改革开放背景下我国交通运输行业发展迅猛,新技术、新设备为隧道工程建设奠定良好的施工基础。近年来,我国在高水压、黄土、熔岩和瓦斯等复杂条件下建成一批重大隧道工程,不仅积累复杂地质条件下隧道工程建设经验,也提升我国隧道工程建设水平[1-3]。由于隧道工程建设难度大、施工安全性要求高,在不同的地质条件下需要采用不同的施工技术和施工材料满足隧道建设要求[4-6]。塑料材料具有良好的耐化学腐蚀性、优异的力学性能、生产成本低、能够满足形态多样化的加工需求等优势,在隧道工程中具有广泛应用。本研究以塑料材料在隧道工程的应用为研究对象,概述隧道工程基本概况,并论述不同的施工条件下隧道工程建设对塑料材料的要求。总结国内外塑料材料在隧道工程应用的研究成果,分别从聚乙烯材料、聚氨酯材料以及聚砜、聚氯乙烯等方面,论述塑料材料在隧道防水工程、防火、应急救援、防冻害等应用现状,总结目前塑料材料在隧道工程应用的优势与不足,为我国隧道工程建设提供理论参考。1隧道工程及其对塑料材料要求隧道工程是指在地下、山体、河湖、海洋等地质结构中开掘一个可以满足特定功能需求的空间。隧道工程包括围岩和支撑结构,使隧道内部结构处于长期稳定状态,避免由于开掘行为改变地质结构原本的稳定性,引起地层结构改变[7]。河湖、海底及地下水等地质条件下进行隧道工程施工,需要使用排水板加固地基。隧道岩体裂缝中的水未被及时排出,可能导致隧道衬砌背后积水,从而破坏隧道衬砌结构,造成安全事故。因此,隧道施工中常用内塑料盲管、塑料排水板及时将裂隙水排出以减少隧道积水。针对隧道排水,塑料需要具有良好的耐久性、耐化学性、抗压性、疏水性、表面低阻性[8-9]。而隧道深度较深、处于严寒地区则面临高压、冻害问题,在这种条件下的塑料材料应该具备较强的耐压强度、低吸水性和导热性[10]。在地质条件中存在瓦斯、溶洞时隧道工程用塑料材料,应当具备阻燃性、耐化学腐蚀性、抗渗透性和较高的气密性[11]。2聚乙烯材料在隧道工程中的应用聚乙烯塑料属于热塑性塑料,具有化学稳定性好、吸水性小、耐低温性和电绝缘性能较好等特点,目前在隧道工程的应用主要集中于瓦斯隔离板、防火涂料、应急救援通道、防水板等方面[12-14]。隧道工程中塑料瓦斯隔离板需要具备良好的气密性、阻燃性、对极性及非极性气体阻隔性和力学性能。聚乙烯塑料运用于瓦斯隔离板具有一定的优势,但也存在不足。黄婷[15]对隧道工程中聚乙烯瓦斯隔离板性能进行研究,并对制备过程进行优化。采用超细化氢氧化镁(MH)/聚乙烯环保阻燃母粒提升聚乙烯材料阻燃性能,添加尼龙6(PA6)增加对极性材料的阻隔性能。结果表明:熔融法改性的聚乙烯材料的阻燃性能达到B1级要求,气体的阻隔性能小于1×10-14 cm3·cm/(cm·s·Pa),拉伸强度大于16 MPa,断裂伸长率大于550%,符合隧道工程中瓦斯隔离板性能要求。万炳宏[16]对聚乙烯塑料在高寒铁路隧道富水卵石土层明挖衬砌拱墙防水卷材的应用进行研究。该施工条件昼夜温差在10~20 ℃之间,且极端最低气温为-25 ℃,持续周期长,采用宽度为3 m的聚乙烯卷材为防水材料。结果表明:聚乙烯防水卷材在使用中未出现滑移、翘边、起鼓和损伤等问题,满足工程防水需要。由于地铁施工通常存在地下水,需要利用塑料材料作为防水层进行阻隔,提升工程的防水性。郝小平等[17]对聚乙烯在北京地铁隧道防水层中的应用进行研究。结果表明:厚度为0.24 mm的聚乙烯防水材料在水压为1 MPa条件下未出现渗漏,且聚乙烯的拉伸强度为17.6~18.1 MPa,断裂伸长率在490%~495%,抗低温性低至-60 ℃。张显宇[18]对高密度聚乙烯防水卷材在地铁隧道的应用进行研究,卷材厚度为70 mm。结果表明:高密度聚乙烯防水卷材能够与混凝土形成密实、永久的结合,且实测结果显示隧道顶部未出现滴漏,其他部位无明显漏水。我国公路隧道工程技术较成熟,但由于实际施工过程中地质条件相对复杂,易发生坍塌事件,对施工安全造成威胁[19-20]。因此,深入研究隧道工程应急救援技术十分必要。应急救援通道是隧道应急救援技术中最常见的技术之一,相比钢管材料,塑料材料具有质量轻、拼接容易、耐磨性能强等优势[21]。杨玉宝等[22]对聚乙烯材料在公路隧道的应急救援通道中的应用进行概述,规格为Ф636 mm×24 mm的超高分子量聚乙烯管的屈服强度为3.7 GPa左右,弹性模量约为700 MPa,而材料的密度仅有950 kg/m3,远低于钢管密度。聚乙烯的凹陷变形值仅有0.038 m,满足新型应急救援通道性能要求。高国红等[23]对超高分子量聚乙烯在公路隧道工程的应急救援通道的应用进行研究,并基于Thornton假设设计超高分子量聚乙烯应急通道的尺寸,测试力学性能。结果表明:超高分子量聚乙烯断裂强度为45 MPa,断裂延伸率为380%,冲击强度140 kJ/m2。隧道的防水性能直接影响隧道的使用寿命和安全性,由于聚乙烯材料具有良好的耐化学性和防水性,常被用作隧道工程的防水管、防水板等方面[24-25]。杜昕[26]以地铁隧道的防水技术为研究对象,采用聚乙烯及丙纶无纺布复合材料制成高分子增强复合防水卷材,并增加一定量抗老化剂增强材料的抗老化性能。结果表明:该复合型聚乙烯材料能够满足地铁隧道的无毒、无味、无污染等要求,具有良好的抗老化性、抗氧化性和耐腐蚀性能,还具有抗拉、抗穿刺、不易折断等力学性能,将其运用于地铁隧道和电力隧道进行防水实验,得到良好的防水效果。黄国富等[27]以铁路隧道排水工程为研究对象,对排水盲管材料及性能进行研究,并采用聚乙烯制成管径为100 mm的打孔波纹管,测试孔尺寸参数调整、变形能力和渗水能力。结果表明:孔洞为长方形,尺寸为3 mm×10 mm的聚乙烯波纹管最大排水量为3.7×10-2 m3/s,敷设角度为20°时变形系数为0.109。3聚氨酯材料在隧道工程中的应用高纬度地区公路及铁路隧道容易出现渗漏水和冻害问题,目前在隧道中通常采用聚氨酯材料实现隧道防冻。聚氨酯保温板能够减缓隧道温度降低,避免出现负温现象而损害隧道结构。此外,聚氨酯也能够运用于隧道的堵水、减震施工方面[28-30]。汤贵海等[31]以高寒地区隧道的聚氨酯保温板为研究对象,探究聚氨酯材料的性能及其对隧道的保温作用。以厚度为5 cm的聚氨酯保温板为例,模拟高度为10 m,流态混凝土的压力为0~0.2 MPa的隧道,并探究聚氨酯保温板的吸水性能、力学性能和微观结构变化。结果表明:聚氨酯保温板的吸水率为12.41%,自然吸水压缩率在60%左右,且冻融后聚氨酯保温板内部结构破坏速率略有增加。聚氨酯保温板具有较好的吸水性,但短周期冻融降低聚氨酯保温板的耐用性。陈建勋等[32]以寒冷地区隧道的冻害防治为研究对象,采用聚氨酯塑料进行防水保温,将聚氨酯塑料加工为尺寸为1 000 mm×460 mm×40 mm聚氨酯塑料板,并采用966氯丁防冻胶为黏结剂,测定聚氨酯塑料板的密度、压缩性能、吸水率和导热系数。结果表明:聚氨酯塑料的密度为38.4 kg/m3,抗压强度大于0.3 MPa,吸水率为2%,导热系数为0.024 4 W/(m·K),符合国标规定,且经过2个月的现场测验中聚氨酯塑料板保温层可以使隧道温度保持2 ℃以上,不会发生冻结。杨明宇[33]研究聚氨酯保温管在隧道防冻中的应用现状,实地测试聚氨酯保温管在两个冻融期的防冻性能。测试地址为辽宁省某地下隧道,冬季最低气温为-33 ℃,年降水量800~900 mm,隧道的冻深为1.3 m。结果表明:聚氨酯保温管的最大耐压强度可达4.1 MPa,吸水率小于10%。经过两个冻融期,隧道没有出现衬砌背后积水问题,排水管和排水沟也没有冻结现象,排水通畅,避免隧道由于积水、冻结而损坏隧道结构。隧道施工过程中,对地质条件预判不准确或者出现雨季、岩体地下水渗漏等问题,会导致隧道施工涌水,影响施工进度,需要进行堵水施工[34]。贲磊等[35]对水溶性聚氨酯塑料在隧道堵水施工的应用进行研究,并探究水溶性聚氨酯塑料的优点、施工工艺。结果表明:水溶性聚氨酯黏度低,注入隧道中发生交联反应,释放大量的气体,在渗透压下将水溶性聚氨酯反应物填入裂隙中,实现堵水作用。采用水溶性聚氨酯的优势是化学反应迅速、无毒无害,且交联反应的生成物具有良好的延展性和耐低温性。郑健敏等[36]测定隧道防水用聚氨酯塑料的加工结构、力学性能。结果表明:采用直径14.5 m的聚氨酯弹性密封条能够提升隧道沟槽的防水性,且聚氨酯塑料的静水压可以达到0.7 MPa。该研究为我国隧道工程聚氨酯防水材料选择和加工结构提供设计参考。4其他塑料材料在隧道工程中的应用除了聚乙烯塑料和聚氨酯塑料在隧道工程具有较广泛的应用,聚砜、聚氯乙烯、纤维增强塑料等也能够提升隧道工程的防水性能、防冻性能[37-38]。吕康成等[39]对隧道防水层中的塑料组件材料及铺设方式进行研究,并采用聚砜特种工程塑料为原材料,这种塑料具有良好的力学性能、化学稳定性和防水性能,将其加工成水密型塑料组件,并测定其防水性能和聚砜塑料的耐用性能。结果表明:该塑料组件的温度范围在-100~250 ℃,长期使用温度达到160 ℃,具有良好的耐用性。当水位为10 m,静水压为0.1 MPa,该组件1个月渗透量为0,能够满足隧道防水要求。江为志[40]对隧道路面塑料排水管进行研究,采用直径为160 mm的打孔聚氯乙烯圆管为隧道底部排水管道,并进行隧道排水性能和最佳的排水管参数测试。结果表明:采用聚氯乙烯塑料的排水管具有良好的防水性能,两个雨季后隧道排水的整体效果较好,最佳排水管的打孔直径为1 cm,孔间距为10 cm,孔形为梅花形。郑杰[41]对聚醚型聚氨酯塑料在隧道防水施工的应用进行研究,以实际轨道隧道为例。该隧道平均地下水位距离地表约0.5 m,为满足隧道二级防水标准,隧道的湿渍面积应小于总内表面积的4/1 000,湿渍面积小于0.15 m2。结果表明:聚醚型聚氨酯的硬度在54°,拉伸强度大于4 MPa,体积膨胀率在360%以上,将聚醚型聚氨酯塑料密封垫分别用于隧道的雨季和冬季施工,湿渍面积分别为0.07 m2和0.04 m2,符合隧道防水要求。关铃英[42]对聚氯乙烯塑料在高速公路隧道工程的应用现状和经济效益进行研究,以我国南平京台高速路段的南平市延顺、邵光、南平联络线高速公路隧道工程为例。结果表明:采用聚氯乙烯塑料栅格管代替镀锌钢管能够节省材料的加工成本和隧道管道的铺设成本,并提升隧道施工速度。后期隧道管道运营维护费用方面,聚氯乙烯塑料比镀锌钢管施工整改费用低20%~45%。聚氯乙烯塑料栅格管运用于隧道工程可以提升工程质量、降低运营费用和工程投资,未来应用前景广阔。5结论塑料材料由于具有较好的性能优势,在隧道工程建设中发挥重要作用。目前在隧道工程中应用较广泛的塑料材料主要是聚乙烯、聚氨酯、聚砜、聚氯乙烯等,这些塑料材料具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性能、防水性、防冻性、较低的吸水率和可加工性能等优势,在隧道的气体隔绝、防火板、应急救援及隧道防水、防冻等方面发挥重要作用。目前关于塑料材料在隧道工程中应用研究主要是基于塑料材料的加工工艺、性能测试以及实地性能验证等方面,但对于塑料材料的种类研究、材料改性以及特殊隧道环境下的特种塑料材料开发方面需要进一步研究。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.024.F001
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