城市明挖隧道工程防水技術的發展論文
城市明挖隧道工程防水技術的發展論文
0引言
自2000年以來，國內大中型城市的市政基礎設施建設速度驟增。在短短的15年內，筆者便參與設計了包括南京、杭州、昆明等近10條長度超過1km的城市明挖市政交通隧道，這些隧道均為城市道路隧道，處在或連線城市的主要幹道，大多穿越河道或在城市中心的湖泊底下。由於城市快速發展的需要，對於隧道施工週期要求越來越高。因此，需在較短的施工工期內完成工程並保證質量、特別是一些防水質量要求很高的隧道工程，這就必須考慮使用一些新技術，來完成艱鉅的工程任務。現以筆者參與設計的一些隧道工程為例，介紹近年來城市明挖隧道工程防水技術的發展與創新。
1明挖隧道的混凝土自防水技術發展
1.1南京玄武湖隧道
南京玄武湖隧道處於南京城的景觀湖中，湖中的土質以淤泥質黏土為主，在結構埋深最深處埋有粉質黏土。這些土層雖然含水率已達飽和，但滲透係數很低。針對這種淺覆土的工程特點，查閱了大量歐美的設計規範、標準，及國內為數不多的工程案例和研究專題，確定了玄武湖隧道結構混凝土的技術引數要求：抗滲等級（暗埋段≥P8，敞開段≥P6）、強度等級（≥C30）、抗凍融指標（＞D300）、抗碳化（理論＞100a）、抗Cl-侵蝕（Cl-擴散係數＜2×10-8cm2/s）、60d乾燥收縮率（≤0.025%）和裂縫寬度（≤0.2mm，且不允許出現貫穿）。此處，對於混凝土抗凍融迴圈的要求，並不是因為本隧道處於嚴寒地區，而是當時工程界將它作為衡量混凝土長期緻密的一個耐久性指標。而對於Cl-擴散係數的測定，因“自然擴散法”檢測週期較長，不能作為工程的過程監測，最終確定引進檢測週期較短的混凝土電通量檢測法。針對混凝土自防水及耐久性設計要求，工程採取了以下技術措施：①對混凝土的膠凝材料、粗細骨料、水等原材料把關，嚴格控制混凝土的總Cl-和鹼含量；②採用優質磨細粉煤灰等活性粉料替代部分水泥充當混凝土的膠凝材料，並嚴格限制水和膠凝材料的比例；③採用新型的、兼具混凝土膨脹劑及減水劑功能的萘系混凝土外加劑；④對混凝土施工提出了具體的溫控、振搗、養護等要求。透過玄武湖隧道工程，得到以下實踐經驗：
1）對於明挖淺埋隧道的混凝土結構設縫，從施工角度出發，主要以減少收縮裂縫為目的，採用了90m間距設定結構變形縫，相鄰變形縫間設定兩條垂直施工縫（即間距30m），並要求施工縫兩側混凝土的澆築間隔時間不少於14d。由於混凝土專項設計考慮較全面，再加上完善的施工及養護措施，結構混凝土本體並未產生水化熱而造成的收縮裂縫，從而確保了混凝土的高抗滲性。
2）由於隧道淺埋，良好的結構完整性導致隧道內結構溫度僅比室外大氣溫度低2℃左右。在夏季受隧道結構氣溫升高的影響，兩條相鄰變形縫間的混凝土結構管節受熱膨脹，區域性變形縫處會出現混凝土擠壓破碎的現象，這種不良現象是由於變形縫間距過長、變形縫寬設計統一而未考慮到季節變化影響而引起的。此次工程設計基本確立了市政地下工程結構混凝土耐久性設計的框架，提出了高效能混凝土高抗滲性、耐久性、可施工性的基本要求。杭州西湖隧道是南京玄武湖隧道結構混凝土工程經驗的又一次實踐，但由於建設方未根據工程特點對混凝土進行深入研究，工程效果不是很理想。
1.2南京九華山隧道
南京九華山隧道毗鄰玄武湖隧道，同處於玄武湖下並穿越南京九華山。在傳承了玄武湖隧道的結構混凝土工程實踐的基礎上，九華山隧道改變了結構設縫原則。在經過對混凝土結構受溫度影響及結構約束、徐變等因素綜合考量，提出了結構變形縫間距為60m，即相鄰變形縫間設定一條垂直施工縫，施工縫兩側混凝土澆築時間間隔不少於14d；而變形縫縫寬根據混凝土的澆築季節的不同而有所變化，冬季施工縫寬為2cm，夏季施工則為1.5cm。隨著材料技術的發展，在結構混凝土的研究上，聚羧酸高效減水劑對於結構混凝土的耐久性、施工效能均優於萘系的混凝土外加劑，因此有關聚羧酸高效減水劑的運用研究又再次深入。並且，對其耐久性的檢測指標及方法做了一些調整，即開始引入Cl-擴散係數的RCM檢測法與自然擴散法相結合的檢測，並相互驗證。此外，無錫蠡湖隧道、蘇州獨墅湖隧道、南京新模範馬路隧道也應用此結構混凝土設計方案，並獲得成功，驗證了我們對結構混凝土的專項研究是科學的，日後國內有關混凝土結構耐久性設計標準、規範等的釋出和實行，也同樣印證了此種設計的正確性。
1.3無錫太湖大道隧道
1.3.1清水混凝土的應用本隧道工程有一段結構是改造原有的鐵路下立交，而此下立交的通行能力僅僅能滿足單孔雙車道的最低限界要求，是整條隧道的寬度限界瓶頸。出於工程特點，設計方決定此段隧道在滿足行車限界後，不再預留側牆裝飾的空間，因而採用了不需裝飾層的清水混凝土。但由於本隧道工程的高防水等級和設計使用年限要求，且側牆因限界的緣故不能設定內裝飾層，隧道通車後一旦出現滲漏，便會直接反映在無裝飾面層遮蔽的隧道側牆上。為儘量避免發生上述情況，對本隧道設計採用的清水混凝土的抗滲性和耐久性提出較高要求，需將混凝土抗滲與耐久結合考慮，以完善結構混凝土的自防水。此外，工程採用大型定型鋼模板，既能達到施工要求，又能滿足清水混凝土表面的建築效果要求，同時解決了滲漏隱患。
1.3.2自密實混凝土的應用本工程金塘橋下蓋挖順作段，因缺乏混凝土振搗空間，採取了自密實混凝土作為結構內襯。由於自密實混凝土流動性好，具有良好的施工效能和填充效能，且骨料不離析，硬化後具有良好的力學效能和耐久性，可以很好地提高混凝土工程質量，加快工程進度，同時改善了工程的施工環境並降低了工程費用。而此後的四川遂寧市觀音湖隧道，由於觀音湖其實是一條河道的一部分，是在夏季豐水期由於下游水庫蓄水而構成的城市景觀湖，所以隧道的建設只能利用冬季枯水期的4個月進行。因施工工期短，在設計上也採用了大型定型鋼模板進行大規模的結構混凝土進行施工，結果如期完工，工程質量良好。
2明挖隧道外包防水層的新材料運用
隧道工程外防水層的選擇是多種的，但成功的工程實踐往往是因地制宜、因工程而異的，結合筆者設計的幾條隧道工程舉例說明。
2.1南京九華山隧道
是九華山湖中放坡開挖暗埋段隧道防水設計，南京九華山隧道採用了華東地區較為典型的隧道外防水做法。考慮到隧道底板處於淤泥質黏土之上、透水性差，因此隧道底板採用了水泥基滲透結晶型防水塗料，利用塗料的反滲透性，使其在底板混凝土固結過程中滲入結構底板混凝土中，以達到底板防水的目的。而聚氨酯防水塗料較之外包防水卷材能更好地與混凝土基面粘合，達到防竄水的目的，同時避免了材料之間的接縫困擾。
2.2無錫太湖大道隧道
是無錫太湖大道隧道主線伸縮縫防水構造。針對本工程頂板雙摺板拱的結構特點和施工週期短等因素，設計提出了採用噴塗聚脲防水塗料作為頂板外防水層，這也是在隧道施工中開始大規模運用噴塗型防水塗料；而結構底板及側牆，按照外防內貼的原則，選擇採用預鋪式防水卷材。與傳統的聚氨酯防水塗料相比，噴塗聚脲防水塗料主要具有如下兩大優勢：一是施工速度快，節省工期。施工速度快不僅體現在噴塗作業先進的施工工藝上，而且聚脲本身可在5s內凝膠，1min即可達到步行強度，也是施工速度的一大保障。二是聚脲防水塗料具有優異的理化效能，其強度高、無需做保護層，可在施工後直接回填土。但噴塗聚脲防水塗料在現場施工中仍存在一些尚需克服的難題，尤其是對於基面的要求較高。在JGJ/T200—2010《噴塗聚脲防水工程技術規程》中明確規定了“基層表面應堅固、密實、平整、乾燥，不得有浮漿、孔洞、裂縫、灰塵、油汙等，否則應進行打磨、除塵和修補”；但在實際施作頂板防水層的時候，真正做到上述要求並非易事。因此，如何做到力求適應基面、如何最佳化底塗料等是今後聚脲施工過程中尚需克服的技術難點。預鋪防水卷材具有與澆築表面的混凝土結構粘結密實、不竄水的特點，並且其施工方便快捷、防水質量得到保證，因此得到了越來越多專業防水設計人員的認可。預鋪防水卷材可分為P類（主體材料為高分子）和PY類（主體材料為瀝青基聚酯胎）兩種，設計從材料耐久性考慮，要求使用P類。但這一類材料又有很多品牌，如何甄別選擇，則成為工程實踐的關鍵。對於防水卷材的甄選，設計要求施工現場做防水卷材的簡易剝離強度試驗，透過模擬工程實際從而最終決定選擇合適的外包防水卷材，並將試驗結果作為設計要求寫入相關檔案或圖紙。試驗可按此進行：
1）將預鋪防水卷材放在室外暴曬10d，並模擬現場施工實況對其進行人工踩踏；
2）在現場安裝模板，將日曬處理的預鋪防水卷材分別立於模板內側，然後澆築一個長方體混凝土試塊，試塊的配比、養護等要求與隧道主體混凝土相同；
3）進行7d養護後拆模，對卷材進行人工撕扯，觀察產品與後澆混凝土試塊的粘結情況，可以此判斷卷材與混凝土基面的粘結效能。卷材剝離強度試驗。試驗結果表明，儘管已採取了加強層、空鋪等措施，預鋪防水卷材在伸縮縫位置仍會因變形量過大而導致卷材被拉裂造成接縫滲水。因此，預鋪防水卷材在過變形縫時採取何種措施以適應足夠的結構變形，是今後防水層設計需要進一步完善的地方。
2.3四川遂寧市觀音湖隧道
觀音湖隧道處於觀音湖底，隧道頂板零覆土，僅有用於防沖刷和抗浮的'石籠覆蓋，頂板完全浸泡在水中。因此，結構外防水層必須具有良好的耐水性以及與結構基面緊密粘結的效能。設計上選擇了預鋪防水卷材（P類）與噴塗非固化橡膠瀝青防水塗料作為隧道的外防水層的組合。根據太湖大道隧道的工程經驗，卷材方面採用了現場試驗效能較突出的PV－100預鋪防水卷材（P類，主要材料為HDPE），然而選擇噴塗非固化橡膠瀝青則是有所考慮的。前面提到，本隧道工期非常緊張，因此在施作外防水塗層之前，要對結構混凝土基面作進一步處理基本是不可能的。其次，結構變形縫接縫處採用外貼式橡膠止水帶，且側牆區域性為PV-100預鋪防水卷材，採用防水塗料時就要考慮到與這兩種材料的粘結。最終，設計選擇對結構混凝土基面基本無要求，可在潮溼基面快速施工、能與橡膠和塑膠兩種材料粘結較好的非固化橡膠瀝青防水塗料。當時在現場，透過試驗比較選擇了具有韓國技術支援的品牌產品，從目前的效果來看，幾乎是當時唯一的選擇。即為非固化橡膠瀝青與橡膠和塑膠粘結在一起後撕開的效果，非固化橡膠瀝青本體斷裂，而橡膠和塑膠的粘結面並無脫落現象。
3明挖隧道接縫防水的新技術
接縫防水是隧道工程防水中的重要一環，隨著工程材料的進步、工程實踐的不斷總結，現在的接縫防水也有了很多新的做法，下面介紹幾種具有代表性新做法。
3.1垂直縫與水平縫相交處
在隧道縱向的水平施工縫與橫向的垂直施工縫或者變形縫在結構的側牆總是有交點的，但以往設計忽略這個細節，垂直縫的止水措施與水平縫的止水措施即便不相交，也會造成結構縫滲漏的相互影響。
3.2側牆的水平施工縫
在結構底板與側牆的轉角處，通常會有高出底板面20~30cm的側牆與底板一起澆築，這樣就會存留一道側牆上的水平施工縫，這道施工縫往往就會成為滲漏的高發部位，通常稱之為“爛根”。在隧道大量改用大型定型鋼模板技術之後，設計改變了這條縫的設定位置，這種改變對於施工要求大大降低，施工質量可以得到保證。無錫太湖大道隧道和四川遂寧市觀音湖隧道運用了這種新型施工技術，均未出現“爛根”現象。側牆施工縫部位防水做法，
3.3兜繞成環的外貼式橡膠止水帶
以往的明挖隧道頂板伸縮縫外側通常採用密封膠嵌縫，與側牆的外貼式止水帶在轉角處搭接密封，不同防水材料之間的搭接質量難以保證，處理不當往往會導致滲漏，因此設計在遂寧市觀音湖隧道的伸縮縫處整環設定了外貼式止水帶。為解決外貼式止水帶在頂板的安裝問題，設計人員在隧道頂板設定了上壓模板，將頂板止水帶固定在上壓模板上，為外貼式止水帶的整環設定創造了條件。
3.4外貼式橡膠止水帶加貼反應型丁基橡膠膩子帶
以往結構變形縫用的外貼式橡膠止水帶，均以機械咬合的方式與結構混凝土粘結，在混凝土施工過程中，出現咬合不緊密就會增加接縫滲漏的機率。在無錫蠡湖隧道施工過程中，設計對外貼式橡膠止水帶作了適當調整，在止水帶兩端加貼反應型丁基橡膠膩子帶，使其與結構混凝土的粘結又多了一重保障。
4結語
隧道的防水施工是一個系統工程，設計只是這個系統工程的開端，要做好隧道結構防水工程的質量全控制，必須依靠參建各方共同努力，尤其是建設方業主單位。首先，要對具體施工現場人員進行工程防水的培訓工作，杜絕土建方的“粗放型”施工；其次，需提前投入工程防水的專題研究，有些作為設計的依據甚至要在施工圖之前出結果，但這一點在工程前期往往會被忽視；再次，要嚴格控制工程防水的原材料，特別是結構混凝土，不同於普通工民建只需普通商品混凝土，隧道工程對於混凝土效能要求比較高，需嚴格把控質量。總之，設計是源頭，工程的建設方應該無條件地支援設計採用新材料、新技術和先進的施工工藝，這無論是對於工程質量本身，還是技術進步都有很好的幫助。