超大跨度隧道結構防排水設計與施工技術研究

王 星，賀維國，費曼利，宋超業(yè)

(1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308；2.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

隧道工程的防排水材料及工藝技術是決定防排水效果的關鍵因素[1]。對如何提高隧道防排水質量和技術改進一直是國內外學者不斷研究的課題。20世紀70年代以來，隨著地下工程技術的不斷發(fā)展和工程實踐的摸索總結，國內隧道防排水技術雖取得了十足的進步，但也暴露出了不少問題和隱患[2]，而且相關規(guī)范或標準多局限于跨度小于30 m的常規(guī)或較大跨隧道。

從目前研究現狀看,國內隧道防排水技術主要遵循“防、排、截、堵相結合，剛柔相濟，因地制宜，綜合治理”的原則[2-3]。文獻[4]通過對2002年以來已運營的5 700多座鐵路隧道的調查統(tǒng)計，得出約1 620座隧道存在較為嚴重的滲漏水病害; 文獻[5-7]通過對傳統(tǒng)防排水技術與實踐的研究和歸納，指出了傳統(tǒng)技術的諸多缺陷，如防水板接縫多，焊縫質量差，防水材料耐老化性能差，材料延展性不夠，防水板易被基面凸起或鋼筋頭刺穿，防水板和后澆混凝土結合不密實、易竄水，隧道拱部混凝土灌注難以振搗導致二次襯砌密實度和抗?jié)B性差等，不僅給施工造成困擾，而且運營后常有結構滲漏水現象，在病害治理上付出了巨大代價。

隨著地下特殊功能需求，30 m以上超大跨度洞室在國內外開始修建，如京張鐵路八達嶺長城站渡線單洞跨度32.7 m，挪威格喬維克城滑冰場跨度61 m等[8]。由于類似超大跨度隧道的案例及文獻極少，缺乏成熟的防排水技術經驗，相關規(guī)范標準等基本處于空白，在工程實踐中給設計與施工帶來了極大挑戰(zhàn)。因此，針對30 m以上超大跨度或巨型隧道，尋找一種更快速有效的防排水工藝，既能提高施工工效，又能確保工程防水質量，已成為現階段亟需解決的問題。本文以某超大跨隧道工程為背景，對防排水新材料及新工藝技術進行探討研究，以期為類似工程提供借鑒。

1 超大跨度隧道結構特點及技術現狀

1.1 結構特點

本文所述超大跨度隧道指的是開挖跨度大于30 m的地下洞室。與常規(guī)隧道相比，該種大跨洞室通常具有橫向跨度超大、矢跨比小、凈空高、結構厚度大等特點。隧道修建時對施工方法的選擇、支護剛度、防排水等技術要求都很高，以保證隧道施工階段的安全性及后期運營階段的功能質量。

1.2 超大跨隧道技術現狀

目前國內外超大跨隧道應用較少，還沒有成熟的設計理論和規(guī)范標準，其開挖支護、防排水體系、機械化配套等方面的關鍵技術能借鑒的經驗非常有限，還處于探索階段。

根據研究資料，超大跨隧道錨噴支護及二次襯砌結構均需要滿足較大的支護剛度。隨著纖維混凝土技術應用的越來越成熟，錨噴初期支護層以鋼纖維或其他高性能纖維混凝土為主要設計經驗，以提高超大跨度、小矢跨比等不利條件下隧道柔性支護體系的強度、剛度和穩(wěn)定性。

1.3 防水材料及工藝技術的創(chuàng)新需求和噴膜防水技術現狀

1.3.1 防水材料及工藝技術的創(chuàng)新需求

超大跨度隧道結構自身特點給隧道的防排水設計與施工帶來了新的技術難度和挑戰(zhàn)，如防水層鋪設難度極大、易掉落、防水板接縫更多、焊接更困難、容易被刺穿、施工工效低、滲漏后難以維修等，而且造價成本高，顯然傳統(tǒng)常規(guī)隧道的防排水工藝在超大跨隧道結構中難以適用。因此，超大跨隧道對防水材料選擇、防排水體系、實操難度、工藝技術、質量效果、后期可維護性等方面的要求和標準更高，實踐中需進一步開拓思路和創(chuàng)新，以破解超大跨隧道防排水技術難題。

1.3.2 噴膜防水技術現狀

近些年來,隨著防水新材料的應用，國內外逐漸開始在隧道實踐中推廣噴膜防水新技術[9]。這種噴涂方式對隧道開挖基面凹凸起伏適應性強，復雜空間條件下施作靈活，噴涂后沒有接縫，防水整體性更好[10]。該技術在一定程度上能夠克服傳統(tǒng)塑料防水板在隧道應用中的一些不足,在國內一些隧道中也積累了成功經驗，如京張高鐵東花園隧道、港珠澳大橋沉管段、貴廣高鐵天平山隧道等[11-12]，都取得了不錯的效果。

2 超大跨度隧道新型防排水系統(tǒng)設計研究

2.1 依托工程概況

某山嶺隧道工程的開挖跨度B大于40 m，開挖高度H大于20 m，如圖1所示。圍巖級別為Ⅱ—Ⅲ級，隧道襯砌類型為排水型復合式襯砌結構，初期支護噴射層采用鋼纖維噴射混凝土，隧道每延米開挖面積超800 m2，為超大跨度隧道結構。

圖1 某超大跨度隧道示意圖

隧道結構設計防水等級為一級，即不允許漏水，結構表面無濕漬[13-14]。地下水類型主要為山體基巖裂隙水和構造帶脈狀裂隙水，洞身范圍存在多條不良地質構造破碎帶，且較為發(fā)育，全—強風化地層透水性較強，中—微風化地層為弱透水性。

2.2 防排水設計方案

綜合考慮超大跨隧道特點、新材料特性、施工工效、防水質量、防排設施的可維護性及維護難度等因素，本工程在實踐中對傳統(tǒng)工藝進行了改進創(chuàng)新，采用了一種“環(huán)縱導排系統(tǒng)+復合隔離防滲層+噴涂高彈性涂膜防水層+自密實混凝土防水結構”組合的新型防排水體系。具體設計方案如下。

2.2.1 導排系統(tǒng)設計

導排系統(tǒng)處于二次襯砌結構外側，緊貼初期支護錨噴層，如圖2所示。導排系統(tǒng)由環(huán)向排水盲管、縱向排水盲管、凹凸排水板帶、橫向泄水管、排水邊溝、檢查井等組成，將襯砌結構周圍地下滲漏水有規(guī)律地引流至排水溝，排水溝設計尺寸為500 mm×500 mm(寬×高)。通過導排系統(tǒng)，將襯砌周圍外部水壓進行釋放，從而減輕隧道二次襯砌結構及柔性防水層的脹水壓力，改善結構受力。

圖2 防排水體系組合示意圖

1)環(huán)縱盲管系統(tǒng)布置方式。環(huán)向排水盲管和環(huán)向凹凸排水板帶沿隧道拱墻環(huán)形鋪設，縱向排水盲管沿兩側邊墻底部鋪設。環(huán)向排水盲管縱向間距6 m；1.2 mm厚凹凸排水板寬度1.0 m，縱向間距6 m，與環(huán)向排水盲管呈間隔布置，如圖3所示。環(huán)向排水管采用DN75 mm雙壁打孔波紋管，管外包無紡布，采用專用卡條及暗釘固定在錨噴層基面。

圖3 導排系統(tǒng)組合平面示意圖

2)縱向盲管分段設計。為減小大體積混凝土澆筑水化熱影響,襯砌每6 m設置1道環(huán)向施工縫，每循環(huán)澆筑采用定制臺車一次性灌注；縱向排水盲管為DN110 mm雙壁打孔波紋管；縱向盲管分段設計，長度為9 m，盲管的兩端采用90°配套成品彎頭，與橫向泄水管連接后伸入二次襯砌排水邊溝內，考慮二次襯砌結構側墻較厚，采用直角彎頭可避免兩幅二次襯砌結構之間出現較寬的縱向排水盲區(qū)，如圖4所示。

圖4 縱向盲管分段示意圖

3)環(huán)縱盲管連接設計。環(huán)向盲管、縱向盲管、橫向泄水管采用3通或4通連接，如圖5和圖6所示。

圖5 3通接頭示意圖

圖6 4通接頭示意圖

4)排水系統(tǒng)可維護性設計。在盲管分段處設置可維護檢查井，沿隧道縱向每24 m設置1個，后期使用階段可定期采用高壓水槍進行沖洗檢查，確保排水通暢，可維護性高，操作便捷。

2.2.2 復合隔離防滲層設計

高彈性涂膜防水材料噴射過程中對基面的滲漏水、平整度及粗糙度等要求較高。超大跨度隧道初期支護完成后，鋼纖維毛刺較多，容易刺破防水層。針對基面滲漏水，在超大跨度條件下，通過預注漿手段實現完全無滲漏水狀態(tài)的難度極大。通過現場反復試驗，在較大潮濕面或有滲漏明水點基面上噴射涂膜時，噴膜層主液料膠凝固化前非常容易流失，難以保證防水質量。

考慮上述因素影響，超大跨度隧道防排設計中采用了一種柔性PE復合土工膜，布置于排水系統(tǒng)和噴膜層之間。該膜以土工織物為導水層，以高分子材料為防滲層，經壓延、熱熔涂敷而成；土工膜為兩布一膜組合結構，即由內外側土工織物中間夾一層高分子PE土工薄膜復合而成的不透水環(huán)保型材料，如圖7所示。其中，內層土工織物能保護涂膜不容易被圍巖凸起或鋼纖維刺穿，具有隔離保護作用；中間薄膜具有較好的防滲作用；外層土工織物因具有較大的摩擦力，能作為良好的基面與高彈性噴膜材料進行粘接。

圖7 PE復合土工膜示意圖

復合土工膜具有優(yōu)良的抗拉、抗撕裂、抗頂破等物理力學性能，有較強的力學承載和變形適應能力，還具有質量輕、造價低、易鋪設、延伸性能好、耐腐蝕、耐老化等其他優(yōu)點，其物理力學性能見表1。防排水設計中該膜除了具有隔離緩沖功能外，還能發(fā)揮其獨特的防滲功能，可兼做第1道防線，提高隧道防水質量。

表1 PE復合土工膜物理力學性能

2.2.3 柔性噴膜防水層設計

噴膜技術中防水材料為一種高彈性涂膜材料，其成膜機制是：由多種高分子組分溶液通過噴槍高速噴射混合后，引發(fā)物理化學反應，快速聚集成膜，固化后形成連續(xù)致密的高彈性防水涂層，如橡膠瀝青、丙烯酸鹽等。噴膜工藝能夠一次成型，無須搭接，整體性強，施工操作便捷靈活，工效高，防水質量容易保證，能夠更好地適用于超大跨度隧道空間結構。本工程采用的高彈涂膜防水層設計厚度為3 mm，具有良好的力學指標，如表2所示。

表2 噴膜層力學性能指標

2.2.3.1 涂膜層優(yōu)良特性

1)超強延展性。高彈性涂膜復原率達95%以上，能夠有效解決結構物因應力變形、膨脹開裂或連接不牢等造成的滲漏、銹蝕等問題。

2)卓越的附著性。可以依附在混凝土、土工布、鋼鐵、木材、金屬等多種材料表面，不起層，不剝離，不脫落，對基層起到良好的保護作用。

3)蠕變抗裂性強。通過自身柔性的蠕變，消除基層應力對防水層的影響,也不會因長期處于高應力作用下而加速老化。

4)自愈合性能好。高彈涂膜防水層局部出現微小裂紋或破損后，膠膜層可緩慢自愈，以消除膠膜層在裂紋處的內應力，堵住缺陷，防止“竄水”，提高防水可靠度。

5)施工快捷簡便性?？梢赃x擇人工或機械噴射施工，操作靈活，噴涂后5 s內即可成型，一次噴涂即可達到設計厚度。

6)具有較強的耐候性及耐老化性。

7)環(huán)保節(jié)能性。原料生產、噴涂和使用過程中均無毒無味，無污染，屬于節(jié)能環(huán)保材料。

2.2.3.2 噴涂防水層搭接加強設計

針對噴涂防水層搭接、隔離防滲層搭接區(qū)域均進行防水加強，先噴段與后噴段的搭接長度不小于150 mm，如圖8和圖9所示。

圖8 噴涂防水膜搭接示意圖

圖9 土工膜搭接噴涂防水示意圖

2.2.4 剛性防水層設計

超大跨隧道結構跨度大、洞室高，施工澆筑及振搗困難，拱部二次襯砌背后不密實，更容易出現脫空，而且屬于大體積、大水化熱混凝土澆筑。防水設計方案中采用自密實混凝土剛性防水，抗?jié)B等級不低于P8，有利于提高澆筑密實性，提高自身防水性能。

2.2.5 結構接縫防水設計

襯砌結構施工縫及變形縫等接縫部位進行噴涂防水加強，長度不小于600 mm；接縫處采取預埋注漿管或中埋可維護式注漿橡膠止水帶等措施，如接縫處滲漏水，便于后期進行注漿維護，提高結構接縫防水質量，如圖10和圖11所示。

圖10 襯砌施工縫防水構造示意圖(單位：mm)

圖11 襯砌變形縫防水構造示意圖(單位：mm)

3 超大跨度隧道新型防排水系統(tǒng)施工工藝及關鍵技術

3.1 施工工藝流程

超大跨度隧道結構防排水體系的施工工藝流程如圖12所示。

圖12 防排水施工工藝流程示意圖

3.2 施工關鍵技術

1)開挖爆破及初期支護層輪廓控制。①超大跨度隧道開挖過程中，遵循“豎向分層、橫向分倉、導洞先行，巖柱先撐后拆，及時支護，步步成環(huán)”的原則，化大斷面為小斷面。②爆破時采用大直徑中空孔直眼掏槽光爆技術，嚴控中空孔孔徑、首響孔與中空孔的水平及豎向間距，逐孔起爆時差及中空孔的布設位置等各爆破參數，通過微振動、小損傷精準控制每個工序小斷面開挖輪廓，實現超大跨度整體超欠挖控制。錨噴支護層輪廓盡量噴射平整，有利于復合土工膜的鋪設和控制噴膜涂層厚度，節(jié)約成本。

2)基面滲漏水治理。針對初期支護較大滲漏出水點先進行預注漿堵水，封閉圍巖裂隙通道，避免后期形成較大出水通道，也有利于限量排放控制。

3)復合土工膜搭接及檢查。應為兩布一膜復合土工結構，采用熱熔焊接，焊縫搭接寬度不小于15 cm，采用雙焊縫焊接工藝，并進行充氣檢查。

4)噴涂層作業(yè)順序。噴涂時應遵循以下原則：①噴涂作業(yè)時按照自下而上、先邊墻后拱頂的原則進行，最大限度減少上部回彈料對下部基面的污染；②同一作業(yè)面施工按先遠后近、先低后高、先細部后大面的順序。

5)噴膜層整體性控制。①超大跨度隧道噴膜防水屬于大面積噴涂施工，宜分區(qū)噴涂，600～900 m2為一分區(qū)單元，每單元施工時應連續(xù)噴涂至設計厚度。②噴涂工作流速宜為15 L/min，噴射壓力為1.5～2 MPa，通過泵體壓力閥及噴槍開關調節(jié)控制，防止液料流速過小導致噴涂層厚度不均勻，確保其整體性。③2次噴涂搭接長度大于150 mm，確保先后噴涂層的連續(xù)性。

6)噴膜層接頭清潔及保護控制。①噴涂分多區(qū)段時，下一區(qū)段噴射前，應對前一段噴涂防水層的接頭部位進行清洗，以保證其表面清潔。②加強成膜后成品保護，避免金屬鐵器等破壞損傷防水層。③仰拱噴膜防水層上澆筑50 mm厚細石混凝土保護層，防止鋼筋綁扎和焊接對防水層的破壞。

7)噴射方式及距離控制。①大面積噴涂時，考慮基面凹凸起伏、形狀不規(guī)則，存在低洼處、陰陽角等特殊部位較多，相比機械手噴射，采用人工手持噴槍進行噴涂，操作及移動更加靈活，能有效噴避免涂層出現露底、薄厚不均勻等質量缺陷，而且經濟成本更低。②噴槍與基面盡量保持垂直，且與基面的距離以40～60 cm為宜，應勻速交叉噴涂，控制成膜厚度，確保噴涂防水質量，如圖13所示。

圖13 高彈性涂膜防水層噴涂示意圖

8)噴涂試驗。主液應隨配隨用，每工作日正式噴涂前，先噴涂取樣，當涂層外觀質量達到要求后，方可開始大面積噴涂作業(yè)，確保噴涂施工質量。

9)自密實混凝土控制要求。超大跨度自密實混凝土結構屬于厚大體積混凝土澆筑工藝，施工中產生大量的水化熱，應選用低水化熱水泥，在保證設計強度下適當減低水灰比，采用預埋冷卻水管循環(huán)降溫工藝及時散熱，澆筑完成后應及時養(yǎng)護，嚴格控制混凝土的入倉溫度及內外溫差，避免混凝土干縮產生早期裂縫，形成結構滲漏水通道。

10)加強結構接縫防水處理，即變形縫、環(huán)向施工縫、縱向施工縫。嚴格控制接縫處的中埋式止水帶、注漿管、噴膜加強層等施工工藝及安裝精度，同時做好襯砌板幅之間的施工鑿毛及清洗工作，加強接縫處振搗，確保澆筑密實。

4 超大跨度隧道新型防排水系統(tǒng)應用效果

4.1 防排水實踐效果

1)從隧道施工實踐來看。一套噴膜專用設備僅需配置2～3人，即可在超大空間內展開高效施工；噴膜防水層能夠與復合隔離防滲層基面粘接在一起，連續(xù)性好，能有效地處理拱部凹凸起伏面、陰陽角等特殊部位，整體防水質量好。

2)從隧道運營階段看。經過雨季豐水期檢驗，襯砌背后環(huán)縱系統(tǒng)能夠順利將外部地下滲水引排至邊溝，泄水盲管多能實現滿管出水，排水通暢；二次襯砌結構內部無滲漏、無濕漬現象，說明噴膜防水效果良好，能夠滿足一級防水要求。

4.2 經濟技術比較

通過與傳統(tǒng)工藝的經濟技術比較(見表3)，該新型防排水體系中噴膜技術具有較為明顯的優(yōu)勢，但綜合造價要高于常規(guī)隧道，施工成本稍高。

表3 噴膜技術與傳統(tǒng)工藝經濟技術比較

5 結論與建議

本文針對超大跨隧道防排水施工技術難題，通過研究超大跨自身特點及防水新材料特性，提出了“環(huán)縱導排系統(tǒng)+復合土工膜+噴涂高彈性涂膜防水層+自密實防水混凝土+接縫防水”組合的新型防排水系統(tǒng)，并成功進行了應用。

1)該防排水體系能夠適用于超大跨度隧道結構，施工安全可靠，工效較高，防水效果優(yōu)良。

2)該防排水體系可以較好地解決超大跨空間條件下防水層鋪設難度大、易掉落、易被刺穿、接縫多、焊接難、可維護性差等諸多技術難題。

3)該防排水技術與傳統(tǒng)的工藝技術相比，對隧道開挖基面的適應性更強，綜合性能優(yōu)勢明顯，但工程造價偏高，噴涂施工對作業(yè)隊伍的專業(yè)技術要求較高。

4)鑒于國內外對于超大跨隧道洞室防排水技術研究較少，目前還屬于一個嶄新的課題。本文探討的技術在后續(xù)工程應用中仍需要不斷總結、積累經驗教訓，以便完善超大跨隧道領域的防排水設計及施工技術，促進相關領域的發(fā)展。