獨(dú)墅湖明挖市政隧道主體結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)與選材

劉雄，雷鳴

（中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131）

0 前言

為服務(wù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及滿足城市化進(jìn)程的需求，我國隧道建設(shè)的速度不斷加快，穿江越河跨海等水下隧道工程越來越多[1]?！笆砭怕弊阋哉f明隧道滲漏水和萌生裂紋是隧道工程的通病，如不及時(shí)制止，將極大影響隧道工程的安全運(yùn)行和服役壽命[2-4]。為了減少或者杜絕隧道滲漏水和裂縫的產(chǎn)生，必須對隧道工程進(jìn)行滲漏和裂縫預(yù)防處理。不同于一般隧道工程，湖底隧道長期服役于水下環(huán)境，因此，更應(yīng)該把湖底隧道的防水設(shè)計(jì)置于重點(diǎn)位置，不能僅僅針對施工縫、變形縫等特殊部位，而應(yīng)對于整體工程進(jìn)行防水設(shè)計(jì)[4]。

水下隧道常采用沉管施工工藝，因此，水下隧道也被稱為沉管隧道[5-6]，但沉管隧道接縫處的防水施工工藝復(fù)雜，容易增加施工成本。此外，沉管的不均勻沉降對于隧道的運(yùn)行安全影響非常大[5]。為了增加水下隧道的結(jié)構(gòu)整體性，盾構(gòu)法施工工藝也常用于水下隧道施工[7-10]。然而，沉管法適用于水深區(qū)，獨(dú)墅湖常年平均水位1.174 m，不適合沉管作業(yè)。盾構(gòu)法一般適用于斷面較小的隧道工程，對于六車道工程體量,盾構(gòu)斷面超常規(guī)，并且盾構(gòu)機(jī)的定制和采購增加工程成本和工程周期。因此經(jīng)過實(shí)地勘測論證和分析，獨(dú)墅湖隧道最終選擇明挖法施工[11]。

混凝土材料是實(shí)現(xiàn)明挖隧道混凝土結(jié)構(gòu)自防水的材料關(guān)鍵，甄選防水效果好的混凝土材料是保障混凝土結(jié)構(gòu)自防水能力的技術(shù)核心。防水材料是提高明挖隧道防水能力的材料保證，是防止隧道滲水的第一道屏障。

本文以獨(dú)墅湖工程實(shí)例為背景，從混凝土工程自防水設(shè)計(jì)和防水材料選擇進(jìn)行研究，并制定嚴(yán)格的施工質(zhì)量控制方案，最后，對獨(dú)墅湖明挖市政隧道的防水效果進(jìn)行評價(jià)。

1 工程概況

蘇州市獨(dú)墅湖隧道總長3.93 km，其中湖底隧道長約1.8 km。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件顯示，湖底段主體為雙向六車道明挖圍堰隧道，主體結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)度等級為C35、抗?jié)B等級為P8的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)總寬為30.2 m、凈高5.1 m、頂板厚1.1 m、側(cè)墻厚1.1 m、分隔帶寬3.9 m、標(biāo)準(zhǔn)段底板厚1.2 m、非標(biāo)準(zhǔn)段底板厚1.5 m。隧道下穿土質(zhì)分別為填土層、黏土層、粉砂層、砂性土。

2 獨(dú)墅湖隧道防水設(shè)計(jì)

獨(dú)墅湖隧道采用保證混凝土結(jié)構(gòu)自防水質(zhì)量、提高接縫防水水平和加強(qiáng)輔助防水監(jiān)督等多道防水防線的綜合治理體系，防水設(shè)計(jì)遵循以結(jié)構(gòu)自防水為主，外防水層為輔，接縫防水為重點(diǎn)，多道防水，綜合治理的原則。

2.1 隧道主體結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)

該湖底隧道以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自防水為主，襯砌結(jié)構(gòu)鋪設(shè)防水材料為輔。隧道主體結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 隧道主體結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)示意

2.2 重點(diǎn)部位構(gòu)造防水設(shè)計(jì)

為了提高隧道防水能力、保證隧道運(yùn)行安全和延長隧道服役周期，必須在圖1的防水設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對重點(diǎn)構(gòu)造部位進(jìn)行特殊的防水設(shè)計(jì)。本隧道的重點(diǎn)構(gòu)造部位包括敞開段、暗埋段、施工縫、變形縫、陰陽角、樁頭和坑槽等，其中施工縫和變形縫又因所處的位置不同而采取不同的防水構(gòu)造設(shè)計(jì)。因此本文將重點(diǎn)介紹側(cè)墻縱向水平施工縫構(gòu)造防水、頂板橫向垂直施工縫構(gòu)造防水和頂板變形縫構(gòu)造防水設(shè)計(jì)。

2.2.1 側(cè)墻縱向水平施工縫構(gòu)造防水設(shè)計(jì)

施工縫形成于先、后澆筑成型混凝土之間的結(jié)合面，是一種“虛縫”。側(cè)墻高度較高，不能一次澆筑到設(shè)計(jì)標(biāo)高，因而采取水平方向分段澆筑的施工技術(shù)，所形成的先、后澆筑混凝土成型面就是縱向水平施工縫。

本工程的縱向水平施工縫可分為垂直支護(hù)段施工縫和放坡段施工縫。由于2種施工縫所處的位置和起到的作用不同，采用不同構(gòu)造防水設(shè)計(jì)。縱向水平施工縫的防水構(gòu)造設(shè)計(jì)見圖2。首先，在施工縫處涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，涂料中的活性化學(xué)物質(zhì)向混凝土內(nèi)部滲透并發(fā)生反應(yīng)，生成的結(jié)晶沉淀物堵塞孔隙、修復(fù)裂縫，進(jìn)而提高混凝土的防水性能[12]。然后再涂抹遇水膨脹止水膠，滲水時(shí)遇水膨脹止水膠會發(fā)生自身膨脹，進(jìn)而填充空隙。水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料和遇水膨脹止水膠是通過修復(fù)裂縫來提高混凝土的抗?jié)B能力。另外，為提高施工縫處的防滲能力，還應(yīng)在施工縫處鋪設(shè)一定寬度的鍍鋅鋼板止水帶，用以阻止外部壓力水滲入混凝土內(nèi)部。

圖2 側(cè)墻縱向水平施工縫構(gòu)造防水設(shè)計(jì)

2.2.2 頂板橫向垂直施工縫構(gòu)造防水設(shè)計(jì)（見圖3）

圖3 頂板橫向垂直施工縫構(gòu)造防水設(shè)計(jì)

從圖3可以看出，頂板橫向垂直施工縫構(gòu)造防水與側(cè)墻水平縱向施工縫構(gòu)造防水設(shè)計(jì)大致相同，比較顯著的不同點(diǎn)是在頂板的橫向垂直施工縫部位利用中埋式橡膠止水帶替代鍍鋅鋼板止水帶。這是由于側(cè)墻承受回填土和水流的沖擊力，需用鋼板止水帶提高施工縫處混凝土的抗變形能力。但對于頂板施工縫而言，則是利用中埋式橡膠止水帶優(yōu)異的彈性和變形能力防止頂板的滲漏水，并起到減震作用。

2.2.3 頂板變形縫構(gòu)造防水設(shè)計(jì)

變形縫是有效阻止隧道構(gòu)筑物在外界因素作用下發(fā)生變形、開裂甚至破壞的構(gòu)造縫。頂板變形縫構(gòu)造防水設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 頂板變形縫構(gòu)造防水設(shè)計(jì)

對比圖2、圖3、圖4可以看出，變形縫的構(gòu)造防水設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比施工縫的構(gòu)造防水設(shè)計(jì)復(fù)雜。這是由于變形縫是實(shí)際存在的縫，如果不對變形縫做構(gòu)造防水處理，外界水就會毫無阻礙地流入隧道內(nèi)部，極大影響隧道的運(yùn)行安全。施工縫中使用的水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料和遇水膨脹止水膠并沒有在變形縫構(gòu)造防水設(shè)計(jì)中采用，是因?yàn)樗嗷鶟B透結(jié)晶型防水涂料和遇水膨脹止水膠所修復(fù)的裂縫都是微裂縫，對于變形縫級別的裂縫幾乎沒有修復(fù)效果。

圖4顯示變形縫構(gòu)造設(shè)計(jì)中最先埋設(shè)的是變形縫接水盒，一方面，起到儲存滲水的作用；另一方面，防止?jié)B水外溢，接水盒可以認(rèn)為是保證隧道工程具有一定防水能力的最后一道防線。此外，變形縫的構(gòu)造防水設(shè)計(jì)中分別選用了高彈性模量聚氨酯和低彈性模量聚氨酯2種密封膠。高模量聚氨酯密封膠除了起到防水作用之外，還起到防止變形縫大幅度變形的目的；低模量聚氨酯則是為適應(yīng)各類防水材料的變形特點(diǎn)。很多工程實(shí)踐表明，變形縫的構(gòu)造防水設(shè)計(jì)再健全，也無法完全杜絕變形縫滲水現(xiàn)象的發(fā)生，因此，為后期滲水的治理，在變形縫的兩邊埋設(shè)預(yù)埋式注漿管。

3 防水材料的選擇原則

為提高隧道的自防水和抗開裂能力，必須嚴(yán)格把控混凝土本身的質(zhì)量，在保證混凝土抗?jié)B等級和強(qiáng)度等級的基礎(chǔ)上，在隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土中摻加1%體積比的聚丙烯纖維以提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能。聚丙烯纖維的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見表1，主體結(jié)構(gòu)混凝土的配合比如表2所示。水泥：P·O42.5；粉煤灰：F級，蘇州華望新型建材有限公司；礦粉：S95，安徽長江精細(xì)硅粉有限責(zé)任公司；碎石：粒徑5~25 mm，浙江湖州；砂：長江中砂；外加劑：JB-2型高效減水劑，蘇州金源。

表1 聚丙烯纖維技術(shù)指標(biāo)

表2 主體結(jié)構(gòu)混凝土配合比 kg/m3

不同部位使用的防水材料類型應(yīng)有所不同。例如，隧道頂板依次鋪設(shè)非固化橡膠瀝青防水涂料、自粘聚合物改性瀝青防水卷材、無紡布和C20細(xì)石混凝土保護(hù)層；隧道底板則依次鋪設(shè)高分子防水卷材、C20素混凝土墊層和夯實(shí)素土；側(cè)墻依次鋪設(shè)非固化橡膠瀝青防水涂料、自粘聚合物改性瀝青防水卷材和發(fā)泡聚乙烯板保護(hù)層。另外，在選用鋼板止水帶時(shí)，應(yīng)在鋼板止水帶表面鍍鋅。鍍鋅可防止鋼板在混凝土內(nèi)部發(fā)生堿性銹蝕，鋅層生成的氧化鋅可充當(dāng)鈍化層，防止止水鋼板在服役期間發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

4 獨(dú)墅湖隧道防水施工質(zhì)量控制

影響隧道工程防滲能力的因素除了混凝土本身質(zhì)量、構(gòu)造防水設(shè)計(jì)之外，還有隧道的施工工藝。施工工藝不僅影響混凝土本身的質(zhì)量還會影響構(gòu)造防水的作用效果。不規(guī)范的施工工藝會引起混凝土質(zhì)量缺陷，諸如增大混凝土內(nèi)部孔隙率，使混凝土發(fā)生不均勻性收縮并產(chǎn)生裂縫，使混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻。這些質(zhì)量缺陷均會誘導(dǎo)混凝土自身產(chǎn)生裂縫，增加滲漏的風(fēng)險(xiǎn)?；炷翗?gòu)造防水不規(guī)范施工工藝不僅會降低防水材料的防水效果，還可能影響混凝土自身的質(zhì)量。因此，必須嚴(yán)格制定混凝土施工和構(gòu)造防水施工專項(xiàng)預(yù)案。

4.1 獨(dú)墅湖隧道混凝土施工質(zhì)量控制

混凝土施工工藝的選擇應(yīng)該根據(jù)具體的工程特點(diǎn)，而本項(xiàng)目的最大工程特點(diǎn)就是大體積混凝土施工?？蓺w納如下幾點(diǎn)：

（1）單次澆筑體積較大，混凝土澆筑后水化熱量大，形成較大的內(nèi)外溫差，容易在混凝土表面產(chǎn)生溫變裂紋。

（2）混凝土養(yǎng)護(hù)手段不適當(dāng)，容易在后期出現(xiàn)干縮裂縫。

（3）混凝土澆筑時(shí)間長，難以保證連續(xù)施工，很容易導(dǎo)致施工冷縫。

基于大體積纖維混凝土體積量大、放熱量高以及易受溫度收縮影響的顯著特點(diǎn)，所采用的施工工藝除符合普通混凝土工程的技術(shù)指標(biāo)要求外，還應(yīng)符合如下技術(shù)指標(biāo)：

（1）原材料：通過使用低水化熱的普通硅酸鹽水泥控制纖維混凝土溫度，確保使用水泥在攪拌站的入機(jī)溫度不超過60℃。使用非堿活性骨料，并確保骨料級配良好。粉煤灰、礦粉、外加劑的選用和摻量應(yīng)參照相應(yīng)規(guī)范執(zhí)行。

（2）配合比設(shè)計(jì)：砂率宜為35%~40%，泵送時(shí)可增加至45%，灰砂比控制在1∶1.5~1∶2.5，入泵混凝土坍落度控制在120~160 mm，坍落度損失不超過20 mm/h，且坍落度總損失不超過40 mm，預(yù)拌混凝土的初凝時(shí)間控制在6~8 h。

（3）混凝土澆筑：由于獨(dú)墅湖隧道工程體量大，隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土施工應(yīng)堅(jiān)持多階段施工原則，堅(jiān)持豎向分層、水平分段、逐層由下往上平行順筑的施工順序?；炷翝仓疽庖妶D5。此外，混凝土澆筑過程中采用二次振搗工藝。

圖5 混凝土澆筑示意

（4）混凝土養(yǎng)護(hù)：采取保溫養(yǎng)護(hù)并實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土內(nèi)外部溫度差，分層拆模，混凝土內(nèi)部溫度和環(huán)境溫度差小于25℃時(shí)方可完全拆模。

4.2 獨(dú)墅湖隧道構(gòu)造防水施工質(zhì)量控制

構(gòu)造防水施工質(zhì)量控制主要包括接縫防水施工質(zhì)量控制和防水卷材施工質(zhì)量控制。兩者相互作用，相互影響，共同提高獨(dú)墅湖隧道的抗?jié)B能力。

4.2.1 接縫防水施工質(zhì)量控制

為了控制接縫防水施工質(zhì)量，所有接縫處的防水施工必須按圖施工，不能擅自更改設(shè)計(jì)圖紙。

在施工縫防水施工前，應(yīng)確保施工縫處新舊混凝土結(jié)合面整潔、無雜物，然后按圖涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，并及時(shí)澆筑纖維混凝土。待后澆筑混凝土凝結(jié)硬化后及時(shí)在施工縫表面密貼遇水膨脹止水膠。橫向施工縫采用中埋式止水帶、附加防水層2道防水措施，其中中埋式止水帶順著結(jié)構(gòu)兜繞成環(huán)?？v向施工縫采用鍍鋅止水鋼板（6 mm厚）、遇水膨脹止水膠等防水措施。鋼板需經(jīng)鍍鋅處理，熱浸鋅涂層厚度不小于70μm。

與施工縫不同，變形縫擬采用外貼式止水帶、中埋式止水帶、內(nèi)嵌細(xì)胞式壓縮密封體等多道防水措施。暗埋段變形縫防水施工時(shí)，外貼式止水帶、中埋式止水帶、細(xì)胞式壓縮密封體順著結(jié)構(gòu)兜繞成環(huán)；敞開段變形縫防水施工時(shí)，中埋式止水帶和外貼式止水帶沿底板和側(cè)墻布置。

4.2.2 防水卷材施工質(zhì)量控制

防水卷材施工應(yīng)必須做到嚴(yán)格按圖施工，施工人員必須經(jīng)過正規(guī)的防水施工技術(shù)培訓(xùn)并取得上崗證。防水卷材的施工還應(yīng)關(guān)注如下注意事項(xiàng)：

（1）頂板混凝土基面要堅(jiān)實(shí)平整，不允許作找平層?；炷粱鶎颖砻娌荒苡型怀龅募饨桥c可見裂縫等缺陷，若裂縫寬度＞0.15 mm，需作灌注化學(xué)漿液處理；若寬度裂縫＞0.5 mm，應(yīng)以親水性低黏度環(huán)氧灌漿作補(bǔ)強(qiáng)處理。

（2）自粘聚合物改性瀝青防水卷材厚度為1.5 mm，在結(jié)構(gòu)變形縫及施工縫處均采用結(jié)構(gòu)變形縫兩側(cè)各500 mm寬的相同材料作為加強(qiáng)層，與預(yù)鋪防水卷材（P類）粘層。

（3）預(yù)鋪防水卷材（P類）厚度為2 mm，在結(jié)構(gòu)變形縫及施工縫處均采用結(jié)構(gòu)變形縫兩側(cè)各500 mm寬的相同材料作為加強(qiáng)層，與預(yù)鋪防水卷材（P類）粘層。

（4）頂板防水涂料之上要求施作保護(hù)層。

（5）在基坑回水之后，應(yīng)對隧道結(jié)構(gòu)的滲漏進(jìn)行全面檢查、處理，然后才能進(jìn)行下道工序施工。

（6）隧道外防水層施工完畢后，應(yīng)及時(shí)回填。

5 獨(dú)墅湖市政明挖隧道防水效果評價(jià)

由于獨(dú)墅湖隧道運(yùn)行期間常年處于湖底，為確保運(yùn)行安全，在正式通車之前，應(yīng)先進(jìn)行回水試驗(yàn)以查缺補(bǔ)漏。所以在獨(dú)墅湖主體結(jié)構(gòu)完整之后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)按計(jì)劃拆除圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行回水試驗(yàn)，經(jīng)過6個(gè)多月的回水試驗(yàn)，混凝土結(jié)構(gòu)表面未出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，偶爾出現(xiàn)濕漬，滿足GB 50108—2018《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》中的二級防水相關(guān)規(guī)定。回水試驗(yàn)表明，本文提出的隧道防水設(shè)計(jì)和防水材料的選擇具有工程可靠性。

6 結(jié)語

獨(dú)墅湖明挖市政隧道主體結(jié)構(gòu)長期處于湖水環(huán)境中，防水要求較高，必須充分認(rèn)識隧道防水設(shè)計(jì)和防水選材的作用和地位。本文從混凝土結(jié)構(gòu)主體防水設(shè)計(jì)、特殊部位構(gòu)造防水設(shè)計(jì)、混凝土質(zhì)量、防水材料選擇和防水施工質(zhì)量控制等方面對獨(dú)墅湖明挖市政隧道滲漏預(yù)防技術(shù)展開研究，對獨(dú)墅湖明挖市政隧道的防水效果進(jìn)行評估，可為類似水下明挖市政隧道工程提供參考。