公路隧道富水段可排水止水帶應(yīng)用淺析

謝兼量，肖東輝，雷尊貴，齊呈祥，李林峰

(1.保利長大工程有限公司，廣州 510620； 2.重慶中宇工程咨詢監(jiān)理有限責(zé)任公司，重慶 400067；3.北京交通大學(xué)，北京 100044)

隧道細(xì)部結(jié)構(gòu)(施工縫和變形縫)的滲漏水一直是影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及使用年限的重要原因，其水源補給可分為地下水補給滲漏水和地表水補給滲漏水2種[1]。目前，隧道細(xì)部結(jié)構(gòu)的防滲措施主要存在以下問題：1) 止水帶設(shè)計上，未考慮止水帶的排導(dǎo)水功能或排導(dǎo)水效果一般，在隧道富水地段易形成背后積水，發(fā)生滲水的概率仍然較大[2]；2) 止水帶施作時，止水帶的固定及連接存在諸多問題，止水帶固定不牢固，安裝不當(dāng)易引起止水帶產(chǎn)生扭曲、上浮、位移、傾倒等不良狀況[3]。

針對上述問題，許多學(xué)者做了相關(guān)研究。李偉等[4]提出隧道施工縫和變形縫防水采用多道設(shè)防，以提高隧道防水能力。宋占輝[5]通過工程實踐和試驗提出了準(zhǔn)中埋背貼式可排水橡膠止水帶，對以后的隧道及地下工程三縫的防排水處理有指導(dǎo)作用。呂康成[6]研發(fā)的梯形背貼式排水止水帶及中埋式蝶形排水止水帶，可在無壓或較小壓條件下工作，減少了隧道滲漏水現(xiàn)象發(fā)生。張民慶等[7]研制了橫向內(nèi)置加勁型中埋式橡膠止水帶，現(xiàn)場試驗表明該止水帶使用方便、安裝質(zhì)量好、效率高、綜合成本低。冀夏芳等[8]提出無鋼筋襯砌段和鋼筋襯砌段的止水帶施工工藝，消除了止水帶施工的通病。張再仁[9]結(jié)合工程實踐，提出在采用測量定位、鋼筋卡固定、墊層施工后，可有效提高止水帶施工質(zhì)量。

分析上述研究成果發(fā)現(xiàn)，以上研究未涉及到對公路隧道富水段可排水止水帶排導(dǎo)水效果的研究。本文結(jié)合廣東省南昆山隧道，通過對止水帶優(yōu)化設(shè)計，提高止水帶強度及排導(dǎo)水能力，并在現(xiàn)場對環(huán)向止水帶進行試驗，測量止水帶防水及排導(dǎo)水效果，以達到提高隧道細(xì)部結(jié)構(gòu)防水能力的目的。

1 止水帶優(yōu)化設(shè)計

南昆山隧道原防水設(shè)計采用鋼板膩子止水帶。由于其不具排導(dǎo)水功能，在隧道富水段，襯砌背后積水形成較高水壓，隧道施工縫、變形縫容易出現(xiàn)滲漏水，無法滿足防水要求。

在已有研究基礎(chǔ)上，針對止水帶襯砌背后積水難排問題，對止水帶進行優(yōu)化設(shè)計，增加了“U”型排導(dǎo)水槽，開發(fā)背貼式可排水橡膠止水帶及中埋式可排水橡膠止水帶，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

單位：cm

單位：cm

優(yōu)化設(shè)計的可排水止水帶采用三元乙丙橡膠作為主要材料，具有耐老化、耐腐蝕、耐低溫等優(yōu)良性能。結(jié)構(gòu)上，可排水止水帶斷面分為伸縮區(qū)、強力區(qū)、防水區(qū)，受力均勻。

伸縮區(qū)中間設(shè)置“U”結(jié)構(gòu)，增加了剛度，也能實現(xiàn)較大多向變形；伸縮區(qū)迎水面封閉連接帶能防止雜物進入“U”型槽中，保證“U”型槽排導(dǎo)水效果。當(dāng)水壓較大時，封閉連接帶發(fā)生較大變形，并發(fā)生斷裂，從而實現(xiàn)導(dǎo)水功能，將水引入排水盲管，減小背后水壓，提高止水能力。

優(yōu)化的可排水止水帶兩邊凹槽較寬且較高，防水區(qū)的防水線呈倒鋸齒狀，具有匯集地下水能力，增強橡膠止水帶和混凝土的握裹力，防止止水帶受較大水壓力而拔出，使橡膠帶更牢固。止水帶凸起部分較高，可延長滲水路程，減少背后積水量，并有效降低水壓，更不易滲水。

與原設(shè)計采用的鋼板膩子止水帶相比，可排水止水帶的特點：1) 增加排水功能，一定程度上減小襯砌背后水壓，降低滲水幾率；2) 在高水壓條件下，止水帶不易發(fā)生破壞、損傷，適合在高水壓富水地段施作。

2 止水帶結(jié)構(gòu)安全驗算

隧道富水段結(jié)構(gòu)承受一定水壓，這要求止水帶具有與之匹配的承受能力，需滿足抗拉、抗拔以及抗剪安全要求，以下進行止水帶結(jié)構(gòu)安全驗算。優(yōu)化的可排水止水帶尺寸如圖1、圖2所示，2類止水帶圓環(huán)尺寸及總寬度均相同，因此僅對中埋式止水帶進行驗算。止水帶的泊松比為0.42，拉伸變形和剪切變形取極限值，按30 mm[10]進行驗算。

中埋式止水帶內(nèi)圓半周長為28 mm，受拉后半環(huán)呈帶狀，長度為44 mm，止水帶原長34 mm，被拉長了10.3 mm，即發(fā)生了幾何變形。因此，止水帶拉長10.3 mm后，開始產(chǎn)生拉應(yīng)力。止水帶應(yīng)力計算公式為：

σ=Eε

(1)

(2)

式中：σ為止水帶變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力，MPa；E為止水帶彈性模量，取5 MPa；ε為拉應(yīng)變；Δl為止水帶圓環(huán)處變形大小，m；l為止水帶圓環(huán)處原寬度，m?？估冃螛O限值為30 mm，當(dāng)止水帶繼續(xù)變形19.7 mm后，ε=0.44。

單位長度止水帶應(yīng)力為：

T1=Eεt×1

(3)

式中：T1為止水帶圓環(huán)根部單位長度止水帶拉應(yīng)力，kN/m；t為止水帶拉直后的圓環(huán)處厚度，為0.011 m。經(jīng)計算T1=2.3 kN/m，圓環(huán)根部σ1=T/0.008=281.9 kPa。

水壓產(chǎn)生的應(yīng)力采用河海大學(xué)提出的公式：

(4)

式中：T2為止水帶圓環(huán)部位單位長度止水帶拉應(yīng)力，kN/m；P為水壓力，取770 kPa；b為變形縫拉開后產(chǎn)生應(yīng)力變形的寬度，取0.056 m；依據(jù)止水帶拉伸試驗結(jié)果，取ε=15%。經(jīng)計算T=22.7 kN/m，圓環(huán)部位σ2=2 063.6 kPa，圓環(huán)根部σ1′=2 837.5 kPa。

經(jīng)應(yīng)力疊加計算可得總拉力T=T1+T2=25 kN/m；圓環(huán)部位總應(yīng)力σ圓=σ2=2 063.6 kPa，圓環(huán)根部總應(yīng)力σ根=σ1+σ1′=3 119.4 kPa。

1) 止水帶拉斷驗算

通過式(5)判斷止水帶抗拉斷性能：

σ

(5)

式中：RL為止水帶抗拉強度，MPa。

止水帶最大拉應(yīng)力在止水帶圓環(huán)根部，即σ根=3.12 MPa

2) 止水帶抗剪驗算

通過式(6)判斷止水帶剪切性能：

τ≤τf=4.44 MPa

(6)

τ=Gγ

(7)

式中：τ為止水帶剪切應(yīng)力，MPa；τf為止水帶的剪切強度，MPa，按郝巨濤等[13]的研究成果取4.44 MPa；G為止水帶剪切模量，取1.76 MPa；γ為止水帶剪切應(yīng)變。經(jīng)計算τ=2.61 MPa<4.44 MPa，滿足安全使用要求。

3) 止水帶抗拔驗算

橡膠止水帶在混凝土中的粘著應(yīng)力為0.4 MPa～0.7 MPa[11]，粘著應(yīng)力取0.4 MPa。止水帶寬度為0.3 m，單位長度單側(cè)止水帶在混凝土中的粘著力為0.4×0.15×1×2=120 kN/m，受力分析如圖3所示，從混凝土中拔出的安全系數(shù)為120/T=120/25=4.8，止水帶圓環(huán)部和根部拉應(yīng)力大于止水帶小于混凝止之間的應(yīng)力，止水帶不會被拔出。綜上，優(yōu)化的可排水止水帶滿足安全施工要求。

3 止水帶現(xiàn)場試驗

為驗證止水帶的防水和排導(dǎo)水效果，結(jié)合南昆山隧道出口端左線在ZK76+945～ZK76+891段富水地段，在現(xiàn)場進行了環(huán)向止水帶對比試驗。通過對富水段的止水帶設(shè)置、導(dǎo)管排水情況觀察進行對比，分析優(yōu)化后的止水帶與鋼板膩子止水帶的防滲效果。通過布置導(dǎo)管，并進行觀察和分析，研究優(yōu)化后止水帶的排導(dǎo)水效果。

單位：cm

3.1 試驗方案

在富水段選取5個斷面進行試驗，試驗斷面設(shè)置情況如表1所示。

表1 試驗斷面設(shè)置情況

其中斷面1、2：在防水板與初支之間、背貼止水帶“U”型槽內(nèi)及二襯之間各設(shè)置一PVC透明管，并分別標(biāo)記上內(nèi)、中、外字樣，如圖4(a)所示。

斷面3、4：在中埋止水帶和背貼式止水帶的“U”型槽內(nèi)及防水板與初期支護之間各設(shè)置一PVC透明管，并分別標(biāo)記上外、中、內(nèi)字樣，如圖4(b)所示。

斷面5：在防水板與初支之間、二襯之間及中埋止水帶“U”型槽內(nèi)各設(shè)置一PVC透明管，分別標(biāo)記上內(nèi)、中、外字樣，如圖4(c)所示。

PVC透明管的外徑略小于“U”型槽的寬度，保證PVC管不影響止水帶正常工作；插入深度約為50 cm，保證軟管能有效排水以便觀察。在PVC管入水口管兩側(cè)設(shè)置多道切口以增大PVC管的集水能力，細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

將PVC管觀測端引出至離洞壁一定距離，并從蛇紋管內(nèi)穿出，如圖6所示，防止臺車移動壓斷PVC管，保證其完好以便后期觀測。

(a) 斷面1、2與 PVC管位置

(b) 斷面3、4與 PVC管位置

(c) 斷面5 與PVC管位置

(a) PVC細(xì)部結(jié)構(gòu)正視圖 (b) PVC細(xì)部結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

圖6 預(yù)留管線示意

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

觀察PVC管排水情況，得到各斷面試驗結(jié)果，如表2所示。

表2 試驗結(jié)果

表2中數(shù)據(jù)表明：1) 斷面1～5內(nèi)管有細(xì)微水滴，二襯背后有水，存在一定水壓，斷面1～4中管偶有細(xì)微水滴，表明優(yōu)化背貼式止水帶具有排導(dǎo)水能力；外管及二襯表面無水，說明優(yōu)化背貼止水帶能有效防止?jié)B水發(fā)生；2) 斷面5中管有細(xì)微水滴，說明有少量水滲過鋼板膩子止水帶，而外管及二襯表面無水，說明水未滲過優(yōu)化中埋止水帶；表明在富水條件下鋼板膩子止水帶的防滲效果一般；3) 斷面1、2與斷面3、4的PVC管排水情況相同，斷面5中管有細(xì)微水滴，表明優(yōu)化止水帶較鋼板膩子止水帶而言，采用一道防水就具備良好的防水能力。

3.3 環(huán)向止水帶安裝工藝及控制要點

為保證試驗正常進行及止水帶防水效果，需嚴(yán)格控制止水帶的安裝工藝及控制要點并對現(xiàn)場安裝進行監(jiān)測檢查。

1) 安裝工藝

襯砌模板臺車各項準(zhǔn)備工作就緒后，沿襯砌設(shè)計軸線每間隔0.45 m在擋頭板上鉆一Φ12鋼筋孔，然后將加工成形的Φ10鋼筋卡由待模注混凝土一側(cè)向另一側(cè)穿入，鋼筋卡內(nèi)側(cè)卡緊一半止水帶，待模注混凝土凝固后拆除擋頭板，彎曲Φ10鋼筋卡套上止水帶的另一半，模注下一循環(huán)混凝土。澆筑二次襯砌混凝土?xí)r，加強混凝土振搗，排除止水帶底部氣泡和空隙，使止水帶和混凝土緊密結(jié)合。安裝后的止水帶如圖7所示。

2) 控制要點

(1) 止水帶的設(shè)置應(yīng)確保能夠平行于初期支護混凝土內(nèi)輪廓面，避免發(fā)生彎曲、傾覆等問題[14]。

(2) 埋設(shè)位置應(yīng)準(zhǔn)確，其中間空心圓環(huán)應(yīng)與變形縫重合，通常止水帶以施工縫或伸縮縫為中心兩邊對稱布設(shè)，要求止水帶偏離中心不能超過3 cm。

圖7 止水帶安裝

(3) 用角尺檢查止水帶與襯砌端頭模板是否正交，否則會降低止水帶的有效長度。

(4) 中埋式止水帶應(yīng)固定在擋頭模板上，先安裝一端，澆筑混凝土?xí)r另一端應(yīng)用箱型模板保護，固定時只能在止水帶的允許部位上穿孔打洞，不得損壞止水帶本體部分。

(5) 在澆搗靠近止水帶附近的混凝土?xí)r，應(yīng)嚴(yán)格控制澆搗的沖擊力，避免力量過大而刺破橡膠止水帶，同時還須充分震搗，確?；炷僚c橡膠止水帶緊密結(jié)合，施工中若發(fā)現(xiàn)有破裂現(xiàn)象，應(yīng)及時修補。

(6) 襯砌脫模后，若檢查發(fā)現(xiàn)施工中有走?，F(xiàn)象發(fā)生，致使止水帶偏離中心，則應(yīng)適當(dāng)鑿除或填補部分混凝土，對止水帶進行糾偏。

4 結(jié)束語

1) 優(yōu)化止水帶較傳統(tǒng)止水帶增加排導(dǎo)水功能，在高水壓環(huán)境下可通過排導(dǎo)水減小襯砌背后積水，提高隧道抗?jié)B能力。

2) 優(yōu)化止水帶較傳統(tǒng)止水帶，排水、防水效果優(yōu)良，設(shè)置一道防水即可滿足防水需求。

3) 該優(yōu)化止水帶應(yīng)用于隧道富水高水壓地段，有良好防排水能力，可供類似工程參考。