液化天然氣接收站LNG工藝隧道噴膜防水應用技術

蔣雅君， 楊其新， 劉東民， 盛草櫻， 趙菊梅

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學希望學院， 四川 成都 610400； 3. 西南交通大學生命科學與工程學院， 四川 成都 610031)

0 引言

液化天然氣是一種重要的綠色能源，在過去的幾十年里，國際液化天然氣貿易量繼續顯著增長，中國的液化天然氣行業近年來也在迅速發展，包括接收站在內的陸上液化天然氣項目已在規劃和實施[1-2]。為了便于儲存和運輸，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LNG接收站建設在海岸邊時，為連接LNG船的泊位和接收站的罐區，有時需要設計和建造LNG工藝隧道(也稱卸料管道專用隧道，如文獻[4]中所述的美國Cove接收站和日本扇島接收站)。

為了降低運營期間的安全和環境影響風險，通常需要對包括LNG工藝隧道在內的液化天然氣接收設施進行專門的防災設計[5]。對于LNG工藝隧道而言，如果隧道內的天然氣輸送管道出現泄漏，液化天然氣蒸發時會迅速吸收空氣中的熱量； 如果隧道襯砌結構有滲水，則會凍傷混凝土襯砌。因此，在運營期間LNG隧道內必須充滿氮氣，這樣即使出現管道泄漏，LNG也不會與氧氣混合發生爆炸。所以LNG工藝隧道的防水密封標準比常規隧道更為嚴格[4,6]。由文獻[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隧道)，均通過完善的防水設計和施工達到了令人滿意的防水質量。雖然迭福接收站的LNG工藝隧道采用了同樣嚴格的防水標準，但該隧道采用新奧法(NATM)設計和施工，其防水體系和措施不同于沉管隧道[7]和盾構隧道[8]。因此，先前2條隧道的防水設計經驗并不能為迭福接收站LNG工藝隧道提供直接指導。

目前包括中國在內的許多國家都采用基于新奧法理念的復合式隧道襯砌結構，其是通過在初期支護和二次襯砌之間鋪設1層防水板來實現防水目的[9]。然而，從實際情況來看，這種常規做法的防水效果往往有限，因此，迭福接收站LNG工藝隧道需要進行特殊的防水設計并選用性能良好的防水材料。在過去的20年里，噴膜防水技術開始在世界各地的隧道中得到大量運用，在越來越多的案例中已經被證明其是減少隧道滲水的一種經濟有效的方案(如文獻[10-14]所述的案例)。丙烯酸鹽噴膜防水材料自20世紀90年代開始由西南交通大學研發成功之后，已經在國內的鐵路隧道、公路隧道、地鐵等幾十個項目中成功應用，證明了其可有效改善隧道的防水質量[15-17]。基于此，在與其他可能的防水方案進行比較后，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的復合防水系統。本文介紹了該隧道的防水方案和現場施工情況，闡述和總結了丙烯酸鹽噴膜防水材料在迭福接收站LNG工藝隧道中的應用技術和效果，以期為后續同類工程提供借鑒和參考。

1 項目工程概況

LNG接收站是由眾多相關設備組成的一個有機整體，包括卸料臂、儲罐、低壓輸送泵、高壓輸送泵、汽化器、BOG壓縮機、火炬塔等。通過這些設備的相互協作，將海上運輸來的LNG通過一定的工藝流程存儲在LNG儲罐并外輸至用戶。LNG接收站通常包括LNG船泊位和罐區2個部分，這2個部分之間通過各類LNG輸送管道和設施進行連接。迭福液化天然氣接收站位于深圳市東部大鵬灣，已經于2017年投入運營。第1階段建設包括1個液化天然氣船泊位和4個儲罐。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27萬m3的液化天然氣運輸船，碼頭容量為每年400萬t。接收站主體(罐區)位于相鄰的陸地區域，限于地形，LNG輸送管道需要穿過LNG工藝隧道從泊位抵達罐區。

圖1 迭福接收站平面布局

隧道場地淺部主要為第四系坡洪積含礫粉質黏土層，總厚度0.80～5.90 m，土質類型單一。場地內分布的地層自上而下有： 人工填土層、第四系全新統坡洪積層、第四系殘積層及燕山期中粒花崗巖。受到相鄰區域斷裂構造的影響，隧道場地局部基巖裂隙發育。隧道場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、中風化層裂隙中，在微風化巖裂隙發育帶也有賦存。場地地下水主要受大氣降水補給，由北東向南西往大鵬灣排泄。勘察期間，測得地下水穩定水位埋深為1.20～18.30 m。

該隧道為山嶺隧道，東西走向，全長584 m，最大埋深約43 m。隧道進口位于大鵬灣海邊，地形為陡崖，出口距離罐區約100 m，靠近罐區西南側。隧道縱坡采用單面坡，從進口端向出口端下坡，坡度為0.298%，兩端高差為1.74 m。根據圍巖級別，隧道橫斷面設計共包含有Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ 5個等級圍巖的復合式襯砌類型，并在隧道進口端設3 m長明洞，出口端設5 m長明洞。隧道凈空尺寸寬度為11 m，高度為8.28 m。隧道內空間分為管道區和檢查通道，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計，隧道支護結構除明洞段外，均采用復合式襯砌結構。隧道支護結構形式如圖3所示。初期支護由噴射混凝土、鋼架、錨桿、鋼筋網等形成聯合支護，二次襯砌采用鋼筋混凝土結構，初期支護與二次襯砌之間設防排水設施，初期支護與二次襯砌共同形成支護體系，依據圍巖級別不同，該隧道中共有5種不同支護參數的襯砌結構(明洞段除外)。

圖3 隧道支護結構形式

2 隧道防水系統設計

2.1 隧道防排水構造形式

該隧道的防水等級按一級設計，防水設計遵循“以防為主，防排結合，多道設防，因地制宜，綜合治理”的原則，采取了多種措施進行綜合處理。考慮到LNG工藝隧道對防水的要求，最終采用全斷面防水設計，并在防水層后鋪設排水系統對地下水進行引排。防排水構造形式如圖4所示。

1)防水設計： 噴射混凝土支護封閉巖面裂隙，并對隧道Ⅳ～Ⅵ級圍巖進行徑向注漿，使隧道外圍形成一道防水屏障； 在初期支護與二次襯砌之間采用丙烯酸鹽噴膜防水層+EVA防水板的復合防水層；二次襯砌采用模筑C40防水混凝土實現結構的自身防水。

2)排水設計： 隧道初期支護施工完成后，沿初期支護設置φ50 mm的環向盲管，縱向間距為9 m(地下水豐富之處可增設盲管)； 在隧道墻腳處各設置φ100 mm的縱向盲管，隧道底部設φ250 mm的中心排水管； 滲入到隧道初期支護的地下水通過環向盲管匯入縱向盲管、中心排水管，最終通過中心排水管排入隧道外的防洪渠。

圖4 LNG工藝隧道防排水構造形式

2.2 防水方案的比較和選取

本項目的設計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，因為在施作防水層時存在諸多潛在的問題和困難，例如： 鋼板接縫的焊接質量控制問題、鋼筋混凝土襯砌的固定問題、鋼板與混凝土之間的間隙問題以及多層混凝土二次襯砌施工復雜等問題。

(a) 噴膜防水層+鋼板(模板工程)

(b) 噴膜防水層+鋼板(內襯套)

(c) 雙層噴膜防水層

(d) 噴膜防水層+鋼板(二次襯砌內)

Fig. 5 Initial waterproofing solutions for LNG unloading line tunnel

經過多次討論，最終采用了如圖4所示的“EVA防水板+丙烯酸鹽噴膜防水層”的復合防水方案。如果EVA防水板施作質量良好，隧道的防水效果是有保證的，但是考慮到防水板施工過程中較易被后續工序破壞、防水板接縫過多且檢查困難等問題，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防水板復合使用。為保證兩防水層之間的有效黏結，選用了復合了一層無紡布的EVA防水板并進行反鋪，丙烯酸鹽噴膜防水層噴射在EVA防水板表面的無紡布層上，以達到2個防水層之間的全面黏結效果。在EVA防水板的接縫部位(也是防水層容易失效的重點隱患部位)，丙烯酸鹽噴膜防水層需要進行加厚處理，以防止地下水從EVA防水板接縫脫開處進入隧道。針對LNG工藝隧道對防水的高標準要求，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 防排水材料規格與參數

所選方案中提到的主要防排水材料的規格如下： 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，且一側復合100 g/m2的無紡布； 4)丙烯酸鹽噴膜防水層正常區域厚度為4 mm，EVA防水板接縫處厚度為7 mm； 5)環向排水管直徑為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，抗滲等級為P8、P10、P12。

3 噴膜防水施工技術

3.1 噴膜防水前安裝的防排水設施

安裝工序與其他新奧法開挖的山嶺隧道相似，部分工序見圖6。1)初期支護收斂穩定后進行徑向注漿作業； 2)對初期支護基面進行清潔和平整； 3)在初期支護表面鋪設排水管和無紡布； 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密封。

(a) 初期支護灌漿

(b) 中心排水管鋪設

(c) 鋪設無紡布

(d) 鋪掛EVA防水板

3.2 噴膜防水的準備工作

包括人員、設備和材料在內的充足準備工作對于實施噴膜防水是非常重要的。噴膜防水的準備工作如圖7所示。1)將丙烯酸鹽溶液、引發劑和水從儲存位置轉移到工作區； 2)將噴膜裝置和空氣壓縮機移到工作區的適宜位置，檢查其工作狀況以確保其功能； 3)采取適當的環境保護措施，如覆蓋在防水施工區域附近已安裝的鋼筋； 4)將引發劑加入丙烯酸鹽溶液中，并均勻混合； 5)在開始噴膜防水作業之前，先進行噴膜嘗試，以檢查聚合反應速度是否正常。

(a) 設備、材料就位

(b) 混合攪拌引發劑

3.3 噴膜防水作業

隧道內一個區段的噴膜防水作業分為2個分區： 仰拱和側墻墻腳及側墻加拱頂。

仰拱和側墻墻腳的噴膜防水工序為： 1)清洗EVA防水板的基面以去除水和泥漿，進而保證丙烯酸鹽膜的黏結效果； 2)將丙烯酸鹽溶液噴射到EVA防水板表面的無紡布層，快速固化后形成復合防水層； 3)在仰拱處的噴膜防水層上施作一層厚度為50 mm的混凝土保護層，以避免后續工作破壞防水膜。仰拱和側墻墻腳的噴膜防水作業如圖8所示。

(a) 仰拱部位噴膜防水作業

(b) 側墻墻腳噴膜防水作業

由于工作平臺的長度為6 m(如圖9所示)，在縱向長度為12 m的隧道內的噴膜防水作業必須分為2段施工，即第1段完成后，工作平臺必須向前移動到第2個區段。側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側墻開始，噴手在工作平臺上自下而上逐層噴膜，直至拱頂； 2)從未噴膜的另一側側墻開始再次進行噴膜工作，直到膜與之前在同一區段內的拱頂噴膜相連接為止，即完成一次循環； 3)移動工作平臺，開始第2個區段的噴膜防水作業。側墻和拱頂的噴膜防水作業如圖10所示。

圖9 隧道內防水作業臺車

(a) 側墻部位噴膜防水作業

(b) 拱頂噴膜防水作業

3.4 噴膜質量的控制與驗收

每一個區段完成后應檢查以下項目： 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小于設計厚度； 3)防水膜上發現的任何缺陷，如針孔或膜的損壞，均須進行修補； 4)防水膜施作完畢后，如果3天內未能及時施作二次襯砌混凝土，則需進行噴水養護，防止出現脫水干裂。根據相關規范的要求，現場應采集完全固化的噴膜防水層樣品，并送到實驗室進行測試檢查，主要性能要求為： 1)拉伸強度≥ 1.1 MPa； 2)最大伸長率≥ 200%； 3)撕裂強度≥5 kN/m； 4)對于透水性(0.3 MPa/30 min)，透水率為0。

4 現場應用結果及討論

4.1 防水效果檢查

該隧道的噴膜防水作業于2014年2月開始，并于2014年12月完成，該LNG接收站已經于2017年投入運營。在2015年6月，隧道的二次襯砌已經施工完畢，管道安裝工作仍在進行中，隧道出入口的建設情況如圖11所示。在全面檢查了隧道的防水情況后，未在隧道內發現滲水現象。隧道防水效果如圖12所示。

(a) 靠海側入口

(b) 靠罐區側出口

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程中的焊接作業總是會對防水層帶來一定的破壞，這也被認為是削弱隧道防水系統防水性能的一個重要因素。丙烯酸鹽噴膜防水層的耐火等級為難燃(B1級)，能有效防止鋼筋焊接所造成的損傷。通過對該隧道二次襯砌鋼筋的焊接工作進行現場觀察(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行固定和焊接，然而防水膜上并沒有發現嚴重的損傷，只有膜的表面被覆蓋了1層深棕色焊灰。顯然，焊接溫度對噴膜防水層和下覆的EVA防水板幾乎沒有造成損傷。經實踐檢驗證明，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

(b) 焊接作業完成后防水層表面的情況

圖13鋼筋焊接作業及焊接作業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

噴膜防水的作業效率見表1。該隧道將全斷面劃分為2個區域進行防水施工，A區的仰拱部位對于噴膜防水是有利的，因為噴膜的回彈問題顯著降低，也降低了丙烯酸鹽溶液的用量，A區的噴膜覆蓋效率高于B區。除了側墻和拱頂處的回彈損失較大之外，還應考慮其他因素如由工作平臺高度引起的噴涂壓力差也會降低噴涂設備的工作速率。

表1 噴膜防水作業效率

5 結論與建議

迭福接收站LNG工藝隧道是同類隧道中首次通過新奧法并采用噴膜防水技術施工的隧道。根據應用結果可知，其防水效果達到了預期的高標準防水質量。

1)合理正確地設計防水系統是滿足高防水標準的關鍵所在。雖然丙烯酸鹽噴膜防水層在這一工程中發揮了重要作用，但是包括徑向灌漿、EVA防水板和排水設施在內的防水系統的其他部分也是該防水系統成功應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雙層防水材料的防水性能至關重要，尤其是其在施工環節中發揮了較為重要的作用，避免了鋼筋焊接對防水層造成的損傷，保證了防水層的防水質量。

3)施工人員的作業質量對最終的防水效果至關重要。噴膜防水層是防止隧道滲漏的最后屏障，為保證該防水系統的成功應用，需加強對施工人員的培訓，開展充分的施工準備和細致的噴膜作業，制定完善的質量控制和驗收措施。

該隧道的成功實施為以后類似高標準防水隧道的防水設計和施工提供了一些參考和借鑒，但也有一些問題需進一步研究和分析，例如： 復合防水層之間各層的黏結強度對防水效果的影響問題、噴涂防水類材料在施工現場的質量控制體系、后期出現滲漏后的預留維修措施、噴膜防水層的耐久性問題等。

致謝

本文的研究工作得到了中國海洋石油集團有限公司、中鐵工程設計咨詢集團有限公司、中鐵大橋局集團有限公司、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、劉基泰等人在現場技術資料、數據收集方面的協助，在此對相關單位和人員的支持和幫助表示由衷的感謝！