基于雙粘型防水材料的高水壓隧道新型堵水限排方案及設計方法

孫曉賀, 施成華, *, 肖國慶, 葛洋洋

(1. 中南大學土木工程學院, 湖南 長沙 410075; 2. 中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司, 湖南 長沙 410014; 3. 北京東方雨虹防水技術股份有限公司 特種功能防水材料國家重點實驗室, 北京 101309)

0 引言

為解決隧道滲漏水問題,設計合理的防排水系統(tǒng)十分重要。目前,復合式襯砌隧道一般有3種防排水方式: 全包型、全排導型以及堵水限排型。其中,全包型防水方案中隧道襯砌承受全部水壓力,水壓力過大會導致設計的襯砌過厚,一般僅適用于水位埋深60 m以下的隧道[1]; 而全排導型方案在設計時基本不考慮水壓力,可以使襯砌結構更加經濟,但是過大的排水量會對周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響。相比之下,通過在初期支護外側增加注漿圈的堵水限排方案既能降低襯砌水壓力,又不會對環(huán)境造成很大影響,被越來越多地應用在高水壓隧道中。

大量學者對堵水限排方案進行過相關研究,涉及理論計算[2]、數值模擬[3]及模型試驗[4]等多個方面。例如: 王秀英等[5]探討了堵水限排方案中襯砌水壓及滲水量的變化規(guī)律; 李鵬飛等[6]、張成平等[7]提出了注漿加固圈厚度以及滲透系數等參數的確定方法; 張頂立等[8]提出了通過主動調節(jié)圍巖加固圈和初期支護結構的強度和抗?jié)B性能,實現排水量與二次襯砌結構受力雙控制的新理念。與此同時,注漿加固材料與技術也在不斷地發(fā)展,這些施工技術的進步為設計方案中注漿加固圈的實施提供了保障[9-10]。

雖然上述研究及技術的發(fā)展對堵水限排型隧道的滲漏水有一定的改善作用,但高水壓隧道的滲漏水問題并未從根本上得到解決,后期滲漏水的定位與治理依舊困難。相關研究表明,一旦隧道投入運營,滲漏水維修費用可能比在施工期間進行同樣的工作要貴20～30倍[11]。因此,隧道的防排水系統(tǒng)不僅要降低滲漏水發(fā)生的概率,還要方便后期滲漏水的定位與治理。從這一需求來說,與初期支護、二次襯砌雙面粘結的噴膜防水材料具有獨特的優(yōu)勢[12-13]: 一方面,噴膜材料可以防止竄水,只有初期支護、防水層以及二次襯砌在同一位置都受損時才會發(fā)生滲漏水,其發(fā)生滲漏水的概率大大降低; 另一方面,滲漏水發(fā)生的位置剛好就是需要注漿堵水的位置,不用再像傳統(tǒng)防水板那樣盲目大量地注漿,大大降低了滲漏水的治理成本[14]。

綜上所述,近年來噴膜防水材料具有優(yōu)異的防水性能,廣泛應用于世界各國隧道[15],在高水壓隧道中有廣闊的應用前景。然而目前尚未有學者基于雙面粘結型(簡稱雙粘型)噴膜材料開發(fā)高水壓隧道堵水限排系統(tǒng),相關滲流特征及設計方法也尚未探究。本文基于新型聚合物噴膜防水材料,設計高水壓隧道多級控制型新型堵水限排系統(tǒng),進而分別研究注漿圈堵水及排水板排水對隧道水壓力及滲水量的相互作用關系,提出適用于噴膜防水材料的高水壓隧道限排系統(tǒng)設計方法。

1 雙粘型防水材料及新型堵水限排方案

1.1 雙粘型防水材料

1.1.1 材料組成及成膜機制

雙粘型防水材料為雙組分噴膜防水材料,由聚合物乳液、水泥粉料及其他外加劑混合而成,使用時通過高壓無氣噴槍將攪拌均勻的混合料噴涂至施工基面,如圖1所示。該材料兼具揮發(fā)固化和反應固化雙重特點,其成膜機制是: 在液料和粉料混合攪拌均勻后,聚合物乳液把水泥顆粒包裹起來,在成膜過程中聚合物液料中的水分一部分通過揮發(fā)散失,另一部分通過參與水泥顆粒的水化反應散失; 聚合物乳液中的高分子顆粒隨著水分逐漸丟失而聚攏,并與水化完成的水泥凝膠、未水化的水泥顆粒一起組成防水膜。因此,施工時應確?；鏌o明水,否則會影響噴膜材料的成型。在最終形成的防水膜中,聚合物相與水泥固相相互貫穿、交聯固化,所形成的互穿網絡結構既具有有機高分子材料的柔性網絡,又具有無機膠凝網絡結構,在保持無機硅酸鹽材料抗老化能力強,強度、硬度大,粘接力強等特點的基礎上,又具有高分子材料變形性好、結構封閉性強、產品易涂刷的優(yōu)點[16]。

圖1 雙粘型防水材料噴涂施工

1.1.2 基本參數

根據《建筑防水涂料試驗方法》[17],測得該防水材料拉伸強度大于3.2 MPa,斷裂伸長率大于140%,長期抗水壓強度大于1.2 MPa,測試過程如圖2(a)所示。由于該材料采用噴涂施工,所以與混凝土基面的密貼性很好。此外,通過試驗(見圖2(b))測得噴膜防水材料與混凝土基面的粘結力大于1.0 MPa,所以由該材料組成的“初期支護-雙粘型防水材料-二次襯砌”噴膜襯砌結構具有極強的防竄水能力。

(a) 拉伸強度及斷裂伸長率測試

1.2 基于雙面粘結材料的新型堵水限排方案

1.2.1 高水壓隧道新型堵水限排方案

高水壓隧道新型堵水限排方案如圖3所示,主要包括防水和排水2個系統(tǒng)。其中,防水系統(tǒng)的主要作用是控制進入隧道的滲水量,由外到內依次由注漿圈、初期支護混凝土(含水泥砂漿找平層)、具有雙面粘結性能的噴膜防水層以及二次襯砌混凝土組成; 排水系統(tǒng)的主要作用是降低隧道襯砌水壓力,主要由環(huán)向排水板、縱向排水管、橫向導水管及排水溝組成。在地下水進入隧道的過程中,注漿圈是第1道防水屏障,既能控制隧道滲水量,又可以分擔一部分水壓力。隨后地下水穿過初期支護混凝土到達塑料排水板,最后通過縱橫向排水管以及邊溝等排水系統(tǒng)進入中心排水溝。

圖3 基于雙面粘結防水材料的新型堵水限排方案

1.2.2 新型堵水限排方案與傳統(tǒng)方案對比

新型堵水限排方案在防水層以及環(huán)向排水系統(tǒng)方面的具體構造與傳統(tǒng)方案[18]有明顯不同。新型方案采用雙粘型防水材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)防水板,避免了竄水問題,大大降低了滲漏水概率,并方便后期注漿修補; 同時,采用新型材料后地下水在初期支護、二次襯砌間無法自由傳導,這也在一定程度上實現了“限量排放”的作用。此外,新方案采用排水板代替?zhèn)鹘y(tǒng)土工布和盲管,這樣不僅可以憑借較大的幅寬最大程度緩解雙粘型材料無法層間排水帶來的高水壓問題,還可以利用排水通量大等優(yōu)點避免可能發(fā)生的堵塞問題[2]。

新型堵水限排方案與傳統(tǒng)方案整體對比如表1所示。綜合對比結果來看,新型方案由于采用了噴涂施工方法,在工藝流程上更先進,施工速度更快。然而,噴膜防水材料的成本比傳統(tǒng)材料高了將近1倍,這也是制約噴膜防水材料推廣的主要因素。但是,從運營使用情況來看,噴膜防水材料在防止?jié)B漏水以及后續(xù)滲漏水修補方面都具有極大優(yōu)勢。

表1 新型與傳統(tǒng)型堵水限排方案的對比

2 新型堵水限排方案水壓力分布特征

由于新型堵水限排方案中地下水在襯砌之間無法自由排導,導致非排水板位置水壓力升高,襯砌水壓力整體呈現不均勻分布,難以用解析方法進行計算。因此,采用Abaqus有限元軟件對新型限排方案進行滲流計算。

2.1 新型堵水限排方案數值計算模型

2.1.1 計算工況及參數

計算假定某一高水壓隧道中心距地表200 m,水位在地表以下50 m,注漿圈厚度為6 m。隧道為標準的單洞雙車道公路隧道[20],外輪廓寬12.5 m,高10 m,初期支護及二次襯砌厚度分別為25、50 cm。模型整體尺寸為400 m×400 m×60 m,如圖4所示。其中,排水板寬度為0.8 m,間距為6 m。為避免隧道縱向水力邊界對計算結果的影響,隧道端部排水板距離模型邊緣為排水板間距的一半。模型采用各向同性滲透系數,取值如表2所示[21],其中,注漿圈滲透系數為圍巖滲透系數的1/50。對整個模型施加重力加速度來模擬水在重力作用下的滲流情況,其中水密度取1 000 kg/m3,重力加速度取10 m/s2。采用C3D8P單元(三維8節(jié)點孔壓單元)并約束全部位移自由度進行穩(wěn)態(tài)滲流計算,網格劃分如圖5所示。

表2 滲透系數表

圖4 模型尺寸及幾何特征(單位: m)

圖5 隧道周邊網格劃分

2.1.2 邊界條件設置

圍巖與初期支護采用綁定約束(tie constraint)進行模擬,雙粘型防水材料可以將初期支護和二次襯砌粘結在一起,因此初期支護及二次襯砌的接觸關系也采用了綁定約束。而防水材料的不透水特性則通過將隧道上部二次襯砌設置為不透水材料來進行簡化計算。地下水埋深所在位置設置為自由水面,在整個模型的側面施加沿深度線性增加的靜水壓力,底部施加恒定3.5 MPa的水壓力邊界。將初期支護內側排水板區(qū)域水壓力設置為0來模擬排水板的排水效果; 同樣的設置方法也可用在縱向排水管上,用來模擬排水系統(tǒng)正常工作時順暢排水的情況。此外,排水系統(tǒng)中的橫向導水管、邊溝和中央排水溝均位于仰拱填充層內,對水力邊界及周邊滲流場影響不大[22],故建模時不予考慮。

2.2 新型堵水限排方案水壓力分布特征

新型堵水限排方案隧道排水穩(wěn)定的條件下,圍巖孔隙水壓力分布如圖6(a)所示?？梢钥闯?由于采用了堵水限排方案,地下水位未產生明顯的降落漏斗,對生態(tài)環(huán)境影響較小。由局部放大圖可以看出,由于隧道排水系統(tǒng)發(fā)揮了作用,使得隧道周邊圍巖壓力明顯低于原有的靜水壓力。

(a) 圍巖孔隙水壓力分布

二次襯砌外表面水壓力分布如圖6(b)所示,其上部水壓力與底部有明顯不同。二次襯砌上部由于布設了環(huán)向排水系統(tǒng),形成了若干個防水分區(qū),沿隧道縱向來看,水壓力呈“波浪形”分布,在環(huán)向排水系統(tǒng)之間有明顯的水力梯度,2個排水板之間水壓力最高,為0.422 MPa; 而在隧道底部由于沒有環(huán)向排水系統(tǒng),整個底部水壓力基本呈均勻型分布。對比二次襯砌上部與底部水壓力數值,發(fā)現沒有設置排水系統(tǒng)的底部水壓力比設置排水系統(tǒng)的上部水壓力還要低。這是因為隧道底部沒有設置防水膜,底部襯砌有一定的透水性,可以降低水壓力; 而上部由于雙粘型防水材料的存在,二次襯砌無法透水并且水無法沿襯砌層間自由擴散,導致水壓力升高。新型堵水限排方案與傳統(tǒng)方案有明顯區(qū)別,傳統(tǒng)方案中地下水可以沿襯砌層間自由流動,整個二次襯砌水壓力都很低且近似均勻分布。

為避免隧道縱向水力邊界的影響,選取模型中部2個環(huán)向排水系統(tǒng)中間位置繪制水壓力環(huán)向分布圖,如圖7所示?？梢钥闯?新型限排方案中襯砌環(huán)向水壓力呈“蘑菇型”分布。與全包防水方案(靜水壓力場)中近似1.5 MPa的水壓力相比,新型限排方案的最大水壓力僅0.42 MPa左右,水壓力降低了72%,有效緩解了襯砌結構的外部水壓力。

圖7 水壓力環(huán)向分布對比(單位: MPa)

3 注漿圈及排水板對新型堵水限排方案的影響分析

隧道襯砌水壓力及涌水量是評價防排水方案是否可行的關鍵控制指標。為此,本節(jié)通過研究新型堵水限排系統(tǒng)中注漿圈堵水及排水板排水2大措施對水壓力和滲水量的影響規(guī)律,可為后續(xù)新型限排方案的設計提供依據。

3.1 注漿圈

隧道設計和施工中與注漿圈有關的參數主要有厚度及滲透系數。因此,通過改變注漿圈厚度及滲透系數,研究其對隧道涌水量及二次襯砌外水壓力的影響規(guī)律。計算采用2.1節(jié)模型及參數,其中圍巖滲透系數kr為1×10-6m/s,僅改變注漿圈厚度tg及滲透系數kg。

3.1.1 注漿圈對隧道涌水量的影響分析

隧道涌水量與注漿圈厚度關系曲線如圖8所示,圖中n為圍巖和注漿圈滲透系數之比。可以看出,相同注漿圈滲透系數下,隨著注漿圈厚度的增加,隧道涌水量隨之減少; 在相同注漿圈厚度下,注漿圈滲透系數越小,隧道涌水量越少。因此,可以通過調節(jié)注漿圈厚度及滲透系數來控制隧道涌水量。當n≥100且tg≥6 m時,無論是減小滲透系數還是增大注漿圈厚度,對減小隧道滲水量的作用效果已不明顯。因此,注漿圈參數存在相對經濟合理的取值區(qū)間,并非滲透系數越小、厚度越大效果就越好[10]。

圖8 隧道涌水量與注漿圈厚度關系曲線圖

3.1.2 注漿圈參數對二次襯砌外水壓力的影響分析

二次襯砌外水壓力與注漿圈厚度關系曲線如圖9所示?？梢钥闯?在相同的注漿圈厚度下,注漿圈滲透系數越小,二次襯砌外水壓力越小; 在相同注漿圈滲透系數下,隨著注漿圈厚度的增加,二次襯砌外水壓力隨之減小,但減小的幅值越來越小。因此,注漿圈厚度也存在相對經濟合理的取值,并非越大越好。當注漿圈滲透系數很大(n=10)時,即便增加注漿圈厚度,對襯砌外水壓力降低效果也并不明顯。因此,注漿圈施工時必須優(yōu)先保證注漿效果,再保證注漿圈厚度。

圖9 二次襯砌外水壓力與注漿圈厚度關系曲線圖

綜上所述,無論是減小滲透系數還是增大注漿圈厚度,對控制隧道滲水量及減小襯砌外水壓力都是有利的。要想達到既定的控制效果,注漿圈參數存在經濟合理的取值范圍。

3.2 排水板

隧道設計與施工中與排水板相關的參數主要有間距及寬度。既有研究表明,當排水板寬度≥0.8 m時,隨著寬度增大,排水及降水壓效果增長并不明顯。因此,本節(jié)主要通過改變排水板間距,研究其對隧道涌水量及二次襯砌外水壓力的影響規(guī)律。計算采用2.1節(jié)提及的模型及參數。

3.2.1 排水板間距對隧道涌水量的影響分析

隧道涌水量與排水板間距關系曲線如圖10所示?？梢钥闯?在相同排水板間距下,注漿圈滲透系數越小,隧道涌水量越小; 在相同滲透系數下,隧道涌水量隨排水板間距的增大而減小。但當注漿圈滲透系數較小時,外部地下水經過注漿圈、初期支護2道防水層的“過濾作用”后,排水板間距對涌水量的影響并不顯著。實際工程中n值一般為50～100[8-10]。結合圖10可以看出,新型堵水限排方案的排水板間距對隧道涌水量影響較小。

圖10 隧道涌水量與排水板間距關系曲線圖

3.2.2 排水板間距對二次襯砌外水壓力的影響分析

二次襯砌外水壓力與排水板間距關系曲線如圖11所示。可以看出,在相同排水板間距下,注漿圈滲透系數越小,二次襯砌外水壓力越小; 隨著排水板間距增大,二次襯砌外水壓力也隨之增大。但排水板間距增大初期(間距為2 m和4 m),二次襯砌外水壓力變化并不明顯。這是因為間距足夠小時,排水板能及時將來自注漿圈的地下水排導出隧道,不會出現地下水排導不足導致二次襯砌外水壓力升高的現象。整體上看,當注漿圈滲透系數較大時,即便降低排水板間距,依舊無法達到很好的降壓效果。因此,注漿圈是控制二次襯砌外水壓力的主要因素,而排水板是控制二次襯砌外水壓力的次要因素。

圖11 二次襯砌外水壓力與排水板間距關系曲線圖

綜上所述,在控制隧道涌水量及二次襯砌外水壓力方面,注漿圈是主要因素,而排水板是次要因素。通過調整排水板間距無法同時減小隧道滲水量及二次襯砌外水壓力,降低隧道滲水量的同時必然導致襯砌水壓力的上升,反之亦然。當注漿圈滲透系數限制在較小范圍時,存在合理的排水板間距使得降低隧道襯砌水壓力的同時又將隧道滲水量限制在合理范圍內。

4 新型堵水限排方案設計方法

傳統(tǒng)堵水限排方案中主要通過改變注漿圈滲透系數和厚度來控制隧道滲水量和襯砌外水壓力。上述研究表明,新型限排方案不僅可以通過注漿圈,還可以通過排水板來控制襯砌外水壓力及滲水量。因此,與傳統(tǒng)單一注漿圈調節(jié)方式相比,新型限排方案中注漿圈+排水板多級調節(jié)方式更加靈活。為便于新型限排方案在實際應用時確定設計參數,針對新型限排方案多級調節(jié)的特點,提出了如圖12所示的設計方法。該設計方法共分4部分,具體操作如下。

圖12 高水壓隧道多級控制型堵水限排方案設計方法

1)施工信息收集。包含水文地質資料和隧道結構特征資料,其中,水文地質資料主要包括確定隧道水位埋深和周邊地層分布信息,隧道結構特征資料包括隧道幾何尺寸、襯砌厚度及滲透系數等。最終得到等效滲透系數供步驟4)進行滲流計算。

2)確定設計標準。包含二次襯砌水壓力承載限值以及涌水量控制標準。新型限排方案使用了雙粘型噴膜防水材料,地下水無法在襯砌層間自由擴散,必然會使二次襯砌承受一定的水壓力,這與傳統(tǒng)無粘結型防水材料下二次襯砌基本不受水壓力截然不同。因此,必須確定隧道襯砌可以承載的水壓力限值; 涌水量沒有固定標準,需要根據生態(tài)環(huán)境保護要求及其他因素綜合確定。

3)多級控制限排方案參數初步設計。包括初級注漿圈和二級排水板參數設計。根據第3節(jié)分析,注漿圈參數中應首要考慮滲透性,其滲透系數應取能夠實現且比較經濟合理的最小值; 在此基礎上確定注漿圈加固厚度,此時需要考慮到襯砌結構與注漿圈穩(wěn)定性的要求,厚度不能太小; 最后確定合理的排水板參數,首要考慮排水板間距,其次考慮排水板寬度。

4)滲流計算與驗證。采用數值滲流計算方法對步驟3)所得的初步限排方案進行計算,將計算所得的涌水量及襯砌壓力結果與步驟2)的設計標準進行對比,查看是否滿足設計要求。如果滿足,即得到了新型限排方案具體設計參數,可用于工程現場施工; 如不滿足,根據第3節(jié)參數分析規(guī)律,重新擬定方案參數,進行滲流計算,直至結果滿足控制標準。

5 結論與討論

雙粘型噴膜防水材料可以防止襯砌層間竄水,大大降低了滲漏水發(fā)生的概率,且方便對滲漏水進行定位與治理。為解決高水壓隧道滲漏水問題,本文基于雙粘型噴膜防水材料,提出了一種高水壓隧道新型堵水限排方案,并得到如下結論。

1)高水壓隧道新型堵水限排方案由注漿加固圈、雙粘型防排水系統(tǒng)和防水襯砌3部分組成。新型方案中采用雙粘型防水材料代替了傳統(tǒng)防水板,并在環(huán)向排水系統(tǒng)中采用排水板替代了土工布和環(huán)向盲管。因此,新型限排方案中二次襯砌必然承受一定的外水壓力,這與傳統(tǒng)方案有本質區(qū)別。但新型方案可通過調節(jié)注漿圈及排水板參數使襯砌外水壓力降低到可接受范圍。

2)新型限排方案隧道上部縱向水壓力呈“波浪形”分布,環(huán)向水壓力呈“蘑菇型”分布。在圍巖滲透系數為1×10-6m/s、注漿圈厚度為6 m、滲透系數為圍巖1/50的典型工況下,與全包防水近似1.5 MPa的水壓力相比,新型堵水限排方案最大水壓力僅0.42 MPa左右,水壓力降低了72%,降壓效果顯著。

3)與傳統(tǒng)限排方案主要依靠注漿圈來調節(jié)隧道滲水量及襯砌水壓力不同,該新型方案采用注漿圈+排水板的多級調控方法,方案設計上更加靈活,其中注漿圈起主導作用。注漿圈對降低隧道滲水量及襯砌外水壓力均有利,其中注漿圈的滲透系數最為重要。僅當注漿圈抗?jié)B效果較好時,才存在合理的排水板間距,使襯砌外水壓力與隧道滲水量控制在合理范圍內。

4)針對新型高水壓隧道限排方案,提出了多級調控的設計方法。一級調控主要調整注漿圈參數,具體設計時應結合現場情況優(yōu)先確定注漿圈的滲透性,其滲透系數應取能夠實現且比較經濟合理的最小值,隨后在此基礎上確定注漿圈加固厚度。二級調控主要調整排水板間距,其次考慮排水板寬度。

本文研究僅通過數值模擬方法初步論證了新型堵水限排方案的可行性,后續(xù)還需要針對圍巖、襯砌結構的滲透性進行敏感性分析,評估該方案的適用范圍。此外,為推進新型堵水限排方案的現場應用,還需要進行模型試驗或試點工程驗證,發(fā)現并解決該方案在工程實際應用時可能遇到的問題。