隧道與地下工程防排水技術近年來的探索與改進

陳心茹，朱祖熹

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200235)

0 引言

地下工程結構防水效果是衡量工程質量的主要指標之一，因而越來越被重視，而復雜的地下環境條件對地下結構的耐久性和防水有著無法預計的影響，因此在工程建設的設計施工過程中合理選用針對工程環境與工程結構的防水材料及施工工藝是至關重要的［1］。近年來，我國隧道與地下工程發展迅速，防排水技術也有著長足的進步。在此，根據近年在隧道及地下工程分會防水排水專業委員會專業年會上發布的防水與耐久性方面的部分科研成果，以及在工程實踐中摸索、沿承的成功經驗，從細節著手，分析、展現地下結構防排水和耐久性在設計、施工技術上的若干進步，同時也反映防水材料及其使用中存在的一些問題。

1 工程現狀

隨著交通建設及地下空間的開發利用，相關防水排水技術在獲得長足進步的同時，也暴露了不少的問題和隱患。由于現在的快速建設，使我們對設計、施工、管理各方面無暇及時總結、及時調整。部分隧道和地下工程出現了結構密實度和抗滲性差、開裂、滲漏、部分工程過早維修等問題。為此，需要建設各方結合目前大環境下的工程建設情況，對設計、施工等環節加強監控，在結構與防水進一步協調配合的基礎上，在設計上有針對性地改進與優化。

在以往長大隧道與重大地下工程建設中，已確立了結構與防水相輔相承、互為一體的關系。結構與防水在設計上的優化、材料性能的提高以及施工技術的改進使防水體系逐步完善，也基本滿足了結構耐久性的設計要求。根據目前國家可持續發展及其地下結構在功能、環保、節能降耗等方面的綜合要求，完善的結構與防水綜合評估體系在隧道與地下工程建設中是至關重要的。以此為契機，經過多年不懈探索、研究和實踐應用，地下工程防排水技術領域在材料、施工工藝等方面都取得了不少成果。

2 結構自防水與耐久性技術進步與發展

2.1 混凝土結構自防水與耐久性之間的辯證統一

通過多年的認識與實踐，混凝土結構自防水與結構耐久性之間的相互對立、彼此隔離的現象正在逐漸消除。目前國家隧道和重大地下工程結構防水等級均要求達到一級或二級，并明確要求了工程主體結構設計使用年限。因此設計施工在確立了以混凝土結構自防水為根本、接縫防水為重點、輔以附加防水層的結構防水體系的同時，也充分認識與逐步做到了建立防水體系與混凝土結構耐久性體系之間所構成的“相輔相成、互為一體”的關系，如高山嚴寒地區山嶺隧道既有防水、排水特殊設計，又有凍融環境的耐久性設計與施工措施;在氯化物環境中的海底隧道防水與耐久性相結合的措施均有重點研究，且獲得了顯著的成果。

2.2 混凝土結構耐久性設計與施工作為獨立體系予以實施

隨著對混凝土結構耐久性認知的加深以及相關國家標準的頒布執行，各地隧道交通及地下空間開發工程中混凝土結構的耐久性已被廣泛重視。對混凝土結構耐久性的獨立設計也漸次展開，耐久性施工、檢測及評估技術通過不斷研究應用［1］，已逐步形成系列的規范與標準。鋼筋混凝土耐久性圖示如圖1所示。高強度墊塊如圖2所示。作為混凝土鋼筋保護層用高強度墊塊等結構耐久性的在地下工程的設計、施工中已有明確要求與措施，并逐步得以實施。

2.3 地下工程接縫及其他細部構造的防水設計不斷優化完善

2.3.1 盾構隧道接縫防水密封墊的替補置換技術開始探索

密封墊的設計不僅通過有限元數理分折與阿累尼烏斯公式推算，以及長期水密性試驗的比照，以力求控制密封墊百年設計使用壽命。同時，單道密封墊防線一旦由于材料與特殊原因而失效，采取何種預案彌補的問題也已提上研究日程［2］，多項有關研究正相繼開展。彈性密封墊構造如圖3所示。

圖1 鋼筋混凝土耐久性圖示Fig.1 Sketch of durability of reinforced concrete

圖2 高強度墊塊Fig.2 High-strength cushion block

圖3 彈性密封墊構造(單位:mm)Fig.3 Structure of elastic sealing cushion(mm)

2.3.2 沉管隧道各類接頭的設防措施隨著不斷實踐應用更趨專門化、合理化

GINA，OMEGA橡膠止水帶作為沉管隧道主要接頭防水材料，其材質、斷面構造與形式、裝置及檢驗技術都成為重要的研究課題，GINA，OMEGA橡膠止水帶的室內力學性能、密封性能試驗與復雜工況下的有限元分析相結合的研究不斷深化［3－4］。GINA止水帶構造裝置及有限元分解圖例見圖4。

2.3.3 礦山法、新奧法等暗挖隧道夾層防水層，變形縫滲漏處理等新材料、新工藝不斷研發

1)塑料防(排)水板與無紡布復合使用，在礦山法隧道夾層防排水、盾構法隧道聯絡通道防排水、明挖法隧道外層疏水等能充分發揮防排結合的特質，其無紡布還能過濾泥砂防止泥土流失［5］。塑料復合排水板如圖5所示。同時依靠外貼式塑料止水帶與分區注漿系統(如圖6示)將防水板劃分為多個封閉的區域，各區域的防水板內表面設置注漿管，一旦混凝土本體產生滲漏水，即可通過位于漏點最近的注漿管進行注漿堵漏處理［6］。

圖4 GINA止水帶構造裝置及有限元分解圖例Fig.4 Structure and finite element model of GINA

圖5 塑料復合排水板Fig.5 Complex plastic draining material

2)作為變形縫滲漏水注漿堵水后的加強措施，內置式密封帶(條)等新型防水材料被開發與使用。內裝式密封帶(Colflex)如圖7所示。阿拉丁(Aladin)密封條如圖8所示。此外，飛馬度(FERMADUR)類變形縫壓縮型密封條也有廣泛的應用［1］。

2.4 地下工程防水排水的新技術不斷得到開發應用

2.4.1 噴涂速凝型涂膜防水技術異軍突起

噴涂速凝材料通常除了具有親水性或凝固時間可控等優點外，其自身還具備較好的伸縮性、與水泥水化物組合強度較好，且能夠在冷凍或干濕交替多次后不破壞等特點。目前無論噴涂層材料的性能、噴涂設備以及施工工藝均已有長足進步，具備工程應用的要求［7］。其中，聚丙烯酸鹽、橡膠瀝青等噴膜防水在國內沉管及明挖隧道中(諸如港珠澳大橋工程中的沉管隧道、天津開發區海河沉管隧道、陽澄湖明挖暗埋隧道、無錫太湖大道隧道等)已有非常成功的應用實例。頂板聚脲噴涂外防水層施工如圖9所示。

圖6 外貼式塑料止水帶與分區注漿系統(單位:m)Fig.6 Plastic water-stopping tie and sectioned grouting system(m)

圖7 Colflex密封帶Fig.7 Colflex sealing tie

圖8 Aladin密封條Fig.8 Aladin sealing tie

圖9 頂板聚脲噴涂外防水層施工Fig.9 Water-proofing material spraying on top roof

2.4.2 能與混凝土“咬合”的防水卷材、防水毯在城市軌道交通和地下工程中廣泛應用

1)預鋪高分子卷材在與混凝土接觸面有一層可與混凝土起化學反應的粘結層，并在混凝土固化過程中與之咬合成一體，是預鋪反粘、外防內貼的重要新材料［7］。

2)圖10所示為可與混凝土形成永久、有機結合的天然鈉基膨潤土與土工布復合而成的防水毯，對地下空間的環保性及可持續性有著積極的意義［8］。

近年來，哈爾濱保健路隧道采用膨潤土復合防水毯作全包防水層，北京地鐵數個礦山法隧道通道、上海地鐵8號線(人民廣場換乘大廳)、上海地鐵10號線江灣體育場過河段等都得到了應用并取得了不錯的效果。

圖10 膨潤土復合防水毯構造(單位:mm)Fig.10 Structure of complex bentonite water-proofing blanket(mm)

2.4.3 耐根穿刺卷材防排水技術不斷拓展

隨著人們對環保問題的日益重視，地下工程頂板有種植綠化時耐根穿刺卷材的防排水技術成為防水技術與綠化技術相互交叉結合的新技術［9］。近幾年上海、蘇州、寧波等城市軌道交通車站及明挖暗埋區間隧道在穿越中心城區與綠化交叉重疊時，其頂板覆土上大面積綠化種植要求不斷增多，耐根穿刺卷材的設置在設計中已明確提出了相關要求。耐根穿刺防水排水構造如圖11所示。

圖11 耐根穿刺防水排水構造Fig.11 Structure of root penetration resistance water-proofing system

2.4.4 電滲防水技術的實踐與應用已被重視

電滲透系統(也稱多脈沖智能電滲透系統，簡稱MPS系統)是當今先進的防滲、防潮、防霉技術［10］，該技術已經成熟應用了20多年，主要用在地下管廊、隧道、水庫大壩、電站等工程中的防水、防滲、防潮和除濕領域。在歐洲、美洲及香港等重要工程中取得了成功，并證明其卓越的防滲、防潮、防霉能力。上海運營中的地鐵及隧道的維保及滲漏水治理、大連東港地下綜合管溝工程中均應用該技術，并取得了良好的防治效果。這是一項基于長時期建立的電滲透原理和通過一系列的低壓脈沖電荷工作而改進的革新技術。MPS系統工作原理圖如圖12所示。電滲防水機制示意如圖13所示。當然，鑒于在造價與結構形式等方面的限制，其使用的局限性也不可否認。

圖12 MPS系統工作原理圖Fig.12 Working principle of MPS system

圖13 電滲技術機制示意圖Fig.13 Mechanism of electronic infiltration seepage technology

2.5 運營中的隧道與地下工程的維護、保養技術

運營期間的隧道及地下工程隨著外界長期持續的振動和環境改變均會引起不均勻沉降和變形，破壞或削弱了既有的防水結構，導致了接縫發生漏水。因此在保障建設質量的同時，對運營中的地下工程設施的維護與保養通過調查、檢測、評估與治理等一系列技術措施已日趨規范化、制度化，并已逐步形成了一套完善的體系(如微擾動注漿技術在運營隧道的滲漏治理與沉降控制中獲得成功應用，便是佐證)［11］。運營隧道檢測維修如圖14所示。

圖14 運營隧道檢測維修Fig.14 Detection and maintaining of running tunnel

3 結論與建議

以上所述僅是近幾年隧道、地鐵等諸多地下工程在實踐中于防排水專業技術上所取得的較為重要的技術成就與進步。

在地下工程設計施工過程中，結構防水與耐久性相結合構筑的綜合體系對確保工程質量的重要意義毋容置疑。更好地完善結構自防水體系，進一步認識混凝土結構耐久性退化的機制，掌握相關的設計理論與方法，加大應用技術研究力度，從而使地下工程的建設無論在功能、環保、節能等各個方面都得到可持續的發展。

當然，針對百年使用壽命的地下工程，諸如:盾構隧道管片接縫中單道密封墊防線一旦失效后如何補救的研究，混凝土結構耐久性指標、檢測及評估技術的完善，電滲透系統如何更經濟、有效地阻止通過混凝土毛細孔進入結構的細微水流并得到更為廣泛的認識與應用等方面的探索，還有待于進一步開展研究。

［1］ 朱祖熹，陸明，柳獻.隧道工程防水的設計與施工［M］.北京:中國建筑工業出版社，2012.(ZHU Zuxi，LU Ming，LIU Xian.Tunnel engineering waterproofing design and construction［M］.Beijing:China Building Industry Press，2012.(in Chinese))

［2］ 寧佐利.GPST工法管片接縫防水技術研究［J］.隧道建設，2014，34(9):844 －848.(NING Zuoli.Study on waterproofing joints of segments in GPST method［J］.Tunnel Construction，2014，34(9):844 －848.(in Chinese))

［3］ 孫鈞.港珠澳大橋島隧工程深厚軟基與大回淤條件下的工程處治研究［J］.隧道建設，2014，34(9):807－814.(SUN Jun.Countermeasures for deep and thick soft foundation under serious back-silting condition:Case study on artificial island and immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge project［J］.Tunnel Construction，2014，34(9):807 －814.(in Chinese))

［4］ 陸明，陳鴻.超深埋海底沉管隧道接頭防水設計的探討［J］.中國建筑防水，2012(8):17－21.(LU Ming，CHEN Hong.Jointwaterproofingdesign ofultra-deep undersea immersed tube tunnel［J］.China Building Waterproofing，2012(8):17－21 .(in Chinese))

［5］ 李英軍，冀文政，潘水艷，等.排水技術在地下防水改造工程中的應用［J］.地下工程與隧道，2013(S1):95－97.(LI Yingjun，JI Wenzheng，PAN Shuiyan，et al.Application of drainage technique in underground waterproofing renovation engineering［J］.Underground Engineering and Tunnels，2013(S1):95－97.(in Chinese))

［6］ 陸明.礦山法軌交車站與區間防排水設計探討［J］.地下工程與隧道，2013(S1):11－14.(LU Ming.Exploration on water proofing and drainage design of rail transit stations and sections using the mining method［J］.Underground Engineering and Tunnels，2013(S1):11－14.(in Chinese))

［7］ 賈逸，徐經緯，張勇.無錫太湖大道隧道結構防水設計［J］.地下工程與隧道，2011(S2):41－47.(JIA Yi，XU Jingwei，ZHANG Yong.Structural waterproofing design of Wuxi Taihu avenue tunnel［J］.Underground Engineering and Tunnels，2011(S2):41－47.(in Chinese))

［8］ 陳心茹，徐盛，楊泉.膨潤土防水毯在上海軌道交通人民廣場站換乘大廳中的應用［J］.地下工程與隧道，2009(S):63 － 67.(CHEN Xinru，XU Sheng，YANG Quan.Application of bentonite waterproof blanket in underground concourse hall of Shanghai rail transit people square station［J］.Underground Engineering and Tunnels，2009(S):63－67.(in Chinese))

［9］ 孫雪釗.種植屋面工程用耐根穿刺防水材料淺析［J］.中國建筑防水，2012(15):31 －33.(SUN Xuezhao.Discussion on root resistant waterproofing material for planted roof engineering［J］.China Building Waterproofing，2012(15):31－33.(in Chinese))

［10］ 王剛，張超，胡偉耀，等.多脈沖電滲透技術在地下綜合管溝防水中的應用［J］.地下工程與隧道，2011(S2):96 － 98.(WANG Gang，ZHANG Chao，HU Weiyao，et al.Application of multi-pulse sequencing technology in waterproofing ofunderground common tunnel ［J］.Underground Engineering and Tunnels，2011(S2):96 －98.(in Chinese))

［11］ 王如路，陳穎，任潔，等.微擾動注漿技術在運營隧道病害治理及控制中的應用［J］.地下工程與隧道，2013(S1):52 － 57.(WANG Rulu，CHEN Ying，REN Jie，et al.Application of micro-disturbance grouting technique in hazards treatment and control during tunnel operation［J］.Underground Engineering and Tunnels，2013(S1):52－57.(in Chinese))