1 引 言
在隧道工程中，渗漏水问题长期影响结构安全并增加维护难度。传统复合式衬砌采用 PVC/HDPE
防水板预制铺设进行防水，因接缝多、破损后渗漏路径隐蔽而修复难度大。针对此问题，自粘防水卷材通过与二次衬砌粘结改善防水性能，其发展路径从砂面 SBS 改性沥青卷材（粘结力弱易脱落），到聚酯胎基预铺卷材（材料强度增强但存在沥青老化问题），最终发展为高分子自粘胶膜防水卷材。高分子自粘胶膜防水卷材以 EVA 片材为基底，采用非沥青压敏胶，具有更强粘结力和耐老化性能。然而，此类卷材仍存在与初期支护无法密贴、易被锚杆和钢筋损伤的缺陷。相比之下，喷膜防水技术通过新型喷膜防水材料紧密粘附衬砌表面消除空腔，阻断地下水流动路径，形成无缝整体防水层，并可与初期支护协同变形。该技术无需支撑结构，能减少衬砌厚度，适应复杂基面且施工效率高，可显著降低渗漏概率，已在多个隧道工程中得到应用，如图 1 所示。
图 1 喷膜防水材料应用示意
20 世纪 60 年代，喷膜防水技术开始应用于隧道工程，初期采用瑞士 SIKA 公司生产的玻璃纤维增强聚酯树脂喷层；20 世纪 80 年代后，各国加速研发，丙烯酸盐、聚氨酯、聚脲等材料相继出现。日本开发出配套喷膜技术并应用于工程；德国 BASF 广泛采用喷膜技术进行隧道防水与加固；瑞士 UGC 公司推出了 Masterseal 系列材料；英国开发了聚甲基丙烯酸甲酯喷涂材料；中国提出了丙烯酸盐喷膜及阳离子乳化沥青技术，并积极推广聚氨酯/聚脲、喷涂橡胶沥青等新材料。
目前，喷膜防水技术虽已规模化应用，新型材料及配套设备机械化发展迅速，相关规范如英国 BTS
规范、ITAtech 喷涂式防水膜设计指南以及中国《丙烯酸盐喷膜防水应用技术规程》（CECS 342—2013）等逐步完善，但仍存在关键问题：防水衬砌结构耐久性未经充分验证，设计理论与方法不完善，数值分析缺乏系统性，施工质量检验标准尚未统一。鉴于此，本文通过综述喷膜防水技术在钻爆法隧道施工中的研究进展，分析其性能特性及影响因素，探讨隧道防水工程中衬砌结构设计原则，提出施工优化建议，指出技术难点并展望发展方向，为推进喷膜防水技术研究与工程应用提供参考。
2 喷膜防水材料
2.1 喷膜防水材料种类
喷膜防水材料又称液体防水膜，具备优异的防水性能和施工便捷性，近年来的应用量显著增长。
其材料类型涵盖水性乙烯基醋酸乙烯酯（EVA）、聚合物改性丁苯橡胶（SBR）、甲基丙烯酸甲酯活性树脂（MMA）、聚氨酯（PU）、聚脲（PUA）以及丙烯酸盐等，不同材料在固化速率、耐化学腐蚀性、吸水性等性能上存在明显差异，常见材料基础性能参数见表 1。部分材料施工前需在基面涂底漆或表面处理剂以增强粘附性。按固化机制可分为非反应型和反应型材料，非反应型材料以单组分为主，通过溶剂挥发使固体颗粒紧密连接成膜；反应型材料包括两类，一类通过聚合物与空气中的湿气反应固化，另一类为双组分材料，经组分间化学交联反应形成致密膜层。
目前，聚氨酯、聚脲材料及丙烯酸盐类材料有相应规范及标准支持，其他材料性能参数多依赖供应商数据，同类产品间性能差异显著，亟需制定统一标准以适配不同应用场景 。 EVA 基材料（如 Mas⁃
terSeal 345、Mapelastic TU、TamSeal 800）因成本低、
适用性强，在国外隧道工程中应用广泛，其评估方法与施工要点已有研究支持。SBR 类材料以乳化沥青为主，但施工易堵塞喷枪且成本较高，逐渐被其他材料替代。MMA树脂基材料（如 IntegriTank HF）
主要用于铁路及轻轨的混凝土与钢结构防护，性能适中但研究案例有限。丙烯酸盐材料在中国隧道工程中应用成熟，规范明确了双组分喷射施工工艺及设计要求。聚脲材料兼具新建隧道防水与既有隧道修复功能，具有耐磨、固化快的特性，可耐恶劣环境，国内已出台国家标准指导应用。聚氨酯类分为单、双组分材料，单组分材料适应潮湿低温环境且粘结性强，双组分材料需大型设备施工但防水效果更优。由此可见，喷膜防水材料种类多样且应用广泛，不同材料性能各异，可适配多种场景。
表 1 不同种类喷膜防水材料
2.2 喷膜防水材料性能特点
各类防水膜材料的性能决定了其在不同条件下的力学行为以及失效机制，见表 2。
2.2.1 失效机制
防水膜失效主要分为力学失效和化学失效两类。力学失效指材料尚未达到预期强度标准便失去了承载能力；化学失效则是因接触地下水或施工中特定的化学物质，特别是与膜材料成分相似的化学物质，导致膜的性能下降。
2.2.2 防水性与吸水性
因喷射混凝土裂缝与施工缺陷等问题，传统隧道衬砌易发生渗水病害，因此要求防水膜必须具备抵抗渗水压力的能力。现有研究多基于不同参数的短期小规模试验，且供应商提供的防水性能数据通常不完整，参考价值有限。出于现场施工安全和一
般经验考量，工程上通常将长期水压限制在 0.5 MPa以下，除非有可靠试验数据支持更高值。其中，Lu⁃
kas针对 EVA 材料进行测试，发现其在 0.18 MPa压力下出现轻微渗漏，在 0.2 MPa时出现局部分层，但即使加压至 1 MPa 材料也未破裂。SBR 类喷涂材料通过乳液包裹沥青分子并快速交联成膜，展现出优异的防水特性。MMA 材料能在 0.5 MPa 压力下保持
24h 不透水。聚氨酯喷膜凭借其双组分特性，可渗透基面填补裂缝，形成密封防水层。聚脲喷膜在
0.4 MPa 压力下能维持120min不透水，防水性能较为突出。蒋雅君等的研究表明，丙烯酸盐喷膜虽有较好的抗渗能力，但必须施作于迎水面才能确保其防水效果。
在隧道工程实践中，虽然防水膜完全饱和现象并不常见，但衬砌后方持续渗流会导致材料吸水软化，不同防水膜材料的吸水特性呈现显著差异，必须综合评估材料饱和度对其力学性能的影响。EVA
防水膜暴露水中数小时即可趋近饱和，Choi 等采用 X 射线 CT 扫描发现，在 0.5 MPa水压条件下经过
28d，水分优先通过微孔迁移使 EVA 防水膜的微孔基本饱和而大孔未饱和。Holter通过现场取芯分析显示，实际 EVA 膜饱和度约为30%~35%，且随服役时间递减。SBR 橡胶沥青涂层依靠分子交联形成
的致密网络抑制水分渗透，吸水率处于极低水平。
疏水性 MMA 材料固化后形成高度闭孔的膜层结构，
吸水率较低。聚氨酯类材料因其反应固化特性，展现出优异的耐水性。针对聚脲喷膜，王晓涛等测试得出其基础吸水率为 6%，添加蓖麻油等外加剂可使其吸水率降低至 1% 以下。李哲等通过试验表明，丙烯酸盐材料浸泡 15d后趋近饱和，60d吸水率高达 43.5%。
由此可见，喷膜防水材料防水性与吸水性存在显著差异：EVA 现场实测饱和度较高，微孔基本饱和但大孔未饱和，抗渗性能相对较弱；SBR 和 MMA
依靠致密交联结构或疏水特性维持低吸水率；聚脲经外加剂改性后吸水率可显著降低；丙烯酸盐因亲水性吸水率相对较高，易引发性能劣化。由于通过室内试验得到的数据难以反映实际水压情况，故工程选型需针对性适配：高水压环境下可选 SBR/聚脲等低吸水率材料；采用 EVA/丙烯酸盐材料时应重点评估地层地下水状态，依据防水和吸水阈值建立耐久性控制指标，精确选配相应材料及其组合。
表 2 各类喷膜防水材料性能指标
2.2.3 耐久性
隧道复合衬砌间的防水层作为永久结构的关键组件，其耐久性标准至关重要。常炳阳等以丙烯酸盐防水材料为例，发现承受不同压力下防水膜在不同时期渗流量存在差异，通过室内试验给出了压缩、剪切以及拉伸应变耐久性指标。Yang 等证实了丙烯酸盐喷膜防水材料对长期盐环境和酸环境具备优异的抵抗能力。李哲等通过酸碱浸润和冻融循环试验，发现丙烯酸盐喷膜防水材料拉伸性能显著降低，且酸性介质影响较大，同时发现其在低温条件下仍能保持一定的拉伸性能。SBR 类喷膜防水材料具备优异的耐久性能，经酸、碱、热、紫外线处理后强度下降幅度不大，并能提供长达 50a的抗老化保护 。 Johnson 等通过高温拉伸试验发现 ，在
110℃以下时，IntegriTank HF 聚脲材料断裂伸长率不受温度影响，且在 60℃酸碱介质中浸泡 6 个月后其物理性质无变化，说明了其良好的耐高温与耐化学降解能力。MMA 是一种对温度敏感性较大的热塑性材料，在高温环境下强度下降幅度较大，但其具有良好的抗腐蚀能力和耐酸碱能力，在桥面铺装领域得到较多应用。聚氨酯类防水材料虽具有优秀的耐腐蚀性能和耐高低温性能，但其耐候性较差，不能长期暴露于紫外线环境。双组分聚脲（纯）喷膜防水材料在喷涂过程中无需催化剂，经过 35000h 的老化测试后性能无变化，在自然环境下暴露 13a仍保留 85% 的性能。从上述学者研究中可以得到，喷膜防水材料的耐久性受材料特性与环境荷载的耦合影响显著，其现场应用需规避材料短板（如丙烯酸盐材料避免用于碱性渗水区），并结合环境荷载（冻融、酸碱、紫外线）选择适配材料。
2.2.4 粘结性
衬砌与防水层间长期粘结性能直接影响结构稳定性，ITAtech指南规定现场粘结强度不得低于0.5MPa。
EVA、SBR、MMA 及丙烯酸盐等材料的粘结强度普遍在 1.0~1.4 MPa，聚脲材料粘结强度更高。但现场监测发现，EVA 实际粘结强度在 0.28~0.91 MPa间波动，显示其显著依赖基面调节层处理。
蔡淑娟等发现 SBR 材料在潮湿基面的粘结强度稳定，但粗糙基面会导致其强度下降。对于MMA
材料，当空气湿度超过 60% 时粘结强度骤降，需在喷砂和平整处理的基础上保证基面干燥。许铮等通过试验发现聚氨酯类喷膜防水材料只有在全浸水状态下粘结强度明显降低，说明基面潮湿程度对其粘结性能的影响不大。另外，基面粗糙度对聚氨酯类防水材料有一定影响，在平整、干燥的基面其粘结强度较大。聚脲类喷膜防水材料与混凝土粘结强度能达到 2.5 MPa，但是对基面要求较高，需要坚实、完整、清洁、干燥，才能达到其高粘结力。聚脲与底材的附着是复杂的物理和化学反应，由于喷涂聚脲反应速度快、浸润时间短，必须选择合适的底漆作为催化剂，选用合适的底漆粘结强度能高达 4.86 MPa。
特定喷涂压力能够促进丙烯酸盐材料雾化并渗透到混凝土表层，防水膜中的钙镁离子能与混凝土中的羟基结合构成稳固可靠的化学键，从而形成稳定粘结。基于此，杨娟等提出喷涂时需要保持基面平整、洁净且需要切除突出物，同时发现一定程度的粗糙度对防水膜粘结强度起促进作用，因此施工时可抹平处理或喷一层水泥砂浆。
除了防水膜与基面粘结强度需要达到要求以外，影响喷膜防水衬砌性能的另一个重要因素是二次衬砌与防水膜的粘结强度。其中衬砌基面湿度、
防水膜的蠕变、衬砌的相对刚度、地面状态和排水条件等因素均会影响粘结强度，初期支护和二次衬砌的施作时间差以及膜材料的耐久性也是需要考虑的因素。现场试验发现，EVA 基防水膜材料与二次衬砌的粘结性能较好。对丙烯酸盐防水膜而言，粘结强度与厚度及基面干湿状态有关，随膜层厚度的减少、基面含水率的增加，粘结强度也增加。吴珍等研究了喷涂速凝橡胶沥青防水涂料与后浇混凝土之间的粘结强度，发现膜最佳厚度为1.5~2.0mm，
潮湿环境可增强其粘结性，但基面污染严重影响防水膜与后浇二次衬砌混凝土的粘结强度。从上述试验结果可见：聚脲/MMA 需干燥精细处理，丙烯酸盐/
SBR可适度兼容湿润基面；二次衬砌施工中需防范界面污染，基面清洁度、湿度、粗糙度是影响材料粘结性能重要的工程因素。
2.2.5 力学性能
喷膜防水材料的力学性能是评价其在隧道防水工程中长期稳定性和实际应用效果的重要指标。在复合式衬砌中，喷膜防水材料需要能够承受各种应力状态并适应环境变化。杨华等研究发现，丙烯酸乳液、EVA 乳液、水泥品种及粉料配比显著影响防水涂料的力学特性。SBR 类喷膜防水材料具有优异的弹性和抗裂性，其断裂拉伸率能达到1000%，非常适用于穿刺、受荷变形大以及膨胀后易开裂等原因导致出现渗漏的部位，其力学性能主要与 SBR 含量有关，随着 SBR 含量增加，其粘结强度和拉伸强度缓慢增加，但断裂拉伸率降低幅度较大。MMA类材料因优异的粘结强度和满足规范要求的力学性能而被广泛用于桥面铺装工程。聚氨酯材料的力学性能受喷涂次数影响显著，固化时内部 CO₂气体难以排除形成气泡，从而影响其力学性能。聚脲材料具有优异力学性能，拉伸强度超 10MPa，断裂伸长率可至 300%，撕裂强度可达 40N/mm，能够适应建筑变形。
材料吸水性对力学性能影响显著。EVA 防水膜在蒸馏水或盐水中浸泡后，拉伸强度下降约50%；
MMA 材料在空气湿度超 60%时拉拔强度显著降低；
聚氨酯材料在高湿度环境下因表面吸湿导致力学性能下降；聚脲材料在高湿度下性能小幅下降，在低湿度和中湿度环境中表现稳定。
综上所述，不同种类的喷膜防水材料防水和吸水性能均能达到标准要求，并且可以用于隧道工程的防水层施作。EVA、丙烯酸盐喷膜防水材料中有亲水基团，在水环境下吸水率较高，对其力学性能影响较大，而 SBR、MMA、PU、PUA 防水材料具有明显的疏水性，受水的影响较小。关于 EVA 喷膜防水材料的耐久性研究存在不足；丙烯酸盐喷膜防水材料在酸碱-冻融环境下其力学性能会有些许降低，仍能体现出耐低温性和耐盐性 ；而 SBR、MMA、PU、PUA 防水材料具有优异的耐酸碱腐蚀性能，除了MMA 防水材料受高温影响较大，其他 3 种材料同时具有良好的耐高低温性。各类喷膜防水材料与混凝土基面的粘结强度均能达到现场施工要求，但 SBR、
MMA、PU、PUA 防水材料对混凝土基面的要求较高，
需要基面平整、光滑、无污染物，对于 PUA 材料还需选择合适底漆提高其粘结力，而 EVA、丙烯酸盐防水材料对基面的要求不会特别严格，在一定粗糙度范围内，其粘结强度有升高的趋势，但为了避免材料浪费，需对基面进行平整处理或者喷涂水泥砂浆。
基面潮湿情况对喷膜防水材料的粘结性有很大影响，SBR、MMA、PU 防水材料在低湿度基面粘结强度变化不大，但其他防水材料粘结强度下降较为明显。
另外施作二次衬砌前，防水膜的养护对于粘结强度也有影响，应尽量保证防水膜养护条件达到标准，且无污染。各类喷膜防水材料均有较好的力学性能，
材料配比对其力学性能影响较大，其中 EVA、丙烯
酸盐防水材料因吸水率较高，在高湿度条件下力学性能有明显降低。
未来可以构建标准化动态水压测试平台，量化材料在循环荷载下的渗漏阈值，建立工艺参数-环境条件-性能衰减的关联模型，通过智能监控实现防水层全寿命性能预警，推动防水设计从“单一材
料选型”向“材料-工艺-监测一体化”的转型升级。
其次可以建立冻融循环-化学侵蚀-剪切多因素耦合模型，量化各类喷膜防水材料在浸水冻融下的服役寿命，明确盐碱性环境下的失效临界值，解决长期粘结难题，推动防水层从被动抗渗向智能自适应转型。
3 喷膜防水衬砌
3.1 喷膜防水衬砌结构形式
国际隧道协会（ITA）将钻爆法隧道衬砌划分为单层衬砌（Single Shell Linings，SSL）、复合式衬砌
（Composite Shell Linings，CSL）和双层衬砌（Double
Shell Linings，DSL）三大体系，如图 2 所示。其中，防水层采用喷膜防水材料，与初期支护和二次衬砌紧密贴合且具有粘结强度 ，即喷膜防水衬砌 ，称为
CSL 结构，如图 3 所示；对于防水层不能与初期支护和二次衬砌真正紧密贴合的复合式衬砌，称为 DSL
结构；喷射混凝土单层衬砌（SSL）目前已在国内外应用广泛，由单层或多层混凝土在不同时间喷射而成，没有防水卷材。也有人称 CSL 结构为防水型单层衬砌。
图 2 SSL、DSL、CSL 结构示意
图 3 CSL 具体结构示意
隧道衬砌结构体系的技术演进围绕荷载传递机制与防水层的结构功能展开。SSL 依赖先后施作混凝土的相互作用，可视为“组合梁”来分析其力学性能，但该结构本身防水缺陷限制了其广泛应用。传统观念上，人们认为 DSL 是初期支护承受临时荷载，
而二次衬砌层承受永久荷载（包括长期地面荷载和静水压力），随着现场监测技术的提高，人们发现初期支护应该为围岩应力的主承载结构，二次衬砌为安全储备结构，在初期支护和二次衬砌之间设置防水板降低衬砌收缩开裂以及充分排水，通常认为该结构初期支护和二次衬砌之间不传递剪力。尽管已经有人将喷膜防水材料用于防水板（例如高分子自粘结胶膜防水卷材），使防水层与二次衬砌层有粘结作用，但其结构形式仍属于 DSL，可视为“叠合梁”来分析其力学行为，这种结构不可避免会造成资源浪费。CSL 采用双面粘结防水层，在满足防水需求的同时，将初期支护、防水层和二次衬砌粘结成整体受力的复合结构，实现施工期围岩压力和长期水土压力的全截面协同传递。这种协同受力显著提升了结构整体承载力和延性，并可在一定程度上减少二次衬砌厚度。然而，CSL 界面的应力分布、荷载分配机制和失效模式不再符合传统组合梁或叠合梁理论，亟需发展基于复合壳体荷载传递机理的新设计理论。
3.2 喷膜防水衬砌失效机制
喷膜防水衬砌将初期支护、防水膜和二次衬砌粘结成整体结构共同受力，当受到外水压力作用时，
结构存在初期支护-防水膜界面破坏、防水膜自身内部破坏或防水膜-二次衬砌界面破坏 3 种潜在失效模式，如图 4 所示。具体失效情况取决于水压作用位置，水压全部作用于初期支护时，表明防水膜未破坏（工况 1）；作用于防水膜时，表明初期支护-膜界面已失效（工况 2）；作用于二次衬砌时，意味着防水膜已被穿透（材料破坏）且膜-二次衬砌界面失效
（工况 3）。因此，必须深入研究防水膜抵抗外水压的能力及其具体失效机制，以确保工程安全。试验数据表明，仅有初期支护防水层时的抗水压剥离强度为 0.95MPa，而喷膜防水复合衬砌结构抗水压剥离强度提升至 1.4MPa，验证了该结构优异的防水性能及工程应用可行性。
图 4 不同位置水压力作用
3.3 喷膜防水衬砌力学行为研究
探究喷膜防水衬砌复合作用原理，首选需要明确喷膜防水层与衬砌之间的界面力学行为，不仅有助于理解界面破坏机制，还能为 CSL 结构耐久性提供理论依据。研究表明，喷膜防水衬砌（CSL）防水膜与喷射混凝土层间界面存在显著的应力传递现象，证实该衬砌结构存在部分复合作用，这种复合作用程度可通过界面法向刚度和切向刚度进行量化；Su 等对夹有 EVA 防水膜的复合混凝土大板切割下的样本进行了室内试验，发现界面在短期和长期荷载下均能有效抵抗压、拉、剪作用，给出了较为全面的法向和切向刚度取值。CSL 结构所受的总弯矩（M）和轴力（N）增量由初期支护与二次衬砌共同分担，分担比例受两者相对刚度、隧道变形及防水层界面的粘结强度与剪切强度关键控制（图 5
（a））。正是这种应力传递与荷载分担效应决定了界面复合作用程度。不同复合程度的衬砌结构在弯矩
M 作用下的弯曲应力也不同，如图 5（b）所示。由于喷膜防水层界面有一定的粘结强度和剪切强度，因此其弯曲应力分布体现出高复合作用，具体数值量
化应根据现场监测而定。CSL在M和N作用下初期支护和二次衬砌产生的局部弯矩和局部轴力如图5（c）所
示。CSL 结构界面力学行为可以通过滑移率和应力传递方程量化粘结-滑移动态耦合效应，从而揭示荷载分配规律，通过提出复合度系数，结合具体现场监测数据如应变值等界定复合作用等级。例如 Su
等采用复合度系数DCA（Degree of Composite Action）
来量化 CSL 梁的复合力学行为，认为其变化范围在
30%~80% 之间。
明确 CSL 复合机理后，研究需聚焦界面性能量化与复合程度评价。Kang 等进行了含防水膜的管片加载试验，试验结果证明了复合作用的存在，含防水膜的管片相比不含防水膜管片多承受 34% 的荷载，且防水膜的应力软化行为可有效防止衬砌脆性破坏。蒋雅君等和 Pillai 等采用摩尔-库伦模型来表征界面剪切力学特性，建立了界面剪切破坏准则。Su 等提出采用应力-应变需求曲线评估膜状态演化，包括短期到长期、“干”膜向“湿”膜的演化过程。
目前，喷膜防水衬砌力学行为的研究围绕界面力学行为量化与复合度评价体系展开，核心内容包括：（1）通过试验建立法向/切向刚度本构模型，量化界面粘结-滑移作用及荷载分担效应；（2）结合梁与足尺试验，利用复合度系数评价复合程度。基于室内试验数据、本构模型与模型试验，形成从界面强度测定到复合结构承载力预测的技术体系，为隧道衬砌轻量化设计提供理论依据。
图 5 CSL 结构复合作用机理
3.4 研究方法
3.4.1 喷膜防水衬砌数值模拟研究
喷膜防水衬砌通过界面拉应力、压应力和剪应力的协同传递，为复合结构协同承载机制的形成奠定了基础。设计喷膜防水衬砌结构（CSL）时，需综合考虑围岩-结构相互作用及分阶段施工特性，常采用数值模拟方法进行力学响应分析。为确保数值模拟的可靠性，需先通过室内试验获取关键的材料和界面参数，采用“试验标定-数值建模-参数迭代”
的研究路径，对比数值模拟与物理试验结果，并通过结果反馈优化模型参数。Su 等对夹有 EVA 防水膜的复合混凝土板样本进行试验，提供了重要的法向和切向刚度参数取值。Pillai 等利用含喷涂防水膜的不同倾角试样进行压芯试验，获得了表征界面剪切行为的关键参数。同时两位学者团队通过复合梁弯曲试验验证了界面参数的准确性，并直接证实了复合作用的存在，为 CSL 的设计提供了依据。
基于室内试验获取的界面力学参数及复合梁试验验证的协同承载效应，进行喷膜防水衬砌数值模拟，重点考察界面刚度、衬砌结构厚度及施工步序对结构的影响。Su 等采用 FLAC 里面的 interface 单元提出了 3 种模拟假设，即将防水膜视为界面单元、实体单元以及在防水膜实体单元两侧施加界面单元，并给出了 3 种模拟假设相应的应用场景。基于此，Su提出 3 种界面行为设计假设，分别为仅受压，受压和受拉，拉伸，压缩和剪切，将防水膜视为实体单元对 CSL 隧道进行数值模拟，模拟结果表明 3 种
界面行为对喷膜防水衬砌结构有着显著影响，忽略轴力和剪力的模拟结果将超过抗弯承载力 。 同时，将防水膜视为界面单元，使用 PLAXIS2D 软件进行数值模拟，结果表明二次衬砌厚度可减薄至50mm。蒋雅君等依据试验测得的防水膜力学参数及界面参数，采用数值模拟对比了 SSL、DSL 以
及 CSL 结构，证实 CSL 显著提高了初期支护与二次衬砌协同受力的能力。Pillai 等采用 LS-DYNA 软
件依据 Mohr-Coulomb 模型模拟 CSL 结构真实的荷载分担行为，发现二次衬砌承担的弯矩值约为初期支护的 50%。Sun 等提出了基于 PPR 本构模型的界面力学行为模拟方法，将防水膜视为界面单元，有效解决了界面非线性模拟问题。
当前，数值模拟已形成多尺度分析体系：在细观尺度，采用界面单元标定防水层与初期支护/二次衬砌间的界面参数，并通过复合梁模拟验证其适用性与传力机制；在工程应用尺度，通过用界面单元直接模拟防水层（忽略其厚度），分析施工工法转换、环境工况及材料界面性能的影响，并基于足尺与模型试验建立多类型防水材料的界面参数数据库。在实际工程中，防水膜与衬砌基面间的界面性能易受基面含水率影响，可能导致整体承载能力衰减，未来需要进行水-力耦合条件下喷膜防水衬砌损伤机制研究，可融合数字孪生与机器学习技术，构建“现场监测-参数反演-智能预测”系统，实现从参数验证到全寿命性能预测的跨越，为智能化设计提供支撑。
3.4.2 喷膜防水衬砌现场试验研究
现行研究虽通过室内试验、理论分析以及数值模拟初步揭示了喷膜防水材料的力学性能以及复合结构作用机理，但受限于材料性能离散性、界面接触非线性及复杂因素耦合效应，实验室尺度的研究成果无法直接运用至工程实际。因此，需建立涵盖典型地质条件、现场施工工况及环境温湿度耦合的试验体系。马云峰通过现场试验研究发现，喷膜防水衬砌变形小 、应力低 ，整体性和安全性良好 。
Holter 等通过现场取芯发现防水膜两侧混凝土饱和度（85%~95%）远高于膜自身饱和度（30%~50%），通过试验发现其力学性能与干燥状态下相比有明显降低，但经历 35 次冻融循环后强度未明显降低，说明其具有一定的耐低温性。同时，Holter分析了喷膜防水衬砌背后岩体中水的渗流路径，如图 6 所示，
在 Karmsund 和 Ulvin 现场开展试验，发现该衬砌所承受水压力接近理论静水压力值，但由于测试孔位于岩体内部，故无法证实该水压为岩体与喷膜防水衬砌交界面的准确压力值，也无法得知水在喷膜防水衬砌中的渗流路径。
图 6 喷膜防水衬砌背后岩体中地下水渗流路径
Du 等将 CSL 结构用于地铁车站建设，与 DSL相比，防水效果好，工程量小，工序简单，施工速度快，并且经过两年的施工检验，验证了该结构的有效性。孙晓贺等针对富水地层高水压环境下防水膜失效导致现场渗漏问题，提出了一种结合喷膜防水层与排水板交替连接的新型堵水限排方案，用于工程现场，通过监测设备测得该方案能降低衬砌静水压力约 40%。
当前，喷膜防水技术在隧道工程中的工程实证案例与系统性现场试验研究存在明显不足。尽管该技术已在多个项目中实现工程化应用，但由于现场监测体系不完善、标准化测试方法缺失等问题，既缺乏喷膜防水衬砌全周期结构响应监测数据，也未建立基于原位取芯的防水膜材料力学性能数据库。鉴于此，亟待构建涵盖材料性能测试、结构设计参数、施工工艺控制的全链条技术标准体系：通过开展多地质条件下的原位试验，系统获取防水膜材料力学和界面参数、渗透阈值等核心指标；依托数字化工程样本库建立喷膜防水衬砌全寿命性能预测模型，形成相应的规范和指南，为该技术的应用提供参考。
4 喷膜防水施工工艺
4.1 施工准备
喷膜防水技术的效果高度依赖施工工艺。
例如防水膜固化过程受基面灰尘和粗糙度影响，其粘结性能会发生变化，同时，防水膜性能需通过前期试验确定，且施工/固化期间会中断区域交通，可能影响其他工序。为减少施工干扰并确保施工进度，需要预先评估喷膜防水层施工时间与风险，依据表3
所列要素进行综合评估与准备，确保施工合规性，并重点提升施工技术水平。
表 3 喷膜防水技术施工一般要素
4.2 基面处理
4.2.1 基面平整度与粗糙度
喷膜防水衬砌性能受施工技术和衬砌几何形状显著影响。为达到设计性能要求，避免应力集中和过大弯矩 ，必须确保衬砌厚度均匀 、几何形状合理。控制基面凹陷（满足 X/W< 1/6，其中 X 为局部最大凹陷深度，W为凹陷面最大宽度），并制定适当的施工程序。要求初期支护和找平层施工团队了解相关要求，在喷涂前通过打磨或补喷砂浆修复基面缺陷，防止因质量不佳而后期返工。
基面粗糙度与质量直接影响防水膜材料用量、
喷涂速度及粘结强度（尤其对 SBR、MMA、PU、PUA
类材料）。推荐使用骨料粒径小于8mm（优选 4mm）、
不含纤维的平整喷射混凝土，或快凝灌浆/砂浆施作基面。这能减少针孔/纤维穿透风险、保证膜厚均匀、降低材料消耗。对于PUA 材料，使用底漆可提升粘结强度至 4MPa。此外，基面裂缝宽度超过 1.5mm
时，必须在喷涂前修复。
图 7 喷射混凝土表面凹陷
4.2.2 基面清洁
基面情况会影响膜材料的性能和固化过程，表面需要清除所有颗粒、残留物和灰尘，龄期超过 4 个月的喷射混凝土需进行高压清洗。必要时，需采用注浆或找平进行基面处理。二次衬砌和初期支护基面的龄期会影响防水膜施工进度，仍处于水化放热阶段的喷射混凝土可能会导致膜上出现孔洞，在初喷混凝土与防水膜施工间隔时间较短时，建议初喷混凝土龄期应在 7d 以上。
4.2.3 基面干燥
确保基面干燥是喷膜防水成功的关键。绝大多数防水膜固化需要干燥基面，少数可耐受轻微潮湿。防水膜施工时，基面应洁净干燥且无渗水（水泥基面可略微润湿活化），可采用红外热成像技术检测水分情况。干燥措施需根据渗漏程度制定，因干燥措施的施作显著影响工期与成本，故应在选材阶段需做好规划。具体方法包括：（1）初期支护喷混凝土使用结晶性质的水性喷射混凝外加剂；（2）特殊要求时采用岩体全面注浆止水；（3）在初期支护中设置条形排水沟/波纹板/排水纤维条导水；（4）对孤立渗漏点设带注浆塞和软管的排水孔，采用绕管喷涂→固化后拔管→注浆封堵→补喷防水膜的步骤进行干燥。
4.3 质量控制
喷涂作业质量是防水成功的核心，需由经验丰富的操作员执行。液态防水膜应分两层（不同颜色）均匀连续喷涂，便于检查覆盖情况（图 8）；第二层
可修补首层的针孔与缺陷。作业区域需保证良好照明，以便及时观察覆盖情况并早发现缺陷。
图 8 两次喷涂防水膜
4.3.1 膜 厚
膜层过厚（>10mm）不仅会增加材料用量，还易提高因自重而发生开裂的风险，制造商建议总厚通常为 3~5mm。实际工程中，需按产品、环境及项目需求选择厚度，易开裂处可适当加厚。
配备激光扫描仪的喷涂机器人可扫描衬砌的特定区域，精准控制喷涂防水膜厚度，确保膜厚均匀。
EVA 防水膜总厚宜为 3~8mm，分两层喷涂（每层约
2mm），搭接区厚度可能增加，但勿超限值。
4.3.2 喷涂设备
流体状态的防水膜的施工方式与喷射混凝土类似，既可以手动施工，也可以使用自动喷涂设备。手工施工用的材料有适合垂直刷涂的型号，也有适合水平施工的自流平型号。MMA 类材料大多为液态形式，大多数 EVA 类材料为粉末形式，SBR 类材料为膏体形式。传统人工喷涂施工对基面要求高，存在低温施工难、易产生气泡且浪费大等问题，正被机械化施工取代；后者对基面适应性强、喷涂均匀快速、气泡少，并可进行干/湿喷。目前最常见的机械化施工需要两人配合，分别控制喷涂机和喷枪来完成喷涂。机械喷涂设备可与喷射混凝土的设备共用，但需满足制造商要求。设备喷嘴应配备针阀和球阀，以便调节水流和剂量，并且设备最小输出量也应符合平均施工流量。喷嘴与基面之间的距离取决于具体材料，建议距离在 1～2.5m 之间，喷涂轨迹如图 9 所示。在作业面积较大的情况下，施工效率低下，并且有些喷膜防水材料具有刺激性气味，不利于施工人员身体健康，因此，通过改进喷枪喷涂方式，并将喷枪固定在往复机上，实现喷膜防水材料的完全机械化施工，为喷涂设备的研发提供重要思路。机械手是一种定位精准、可靠性高以及适应恶劣工作环境的机器人，其主要问题是轨迹控制较为困难， 还需不断完善。基于机械手的研发，喷膜防水材料智能化喷涂系统应运而生，以工作平台、控制系统、 供料系统、支撑系统、行走系统、喷涂小车以及喷涂机械手为系统的主要部位，实现智能管控防水材料用量，实时监测机械手运行轨迹，推动喷膜防水材料机械喷涂向自动化、智能化发展。
图 9 喷射平面运动示意
4.3.3 用 量
施工过程中，防水膜材料的消耗量受多种因素影响，如基底的粗糙度、膜层厚度以及喷涂方法。根据现场施工经验，消耗量通常在 3~5kg/m2之间，在更厚膜层或基底更粗糙的情况下，消耗量可能高达
7 kg/m2。对于常规防水膜产品而言，消耗量不应超过 1~1.4 kg·m-2·mm-1，如果消耗量过高，可能需要重新评估基底的处理方式。
4.3.4 喷层搭接
喷涂防水膜各段之间的过渡是次要考虑的因素。为避免过渡区过厚，保证防水膜性能与厚度均匀，推荐采用清晰边缘+重叠搭接方式提升搭接质量。相邻段施工前须确保前段膜层已固化且清洁，最小重叠宽度宜为 100~200mm。对于疏水性 PVC防水板的粘结难题，建议沿接缝增加一道防水膜，如图 10 所示，在清洁干燥的防水板上喷涂，确保最小搭接宽度为 40~50mm；防水膜应平整无褶皱，必要时可用柔性钢带固定防水板于过渡区。
4.4 固化与养护
喷膜防水材料的固化时间受产品类型、基材龄期、干燥度、温湿度以及膜含水量等因素显著影响。不同材料对温度的要求不同：某些 EVA 膜需要温度高于5℃ ；而 SBR 材料则需要温度高于10℃ 或15℃，同时温度通常低于 40℃；MMA 树脂材料可以适应更宽的温度范围，通常在-10℃~50℃之间。湿度要求方面：EVA 膜需要相对湿度低于 90%，最好低于 80%，因为膜在固化过程中会释放水分，这些水分随后从表面蒸发到空气中，当环境湿度较高时，固化过程会变慢；MMA 树脂产品不是水基的，其固化不依赖于蒸发，因此不受湿度影响。膜固化过程必须保持良好通风（风速≥0.5m/s），以防尘埃粘附影响后续粘结，并应避免使用热风（易致冷凝，延长固化时间）。
图 10 一种防水膜搭接施工结构
5 喷膜防水技术挑战与发展趋势
5.1 技术挑战
喷膜防水技术虽已在全球隧道工程中应用，但仍面临材料安全性风险与技术成熟度不足的双重挑战。材料方面，有些 MMA 树脂类材料在喷涂时会出现刺激性的气味，导致施工人员产生不良反应，引起施工过程的安全问题。EVA 基材料含有水泥基体和氧化钙，若直接接触人体表面，会引起皮肤刺激、灼伤，甚至造成眼部损伤。对于粉料运输的防水膜材料，施工人员在操作和使用过程也有概率会吸入粉尘，对人体造成不良影响。技术瓶颈主要包括：长期服役性能在复杂环境下的演变规律不能完全掌握，性能阈值预测体系尚不完善；喷膜防水层与衬砌结构界面协同机制仍不清晰，缺乏对应力传递比率、荷载分配比例等关键参数的定量表征方法；在富水地层中，高粘结性衬砌形成封闭防水体系，若缺乏科学的排水设计，可能存在结构受拉破坏风险。为突破瓶颈，未来亟需构建涵盖材料进场检测、界面强度评估和结构整体防水效能验证的三级质量管控体系，并通过深化理论研究、完善技术标准、研发智能工艺的协同创新，推动该技术广泛工程应用。
5.2 发展趋势
喷膜防水技术的未来发展将聚焦于 4个核心方向：（1）建立材料标准化体系，构建“环境参数-材料性能-结构响应”映射模型，通过多因素耐久试验形成长期性能图谱，实现工程场景的精准选材；（2）开发新型材料（如快固防水膜及外加剂），解决潮湿环境下性能变化等难题，提升施工效率；（3）优化衬砌结构（CSL），融合参数化建模、多目标优化及实时监测数据实现动态设计，并在富水地层发展水压力梯度自适应防水体系；（4）推动绿色转型，着力解决现有材料刺激性、腐蚀性及粉尘危害问题，研发环保型产品以满足可持续发展要求。
6 结 论
本文围绕喷膜防水材料的种类、性能特点、结构设计及实际工程应用进行了系统研究与分析，得到以下主要结论：
（1）依据主要成分 ，将喷膜防水材料划分为EVA、SBR、MMA、PU、PUA 及丙烯酸盐六类。对比分析表明，各类材料在防水性、吸水性、耐久性、粘结性及力学性能上存在显著差异：EVA 与丙烯酸酯材料性能相近，SBR、MMA、PU 及 PUA 材料性能趋同，但仍有区别。相较于传统防水板，喷膜材料整体呈现更优的防水性、耐久性、粘结性与力学性能，其独特的界面分担效应可有效降低渗漏风险，提升防水系统整体可靠性。
（2）喷膜防水衬砌通过初期支护-防水层-二次衬砌的复合承载机制，显著提升结构整体承载力与延性。数值模拟证实，优化界面参数可改善应力分布，并在满足设计需求条件下减薄二次衬砌厚度，从而降低施工成本。未来需通过现场试验优化数值模拟参数，提升模拟精度。
（3）施工工艺对膜层性能有重要影响。基面处理、喷涂操作、质量管控与固化养护构成核心环节，
精细化实施可同步提升界面粘结强度、膜层均匀性及复杂工况适应性，保障施工效率。
（4）该技术面临两大挑战：①材料环保性与施工人员健康风险（如刺激性挥发物、粉尘暴露）；②工
艺标准化程度不足以及极端地质/气候场景适应性有限。亟需建立耐久性评价体系、工艺规范及质量检测标准。
（5）未来研究方向应聚焦：① 开发环保高耐久材料；② 建立完整的力学设计理论与界面参数优化体系；③研发智能施工装备；④拓展极端工况工程应用并完善技术规范与质量控制标准。
喷膜防水技术通过材料创新、结构优化与工艺升级，为隧道工程提供了高效可靠的防水解决方案，
对提升工程质量与效率具有显著价值，未来将在更广泛领域发挥关键作用。