盾構(gòu)隧道滲漏水病害成因與防治現(xiàn)狀

代 顯 奇，王 軍，李 占 先，韓 健 勇，王 偉 偉，李 克 金

(1.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101； 2.中鐵十四局集團(tuán)建筑工程有限公司，山東 濟(jì)南 250014；3.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，隧道工程的規(guī)模不斷增大。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國目前已是世界上隧道建設(shè)與運(yùn)營里程最多的國家[1]，且盾構(gòu)法已經(jīng)成為隧道開挖的主要施工方法[2]，并且因其具備低擾動(dòng)、強(qiáng)適應(yīng)性和高質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于跨江越海通道工程中[3]。但隨著規(guī)模的增大和運(yùn)營時(shí)間的增長，隧道的病害問題日益凸顯，嚴(yán)重影響到了隧道的運(yùn)營安全和使用壽命。其中，隧道滲漏水是盾構(gòu)隧道中最為常見的病害。

針對(duì)盾構(gòu)隧道滲漏水病害，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究。劉德軍等[4]對(duì)上海地鐵1號(hào)線等4條線路開展了病害檢測(cè)，結(jié)果表明滲漏水、結(jié)構(gòu)損傷、結(jié)構(gòu)形變是被檢查線路存在的主要病害，滲漏水病害發(fā)生概率為結(jié)構(gòu)損傷病害的3～4倍；董飛等[5]統(tǒng)計(jì)分析了北京地鐵5號(hào)線等7條線路共計(jì)112.7 km的盾構(gòu)隧道區(qū)間，結(jié)果顯示滲漏水病害在全部病害中占比高達(dá)64.95%；林楠等[6]經(jīng)過長期的監(jiān)測(cè)和調(diào)研，將盾構(gòu)隧道常見病害歸納為滲漏水、結(jié)構(gòu)裂縫、隧道縱向沉降等；葉耀東等[7]通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與外觀狀況檢查，發(fā)現(xiàn)上海地鐵運(yùn)營隧道病害主要表現(xiàn)為滲漏水、隧道縱向沉降及管徑環(huán)向收斂變形等；Mair[8]通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，接縫、手孔等抗?jié)B能力較差的區(qū)域是隧道滲漏水的多發(fā)點(diǎn)。盾構(gòu)隧道滲漏水病害發(fā)生概率較大，且其他病害也多由滲漏水病害直接或間接引起。

在工程滲漏水病害監(jiān)測(cè)、調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，學(xué)者們提出了不同類型的盾構(gòu)隧道滲漏水理論模型。Reilly等[9]首次提出可以用均質(zhì)等效滲透體來模擬隧道的滲水問題，此方法一直沿用至今；Shin等[10]基于倫敦和首爾的土壤條件，提出了有限元襯砌滲透性建模方法，強(qiáng)調(diào)了襯砌滲透性和水力邊界條件的重要性，并研究了地下水運(yùn)動(dòng)對(duì)隧道變形數(shù)值預(yù)測(cè)的影響；鄭永來等[11]采用解析幾何方法研究了軟土地鐵隧道縱向不均勻沉降與管片接頭環(huán)縫張開量關(guān)系，結(jié)果表明不均勻沉降導(dǎo)致環(huán)縫張開，造成隧道滲漏水，繼而又造成隧道不均勻沉降；Wongsaroj等[12]通過分析倫敦圣詹姆斯公園盾構(gòu)隧道開挖后地面響應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)隧道在長期滲水條件下，周圍土體的運(yùn)動(dòng)機(jī)制由膨脹、固結(jié)、剛體運(yùn)動(dòng)3部分組成；黃宏偉等[13]以上海地鐵盾構(gòu)隧道為例，建立盾構(gòu)隧道滲流模型，分析結(jié)果表明隧道滲流越嚴(yán)重，地表沉降越大；劉印等[14]提出了一種既符合盾構(gòu)隧道橫向剛度要求又能模擬局部接頭滲水的計(jì)算方法，用來合理反映局部長期滲水對(duì)沉降及隧道變形造成的影響。

已有研究表明，盾構(gòu)隧道滲漏水病害極為普遍，嚴(yán)重影響地鐵的運(yùn)營安全和使用壽命。例如在廣州地鐵2，8號(hào)線延長線、上海4號(hào)線，以及國外蘇聯(lián)圣彼得堡地鐵1號(hào)線、荷蘭海牙電車隧道都發(fā)生過嚴(yán)重滲水漏砂事故，造成地表大量沉降，地面建筑損壞[15-18]。滲漏水病害會(huì)使隧道內(nèi)部環(huán)境潮濕，造成電網(wǎng)短路等事故，并且容易造成軌道濕滑，減小輪軌間的黏著力，影響地鐵運(yùn)營安全；潮濕環(huán)境還將加劇管線、軌道等部件的腐蝕損壞，嚴(yán)重縮短地鐵運(yùn)營設(shè)備的使用壽命。滲漏水時(shí)會(huì)裹挾周圍的土顆粒、泥砂，造成水土流失，使隧道產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致隧道接頭等薄弱部位損傷，并造成接縫張開、錯(cuò)臺(tái)擴(kuò)大，繼而引發(fā)更為嚴(yán)重的滲漏水，形成惡性循環(huán)。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在隧道運(yùn)營過程中的其他病害，如管片裂縫、不均勻沉降、拱頂沉降等，多由滲漏水直接或間接引起。

隨著盾構(gòu)隧道服役時(shí)間的增加，更多的滲漏水病害會(huì)暴露出來。另外，隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的完善，中國隧道建設(shè)步伐將放緩，可以預(yù)測(cè)隧道工程將由建設(shè)高潮期轉(zhuǎn)入運(yùn)營維護(hù)期，為此，盾構(gòu)隧道滲漏水防治更具有重要的研究意義。本文通過對(duì)現(xiàn)有調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行整理總結(jié)，分析了盾構(gòu)隧道滲漏水病害的滲漏特征與成因，總結(jié)了盾構(gòu)隧道主要的防水措施，歸納了常用的滲漏水病害的治理方法，以期為盾構(gòu)隧道滲漏水病害的防治提供一定參考。

1 盾構(gòu)隧道滲漏水特征及成因分析

1.1 盾構(gòu)隧道滲漏水特征

根據(jù)盾構(gòu)隧道滲漏水病害滲流量不同，一般將滲漏水類型分為濕跡、滲水、滴漏、漏泥砂。滲漏水類型劃分見表1[19]。

表1 滲漏水分類及定義

盾構(gòu)隧道常見的滲漏水位置主要有管片接縫滲漏、管片裂縫滲漏、螺栓孔滲漏以及注漿孔滲漏等[20-25]?，F(xiàn)將文獻(xiàn)中盾構(gòu)滲漏水病害相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，滲漏水類型及滲漏水位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見圖1～2。

圖1 盾構(gòu)隧道滲漏水類型調(diào)研結(jié)果

由圖1可知：滲水病害在4類病害中最為常見，在滲漏水類型中占比約50%～80%；其次是濕漬，滴漏病害相對(duì)較少。漏泥砂病害雖極少發(fā)生，但對(duì)隧道安全危害較大，因?yàn)槠錆B漏量較大，滲漏時(shí)容易裹挾管片壁后的土顆粒、泥砂等，使周圍環(huán)境產(chǎn)生較大的水土流失，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致管片壁后空洞，使襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2為不同地鐵盾構(gòu)隧道滲漏病害位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其中盾構(gòu)隧道中最為常見的滲漏位置為管片接縫處，占比約80%～90%，且以環(huán)縫滲漏最為普遍。螺栓孔與注漿孔滲漏水發(fā)生相對(duì)較少，且螺栓孔滲漏水是由接縫滲漏水間接導(dǎo)致的。管片裂縫滲漏水發(fā)生最少。因此管片接縫防水應(yīng)為盾構(gòu)隧道防水的重點(diǎn)。圖3為上海盾構(gòu)隧道部分滲漏水位置[22]。

圖2 滲漏水位置調(diào)研結(jié)果

圖3 盾構(gòu)隧道滲漏水位置

1.2 盾構(gòu)隧道滲漏水成因分析

盾構(gòu)隧道滲漏水病害成因復(fù)雜多樣，受多種因素共同影響，治理前應(yīng)先將滲漏水成因調(diào)查清楚。圖4為現(xiàn)有調(diào)查數(shù)據(jù)中部分盾構(gòu)隧道滲漏水成因的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[25-31]。根據(jù)圖4統(tǒng)計(jì)結(jié)果，盾構(gòu)隧道滲漏水病害發(fā)生時(shí)間可分為施工期間和運(yùn)營期間兩個(gè)階段。其中施工期間的病害成因?yàn)橹骺匾蛩兀芷囱b質(zhì)量、管片的制作養(yǎng)護(hù)質(zhì)量以及螺栓施工質(zhì)量這3點(diǎn)成因的占比就達(dá)50%以上。管片的拼裝質(zhì)量占比達(dá)25%，是影響盾構(gòu)隧道縱縫及環(huán)縫防水性能的關(guān)鍵因素。因此，拼裝質(zhì)量升高可使接縫處密封止水條壓緊密實(shí)，也可減小在運(yùn)營期間因沉降變形而造成的接縫張開。

圖4 部分盾構(gòu)隧道滲漏水成因

盾構(gòu)隧道施工期間造成滲漏水的主要原因有：① 管片拼裝質(zhì)量差，接縫處密封止水墊未壓緊；② 管片在運(yùn)輸和拼裝過程中造成損壞，缺邊掉角；③ 螺栓孔處施工不佳，未墊螺栓孔密封圈；④ 二次注漿后孔內(nèi)未填實(shí)；⑤ 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不佳，盾尾間隙局部過小，管片拼裝質(zhì)量差；⑥ 千斤頂推力過大或管片受力不均，造成管片損壞；⑦ 同步注漿量不足，注漿材料性能不佳，管片壁后間隙充填不密實(shí)。

運(yùn)營期間的主要原因有：① 隧道運(yùn)營循環(huán)荷載、同步注漿量不足等原因?qū)е滤淼喇a(chǎn)生不均勻沉降，錯(cuò)臺(tái)擴(kuò)大，接縫張開，密封止水條壓緊效果削弱；② 密封止水條在運(yùn)營期間會(huì)產(chǎn)生老化、蠕變及應(yīng)力松弛等現(xiàn)象，止水能力下降；③ 地下環(huán)境的長期腐蝕使密封防水部件失效。

結(jié)合圖2、圖4調(diào)查結(jié)果，對(duì)盾構(gòu)隧道滲漏水病害滲漏特征及成因分析可知，盾構(gòu)隧道滲漏水病害有多種滲漏形式，以管片接縫滲漏為主。而造成接縫處滲漏的原因多樣，其中管片的拼裝質(zhì)量、管片的制作養(yǎng)護(hù)質(zhì)量、同步注漿效果、地基沉降變形、隧道縱向變形、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不佳等因素都可直接或間接導(dǎo)致接縫處滲漏水，這些因素的總占比高達(dá)75%。因此，影響盾構(gòu)隧道防水性能的關(guān)鍵因素為控制接縫處張開量的大小?？刂平涌p的張開量應(yīng)從施工質(zhì)量及運(yùn)營階段變形情況等因素綜合考慮。

2 盾構(gòu)隧道常用的防水措施

盾構(gòu)隧道滲漏水防治應(yīng)遵循“以防為主，以堵為輔，多道防線，綜合治理”的原則，防水是根本，堵漏是補(bǔ)救。提高盾構(gòu)隧道的防水性能，可以減少滲漏水病害對(duì)隧道結(jié)構(gòu)其他方面的損傷，減少維修養(yǎng)護(hù)成本，提高使用年限。盾構(gòu)隧道的防水系統(tǒng)由管片結(jié)構(gòu)自防水、接縫防水、管片結(jié)構(gòu)外防水等多道措施構(gòu)成?；炷凉芷陨砭哂休^強(qiáng)的防水性，所以接縫防水是盾構(gòu)隧道防水系統(tǒng)的重中之重。

2.1 盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)自防水

管片結(jié)構(gòu)自防水是盾構(gòu)隧道防水的基礎(chǔ)，關(guān)鍵在于提高管片預(yù)制精度及管片抗?jié)B性能。

2.1.1管模精度

提高管片預(yù)制精度，可保障隧道防水要求，滿足結(jié)構(gòu)受力避免其他病害。管片質(zhì)量檢驗(yàn)允許偏差如表2所列[32]。

表2 管片質(zhì)量檢驗(yàn)允許偏差

2.1.2管片混凝土

管片混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)不低于C50，抗?jié)B等級(jí)應(yīng)符合工程設(shè)計(jì)要求。管片混凝土應(yīng)滿足以下幾項(xiàng)要求[33]：① 水泥標(biāo)號(hào)不宜小于42.5級(jí)；② 細(xì)集料宜采用非堿活性中粗砂，細(xì)度模數(shù)為2.3～3.3；③ 粗集料宜采用非堿活性碎石或卵石，其最大粒徑不宜大于31.5 mm；④ 嚴(yán)禁使用氯鹽類外加劑或其他對(duì)鋼筋有腐蝕作用的外加劑。

管片制作時(shí)，應(yīng)按照要求嚴(yán)格控制水灰比、養(yǎng)護(hù)條件、脫模時(shí)間、溫度應(yīng)力等方面。在堆放、運(yùn)輸過程中應(yīng)避免管片損壞，在進(jìn)場(chǎng)前進(jìn)行嚴(yán)格的檢查驗(yàn)收。

2.2 管片接縫防水

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析可知，管片接縫處滲漏水問題最為嚴(yán)重，因此盾構(gòu)隧道防水系統(tǒng)的核心措施是管片接縫防水，主要有密封墊防水、嵌縫防水。

2.2.1密封墊防水

密封墊防水是通過在管片預(yù)制溝槽內(nèi)粘貼橡膠止水條來發(fā)揮作用，其關(guān)鍵點(diǎn)在于密封防水材料的選擇。圖5為管片密封墊粘貼[32]。

圖5 密封墊粘貼示意

常見的密封墊類型包括由三元乙丙(EPDM)與氯丁橡膠等硬質(zhì)橡膠制得的彈性密封型和由遇水膨脹的樹脂與合成橡膠混合而成的遇水膨脹型。彈性密封墊利用壓縮彈性力止水，遇水膨脹型密封墊利用與水接觸后發(fā)生膨脹的特性，使密封墊充填管片接縫間隙，并與管片緊密擠壓，從而密封防水[34]。圖6統(tǒng)計(jì)了部分隧道的接縫形式[29-32，35-40]。

圖6 部分盾構(gòu)隧道接縫形式

通過調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，在海底隧道、越江隧道中多采用以彈性橡膠密封墊為主，輔以遇水膨脹止水條2道防線的形式(見圖7)，占比在58%左右，其在較高水壓條件下，可以有效提高接縫防水的可靠性。同時(shí)，將遇水膨脹橡膠條設(shè)置在彈性密封墊外側(cè)，可避免泥砂進(jìn)入兩道相壓的彈性密封墊之間，使之產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致接縫防水效果減弱。

圖7 彈性橡膠密封墊與遇水膨脹橡膠條雙道防線

采用單道彈性橡膠密封墊防水也是較為常見的形式，其要求管片拼裝質(zhì)量良好，運(yùn)營期間管片接縫變形小，止水帶膨脹足以補(bǔ)償接縫的變形。

2.2.2嵌縫防水

嵌縫防水是通過在管片的內(nèi)弧面設(shè)置嵌縫槽，將嵌縫材料在槽內(nèi)嵌填密實(shí)，從而密封防水。對(duì)于嵌縫材料，應(yīng)采用容易填密、操作簡單、不受初始縫形狀影響、具有良好的不透水性、粘結(jié)性、耐久性、延伸性和抗下墜性、基面潮濕或輕度滲漏均可作業(yè)的材料。目前采用的嵌縫填料有水泥、環(huán)氧樹脂、聚氨脂、石棉化合物等。

2.3 管片結(jié)構(gòu)外防水

2.3.1同步注漿防水

盾構(gòu)隧道施工時(shí)，管片外與開挖面土體存在間隙。按照一定的注漿壓力和注漿量將快硬早強(qiáng)的注漿材料注入間隙中，使其充填密實(shí)，在管片外弧面形成隔水層，達(dá)到防水防滲的目的，并且減少土體損失，控制地面沉降。

2.3.2管片外弧面涂刷外防水涂料

當(dāng)?shù)叵滤星治g性及管片表面有明顯裂紋時(shí)，應(yīng)在管片外弧面涂刷防水涂料。防水涂層應(yīng)滿足以下幾項(xiàng)要求：① 涂層應(yīng)具有較好的防水、防腐、耐久性能；② 涂層耐磨性好，在盾尾密封鋼絲刷與鋼板的擠壓摩擦下不損壞；③ 涂層應(yīng)具有防迷流的功能，其體積電阻率、表面電阻率要高[41]。

3 盾構(gòu)隧道滲漏水治理方法

隧道發(fā)生滲漏水病害后，應(yīng)及時(shí)采取控制措施，遏制大規(guī)模滲漏水，減少由此導(dǎo)致的損害。滲漏水病害的治理應(yīng)按照“以堵為主，堵、防、排結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則進(jìn)行。目前，盾構(gòu)隧道滲漏水病害的治理方法以化學(xué)注漿封堵為主。盾構(gòu)隧道滲漏水病害治理時(shí)，應(yīng)綜合考慮滲漏水的類型、位置、成因、狀態(tài)、地質(zhì)條件等因素，采取針對(duì)性的治理方法。

3.1 管片壁后注漿堵漏

對(duì)于有大面積縱環(huán)縫滲漏的部位，利用已有注漿孔或新設(shè)注漿孔，將單液漿或雙液漿注入管片外壁迎水面。壁后注漿能夠在迎水面形成有效隔水層，阻斷或大幅增加滲漏水路徑，阻止外部水源通過張開的接縫侵入管片內(nèi)部，進(jìn)而從根本上消除或減輕滲漏水。壁后注漿也可對(duì)隧道沉降做有效治理。注漿前應(yīng)先確定堵漏范圍，宜在滲漏部位外擴(kuò)2～3環(huán)，以確保注漿效果。由于與迎水面直接接觸，需考慮注漿材料耐久性的問題。常用的壁后注漿材料有水泥水玻璃雙液漿、聚氨酯液漿、丙烯酸鹽溶液。

3.2 管片壁內(nèi)注漿堵漏

在壁后注漿后，隧道內(nèi)仍存在小范圍局部的滲漏水，可采用壁內(nèi)注漿的方式堵漏。利用化學(xué)漿液充填接縫，延長滲漏水路徑。壁內(nèi)接縫注漿不能從根本上消除滲漏水，但可有效減少或減緩滲漏水。水壓較小的部位可采用直接堵塞法，水壓較大的部位可采用抽管引水堵漏法。打孔方式有斜孔注漿方式、騎縫注漿方式[42]。常用的壁內(nèi)注漿材料有聚氨酯液漿、彈性環(huán)氧樹脂液漿。

3.3 管片接縫嵌縫封堵

在拱頂85°范圍內(nèi)，采用彈性密封條作為嵌縫的主填塞材料。密封條橫斷面尺寸需略大于嵌縫槽尺寸，使密封條在嵌入槽內(nèi)后，利用其本身的彈性復(fù)原力與混凝土嵌縫槽緊密貼合產(chǎn)生接觸應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)密封防水[30]。

隧道運(yùn)營期間整治滲漏水病害存在工序復(fù)雜、施工時(shí)間緊等難點(diǎn)。因此滲漏水病害的治理應(yīng)及時(shí)有效，標(biāo)本兼治。在發(fā)現(xiàn)滲漏水時(shí)，需采取快速處置措施，及時(shí)抑制滲漏水，避免發(fā)生危險(xiǎn)，減少損失。日后應(yīng)盡快排查滲漏位置，調(diào)查滲漏原因，再對(duì)滲漏點(diǎn)全面封堵，徹底解決滲漏水病害，延長盾構(gòu)隧道使用壽命。目前盾構(gòu)隧道滲漏水注漿治理多采用化學(xué)類漿液，其凝膠時(shí)間可控、流動(dòng)度大、可注性好，但多存在毒性，且造價(jià)較高。各類漿液的注漿工藝仍待開發(fā)，對(duì)注漿效果、各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)也缺乏全面、有效的手段[43]。因此，在注漿材料和注漿工藝方面仍需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

盾構(gòu)隧道滲漏水的防治應(yīng)從防水設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量出發(fā)，注重預(yù)防，減小誤差，控制運(yùn)營期地基不均勻沉降及構(gòu)件老化問題，通過多種措施綜合治理。

(1) 盾構(gòu)隧道滲漏水病害類型以滲水為主，占比約50%～80%。在滲漏水位置方面，管片接縫是最主要的滲漏位置，占比高達(dá)80%～90%，且以環(huán)縫滲漏最為普遍，應(yīng)為盾構(gòu)隧道的防水重點(diǎn)。滲漏水成因復(fù)雜多樣，主要因素為施工期間的施工質(zhì)量不佳、運(yùn)營期間的地基不均勻沉降及構(gòu)件老化，因此應(yīng)嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，重視隧道運(yùn)營維護(hù)。

(2) 盾構(gòu)隧道的防水系統(tǒng)可歸納為管片結(jié)構(gòu)自防水、管片接縫防水、管片結(jié)構(gòu)外防水。管片結(jié)構(gòu)自防水是盾構(gòu)隧道防水系統(tǒng)的基礎(chǔ)，管片接縫防水是核心措施，其關(guān)鍵點(diǎn)為密封墊材料的選擇。在海底隧道、越江隧道等水壓較大的隧道中，多采用以彈性密封墊為主，遇水膨脹止水條為輔的兩道防線的形式，可有效提高防水可靠性。采用單道彈性密封墊形式也較為常見，其對(duì)管片拼裝質(zhì)量及接縫變形要求較高。

(3) 盾構(gòu)隧道滲漏水病害治理的常用方法有管片壁后注漿、壁前注漿、接縫嵌縫封堵，其中管片壁后注漿為主要措施，其治理效果明顯。滲漏水治理時(shí)需注意各項(xiàng)要點(diǎn)，選擇合適的注漿材料?，F(xiàn)多采用化學(xué)漿液注漿，其在環(huán)保與造價(jià)等方面仍存在不足，且各類漿液的注漿工藝仍待開發(fā)。因此在注漿材料和注漿工藝方面仍需進(jìn)一步研究。