填平处 理，然后在钢板和混凝土底材上分别使用不同的配套 环氧类底漆，底漆干燥后喷涂厚度为 2.5 mm 的 PCS-355 灰色芳香族聚脲防水层，最后再施工一道 75 mm 厚的水泥砂浆保护层。沉管管节的底板为传统的钢 板，其与喷涂聚脲涂料间的过渡很平顺，也简便。2） 美国北卡罗莱纳州的高速公路隧道是聚脲涂 料用于旧隧道修复工程的又一成功实例。该隧道侧 墙为修筑在岩石上的混凝土，由于存在渗漏问题，基 础结构逐渐老化，易造成电气线路短路，长时间的腐 蚀甚至会导致岩石滑塌。经研究，该工程选用了聚脲 防水涂料作为修复工程的材料。施工后的聚脲涂料 弹性好，混凝土接缝处不易渗漏。在喷涂 1.25 mm 厚浅黄色聚脲的表面再滚涂 0.4 mm 厚脂肪族聚脲，形成光滑的表面，美观而便于清洁和保养。3） 澳大利亚布里斯班 CLEM7 道路隧道是最新 报道采用喷涂聚脲涂料的隧道工程之一，是 2012 年 完成的通往新机场线（路程 6.7 km）中的一大 部分。 盾构法施工 12.4 m 的道路隧道长 4.8 km，为双向 双车道隧道，于 2008 年 12 月建成。两隧道间有 45 个 连接通道，通道采用常用的矿山法施工。原先 24 个 通道拟用 21 000 m2 HDPE 塑料防水板作为初衬与内 衬间的夹层防水层，施工方式为焊接，因此存在焊缝 可靠性等问题。后改用喷涂聚脲涂料施工工艺，体现 了聚脲防水涂料与基面结合好、施工快的优点。喷涂 聚脲防水涂料前，需先喷防水砂浆初步找平。通道与 隧道的接口为相贯线，构造颇复杂，采用喷涂聚脲涂 料克服了收口密封难的问题。图 2 为澳大利亚布里 斯班 CLEM7 隧道的剖面示意图。4） 日本东京地铁涉谷车站墙体防水采用喷涂聚 脲涂料，施工时间为 20082009 年。涉谷站既是东 京最早的地铁银座线的一个站，又是最新的地铁 13号线、JR 城际线等多线换乘站，工程条件复杂。该车站围护为锚钉墙结构，内侧铺以木板，板上 挂置土工布，连续喷射喷涂聚氨酯涂料 2 mm，而后浇 筑主体内衬混凝土，构成有外包防水层的复合式结构 侧墙。值得注意的是：浇筑主体内衬混凝土前，土工 布为基材的喷涂聚脲涂料内表面，需涂刷 0.28 kg/m2 特殊树脂界面剂，从而使它能与主体内衬混凝土“咬 合”成一体（剥离强度大于 0.6 N/mm），其工艺颇似国 内的预铺（反贴自粘）防水卷材。侧墙的防水层两端， 分别置于顶板上、底板下，按设计要求与同类的聚脲 涂料或其他防水层连接（图 3）。国外以铺板替代找平初期支护围护结构，目的是节省人工、提高预铺的基层平整度。另外，木板搁在 垫层上，而围护结构插入地层中，有利于固定土工布45201021 中国建筑防水住宅防水的钉具随主体结构沉浮。若钉具固定在围护结构墙上，则必有钉具撕破喷有涂层的土工布、涂层与主体 侧墙混凝土剥离之危害。图 45 为东京地铁涉谷车 站喷涂聚脲施工现场。聚脲防水涂料很适合，施工上也有优势。图 7 为上海地铁 8 号线四平路站顶板施工现场。目前，日本 SQS 工法协会在中国的唯一会员单位上海大聚建筑工程有限公司，已在无锡太湖隧 道工程上进行了该方面的试验与施工。2.2.2国内1）2005 年，广州地铁 3 号线区间的矿山法隧道 的通道使用了 SPUA-102 聚脲防水材料，施工底材为 一道 WEP-100 配套底漆。使用配套底漆可以提高附 着力，并有效减少针孔的产生。聚脲防水涂料的喷涂 厚度为 1.5 mm。通道的防水层与矿山法隧道的夹层 防水层塑料板在交汇处相复合，喷涂层与防水板可平 顺过渡。2）上海地铁 8 号线四平路站、临平路站的车站顶 板，上海地铁 10 号线同济大学站、陕西南路站的车站 顶板，以及已经介绍过的上海地铁 10 号线南京东路 站顶板，都用了喷涂聚脲涂料。由于上海地铁车站侧 墙构造几乎全是两墙合一的叠合结构，原则上两墙间不能有柔性防水层，这也是仅顶板设有防水层的原由。图 6 为上海地铁 10 号线陕西南路站施工现场。同济大学站顶板以上的四平路路面车辆流量高， 急待翻浇顶板恢复，即需要路宽半侧的顶板先浇，然 后填土、筑路，再浇另一半，因此采用喷涂聚脲涂料较 为合适。四平路站顶板上原先有污水管道，因此要求 以车站顶板为底板做污水箱涵，即顶板部位会直接疏 排城市小区的污水，对防水、防腐蚀都有要求，故喷涂3） 上海外滩交通枢纽隧道工程顶板防水在这两年也曾施工过共计 2 万 m2 的喷涂聚脲防水涂料。4） 天津滨海新区中央大道跨海河隧道工程沉管 法施工的共同沟隧道全长 226.5 m，其预制混凝土管 节是非常适合采用喷涂聚脲防水涂料的结构体。已 设计预制管节顶板与侧墙喷涂聚脲 涂料防水 层 1.5 万 m2；底板原设计为带键的塑料防水板，现改为传统 的钢板，用涂料与侧墙连接。5） 建于 2000 年的香港地铁将军澳支线 10 km 明挖暗埋区间隧道，采用了 1.5 mm 厚的喷涂聚脲防 水涂料作为箱型结构隧道的外防水层。3应用前景与亟待解决的问题3.1应用前景 对上述澳大利亚的隧道工程进行评析：1） 采用喷涂聚脲防水涂料能充分利用聚脲涂料 强度与延伸率高、涂层无缝连接、施工速度快等特点，尤其在承压水地层（粉砂）中，通道施工的风险大，使用喷涂聚脲涂料能缩短风险段时间。2）目前，城市地铁隧道的连接通道多采用矿山法46CBW 201021地铁与隧道防水施工（图 8），该法通常以冻结法为辅助开挖方式，为避免融沉（即冻土融化后，结构沉降），需预埋充填注 浆管补充注浆，后续施工的塑料防水板被注浆管穿 过，易造成渗漏。图 9 是用法兰片处理穿过塑料板的 抗融沉注浆管，但效果欠佳。而采用喷涂聚脲防水涂 料则能克服密封上的缺陷。直接喷涂在初衬上，或以土工布作为基材或加强层进行喷涂，该工法下的防水层兼有卷材与涂料的双重优 点。作为复合衬砌的防水层，无模筑混凝土及钢筋绑 扎造成损害之虞，而且无缝连接，能使固定用的钉眼 封闭无痕迹。由此可见，不单外喷外防的分离墙结构、放坡结 构外墙，即使是内喷外防方式的复合结构墙都能适用 喷涂聚脲防水涂料，而后一种形式在地铁车站与明挖 暗埋隧道中是最普遍的结构构造形式。当然，喷涂聚脲防水涂料与预铺反粘高分子自粘 胶膜卷材的适用范围、适用条件尚可进行深入比较。 作为柔性防水层，过去一直对内喷内防的防水方 式存在质疑，但美国北卡罗莱纳州高速公路隧道、日 本京名阪都市中心圈通讯隧道工程的维修实例，表明 了裂缝渗漏治理也可直接用速凝喷涂聚脲从背水面加以解决。当然，实施的条件还值得仔细探讨。值得一提的是，已经报批的地下工程渗漏治理 技术规程中，也明确规定了内喷聚脲防水涂料可作 为治理用防水层的方式之一，这也是该材料应用前景 广阔的一个佐证。3.2尚待澄清与克服的问题 尽管有“前景良好”的展望，但具体技术上还不能过于乐观，笔者认为喷涂聚脲防水涂料还存在着一些 不够明晰的问题。3.2.1保护层 美国波士顿地铁的沉管隧道聚脲涂层厚度为 2.5mm，考虑沉管管节会受周围抛石、填砂的影响，还要 做 75 mm 砂浆保护层。因此，不能因为涂层强度高而 想当然地不做保护层，只有耐磨、耐冲撞等技术指标 检测后，才能确认是否施作保护层。3.2.2 厚度JGJT 2002010 喷涂聚脲防水工程技术规程 中规定，喷涂聚脲防水涂料的厚度不应小于 1.5 mm。 不同工程、不同环境条件下，聚脲涂层的厚度应结合 涂料的性能指标，进一步明确。3） 隧道与连接通道的接缝是圆柱体与圆拱体相接的相贯线，外形复杂，用喷涂聚脲层替代塑料板铺 设能提高密封性。同时，连接通道的下部往往设有箱 形泵房，有多个阴阳角，防水板的铺设、焊接、裁剪易 有失误，而喷涂聚脲涂料则可消除这方面的弊病。由此可见，若解决了这三方面长期困扰施工的难 点，聚脲的应用意义显而易见，何况，喷涂工艺还有防 水层密封封头容易等优势。而在日本东京地铁涉谷站工程中，聚脲防水涂料47201021 中国建筑防水住宅防水32.3作业时间喷涂聚脲防水涂料的优点是 5 s 凝胶、1 min 即 可步行，施工速度快，但要求隧道工程的围护结构要达到“表面坚固、密实、平整、干燥”的要求，所以聚脲作业时间短的优点会消减。3.2.4矿山法隧道澳大利亚布 里斯班 CLEM7 隧 道 连 接 通 道 采 用 了喷涂聚脲防水涂料方式，效果良好。但要注意与原先土工织物与防水板的组合不同，喷涂聚脲防水涂料 摒弃了同时排水的做法，支护层上无土工布缓冲层，支护层的平整度、密实度要求提高，且不能有渗漏现象。在矿山法隧道初次衬砌上喷涂聚脲防水涂料，需 厘清这些注意点。4结语 喷涂聚脲防水涂料克服了许多传统防水材料的缺点，其材料性能和施工技术都是较为先进的。目前， 喷涂聚脲防水涂料已在众多国内外地铁与隧道工程 中得以成功应用，表明其在地铁与隧道工程中的应用是合适的。参考文献黄微波.喷涂聚脲弹性体技术M.北京：化学工业出版社，2005.T.A.