結(jié)構(gòu)防水融合體系在川藏高速公路隧道中的應(yīng)用

周慶國 陳俊 胡景波

（1.中國鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司，成都610000；2.金華市欣生沸石開發(fā)有限公司，浙江金華321017）

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，我國隧道的數(shù)量、長度都躍居全球第一。隧道規(guī)模越來越大，埋深越來越深，技術(shù)難度也越來越大。隧道與地下工程的防水也為工程界日臻重視。公路、鐵路隧道屬于大型項(xiàng)目，具有施工工期長、跨度大等特點(diǎn)，再加上不同施工區(qū)自然條件各異，導(dǎo)致施工過程中出現(xiàn)各類問題［1-4］。滲漏水是公路、鐵路隧道施工和維護(hù)過程中非常常見的問題，不僅影響隧道的正常通行，長期滲漏水還會(huì)使襯砌混凝土劣化，縮短隧道的使用壽命。

目前我國公路、鐵路隧道基本上采用復(fù)合式襯砌［5-8］。復(fù)合式襯砌由初期支護(hù)、防排水系統(tǒng)和二次襯砌組成。防排水系統(tǒng)由防水板、縱環(huán)向盲管、土工布、止水帶等組成。受各種因素影響，部分隧道運(yùn)營不久便出現(xiàn)滲漏水問題，無法實(shí)現(xiàn)防水與結(jié)構(gòu)同壽命。本文結(jié)合工程實(shí)例探討隧道結(jié)構(gòu)防水融合體系，為公路、鐵路隧道的防水設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

川藏高速公路跑馬山1號(hào)隧道為傍山隧道，項(xiàng)目位于康定城區(qū)，從升航村進(jìn)洞，呈幾字形穿越跑馬山景區(qū)，從主城區(qū)甘孜州廣電中心背后出洞，進(jìn)出口高差220 m，全長約8.8 km，如圖1所示。

圖1 跑馬山隧道地理位置

隧道設(shè)通風(fēng)橫洞+地下風(fēng)機(jī)房1處，另設(shè)施工支洞1處。隧道巖性以角礫巖、碎裂巖為主，斷層地段裂隙發(fā)育。斷層破碎帶地下水發(fā)育，涌水量大。隧道左洞、右洞分別長8 865，8 780 m。結(jié)構(gòu)防水融合體系應(yīng)用試驗(yàn)選擇在通風(fēng)橫洞進(jìn)行，橫洞長為1 258 m，隧道半徑為5.53 m，平均海拔3 500 m。通風(fēng)橫洞圍巖為澄江—晉寧期火山巖，隧道洞身圍巖主要為中風(fēng)化花崗巖，屬較硬巖，巖體呈大塊～巨塊狀，圍巖穩(wěn)定性較好。該段埋深較大，存在高地應(yīng)力，有可能發(fā)生巖爆。地下水類型為基巖裂隙水，呈淋雨?duì)畛鏊?，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。

2 防水設(shè)計(jì)方案

2.1 原防水體系

隧道設(shè)計(jì)為復(fù)合式襯砌。原防水體系設(shè)計(jì)為：二次襯砌抗?jié)B等級(jí)不低于P8；初期支護(hù)與二次襯砌間拱墻設(shè)置防水層（1.2 mm厚EVA（乙烯醋酸乙烯共聚物）防水卷材+300 g/m2無紡布）；襯砌變形縫設(shè)置中埋式橡膠止水帶+背貼式止水帶；施工縫設(shè)置遇水膨脹止水條+背貼式止水帶。

2.2 結(jié)構(gòu)防水融合體系

考慮到該隧道防水難度大，反復(fù)論證后決定采用結(jié)構(gòu)防水融合體系。通過結(jié)構(gòu)抗裂防滲試驗(yàn)，優(yōu)化接縫防水設(shè)計(jì)和施工工藝，形成高抗?jié)B、低裂紋和自愈合的襯砌混凝土結(jié)構(gòu)防水融合體系。

結(jié)構(gòu)防水融合體系由2部分構(gòu)成：①初砌混凝土結(jié)構(gòu)自防水。取消防水板，保留土工布，并安設(shè)環(huán)向透水盲管，同時(shí)預(yù)埋加壓管以備后期進(jìn)行壓水試驗(yàn)。在二次襯砌混凝土中添加抑溫抗裂防水劑，保證襯砌混凝土的抗裂防滲效果與結(jié)構(gòu)耐久性。②接縫防水。襯砌變形縫設(shè)置中埋式橡膠止水帶+背貼式止水帶，施工縫設(shè)置遇水膨脹止水條，同時(shí)變形縫和施工縫還須在二次襯砌混凝土端頭截面涂刷1.5 mm厚欣生水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。

3 襯砌混凝土抗裂防滲與耐久性能試驗(yàn)研究

3.1 原材料及配合比

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積340 m2/kg，密度3.15 g/m3。粉煤灰為F類Ⅱ級(jí)灰，45μm方孔篩篩余16.2%，密度2.28 g/m3，主要化學(xué)組成見表1。砂子采用中砂，細(xì)度模數(shù)2.5。石子采用石灰?guī)r碎石，連續(xù)級(jí)配，最大粒徑25 mm。外加劑采用聚羧酸系減水劑，減水率15%，固含量14%。防水劑采用欣生抑溫抗裂防水劑，其抑溫性能見圖2，性能指標(biāo)檢測結(jié)果見表2。

表1 膠凝材料主要化學(xué)組成

圖2 水泥凈漿熱功率曲線

表2 抑溫抗裂防水劑性能指標(biāo)檢測結(jié)果

混凝土試驗(yàn)配合比以施工單位提供的工程配合比為基準(zhǔn)，摻加抑溫抗裂防水劑，見表3。

表3 混凝土試驗(yàn)配合比 kg·m-3

3.2 試驗(yàn)方法

1）平板開裂試驗(yàn)依據(jù)GB 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

2）混凝土接觸式收縮試驗(yàn)依據(jù)GB 50082—2009進(jìn)行，試件成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d測試初始長度。

3）混凝土溫度抗裂性能試驗(yàn)又分為模擬工程實(shí)際散熱條件半絕熱溫升仿真試驗(yàn)、絕熱溫升試驗(yàn)和溫度應(yīng)力試驗(yàn)。半絕熱溫升仿真試驗(yàn)裝置見圖3。試件為邊長400 mm的立方體，擠塑板厚度50 mm。絕熱溫升試驗(yàn)依據(jù)GB 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。設(shè)備采用HR-3型混凝土熱物理參數(shù)測定儀。溫度應(yīng)力試驗(yàn)采用HYTSTM-Ⅱ混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)，試件長1 500 mm，截面尺寸為150 mm×150 mm。

圖3 半絕熱溫升試驗(yàn)裝置

4）混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)又分為抗氯離子滲透試驗(yàn)和抗水滲透試驗(yàn)。抗氯離子滲透試驗(yàn)依據(jù)GB 50082—2009進(jìn)行；抗水滲透試驗(yàn)按照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，采用KX-026混凝土滲透儀。

5）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)JTG E30—2005進(jìn)行，采用KX-005數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)?，F(xiàn)場隨機(jī)取樣，在實(shí)驗(yàn)室制備抗壓試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

在銑床上加工多孔專用夾具采用調(diào)整墊和緊固螺桿配合以及定位螺絲的配合調(diào)整工件的位置以達(dá)到工件加工的要求。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 平板開裂試驗(yàn)

基準(zhǔn)混凝土、摻防水劑混凝土單位面積上的總開裂面積分別為705，570 mm2。摻防水劑混凝土單位面積上的總開裂面積較基準(zhǔn)混凝土低19%，說明其早期抗裂性能較基準(zhǔn)混凝土高。這是由于抑溫抗裂防水劑一方面具有微膨脹補(bǔ)償收縮作用，通過化學(xué)膨脹抵消了早期的干燥收縮；另一方面抑溫抗裂防水劑的表面改性組分在一定程度上能減小結(jié)構(gòu)混凝土的自收縮，兩者結(jié)合起來，可大大減少混凝土早期塑性收縮，對(duì)混凝土早期抗裂性能具有良好的改善作用。

3.3.2 混凝土接觸式收縮試驗(yàn)

混凝土接觸式收縮試驗(yàn)結(jié)果見圖4?？芍夯鶞?zhǔn)混凝土收縮率隨齡期增長而逐漸增加，28 d之前混凝土收縮率增幅較大，28 d后混凝土收縮率逐漸趨于穩(wěn)定；摻防水劑混凝土收縮率變化趨勢與基準(zhǔn)混凝土相似，但60 d收縮率較基準(zhǔn)混凝土小7%?；炷林袚饺胍譁乜沽逊浪畡?，對(duì)混凝土抗收縮性能具有改善作用。這是由于抑溫抗裂防水劑中的微膨脹組分在水化初期通過膨脹形成了一定的預(yù)壓應(yīng)力，可補(bǔ)償后期的干燥收縮。

圖4 混凝土接觸式收縮試驗(yàn)結(jié)果

3.3.3 混凝土溫度開裂性能試驗(yàn)

1）混凝土半絕熱溫升仿真試驗(yàn)

由于水泥用量高、細(xì)度小、C3A含量高等原因，導(dǎo)致像隧道襯砌這種結(jié)構(gòu)尺寸并不大的混凝土結(jié)構(gòu)溫度收縮開裂現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)，控制襯砌混凝土溫度收縮開裂成為抗裂的關(guān)鍵。混凝土半絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果見圖5?？梢?，與基準(zhǔn)混凝土相比，摻抑溫抗裂防水劑混凝土最高溫升降低了8.38℃，這明顯會(huì)降低混凝土溫度收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 混凝土半絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果

混凝土絕熱溫升是指在沒有任何熱量散失的條件下混凝土自身由于水化放熱導(dǎo)致的溫升?；炷两^熱溫升試驗(yàn)結(jié)果見圖6?？梢姡号c基準(zhǔn)混凝土相比，摻抑溫抗裂防水劑混凝土升溫到30℃的時(shí)間滯后15 h。從溫升曲線的斜率來看，水化溫升速率明顯降低。這是因?yàn)橐譁乜沽逊浪畡┠軌蛞种扑嗍炝现械腃3A與C2S的水化進(jìn)程，從而能夠降低混凝土最高溫升，達(dá)到削峰效果。

圖6 混凝土絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果

3）溫度應(yīng)力試驗(yàn)

混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果見圖7?？梢钥吹剑孩贀椒浪畡┗炷磷罡邷囟冉档土?0.8℃，抑溫抗裂防水劑具有較好的削峰效果。②開裂應(yīng)力反映了混凝土的極限抗拉強(qiáng)度［9］。兩種混凝土的開裂應(yīng)力均在2.5 MPa左右，說明抑溫抗裂防水劑對(duì)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度影響不大。③隨著降溫，在某一時(shí)刻混凝土試件所受拉應(yīng)力會(huì)超過混凝土抗拉強(qiáng)度，受約束試件會(huì)開裂［10］。開裂溫度越低，早齡期混凝土出現(xiàn)熱裂縫的概率越小。摻防水劑后開裂溫度從21℃降到0℃附近，開裂風(fēng)險(xiǎn)明顯降低。

圖7 混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

3.3.4 混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)

1）抗氯離子滲透試驗(yàn)

采用電通量法進(jìn)行了抗氯離子滲透試驗(yàn)?；鶞?zhǔn)混凝土、摻防水劑混凝土電通量分別為2013，1429 C。摻防水劑混凝土電通量較基準(zhǔn)混凝土降低29%，故其抗氯離子滲透性能較基準(zhǔn)混凝土好。這是因?yàn)榛炷林袚饺胍譁乜沽逊浪畡?，能改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)程度，故而能夠提高抗氯離子滲透性能。

2）抗水滲透試驗(yàn)

通常地下工程會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)埋置深度采用不同抗?jié)B等級(jí)的混凝土。通風(fēng)橫洞采用抗?jié)B等級(jí)P8的混凝土，在施工過程中取摻抑溫抗裂防水劑二次襯砌混凝土進(jìn)行測試。其抗?jié)B等級(jí)達(dá)到P24，高于現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)文件對(duì)二次襯砌混凝土抗?jié)B等級(jí)的要求。這是由于摻入抑溫抗裂防水劑一方面增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)混凝土的憎水疏水性能，另一方面通過二次反應(yīng)生成了新的晶體填充了孔隙，提高了結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度。

3.3.5 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

摻抑溫抗裂防水劑的二次襯砌混凝土試件平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到36 MPa，滿足C30的設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，混凝土中摻抑溫抗裂防水劑可明顯減少水泥水化熱，抑制混凝土溫升，降低混凝土溫度應(yīng)力，同時(shí)具有良好抗收縮性能、早期抗裂性能；混凝土中摻抑溫抗裂防水劑能大幅提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，對(duì)耐久性能也有一定的改善作用。這都為結(jié)構(gòu)自防水提供了支撐。

4 結(jié)構(gòu)防水融合體系經(jīng)濟(jì)性分析

結(jié)構(gòu)防水融合體系在原防水方案的基礎(chǔ)上取消了防水板，在二次襯砌混凝土中摻加了抑溫抗裂防水劑。

經(jīng)計(jì)算，每延米二次襯砌拱墻混凝土用量8.71 m3，防水層每延米面積23.65 m2。

成本增加部分：添加抑溫抗裂防水劑成本增加90元/m3，每延米增加成本8.71×90=783.90元。成本節(jié)省部分：取消防水板（工程概算約35元/m2），每延米可節(jié)省成本約23.65×35=827.75元。

二者相比，取消防水板，采用結(jié)構(gòu)防水融合體系，單洞公路隧道每延米可節(jié)省成本827.75-783.90=43.85元，每公里隧道防水體系可節(jié)省成本43 850元。采用結(jié)構(gòu)防水融合體系具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

5 結(jié)構(gòu)防水融合體系應(yīng)用效果

選取川藏高速公路跑馬山1號(hào)隧道通風(fēng)橫洞測試結(jié)構(gòu)防水融合體系應(yīng)用效果。取消了防水板，土工布懸掛安裝完后直接進(jìn)行二襯混凝土澆筑施工。在二次襯砌混凝土中摻加了抑溫抗裂防水劑。二次襯砌混凝土配合比見表4?；炷撂涠葹?80～220 mm，和易性良好。

表4 二次襯砌混凝土配合比 kg·m-3

二次襯砌混凝土采用泵送施工，振搗采用附著式振動(dòng)器，嚴(yán)格控制混凝土澆筑時(shí)間，防止出現(xiàn)施工冷縫。拆模完成后在二次襯砌混凝土端頭截面上涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。其獨(dú)有的滲透結(jié)晶組分使得新老混凝土結(jié)合得更加牢靠，增大了防水體系的安全系數(shù)。二次襯砌混凝土拆模后，表面光滑無裂紋（圖8），可見二次襯砌混凝土中摻加抑溫抗裂防水劑提高了混凝土的密實(shí)性，具有良好的抗裂效果。

圖8 二次襯砌混凝土外觀

現(xiàn)場施工結(jié)束至今，經(jīng)多次查驗(yàn)，整體無滲漏水現(xiàn)象，二次襯砌混凝土保持良好的抗裂防滲能力，達(dá)到了防水設(shè)計(jì)目標(biāo)。采用結(jié)構(gòu)防水融合體系還減少了懸掛防水板工序，縮短了施工時(shí)間。

6 結(jié)論

1）結(jié)構(gòu)防水融合體系由襯砌混凝土結(jié)構(gòu)自防水和接縫防水2部分構(gòu)成。室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用證明，摻加抑溫抗裂防水劑的混凝土具有良好的抗裂防滲性能，并且能夠提升結(jié)構(gòu)混凝土耐久性能，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自防水提供了基礎(chǔ)。變形縫和施工縫處涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料使得新老混凝土結(jié)合得更密實(shí)，提升了變形縫和施工縫處的防水能力。

2）該體系在公路隧道通風(fēng)橫洞應(yīng)用至今，整體無滲漏水現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了總體防水設(shè)計(jì)目標(biāo)。與傳統(tǒng)柔性防水體系相比，結(jié)構(gòu)防水融合體系更省時(shí)、省錢、省心。該研究為公路、鐵路隧道防水提供了經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)支撐。