隧道與地下工程防排水技術(shù)近年來的探索與改進(jìn)

陳心茹，朱祖熹

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 200235)

0 引言

地下工程結(jié)構(gòu)防水效果是衡量工程質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，因而越來越被重視，而復(fù)雜的地下環(huán)境條件對地下結(jié)構(gòu)的耐久性和防水有著無法預(yù)計(jì)的影響，因此在工程建設(shè)的設(shè)計(jì)施工過程中合理選用針對工程環(huán)境與工程結(jié)構(gòu)的防水材料及施工工藝是至關(guān)重要的［1］。近年來，我國隧道與地下工程發(fā)展迅速，防排水技術(shù)也有著長足的進(jìn)步。在此，根據(jù)近年在隧道及地下工程分會(huì)防水排水專業(yè)委員會(huì)專業(yè)年會(huì)上發(fā)布的防水與耐久性方面的部分科研成果，以及在工程實(shí)踐中摸索、沿承的成功經(jīng)驗(yàn)，從細(xì)節(jié)著手，分析、展現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)防排水和耐久性在設(shè)計(jì)、施工技術(shù)上的若干進(jìn)步，同時(shí)也反映防水材料及其使用中存在的一些問題。

1 工程現(xiàn)狀

隨著交通建設(shè)及地下空間的開發(fā)利用，相關(guān)防水排水技術(shù)在獲得長足進(jìn)步的同時(shí)，也暴露了不少的問題和隱患。由于現(xiàn)在的快速建設(shè)，使我們對設(shè)計(jì)、施工、管理各方面無暇及時(shí)總結(jié)、及時(shí)調(diào)整。部分隧道和地下工程出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)密實(shí)度和抗?jié)B性差、開裂、滲漏、部分工程過早維修等問題。為此，需要建設(shè)各方結(jié)合目前大環(huán)境下的工程建設(shè)情況，對設(shè)計(jì)、施工等環(huán)節(jié)加強(qiáng)監(jiān)控，在結(jié)構(gòu)與防水進(jìn)一步協(xié)調(diào)配合的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)上有針對性地改進(jìn)與優(yōu)化。

在以往長大隧道與重大地下工程建設(shè)中，已確立了結(jié)構(gòu)與防水相輔相承、互為一體的關(guān)系。結(jié)構(gòu)與防水在設(shè)計(jì)上的優(yōu)化、材料性能的提高以及施工技術(shù)的改進(jìn)使防水體系逐步完善，也基本滿足了結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)目前國家可持續(xù)發(fā)展及其地下結(jié)構(gòu)在功能、環(huán)保、節(jié)能降耗等方面的綜合要求，完善的結(jié)構(gòu)與防水綜合評(píng)估體系在隧道與地下工程建設(shè)中是至關(guān)重要的。以此為契機(jī)，經(jīng)過多年不懈探索、研究和實(shí)踐應(yīng)用，地下工程防排水技術(shù)領(lǐng)域在材料、施工工藝等方面都取得了不少成果。

2 結(jié)構(gòu)自防水與耐久性技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)自防水與耐久性之間的辯證統(tǒng)一

通過多年的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐，混凝土結(jié)構(gòu)自防水與結(jié)構(gòu)耐久性之間的相互對立、彼此隔離的現(xiàn)象正在逐漸消除。目前國家隧道和重大地下工程結(jié)構(gòu)防水等級(jí)均要求達(dá)到一級(jí)或二級(jí)，并明確要求了工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限。因此設(shè)計(jì)施工在確立了以混凝土結(jié)構(gòu)自防水為根本、接縫防水為重點(diǎn)、輔以附加防水層的結(jié)構(gòu)防水體系的同時(shí)，也充分認(rèn)識(shí)與逐步做到了建立防水體系與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性體系之間所構(gòu)成的“相輔相成、互為一體”的關(guān)系，如高山嚴(yán)寒地區(qū)山嶺隧道既有防水、排水特殊設(shè)計(jì)，又有凍融環(huán)境的耐久性設(shè)計(jì)與施工措施;在氯化物環(huán)境中的海底隧道防水與耐久性相結(jié)合的措施均有重點(diǎn)研究，且獲得了顯著的成果。

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工作為獨(dú)立體系予以實(shí)施

隨著對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性認(rèn)知的加深以及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的頒布執(zhí)行，各地隧道交通及地下空間開發(fā)工程中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性已被廣泛重視。對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的獨(dú)立設(shè)計(jì)也漸次展開，耐久性施工、檢測及評(píng)估技術(shù)通過不斷研究應(yīng)用［1］，已逐步形成系列的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。鋼筋混凝土耐久性圖示如圖1所示。高強(qiáng)度墊塊如圖2所示。作為混凝土鋼筋保護(hù)層用高強(qiáng)度墊塊等結(jié)構(gòu)耐久性的在地下工程的設(shè)計(jì)、施工中已有明確要求與措施，并逐步得以實(shí)施。

2.3 地下工程接縫及其他細(xì)部構(gòu)造的防水設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化完善

2.3.1 盾構(gòu)隧道接縫防水密封墊的替補(bǔ)置換技術(shù)開始探索

密封墊的設(shè)計(jì)不僅通過有限元數(shù)理分折與阿累尼烏斯公式推算，以及長期水密性試驗(yàn)的比照，以力求控制密封墊百年設(shè)計(jì)使用壽命。同時(shí)，單道密封墊防線一旦由于材料與特殊原因而失效，采取何種預(yù)案彌補(bǔ)的問題也已提上研究日程［2］，多項(xiàng)有關(guān)研究正相繼開展。彈性密封墊構(gòu)造如圖3所示。

圖1 鋼筋混凝土耐久性圖示Fig.1 Sketch of durability of reinforced concrete

圖2 高強(qiáng)度墊塊Fig.2 High-strength cushion block

圖3 彈性密封墊構(gòu)造(單位:mm)Fig.3 Structure of elastic sealing cushion(mm)

2.3.2 沉管隧道各類接頭的設(shè)防措施隨著不斷實(shí)踐應(yīng)用更趨專門化、合理化

GINA，OMEGA橡膠止水帶作為沉管隧道主要接頭防水材料，其材質(zhì)、斷面構(gòu)造與形式、裝置及檢驗(yàn)技術(shù)都成為重要的研究課題，GINA，OMEGA橡膠止水帶的室內(nèi)力學(xué)性能、密封性能試驗(yàn)與復(fù)雜工況下的有限元分析相結(jié)合的研究不斷深化［3－4］。GINA止水帶構(gòu)造裝置及有限元分解圖例見圖4。

2.3.3 礦山法、新奧法等暗挖隧道夾層防水層，變形縫滲漏處理等新材料、新工藝不斷研發(fā)

1)塑料防(排)水板與無紡布復(fù)合使用，在礦山法隧道夾層防排水、盾構(gòu)法隧道聯(lián)絡(luò)通道防排水、明挖法隧道外層疏水等能充分發(fā)揮防排結(jié)合的特質(zhì)，其無紡布還能過濾泥砂防止泥土流失［5］。塑料復(fù)合排水板如圖5所示。同時(shí)依靠外貼式塑料止水帶與分區(qū)注漿系統(tǒng)(如圖6示)將防水板劃分為多個(gè)封閉的區(qū)域，各區(qū)域的防水板內(nèi)表面設(shè)置注漿管，一旦混凝土本體產(chǎn)生滲漏水，即可通過位于漏點(diǎn)最近的注漿管進(jìn)行注漿堵漏處理［6］。

圖4 GINA止水帶構(gòu)造裝置及有限元分解圖例Fig.4 Structure and finite element model of GINA

圖5 塑料復(fù)合排水板Fig.5 Complex plastic draining material

2)作為變形縫滲漏水注漿堵水后的加強(qiáng)措施，內(nèi)置式密封帶(條)等新型防水材料被開發(fā)與使用。內(nèi)裝式密封帶(Colflex)如圖7所示。阿拉丁(Aladin)密封條如圖8所示。此外，飛馬度(FERMADUR)類變形縫壓縮型密封條也有廣泛的應(yīng)用［1］。

2.4 地下工程防水排水的新技術(shù)不斷得到開發(fā)應(yīng)用

2.4.1 噴涂速凝型涂膜防水技術(shù)異軍突起

噴涂速凝材料通常除了具有親水性或凝固時(shí)間可控等優(yōu)點(diǎn)外，其自身還具備較好的伸縮性、與水泥水化物組合強(qiáng)度較好，且能夠在冷凍或干濕交替多次后不破壞等特點(diǎn)。目前無論噴涂層材料的性能、噴涂設(shè)備以及施工工藝均已有長足進(jìn)步，具備工程應(yīng)用的要求［7］。其中，聚丙烯酸鹽、橡膠瀝青等噴膜防水在國內(nèi)沉管及明挖隧道中(諸如港珠澳大橋工程中的沉管隧道、天津開發(fā)區(qū)海河沉管隧道、陽澄湖明挖暗埋隧道、無錫太湖大道隧道等)已有非常成功的應(yīng)用實(shí)例。頂板聚脲噴涂外防水層施工如圖9所示。

圖6 外貼式塑料止水帶與分區(qū)注漿系統(tǒng)(單位:m)Fig.6 Plastic water-stopping tie and sectioned grouting system(m)

圖7 Colflex密封帶Fig.7 Colflex sealing tie

圖8 Aladin密封條Fig.8 Aladin sealing tie

圖9 頂板聚脲噴涂外防水層施工Fig.9 Water-proofing material spraying on top roof

2.4.2 能與混凝土“咬合”的防水卷材、防水毯在城市軌道交通和地下工程中廣泛應(yīng)用

1)預(yù)鋪高分子卷材在與混凝土接觸面有一層可與混凝土起化學(xué)反應(yīng)的粘結(jié)層，并在混凝土固化過程中與之咬合成一體，是預(yù)鋪反粘、外防內(nèi)貼的重要新材料［7］。

2)圖10所示為可與混凝土形成永久、有機(jī)結(jié)合的天然鈉基膨潤土與土工布復(fù)合而成的防水毯，對地下空間的環(huán)保性及可持續(xù)性有著積極的意義［8］。

近年來，哈爾濱保健路隧道采用膨潤土復(fù)合防水毯作全包防水層，北京地鐵數(shù)個(gè)礦山法隧道通道、上海地鐵8號(hào)線(人民廣場換乘大廳)、上海地鐵10號(hào)線江灣體育場過河段等都得到了應(yīng)用并取得了不錯(cuò)的效果。

圖10 膨潤土復(fù)合防水毯構(gòu)造(單位:mm)Fig.10 Structure of complex bentonite water-proofing blanket(mm)

2.4.3 耐根穿刺卷材防排水技術(shù)不斷拓展

隨著人們對環(huán)保問題的日益重視，地下工程頂板有種植綠化時(shí)耐根穿刺卷材的防排水技術(shù)成為防水技術(shù)與綠化技術(shù)相互交叉結(jié)合的新技術(shù)［9］。近幾年上海、蘇州、寧波等城市軌道交通車站及明挖暗埋區(qū)間隧道在穿越中心城區(qū)與綠化交叉重疊時(shí)，其頂板覆土上大面積綠化種植要求不斷增多，耐根穿刺卷材的設(shè)置在設(shè)計(jì)中已明確提出了相關(guān)要求。耐根穿刺防水排水構(gòu)造如圖11所示。

圖11 耐根穿刺防水排水構(gòu)造Fig.11 Structure of root penetration resistance water-proofing system

2.4.4 電滲防水技術(shù)的實(shí)踐與應(yīng)用已被重視

電滲透系統(tǒng)(也稱多脈沖智能電滲透系統(tǒng)，簡稱MPS系統(tǒng))是當(dāng)今先進(jìn)的防滲、防潮、防霉技術(shù)［10］，該技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用了20多年，主要用在地下管廊、隧道、水庫大壩、電站等工程中的防水、防滲、防潮和除濕領(lǐng)域。在歐洲、美洲及香港等重要工程中取得了成功，并證明其卓越的防滲、防潮、防霉能力。上海運(yùn)營中的地鐵及隧道的維保及滲漏水治理、大連東港地下綜合管溝工程中均應(yīng)用該技術(shù)，并取得了良好的防治效果。這是一項(xiàng)基于長時(shí)期建立的電滲透原理和通過一系列的低壓脈沖電荷工作而改進(jìn)的革新技術(shù)。MPS系統(tǒng)工作原理圖如圖12所示。電滲防水機(jī)制示意如圖13所示。當(dāng)然，鑒于在造價(jià)與結(jié)構(gòu)形式等方面的限制，其使用的局限性也不可否認(rèn)。

圖12 MPS系統(tǒng)工作原理圖Fig.12 Working principle of MPS system

圖13 電滲技術(shù)機(jī)制示意圖Fig.13 Mechanism of electronic infiltration seepage technology

2.5 運(yùn)營中的隧道與地下工程的維護(hù)、保養(yǎng)技術(shù)

運(yùn)營期間的隧道及地下工程隨著外界長期持續(xù)的振動(dòng)和環(huán)境改變均會(huì)引起不均勻沉降和變形，破壞或削弱了既有的防水結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了接縫發(fā)生漏水。因此在保障建設(shè)質(zhì)量的同時(shí)，對運(yùn)營中的地下工程設(shè)施的維護(hù)與保養(yǎng)通過調(diào)查、檢測、評(píng)估與治理等一系列技術(shù)措施已日趨規(guī)范化、制度化，并已逐步形成了一套完善的體系(如微擾動(dòng)注漿技術(shù)在運(yùn)營隧道的滲漏治理與沉降控制中獲得成功應(yīng)用，便是佐證)［11］。運(yùn)營隧道檢測維修如圖14所示。

圖14 運(yùn)營隧道檢測維修Fig.14 Detection and maintaining of running tunnel

3 結(jié)論與建議

以上所述僅是近幾年隧道、地鐵等諸多地下工程在實(shí)踐中于防排水專業(yè)技術(shù)上所取得的較為重要的技術(shù)成就與進(jìn)步。

在地下工程設(shè)計(jì)施工過程中，結(jié)構(gòu)防水與耐久性相結(jié)合構(gòu)筑的綜合體系對確保工程質(zhì)量的重要意義毋容置疑。更好地完善結(jié)構(gòu)自防水體系，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性退化的機(jī)制，掌握相關(guān)的設(shè)計(jì)理論與方法，加大應(yīng)用技術(shù)研究力度，從而使地下工程的建設(shè)無論在功能、環(huán)保、節(jié)能等各個(gè)方面都得到可持續(xù)的發(fā)展。

當(dāng)然，針對百年使用壽命的地下工程，諸如:盾構(gòu)隧道管片接縫中單道密封墊防線一旦失效后如何補(bǔ)救的研究，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性指標(biāo)、檢測及評(píng)估技術(shù)的完善，電滲透系統(tǒng)如何更經(jīng)濟(jì)、有效地阻止通過混凝土毛細(xì)孔進(jìn)入結(jié)構(gòu)的細(xì)微水流并得到更為廣泛的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用等方面的探索，還有待于進(jìn)一步開展研究。

［1］ 朱祖熹，陸明，柳獻(xiàn).隧道工程防水的設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.(ZHU Zuxi，LU Ming，LIU Xian.Tunnel engineering waterproofing design and construction［M］.Beijing:China Building Industry Press，2012.(in Chinese))

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