城市明挖隧道工程防水技術(shù)的發(fā)展論文
0引言
自2000年以來(lái)，國(guó)內(nèi)大中型城市的市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度驟增。在短短的15年內(nèi)，筆者便參與設(shè)計(jì)了包括南京、杭州、昆明等近10條長(zhǎng)度超過(guò)1km的城市明挖市政交通隧道，這些隧道均為城市道路隧道，處在或連接城市的主要干道，大多穿越河道或在城市中心的湖泊底下。由于城市快速發(fā)展的需要，對(duì)于隧道施工周期要求越來(lái)越高。因此，需在較短的施工工期內(nèi)完成工程并保證質(zhì)量、特別是一些防水質(zhì)量要求很高的隧道工程，這就必須考慮使用一些新技術(shù)，來(lái)完成艱巨的工程任務(wù)。現(xiàn)以筆者參與設(shè)計(jì)的一些隧道工程為例，介紹近年來(lái)城市明挖隧道工程防水技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。
1明挖隧道的混凝土自防水技術(shù)發(fā)展
1.1南京玄武湖隧道
南京玄武湖隧道處于南京城的景觀湖中，湖中的土質(zhì)以淤泥質(zhì)黏土為主，在結(jié)構(gòu)埋深最深處埋有粉質(zhì)黏土。這些土層雖然含水率已達(dá)飽和，但滲透系數(shù)很低。針對(duì)這種淺覆土的工程特點(diǎn)，查閱了大量歐美的設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，及國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的工程案例和研究專(zhuān)題，確定了玄武湖隧道結(jié)構(gòu)混凝土的技術(shù)參數(shù)要求：抗?jié)B等級(jí)（暗埋段≥P8，敞開(kāi)段≥P6）、強(qiáng)度等級(jí)（≥C30）、抗凍融指標(biāo)（＞D300）、抗碳化（理論＞100a）、抗Cl-侵蝕（Cl-擴(kuò)散系數(shù)＜2×10-8cm2/s）、60d干燥收縮率（≤0.025%）和裂縫寬度（≤0.2mm，且不允許出現(xiàn)貫穿）。此處，對(duì)于混凝土抗凍融循環(huán)的要求，并不是因?yàn)楸舅淼捞幱趪?yán)寒地區(qū)，而是當(dāng)時(shí)工程界將它作為衡量混凝土長(zhǎng)期致密的一個(gè)耐久性指標(biāo)。而對(duì)于Cl-擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定，因“自然擴(kuò)散法”檢測(cè)周期較長(zhǎng)，不能作為工程的過(guò)程監(jiān)測(cè)，最終確定引進(jìn)檢測(cè)周期較短的混凝土電通量檢測(cè)法。針對(duì)混凝土自防水及耐久性設(shè)計(jì)要求，工程采取了以下技術(shù)措施：①對(duì)混凝土的膠凝材料、粗細(xì)骨料、水等原材料把關(guān)，嚴(yán)格控制混凝土的總Cl-和堿含量；②采用優(yōu)質(zhì)磨細(xì)粉煤灰等活性粉料替代部分水泥充當(dāng)混凝土的膠凝材料，并嚴(yán)格限制水和膠凝材料的比例；③采用新型的、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(duì)混凝土施工提出了具體的溫控、振搗、養(yǎng)護(hù)等要求。通過(guò)玄武湖隧道工程，得到以下實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：
1）對(duì)于明挖淺埋隧道的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)縫，從施工角度出發(fā)，主要以減少收縮裂縫為目的，采用了90m間距設(shè)置結(jié)構(gòu)變形縫，相鄰變形縫間設(shè)置兩條垂直施工縫（即間距30m），并要求施工縫兩側(cè)混凝土的澆筑間隔時(shí)間不少于14d。由于混凝土專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)考慮較全面，再加上完善的施工及養(yǎng)護(hù)措施，結(jié)構(gòu)混凝土本體并未產(chǎn)生水化熱而造成的收縮裂縫，從而確保了混凝土的高抗?jié)B性。
2）由于隧道淺埋，良好的結(jié)構(gòu)完整性導(dǎo)致隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)溫度僅比室外大氣溫度低2℃左右。在夏季受隧道結(jié)構(gòu)氣溫升高的影響，兩條相鄰變形縫間的混凝土結(jié)構(gòu)管節(jié)受熱膨脹，局部變形縫處會(huì)出現(xiàn)混凝土擠壓破碎的現(xiàn)象，這種不良現(xiàn)象是由于變形縫間距過(guò)長(zhǎng)、變形縫寬設(shè)計(jì)統(tǒng)一而未考慮到季節(jié)變化影響而引起的。此次工程設(shè)計(jì)基本確立了市政地下工程結(jié)構(gòu)混凝土耐久性設(shè)計(jì)的框架，提出了高性能混凝土高抗?jié)B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(jié)構(gòu)混凝土工程經(jīng)驗(yàn)的又一次實(shí)踐，但由于建設(shè)方未根據(jù)工程特點(diǎn)對(duì)混凝土進(jìn)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，同處于玄武湖下并穿越南京九華山。在傳承了玄武湖隧道的結(jié)構(gòu)混凝土工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，九華山隧道改變了結(jié)構(gòu)設(shè)縫原則。在經(jīng)過(guò)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)受溫度影響及結(jié)構(gòu)約束、徐變等因素綜合考量，提出了結(jié)構(gòu)變形縫間距為60m，即相鄰變形縫間設(shè)置一條垂直施工縫，施工縫兩側(cè)混凝土澆筑時(shí)間間隔不少于14d；而變形縫縫寬根據(jù)混凝土的澆筑季節(jié)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(shù)的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)混凝土的研究上，聚羧酸高效減水劑對(duì)于結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性、施工性能均優(yōu)于萘系的混凝土外加劑，因此有關(guān)聚羧酸高效減水劑的運(yùn)用研究又再次深入。并且，對(duì)其耐久性的檢測(cè)指標(biāo)及方法做了一些調(diào)整，即開(kāi)始引入Cl-擴(kuò)散系數(shù)的RCM檢測(cè)法與自然擴(kuò)散法相結(jié)合的檢測(cè)，并相互驗(yàn)證。此外，無(wú)錫蠡湖隧道、蘇州獨(dú)墅湖隧道、南京新模范馬路隧道也應(yīng)用此結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)方案，并獲得成功，驗(yàn)證了我們對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土的專(zhuān)項(xiàng)研究是科學(xué)的，日后國(guó)內(nèi)有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等的發(fā)布和實(shí)行，也同樣印證了此種設(shè)計(jì)的正確性。
1.3無(wú)錫太湖大道隧道
1.3.1清水混凝土的應(yīng)用本隧道工程有一段結(jié)構(gòu)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(chē)道的最低限界要求，是整條隧道的寬度限界瓶頸。出于工程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方?jīng)Q定此段隧道在滿足行車(chē)限界后，不再預(yù)留側(cè)墻裝飾的空間，因而采用了不需裝飾層的清水混凝土。但由于本隧道工程的高防水等級(jí)和設(shè)計(jì)使用年限要求，且側(cè)墻因限界的緣故不能設(shè)置內(nèi)裝飾層，隧道通車(chē)后一旦出現(xiàn)滲漏，便會(huì)直接反映在無(wú)裝飾面層遮蔽的隧道側(cè)墻上。為盡量避免發(fā)生上述情況，對(duì)本隧道設(shè)計(jì)采用的清水混凝土的抗?jié)B性和耐久性提出較高要求，需將混凝土抗?jié)B與耐久結(jié)合考慮，以完善結(jié)構(gòu)混凝土的自防水。此外，工程采用大型定型鋼模板，既能達(dá)到施工要求，又能滿足清水混凝土表面的建筑效果要求，同時(shí)解決了滲漏隱患。
1.3.2自密實(shí)混凝土的應(yīng)用本工程金塘橋下蓋挖順作段，因缺乏混凝土振搗空間，采取了自密實(shí)混凝土作為結(jié)構(gòu)內(nèi)襯。由于自密實(shí)混凝土流動(dòng)性好，具有良好的施工性能和填充性能，且骨料不離析，硬化后具有良好的力學(xué)性能和耐久性，可以很好地提高混凝土工程質(zhì)量，加快工程進(jìn)度，同時(shí)改善了工程的施工環(huán)境并降低了工程費(fèi)用。而此后的四川遂寧市觀音湖隧道，由于觀音湖其實(shí)是一條河道的一部分，是在夏季豐水期由于下游水庫(kù)蓄水而構(gòu)成的城市景觀湖，所以隧道的建設(shè)只能利用冬季枯水期的4個(gè)月進(jìn)行。因施工工期短，在設(shè)計(jì)上也采用了大型定型鋼模板進(jìn)行大規(guī)模的結(jié)構(gòu)混凝土進(jìn)行施工，結(jié)果如期完工，工程質(zhì)量良好。
2明挖隧道外包防水層的新材料運(yùn)用
隧道工程外防水層的選擇是多種的，但成功的工程實(shí)踐往往是因地制宜、因工程而異的，結(jié)合筆者設(shè)計(jì)的幾條隧道工程舉例說(shuō)明。
2.1南京九華山隧道
是九華山湖中放坡開(kāi)挖暗埋段隧道防水設(shè)計(jì)，南京九華山隧道采用了華東地區(qū)較為典型的隧道外防水做法。考慮到隧道底板處于淤泥質(zhì)黏土之上、透水性差，因此隧道底板采用了水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，利用涂料的反滲透性，使其在底板混凝土固結(jié)過(guò)程中滲入結(jié)構(gòu)底板混凝土中，以達(dá)到底板防水的目的。而聚氨酯防水涂料較之外包防水卷材能更好地與混凝土基面粘合，達(dá)到防竄水的目的，同時(shí)避免了材料之間的接縫困擾。
2.2無(wú)錫太湖大道隧道
是無(wú)錫太湖大道隧道主線伸縮縫防水構(gòu)造。針對(duì)本工程頂板雙折板拱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工周期短等因素，設(shè)計(jì)提出了采用噴涂聚脲防水涂料作為頂板外防水層，這也是在隧道施工中開(kāi)始大規(guī)模運(yùn)用噴涂型防水涂料；而結(jié)構(gòu)底板及側(cè)墻，按照外防內(nèi)貼的原則，選擇采用預(yù)鋪式防水卷材。與傳統(tǒng)的聚氨酯防水涂料相比，噴涂聚脲防水涂料主要具有如下兩大優(yōu)勢(shì)：一是施工速度快，節(jié)省工期。施工速度快不僅體現(xiàn)在噴涂作業(yè)先進(jìn)的施工工藝上，而且聚脲本身可在5s內(nèi)凝膠，1min即可達(dá)到步行強(qiáng)度，也是施工速度的一大保障。二是聚脲防水涂料具有優(yōu)異的理化性能，其強(qiáng)度高、無(wú)需做保護(hù)層，可在施工后直接回填土。但噴涂聚脲防水涂料在現(xiàn)場(chǎng)施工中仍存在一些尚需克服的難題，尤其是對(duì)于基面的要求較高。在JGJ/T200—2010《噴涂聚脲防水工程技術(shù)規(guī)程》中明確規(guī)定了“基層表面應(yīng)堅(jiān)固、密實(shí)、平整、干燥，不得有浮漿、孔洞、裂縫、灰塵、油污等，否則應(yīng)進(jìn)行打磨、除塵和修補(bǔ)”；但在實(shí)際施作頂板防水層的時(shí)候，真正做到上述要求并非易事。因此，如何做到力求適應(yīng)基面、如何優(yōu)化底涂料等是今后聚脲施工過(guò)程中尚需克服的技術(shù)難點(diǎn)。預(yù)鋪防水卷材具有與澆筑表面的混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)密實(shí)、不竄水的特點(diǎn)，并且其施工方便快捷、防水質(zhì)量得到保證，因此得到了越來(lái)越多專(zhuān)業(yè)防水設(shè)計(jì)人員的認(rèn)可。預(yù)鋪防水卷材可分為P類(lèi)（主體材料為高分子）和PY類(lèi)（主體材料為瀝青基聚酯胎）兩種，設(shè)計(jì)從材料耐久性考慮，要求使用P類(lèi)。但這一類(lèi)材料又有很多品牌，如何甄別選擇，則成為工程實(shí)踐的關(guān)鍵。對(duì)于防水卷材的甄選，設(shè)計(jì)要求施工現(xiàn)場(chǎng)做防水卷材的簡(jiǎn)易剝離強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)模擬工程實(shí)際從而最終決定選擇合適的外包防水卷材，并將試驗(yàn)結(jié)果作為設(shè)計(jì)要求寫(xiě)入相關(guān)文件或圖紙。試驗(yàn)可按此進(jìn)行：
1）將預(yù)鋪防水卷材放在室外暴曬10d，并模擬現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)況對(duì)其進(jìn)行人工踩踏；
2）在現(xiàn)場(chǎng)安裝模板，將日曬處理的預(yù)鋪防水卷材分別立于模板內(nèi)側(cè)，然后澆筑一個(gè)長(zhǎng)方體混凝土試塊，試塊的配比、養(yǎng)護(hù)等要求與隧道主體混凝土相同；
3）進(jìn)行7d養(yǎng)護(hù)后拆模，對(duì)卷材進(jìn)行人工撕扯，觀察產(chǎn)品與后澆混凝土試塊的粘結(jié)情況，可以此判斷卷材與混凝土基面的粘結(jié)性能。卷材剝離強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，盡管已采取了加強(qiáng)層、空鋪等措施，預(yù)鋪防水卷材在伸縮縫位置仍會(huì)因變形量過(guò)大而導(dǎo)致卷材被拉裂造成接縫滲水。因此，預(yù)鋪防水卷材在過(guò)變形縫時(shí)采取何種措施以適應(yīng)足夠的結(jié)構(gòu)變形，是今后防水層設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步完善的地方。
2.3四川遂寧市觀音湖隧道
觀音湖隧道處于觀音湖底，隧道頂板零覆土，僅有用于防沖刷和抗浮的'石籠覆蓋，頂板完全浸泡在水中。因此，結(jié)構(gòu)外防水層必須具有良好的耐水性以及與結(jié)構(gòu)基面緊密粘結(jié)的性能。設(shè)計(jì)上選擇了預(yù)鋪防水卷材（P類(lèi)）與噴涂非固化橡膠瀝青防水涂料作為隧道的外防水層的組合。根據(jù)太湖大道隧道的工程經(jīng)驗(yàn)，卷材方面采用了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)性能較突出的PV－100預(yù)鋪防水卷材（P類(lèi)，主要材料為HDPE），然而選擇噴涂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，因此在施作外防水涂層之前，要對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土基面作進(jìn)一步處理基本是不可能的。其次，結(jié)構(gòu)變形縫接縫處采用外貼式橡膠止水帶，且側(cè)墻局部為PV-100預(yù)鋪防水卷材，采用防水涂料時(shí)就要考慮到與這兩種材料的粘結(jié)。最終，設(shè)計(jì)選擇對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土基面基本無(wú)要求，可在潮濕基面快速施工、能與橡膠和塑料兩種材料粘結(jié)較好的非固化橡膠瀝青防水涂料。當(dāng)時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)試驗(yàn)比較選擇了具有韓國(guó)技術(shù)支持的品牌產(chǎn)品，從目前的效果來(lái)看，幾乎是當(dāng)時(shí)唯一的選擇。即為非固化橡膠瀝青與橡膠和塑料粘結(jié)在一起后撕開(kāi)的效果，非固化橡膠瀝青本體斷裂，而橡膠和塑料的粘結(jié)面并無(wú)脫落現(xiàn)象。
3明挖隧道接縫防水的新技術(shù)
接縫防水是隧道工程防水中的重要一環(huán)，隨著工程材料的進(jìn)步、工程實(shí)踐的不斷總結(jié)，現(xiàn)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(jié)構(gòu)的側(cè)墻總是有交點(diǎn)的，但以往設(shè)計(jì)忽略這個(gè)細(xì)節(jié)，垂直縫的止水措施與水平縫的止水措施即便不相交，也會(huì)造成結(jié)構(gòu)縫滲漏的相互影響。
3.2側(cè)墻的水平施工縫
在結(jié)構(gòu)底板與側(cè)墻的轉(zhuǎn)角處，通常會(huì)有高出底板面20~30cm的側(cè)墻與底板一起澆筑，這樣就會(huì)存留一道側(cè)墻上的水平施工縫，這道施工縫往往就會(huì)成為滲漏的高發(fā)部位，通常稱(chēng)之為“爛根”。在隧道大量改用大型定型鋼模板技術(shù)之后，設(shè)計(jì)改變了這條縫的設(shè)置位置，這種改變對(duì)于施工要求大大降低，施工質(zhì)量可以得到保證。無(wú)錫太湖大道隧道和四川遂寧市觀音湖隧道運(yùn)用了這種新型施工技術(shù)，均未出現(xiàn)“爛根”現(xiàn)象。側(cè)墻施工縫部位防水做法，
3.3兜繞成環(huán)的外貼式橡膠止水帶
以往的明挖隧道頂板伸縮縫外側(cè)通常采用密封膠嵌縫，與側(cè)墻的外貼式止水帶在轉(zhuǎn)角處搭接密封，不同防水材料之間的搭接質(zhì)量難以保證，處理不當(dāng)往往會(huì)導(dǎo)致滲漏，因此設(shè)計(jì)在遂寧市觀音湖隧道的伸縮縫處整環(huán)設(shè)置了外貼式止水帶。為解決外貼式止水帶在頂板的安裝問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員在隧道頂板設(shè)置了上壓模板，將頂板止水帶固定在上壓模板上，為外貼式止水帶的整環(huán)設(shè)置創(chuàng)造了條件。
3.4外貼式橡膠止水帶加貼反應(yīng)型丁基橡膠膩?zhàn)訋?/p>
以往結(jié)構(gòu)變形縫用的外貼式橡膠止水帶，均以機(jī)械咬合的方式與結(jié)構(gòu)混凝土粘結(jié)，在混凝土施工過(guò)程中，出現(xiàn)咬合不緊密就會(huì)增加接縫滲漏的概率。在無(wú)錫蠡湖隧道施工過(guò)程中，設(shè)計(jì)對(duì)外貼式橡膠止水帶作了適當(dāng)調(diào)整，在止水帶兩端加貼反應(yīng)型丁基橡膠膩?zhàn)訋В蛊渑c結(jié)構(gòu)混凝土的粘結(jié)又多了一重保障。
4結(jié)語(yǔ)
隧道的防水施工是一個(gè)系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)只是這個(gè)系統(tǒng)工程的開(kāi)端，要做好隧道結(jié)構(gòu)防水工程的質(zhì)量全控制，必須依靠參建各方共同努力，尤其是建設(shè)方業(yè)主單位。首先，要對(duì)具體施工現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行工程防水的培訓(xùn)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(zhuān)題研究，有些作為設(shè)計(jì)的依據(jù)甚至要在施工圖之前出結(jié)果，但這一點(diǎn)在工程前期往往會(huì)被忽視；再次，要嚴(yán)格控制工程防水的原材料，特別是結(jié)構(gòu)混凝土，不同于普通工民建只需普通商品混凝土，隧道工程對(duì)于混凝土性能要求比較高，需嚴(yán)格把控質(zhì)量。總之，設(shè)計(jì)是源頭，工程的建設(shè)方應(yīng)該無(wú)條件地支持設(shè)計(jì)采用新材料、新技術(shù)和先進(jìn)的施工工藝，這無(wú)論是對(duì)于工程質(zhì)量本身，還是技術(shù)進(jìn)步都有很好的幫助。
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