隧道复合式衬砌防水层损伤预防探讨

隧道复合式衬砌防水层损伤预防探讨

吕康成1,王大为2,解赴东2,崔凌秋2

(11长安大学　西安市　7100;21长春-吉林高速公路建设办公室　长春市　130021)

　　摘　要:越来越多的隧道在建成后不久便出现渗漏,导致这一现象的原因之一是复合式衬砌中的防水层在服务期间受力破损。针对目前工程上普遍存在的喷射混凝土表面过于粗糙,碎石用作表层喷射混凝土粗集料,防水板及其垫层厚度偏薄等问题,提出了减少防水板在服务期间损伤的预防措施。为了评价喷射混凝土表面粗糙度,建议采用补砂法测定喷射混凝土表面的纹理深度。

　　关键词:隧道;复合式衬砌;防水层;损伤;预防

　　渗漏是公路隧道的常见病害,特别是在寒冷地区,渗漏还会引发各种冻害,对行车安全和衬砌结构的稳定构成极大威胁。所以,随着公路隧道建设的迅速发展,工程界对隧道的防渗防漏愈来愈重视。目前,在山岭隧道建设中,隧道防水技术的核心是在复合式衬砌中设置防水层。防水层由防水板及其垫层组成。防水板的作用是将地层渗水拒于二次衬砌之外,以免水与二次衬砌接触并通过二次衬砌中的薄弱环节渗入隧道。垫层的主要作用是保护防水板,使防水板免遭尖锐物的刺伤。近年来,我国的隧道防水材料发展很快,尤其是防水板种类繁多,其中以PV C用量最大,EVA和LD PE次之。防水层的铺设工艺也在不断改进,其中以双缝焊接和免钉穿防水板铺设工艺最具代表性。这些新材料、新工艺的推广应用,使我国公路隧道的防水技术有了长足的进步,并取得了较好的防水效果。但是,值得指出,由于隧道防水工程的复杂性,尽管新建隧道都采用了上述的新材料、新工艺,但仍有不少隧道出现了一定程度的渗漏,并且随着时间的推移,渗漏量有不断增加的趋势。这表明,置于复合式衬砌中的防水板在其服务期间会受到一定程度的损伤,并使地下水经防水板损伤处与二次衬砌接触,导致隧道渗漏。本文拟就隧道复合式衬砌防水层损伤的原因予以分析,并对防水层损伤的预防措施进行探讨。

1　防水板损伤的原因

防水板损伤可分为施工期损伤和运营期损伤。众所周知,施工期损伤主要来自2个方面:一是防水卷材拼幅时的粘结或焊结质量欠佳,造成接缝不严;二是二次衬砌混凝土施工时,因绑扎钢筋或震捣混凝土而造成防水板局部破损,并且这些局部破损或者未被发现,或者虽被发现但修补不当。而隧道运营期防水板的损伤原因目前尚未引起工程界的普遍注意,本文将着重对此加以分析。

(1)防水层铺设基面过于粗糙。

防水层在服务期间,一侧是先于其铺设的喷射混凝土,另一侧是后于其施工的二次衬砌混凝土。两侧虽然同是混凝土,但由于施工方法的不同,它们与防水层相邻面上粗糙程度大不相同。喷射混凝土表面十分粗糙,局部还会呈“葡萄状”与“泼粥状”。二次衬砌混凝土与防水层的接触面相当光滑,这是因为浇注时混凝土混合料呈流动态。隧道建成后,由于隧道围岩的流变性质而使围岩内的应力与位移逐渐调整。二次衬砌为人工结构,其整体性较好并相对来说变形很小。由于喷射混凝土与二次衬砌间的变形不协调,在局部,喷射混凝土会对二次衬砌施加极大的压力。当然,介于两个承载结构之间的防水层也要承受极大的压力。在围岩应力重分布过程中,喷射混凝土与二次衬砌之间还可能出现相对错动;另外,二次衬砌还会因季节变化,出现纵向伸缩,也会引发二次衬砌与喷射混凝土之间出现相对错动。这些错动会使防水层承受较大的剪力。不论是两承载结构之间的压力还是其间的剪力,都会在应力值达到一定限度时,因喷射混凝土表面的粗糙不平,导致防水板损

收稿日期:2001-03-23

　公路　2001年10月　第10期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H IGHW A Y　O ct12001　N o110　

伤。为了研究防水层的工后力学特性,笔者曾进行了复合式衬砌防水层力学性态模拟试验[1]。试件规格与加载模式如图1。试验中,防水层有2种:一种是

018mm 厚的EVA 和400g m 2

土工布;另一种是

110mm 厚PV C 与土工布的复合防水卷材。在进行

压缩和压剪试验后,取出防水层观察,发现当压应力达到4M Pa 左右时,或压应力为2M Pa ,剪应力为1M Pa 左右时,EVA 防水板和PV C 防水板均出现了严重损伤,而这些应力在防水板服务期间都是可能出现的。试验还发现,当喷射混凝土试块的表面不太粗糙时,防水层在试验过程中不易损伤。事实上,试验所用的喷射混凝土试块表面的粗糙度远较工程实际中的喷射混凝土表面粗糙度为小,所以,防水层的喷射混凝土基面过于粗糙是造成防水层在服务期间损伤的主要原因

。

图1　防水层力学性态模拟试验试件与加载模式

(2)碎石用作喷射混凝土的粗集料。

受工程当地原料来源的,碎石常被用作喷射混凝土的粗集料,这虽然有利于就地取材,但却给隧道防水层的长期完好带来不利影响。碎石棱角锋利,其粒径常在10mm 左右,若浮于喷射混凝土表面的碎石有2 3长度外露,则当围岩来压时,这些碎石便足以先刺破土工布垫层,然后再挤破110mm 厚的防水板。在上述试验中,打开试件,取出防水板,对照防水板的损伤处和喷射混凝土表面的碎石位置,发现严重损伤处多为喷射混凝土表面有碎石的部位。文献[2]也指出,碎石一般不宜用作表层喷射混凝土的粗集料。这些均表明,用碎石作表层喷射混凝土的粗集料是造成防水层在服务期间损伤的另一重要原因。

(3)防水板的垫层——土工布较薄。

隧道工程防水板的垫层多为土工布,其作用一是缓冲围岩压力,二是过滤围岩渗水。目前公路隧道

中常用的规格为300～400g m 2

。垫层的厚度是一个变化的值,压力小,厚度大,压力大,厚度小。土工合成材料试验规程中规定,检测土工材料厚度时的

压力为2kPa 。由于隧道工程中土工布的厚度没有

引起足够的重视,目前在其性能报告单中很难看到土工布在给定压力下的厚度。在复合式衬砌防水层

力学性态模拟试验中发现,400g m 2

规格的土工布并没有有效地保护防水板。看来我国目前用作防水板垫层的土工布厚度偏小。

2　预防防水板损伤的措施

值得强调,防水层是复合式衬砌防水技术的核心,它的完好对整个隧道的防水效果有着至关重要的影响。如果防水层在服务期间不受损伤,则解决寒冷地区公路隧道的防冻问题也变得非常容易。上面分析的防水层损伤过程虽然均发生在隧道建成后,但是如果在设计和施工过程中对防水板损伤问题有所重视,防水板在服务期间的损伤是可以预防的。2.1　完善规范

隧道设计规范和隧道施工技术规范是隧道设计与施工的指导性文件,如果在其中对喷射混凝土的用料与表面粗糙度提出要求,则会使防水板损伤的预防受到普遍重视,从而使新建隧道的防水效果大为改善。

喷射混凝土表面是防水层的铺设基面,我国现行公路隧道施工技术规范在第10131中提出了复合

式衬砌中防水层施工应满足的要求,其中有关喷射混凝土的要求为:“防水层铺设前,喷射混凝土表面不得有锚杆头或钢筋断头外露;对凸凹不平部位应修凿、喷补,使喷射混凝土表面平顺”。显然这里只注意到了大范围的平顺,没有注意到小范围的光滑。

关于喷射混凝土表面的粗糙度,建议采用类似评价路面粗糙度的方法,即用补砂法测定喷射混凝土表面的纹理深度[5],经过进一步试验,确定合理的平均纹理深度作为评价喷射混凝土表面粗糙度的指标。由于忽视了碎石棱角对防水板的破坏作用,规范中对喷射混凝土的粗集料也未作。隧道施工技术规范第71312条对喷射混凝土石料的要求是:石料应“采用坚硬耐久的碎石或卵石,粒径不宜大于15mm ,钢纤维喷射混凝土的碎石粒径不应大于10

mm ,且级配良好”

。规范中没有碎石在喷射混凝土表层中的应用,或补充说明当其用于喷射混凝土表层时应采取何种措施以钝化棱角。建议在修订规范时,或者要求在喷射混凝土表层用卵石作粗集料,或者要求在喷射混凝土表层用碎石作粗集料条件下,必须对表面进行抹光处理。

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7—　2001年　第10期　　　　　　　　吕康成等:隧道复合式衬砌防水层损伤预防探讨

从防水层损伤原因分析可见,预防损伤的途径主要有2条:一是降低喷射混凝土表面的粗糙度;二是增加防水板垫层的厚度。不论是哪个途径,在隧道设计中均有多种实施方案。设计时可根据工程的具体条件,对各种方案从性能、造价、施工等方面进行综合评价,从中选出最佳的实施方案。工程中可供选择的预防损伤措施如下。

(1)喷射混凝土的表面用砂浆罩面。砂浆层可用喷射机喷射,也可用人工抹压,或两者结合,使防水层铺设基面平整光滑。

(2)喷射混凝土的表层用卵石作粗集料。当用卵石作粗集料喷射表层混凝土时,应在初凝前由人工或用机械压抹,使表面平整光滑。

(3)适当增加防水板垫层——土工布的厚度。在处理好喷射混凝土表层后,可考虑用双层300～400g m2土工布作为防水板的垫层,从而加强对防水板的保护。

(4)适当增加防水板的厚度。目前工程上常用的防水板的厚度在1mm左右,最小厚度竟达018 mm,这样的厚度虽然降低了工程造价,方便了施工,但其可靠性值得怀疑,笔者认为防水板的厚度在112～115mm之间为宜。

应当指出,在以上预防防水板损伤措施中,前两项旨在降低喷射混凝土表面的粗糙度,设计中必选其一。后两项旨在提高防水层自身的防护能力,若被采用无疑有利于防水层的长期完好。

2.3　精细施工

隧道建成后,其衬砌结构经常处于地下水的包围之中,地下水无孔不入,因此在进行防水工程施工时必须耐心而细致,注意做好以下工作。

(1)在用砂浆等材料为喷射混凝土罩面前应清理旧有表面。首先应凿除喷射混凝土表面的“葡萄状”结块,割除锚杆的外露部分,填补喷层表面的明显坑洼,并用清水冲洗表面的浮尘,然后,覆5～10 mm薄层砂浆,抹光表面。

(2)表层喷射混凝土的粗集料为卵石时,喷射混凝土的砂率和水泥用量应适当增加。施工中应边喷射,边抹压,使喷层表面的个别外露卵石面外凸高度小于1mm,保证在围岩压力相当大时,也不致于将防水板挤破。

(3)采用多点复合免钉穿防水层铺设工艺。防水层的铺设工艺有2种:一是垫层和防水板分次铺设;二是垫层和防水板工厂复合现场一次铺设,目前多用后者。垫层与防水板的复合方式又有2种:一种是面复合,即除拼幅接茬外,垫层——土工布与防水板完全粘结在一起,这种产品的代表为工程上广泛应用的PV C+土工布复合防水卷材;

另一种是多点复合,即将防水卷材与土工布卷材有规律地在若干点上用专用胶复合在一起,这种产品的代表是工程用量相当大的EVA+土工布复合防水卷材,见图2。前者由于防水板与垫层紧密结合,施工时只能有同样的松铺系数,而后者的2种材料仅在若干点上复合,可在工厂生产中有意为变形能力相对较差的垫层——土工布,事先提供一定的松铺系数。在现场施工时,实际为防水板与垫层提供的松铺系数是不一样的,从而减少了土工布在施工与服务期间的撕裂机会,进而保护防水板免遭喷射混凝土的损伤。

图2　多点复合免钉穿防水层铺设工艺

3　结语

在隧道复合式衬砌中,设置防水层是目前山岭隧道防水技术的核心,防水层的完好对隧道的长期防水效果有着至关重要的影响。由于目前尚未充分认识预防防水层在服务期间损伤的重要性,导致不少隧道在建成后不久便出现渗漏。建议从完善规范、优化设计和精细施工等方面采取相应对策,从而提高我国隧道特别是公路隧道的防水工程技术水平。

参考文献:

[1]　吕康成等1隧道复合式衬砌防水层工作性态试验研

究1中国公路学报,2000(4).

[2]　G M ann sbart,Effective U nderground Sealing Sys2

tem s,T unnels&T unnelling In ternati onal,1998(3).

[3]　公路土工合成材料试验规程(JTJ T019-98)1

[4]　公路隧道施工技术规范(JTJ042-94)1

[5]　赵祖康等主编1道路与交通工程词典1北京:人民交

通出版社,1995.

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