隧道衬砌结构自防水技术研究

隧道衬砌结构自防水技术研究

1隧道衬砌结构自防水失效原因隧道漏水是隧道疾病中最重要的疾病。有一句谚语“十隧道九死”。此外，隧道一旦渗透，将导致其他疾病，因此隧道的防水性能越来越受隧道技术的影响。隧道防水失效的原因,除了隧道防水层破坏导致隧道衬砌发生渗漏外,隧道衬砌结构自防水失效也会导致隧道的渗漏,而隧道衬砌施工缝和变形缝的防水失效是造成隧道衬砌结构自防水失效的重要原因。但目前隧道衬砌施工缝和变形缝的防水工艺存在许多不足,导致隧道渗漏严重。因此,笔者针对隧道施工缝、变形缝防水的缺点,分析现用防水方法的不足,并提出新的防水措施。2目前，隧道助浸液和接头施工中的防水方法2.1当前防水方法(1)衬砌变形缝防水隧道衬砌变形缝是为了满足隧道纵向发生不均匀变形的要求,在衬砌上每隔一段距离设置的缝隙。隧道长度一般为几百米到二十几公里,隧道衬砌受温度和应力调整的影响,隧道衬砌将发生变形,这种变形沿隧道纵向是不均匀的,为适应隧道衬砌变形的要求,在隧道衬砌上间隔一定距离设置变形缝。变形缝处没有混凝土填充,失去结构自防水的能力,因此,衬砌变形缝也是隧道防水的薄弱环节。目前,隧道衬砌变形缝防水常用的设施有止水带、填缝板、膨胀橡胶条和嵌缝膏等,具体防水措施如图1所示。止水带的放置方式一般分为埋入式和外贴式两种,预埋在衬砌混凝土中可以阻止渗水透过衬砌进入隧道;填缝板应具有一定的适应变形缝变形的能力,用于填封变形缝并起到对止水带及密封材料的支撑或背衬作用;膨胀橡胶条遇水膨胀可以填塞缝隙阻止渗水的作用;密封材料应对变形缝起到止水密封的作用,能适应变形缝的变形,并应嵌置在迎水面。(2)施工缝处理隧道衬砌施工缝包括环向施工缝和纵向施工缝,主要是由于衬砌施工过程中混凝土不能一次性连续浇筑过长或必须分部施工而设置的施工接缝,这种接缝是结构自防水的薄弱环节,施工缝处理的好坏将会直接影响隧道的防水质量和使用寿命。因此,必须认真做好施工缝的防水处理。目前,隧道衬砌施工缝防水常用的设施有止水带和膨胀橡胶条等,具体防水措施如图2所示。止水带的放置方式一般分为埋入式和外贴式两种,预埋在衬砌混凝土中可以阻止渗水透过衬砌进入隧道;膨胀橡胶条遇水膨胀可以填塞混凝土之间的缝隙,阻止渗水的作用。2.2隧道施工缝、变形缝发生渗漏的原因隧道衬砌施工缝和变形缝的工作环境十分复杂,在隧道运营过程中,受到围岩应力、水压力和隧道变形的影响,因此造成隧道施工缝、变形缝发生渗漏的原因也非常复杂。已有研究和资料显示,隧道发生渗漏的主要条件:一是有压地下水的渗流;二是衬砌中水流通路的存在,只有两个条件同时具备时,才能使隧道形成渗漏病害。(1)衬砌施工缝和变形缝处的水压力隧道工作环境十分复杂,通常修建于地下水中,而地下水受重力作用在围岩中渗流,对隧道衬砌和防水层产生一定的水压力。若施工过程中,对地下水没有采取有效的治理措施,地下水会对隧道衬砌和防水层造成巨大的压力。如果防水层由于某种原因产生破损,地下水在压力作用下,在防水层和二次衬砌之间窜流,逐渐汇集到衬砌施工缝和变形缝处,随着汇水量增加,衬砌施工缝和变形缝处的水压力逐渐增大。而这种水压力对施工缝和变形缝的防水设施是一个负担,在水压力作用下,渗入的地下水不断将防水缺陷扩大,最后形成水流通路产生渗漏。(2)隧道表面缺陷造成的渗漏水隧道衬砌施工缝和变形缝的水流通路,主要是由于施工方法和防水措施的不足,形成的防水缺陷造成的。这些缺陷主要是指衬砌施工缝新旧混凝土粘接能力差、止水带和止水橡胶条等高分子材料与混凝土的粘接能力差以及施工缝和变形缝处防水设施的破损。这些缺陷在水压力作用下,很容易形成水流通路,导致隧道发生渗漏水病害。下面对止水带和膨胀橡胶条的失效原因进行分析。隧道渗漏原因分析采用止水带进行防水产生渗漏的原因主要两类,一是止水带本身破坏,二是地下水绕过止水带。质量合格的止水带的变形能力和抗刺破能力一般较强,本身破坏造成渗漏的几率较小。而有压地下水绕过止水带形成渗漏是目前隧道渗漏的主要原因。止水带材料多为橡胶等高分子材料,与混凝土的粘接能力非常差,在交接面处容易产生缝隙形成水流通路。即便是隧道建成初期具有良好的防水能力,但是随着隧道运营时间的增长,止水带受隧道变形和有压地下水的长期作用,会在止水带和混凝土的交接面处逐渐形成水流通路。混凝土膨胀性能影响膨胀橡胶条防水失效的主要原因与其本身遇水膨胀的性质有关。遇水膨胀橡胶条施工的难点之一就是在混凝土浇筑和养护期间保证遇水膨胀橡胶条不发生膨胀或发生限制性的膨胀。已有工程资料表明,在混凝土施工中,如果没有做好膨胀橡胶遇水膨胀的早期控制,遇水膨胀橡胶因吸水而膨胀,当混凝土还未达到强度等级之前,其中膨胀橡胶已达到150%～400%的膨胀倍率,致使混凝土内缝隙过大,对橡胶条的约束作用减小。橡胶条在遇水膨胀和失水干缩的反复作用下,内部吸水膨胀材料反复流失,影响使用寿命和膨胀效果,逐渐形成水流通路。即便是混凝土施工时做好了橡胶条的遇水膨胀的早期控制,遇水膨胀橡胶条在反复的遇水膨胀和失水干缩的作用下,内部吸水膨胀材料也会逐渐流失,使遇水膨胀橡胶条逐渐降低遇水膨胀倍率,失去防水的作用。此外,地下水低温结冰体积发生膨胀是寒冷地区隧道衬砌施工缝和变形防水失效的另一个重要原因。地下水渗入施工缝和变形缝处,温度降低后地下水结冰体积膨胀,冻胀力使混凝土缺陷增大,造成隧道衬砌施工缝和变形缝处发生渗漏。3隧道装饰施工缝和可变缝防水新技术3.1隧道主体结构的防水设计从上述的防水措施中不难发现,目前隧道衬砌施工缝和变形缝所用的防水理念是以防为主,即被动的将有压地下水阻挡在隧道衬砌外,但是在二十几公里的隧道上,要使每条施工缝和变形缝都密不漏水,而且要保证在100年的运营期内密不漏水,这是谈何容易的事。尽管有些隧道引入了排水的思想,在衬砌处设置了排水设施,也是设置在二次衬砌的内部,对以深入隧道的地下水有规律的排走,这种排水对渗漏处混凝土造成一定的腐蚀。目前,鉴于隧道施工技术和材料胶结技术的限制,还不能完美地解决这个问题,所以隧道衬砌施工缝和变形缝的防水理念应当有所改变,不能一味地消极防水,应当采用新的防水指导思想。隧道主体结构防水的指导思想是防排结合,目的是将渗水及时排离,降低防水层的水压力,防止因防水层受到的水压过大造成的渗漏。对于隧道衬砌施工缝和变形缝的防水也可以采用防排结合的指导思想,同时应引入可维护性的指导思想。在隧道衬砌施工缝和变形缝处设置适当的排水设施,一方面可以降低水压,减轻施工缝、变形缝处止水带和遇水膨胀橡胶条等防水设施的工作压力;另一方面是为水流提供排水通路,对透过防水层的地下水进行有目的的疏导,不但可以有效地防止施工缝和变形缝发生渗漏,而且可以将渗水按照指定路径排出隧道,防止渗水在衬砌和防水层之间随意窜流,减小地下水对隧道二次衬砌混凝土的腐蚀。隧道施工缝和变形缝防水设施的可维护性是指为保证防水设施在隧道运营期内良好工作,在发生渗漏时对隧道的防水设施进行维护,保证隧道的防水效果。3.2变形缝防水措施在防排结合和可维护性的指导思想下,隧道衬砌变形缝处防水应该在原防水设施的基础上增加一些排水设施或采用排水型止水带,并设置隧道施工缝防水的可维护性防水设施。在防排结合和可维护性的指导思想下,对变形缝防水采用背贴式止水带、中埋式可排型止水带、可注浆中埋式止水带、软式透水软管、嵌缝膏和接水盒等设施,具体措施如下(图3)。(1)采用背贴式止水带,并设置注浆管,变形缝施工结束后,对注浆管进行注浆堵塞背贴式止水带的缝隙,对渗入的地下水进行初防水。(2)无纺布包裹透水软管,用钢钉悬挂在已施工的混凝土上,将纵向和环向排水管连接起来,在隧道底部引排到隧道的排水体系内。(3)衬砌中部设置中埋式可排型止水带A,作为第二道防水层,可通过排水通道有效排离。(4)安设1道可注浆的中埋式止水带B,作为施工缝的预备防水措施,在止水带上涂抹一层保护膜,使其在前2道防水设施工作状态良好,无地下水渗入其附近时,此止水带处于不工作状态,而且可以防止微生物的腐蚀。一旦前2道防水失效,止水带B与水接触保护材料自然降解,止水带B开始工作,这样可以延长防水设施的工作时间。同时,这个止水带具有可维护性的防水设施,将注浆管有序地固定在隧道衬砌边界,如果发生渗漏,可以进行注浆堵漏。(5)在变形缝处的衬砌表面安装接水盒,如果以上的防水设施都失效,接水盒可以防止渗水流入隧道影响隧道的正常运营。3.3背贴式止水带的改良隧道衬砌施工缝防水与变形缝防水存在一定的区别,主要是因为隧道施工缝的宽度非常小,有时甚至人眼很难观察到,但是此处是隧道结构自防水的薄弱环节。在新的防水思想指导下,主要采用背贴式止水带、软式透水管、中埋式止水带、接水盒和水泥基结晶材料等对施工缝进行防水,具体措施如图4所示。(1)隧道衬砌施工缝和变形缝有所不同,此处的排水设施布置也应有所不同。为了使排水系统能最有效地将水排离隧道,应对目前常用的背贴式止水带进行一定的改进。在背贴式止水带的迎水面,设计出一个凹槽,软式透水管可以布置其中。在背贴止水带和防水层接触处铺设一层无纺布,同时用无纺布包裹排水管,安放在背贴止水带和防水层之间,作为施工缝处的排水设施。(2)在隧道衬砌施工缝处的迎水面设置背贴式止水带A,并在背水面设置注浆管,混凝土施工结束后进行注浆,作为第一道防水措施,排水设施就布设在背贴式止水带的背后。(3)在衬砌混凝土内设置2道中埋式止水带,止水带B作为第二道防水措施,主要是针对通过第一道防水层的渗水,施工结束后必须进行注浆堵塞缝隙,增强止水能力;止水带C,作为预备止水带,施工前在止水带C上涂抹保护材料涂层,使其在前2道防水设施工作状态良好,无地下水渗入其附近时,此止水带处于不工作状态,也可以使止水带避免微生物的腐蚀。但有渗水接触该止水带时保护材料自然降解便开始工作,这样可以增长防水设施的工作时间。(4)在衬砌施工缝内部一定深度背水面一侧,设置可维护的注浆止水管。如果隧道服役期间内,前面几道防水措施失效,可通过维护性注浆管对隧道衬砌施工缝进行注浆,对施工缝进行堵漏。(5)在衬砌施工缝表面设置接水盒,如果以上的防水设施都失效,接水盒可以防止渗水流入隧道影响隧道的正常运营。3.4反渗透膜排水系统(1)施工缝防水采用多道设防,提高施工缝和变形缝处防水的可靠性。(2)在二次衬砌迎水面增加排水设施,将渗入防水层与二次衬砌之间的地下水有规律地引排到隧道排水系统中,可以降低施工缝的工作水压力,减小在施工缝处发生渗漏的可能性。而且排水设施在二次衬砌的迎水面,这种排水方法可以有效降低地下水渗流时,对施工缝和变形缝附近二次衬砌混凝土的侵蚀。(3)使用备用止水带提高隧道服役后期的防水可靠性,隧道服役后期由于地下水侵蚀和微生物的作用,前面几道防水设施可能失效,此时备用止水带进入工作状态,提高隧道服役后期的施工缝和变形缝的防水能力。(4)设置可维护性注浆管,为隧道施工缝和变形缝处发生渗漏后,提供了有效、快捷的整治方法。(5)施工缝处接水盒的设置,可以避免隧道施工缝发生渗漏后对隧道运营的影响。4防排结合和可维护性隧道衬砌的施工缝和变形缝是隧道防水的薄弱环节,是防水的重点部位。目前采用的防水方法和指导思想存在许多不足,常常造成防水失效,新的防水方法引入了防排结合和可维护的思想。防排结合不但可以降低渗透水对防水设施和二次衬砌的水压力,而且可以