有水壓隧道工程丙烯酸鹽噴膜防排水結構的水平卸壓性能探討

汪　健，楊其新，蔣雅君，侯本申

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都　610031; 2.西南交通大學土木工程學院，成都　610031)

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有水壓隧道工程丙烯酸鹽噴膜防排水結構的水平卸壓性能探討

汪健1，2，楊其新1，2，蔣雅君1，2，侯本申1，2

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都610031; 2.西南交通大學土木工程學院，成都610031)

根據丙烯酸鹽噴膜防排水結構特點、富水區隧道工程的環境條件，基于多孔介質模型和水平卸壓試驗，分析和探討丙烯酸鹽噴膜防水層的施作對土工布排水層水平方向上卸壓性能的影響。試驗首次將螺栓扭矩——預緊力換算法用于防排水試驗法向接觸壓力的施加，同時，在后期數據分析中建立防排水結構卸壓過程中微觀變量(等效卸壓厚度hw)與宏觀變量(單位壓強卸壓流量q)之間的線性關系，論證多孔介質模型假說，為噴膜后土工布規格的定量選取提供一定的設計指導。模型分析表明，等效卸壓厚度hw為重要參數，其直接影響結構等效過水面積，從而改變結構卸壓能力；水平卸壓試驗結果表明，丙烯酸鹽噴膜防水層的施加對低規格土工布(90，110 g/m2)的卸壓能力影響較大，hw值影響率達到了-30%～-70%，而當土工布規格達到230 g/m2和380 g/m2時，影響已經較小，hw值影響率均在-20%以下。

隧道工程；復合噴膜防水；水平卸壓性能；多孔介質模型

丙稀酸鹽噴膜防水技術是近年來出現的全新概念的防水技術——柔性、無接縫防水。由于噴膜層能與圍巖完全密貼，且阻燃、防破損性好、防水效果佳、施工快速方便、無接縫等特點，迅速引起了世界各國專家的關注和研究[1]。目前，丙烯酸鹽噴膜防水技術已在國內諸多隧道中得到成功應用，包括常規山嶺隧道、高寒山區隧道、高鐵隧道、氣密性輸氣隧道以及改建鐵路隧道等。

對于防水層采用丙烯酸鹽噴膜的復合式襯砌，其防排水結構體系未發生改變。然而，由于丙烯酸鹽噴膜防水層在成膜過程中與土工布密貼，易嵌入土工布排水層內部，影響其孔隙率和有效連通路徑。在高水頭富水區隧道，襯砌背后排水系統無論被堵塞或者壓死，都會導致襯砌上的水壓力顯著上升，其靜水壓力數值范圍可達1～2MPa[2-5]，因此，丙烯酸鹽噴膜防水層對于土工布排水層卸壓性能的影響值得關注。

本文通過測定單層土工布與噴涂丙烯酸鹽噴膜防水層后的復合土工布各自的卸水壓能力，并進行多種規格土工布的比較實驗，定量分析了丙烯酸鹽噴膜防水層對土工布排水層卸壓性能的影響。

1　防排水機理及試驗原理

1.1丙烯酸鹽噴膜防水層成膜機理

本文所提到的丙烯酸鹽噴膜防水技術特點為雙組份、雙噴頭高壓無氣式噴涂成膜。噴膜材料中的原液在噴射前分別混合助劑形成2種藥液，通過獨立管路進行輸送，由雙噴頭噴槍進行噴射后在空氣中進行混合，到達噴涂基面數秒后即可滿足設計強度[6-8]。

目前，已有學者根據非織造土工布的水平排水機理提出了對應的多孔介質模型[9]。筆者針對以丙烯酸鹽噴膜為防水層的防排水結構體系，提出一種新型多孔介質模型，來解釋其水平卸壓機理：在水平方向上，噴膜層分為外露層和嵌入層，均可看作不透水層；對于非織造土工布層，由于噴膜層的嵌入，其失去排水能力的部分為堵塞層，歸入噴膜嵌入層，即可看作不透水層，排水性能未受影響的部分為完好層，由均勻分布的圓孔孔隙與不透水的纖維骨架所組成。模型如圖1所示。

經過對該模型的簡化，可得到噴膜后土工布在水平方向上的等效過水面積

(1)

式中，S、S水、S外、S嵌、S纖分別為丙烯酸鹽噴膜防排水結構體系水平方向截面的總面積、過水斷面面積、噴膜外露層面積、嵌入層面積和土工布完好層纖維骨架面積；h1、h2、h3、b、n分別為丙烯酸鹽噴膜防排水結構體系水平方向截面土工布完好層平均厚度、噴膜嵌入層平均厚度、噴膜外露層厚度、截面寬度及土工布完好層孔隙率。

圖1　多孔介質模型

該模型中，土工布完好層平均厚度h1及其孔隙率n為重要參數，其直接影響噴膜后土工布在水平方向上的等效過水面積，從而改變其卸壓能力。

由于本次試驗中均采用平面尺寸為直徑7 cm的圓形試塊，因此，可對多孔介質模型進行進一步改進，引入變量等效卸壓厚度，其計算公式為

(2)

式中hw——等效卸壓厚度，m；

h1——土工布完好層平均厚度，m。

n——土工布完好層孔隙率。

其中，等效卸壓厚度hw為多孔介質模型中土工布完好層那部分孔隙的等效厚度，當卸壓結構為同種材料制成且平面尺寸確定的情況下，hw的大小直接決定了該結構的卸壓能力。

1.2非織造土工布卸壓機理

非織造土工布水平滲透性能直接影響其平面疏導水的能力，對于成品土工布，影響其水平滲透性能的主要因素：孔隙率、有效連通路徑。

非織造布因制造規格(平面單位質量)的不同，纖維骨架稀疏程度、孔隙大小等也會隨之發生變化[9]。已知非織造土工布孔隙率n1及噴膜后非織造土工布完好層孔隙率n2的計算公式為

(3)

式中m——土工布單位面積質量，g/m2；

ρ——土工布原材料密度，g/m3；

h——土工布厚度，m。

1.3實驗室法向接觸壓力施加原理

卸壓過程中，法向接觸壓力對防排水層的卸壓能力影響很大[10]，準確控制模型在卸壓過程中的法向接觸壓力是本次試驗成功的關鍵。根據本次試驗模型特點，筆者結合螺栓扭矩——預緊力換算法，保證同組試驗相同法向接觸壓力的同時，較準確地測算出了施加在防排水層上的法向接觸壓力值。

擰緊力矩一般通過擰緊扳手來施加，其中，擰緊扳手力矩T用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1及螺母和被連接件(或者墊圈)支承面間的端面摩擦阻力T2。在確定螺栓大小的情況下，螺栓的軸向預緊力正比于擰緊力矩，其比例系數就是擰緊力矩系數K[11-13]。

本次試驗中，扭矩螺絲刀提供扭矩，其扭矩值范圍為0.1～1.2 N·m，最小刻度0.01 N·m，法相壓強由擰緊4枚普通粗牙M12螺栓施加，相關計算公式為

(4)

式中P法——防排水結構所受法向接觸壓力，Pa；

M——扭矩值，N·m；

K——擰緊力矩系數，取0.26；

d——固定螺栓公稱直徑，取0.012 m；

d0——試驗塊直徑，取0.07 m。

根據貴廣鐵路工程和京滬高速鐵路工程其中4座隧道6個斷面的監測數據分析，若二次襯砌在初支變形穩定后施做，不同圍巖等級下的初支與二襯之間的穩定接觸壓力大致在同一水平上，且均低于300 kPa[14-15]。

由此，本次試驗法向接觸壓力設置范圍定為0～350 kPa(考慮特殊工況)。

2　丙烯酸鹽噴膜防水層的施做對土工布排水層水平卸壓性能的影響試驗

為對比丙烯酸鹽噴膜防水層對不同規格土工布排水層水平卸壓性能的影響，以及不同法向接觸壓力條件下防排水結構的卸壓能力變化，進行了模擬裝置中的卸壓對比試驗。

2.1試驗原料基本參數

單層土工布基本參數如表1所示。

試驗材料為成都市嘉洲新型防水材料有限公司提供，試驗中各規格組均設置該規格的單層土工布和對應的復合土工布進行對比。

2.2試驗裝置

試驗中通過水壓設備儀增壓來模擬高水頭水壓，水壓設備儀為南京泰克奧科技有限公司提供的Stress-Path Testing System，施壓范圍為0～3 MPa，容積2 L，配套1臺4 L容積轉換器，整套裝置的總容積為6 L。

表1　單層土工布基本參數

注：所提到的復合土工布的結構形式為：在標準土工布層上噴涂一層3 mm厚的丙烯酸鹽噴膜防水層，如90 g/m2復合土工布=90 g/m2單層土工布層+3 mm厚丙烯酸鹽噴膜防水層。

為模擬防排水結構在隧道復合式襯砌中受擠壓的狀態，試驗采用2層110 mm×110 mm壓塊制成試驗盒，通過緊固螺栓對防排水結構提供法向接觸壓力。試驗裝置示意如圖2、圖3所示。

圖2　試驗盒平面示意(單位：mm)

圖3　試驗盒1-1剖面

試驗盒的設計保證卸壓水流沿土工布試塊平面內各個方向流出，避免單向流動所帶來的偶然誤差，提高了試驗結果的準確性。

2.3試驗過程

本次試驗模擬有水壓隧道防排水層在初支點滲工況下的卸壓能力，而對于初支裂縫的線滲和大面積滲水情況不做討論。試驗中分別取初始水壓為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa，卸壓完成時間取水壓達到試驗初始水壓的1%時所對應的時間，水壓設備儀可自動記錄整個卸壓過程(水壓值、泄水量隨時間的變化情況)。

為模擬防排水結構在隧道復合式襯砌中受不同法向接觸應力時的卸壓能力，本次試驗在同等初始水壓下分別取法向接觸壓力為33.3 kPa(松弛狀態)、166.6 kPa(正常密貼狀態)和333.1 kPa(過度密貼狀態)3種工況進行分析。

分別對8組試樣進行上述加壓試驗，用排水量收集器收集各次試驗實際所排水量，排出水中溶解氣體對試驗的干擾。

2.4試驗結果

2.4.1不同規格單層土工布卸壓時間與初始水壓、法向接觸壓力的關系

本實驗重點模擬相同法向接觸壓力下，初始水壓與卸壓時間的關系。法向接觸壓力為33.3、166.6 kPa及333.1 kPa 3種工況下的試驗結果如圖4、圖5及圖6所示。

圖5　單層土工布初始壓強與卸壓時間關系(法向接觸壓力：166.6 kPa)

圖6　單層土工布初始壓強與卸壓時間關系(法向接觸壓力：333.1 kPa)

根據圖4、圖5、圖6所示結果可得出以下結論。

(1)法向接觸壓力限定條件下，同規格土工布的卸壓時間隨初始水壓的增大而減小，并逐漸趨于穩定；此外，初始水壓限定條件下，同規格土工布的卸壓時間隨法向接觸壓力的增大而增大。

(2)法向接觸壓力為166.6 kPa和333.1 kPa時，同等法向接觸壓力工況下，隨著土工布規格的提升，卸壓時間明顯減少，卸壓能力提高，而后趨于穩定，當土工布規格達到230 g/m2以上時，土工布規格的提升對卸壓能力提高的幅度不大；法向接觸壓力為33.3 kPa時，同等初始水壓下，土工布規格高低與卸壓所需時間表現出來的規律性不如其他2種工況明顯，初步分析原因為：在較小法向接觸壓力條件(松弛狀態)下，卸壓過程中部分水流并未沿土工布平面內部排出，而是從土工布與壓板之間排出，從而影響土工布內部平面卸壓性能的測定。

2.4.2單層土工布的等效卸壓厚度hw與單位壓強卸壓流量的關系

通過試驗測定數據，發現在確定了法向接觸壓力及土工布規格情況下(hw確定)，卸壓流量與初始水壓的比值基本接近于某一定值，即單位初始水壓所產生的卸壓流量保持不變。因此引入相關計算公式如下

(5)

式中q——單位壓強卸壓流量，mL·s-1·MPa-1；

Qi——某工況下卸壓流量，mL·s-1；

P0i——某工況下初始水壓，MPa；

n——工況數。

q表征法向接觸壓力限定條件下，某規格土工布單位初始水壓的卸壓流量大小。本次試驗中分別計算法向接觸壓力為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa的4種工況，取均值得到對應的土工布q值。單層土工布q值取值如表2所示。

表2　單層土工布q值取值　　mL·s-1·MPa-1

由表2數據可知，法向接觸壓力的增大使q減小；法向接觸壓力限定條件下，提高土工布規格一定程度上可以增加結構的q值。

根據表1和表2所示試驗結果，得到hw與q的散點圖及對應擬合曲線方程(可決系數R2=0.86)，如圖7所示。

圖7　hw與q相關關系散點分布

(6)

式中q——單位壓強卸壓流量，mL·s-1·MPa-1；

hw——等效卸壓厚度，mm。

由此可知，當卸壓結構平面為直徑7 cm的圓時，hw與q呈對數相關，等效卸壓厚度hw決定了結構單位初始水壓下的卸壓流量，直接影響結構的卸壓能力大小。

2.4.3丙烯酸鹽噴膜防水層對土工布卸壓性能的影響

上述研究結論表明：hw為影響結構卸壓能力的關鍵因素。由此，試驗通過對比復合土工布與單層土工布的hw值，進而來反映噴膜層對土工布卸壓性能的影響。試驗已測得各工況下的復合土工布q值，見表3。

表3　復合土工布q值取值　mL·s-1·MPa-1

如表3所示，當法向接觸壓力為33.3 kPa條件下，90 g/m2復合土工布的單位壓強卸壓流量為4.95 mL·s-1·MPa-1，代入式(6)，得到其等效卸壓厚度hw為0.45 mm。可見，此工況下，噴膜層的施加對土工布卸壓能力影響較大，hw減小了67.5%，已大大偏離了單層土工布卸壓性能的設計值。

同理，可得到各工況下復合土工布的等效卸壓厚度，并與同等工況下單層土工布進行對比，見表4。

表4　復合土工布hw值取值　mm

注：表中括號內數據表示同種工況下，復合土工布hw值相對于單層土工布的改變率。

由表4可以得出以下結論。

(1)當土工布規格為90 g/m2和110 g/m2時，噴膜層的施加對土工布等效卸壓厚度有較大的削減，達到了-30%～-70%，嚴重影響了整個結構的卸壓能力；當土工布規格達到230 g/m2及380 g/m2時，噴膜層對土工布等效卸壓厚度的改變已經很小，均低于-20%，此外，改變率出現了部分正值，即噴膜層的施加反而提高了土工布的卸壓能力，分析原因：①試驗測定存在一定的誤差所致(噴膜層對土工布卸壓性能影響較小，導致對比試驗所測結果十分接近)；②噴膜層的施加一定程度上可以抵抗法向壓力對土工布卸壓性能的影響。

(2)根據表中所示各工況下90 g/m2復合土工布的hw值，顯然，其已無法滿足設計對90 g/m2單層土工布的卸壓要求。然而，230 g/m2復合土工布各工況下的hw值(2.63，1.55，1.08 mm)均高于90 g/m2單層土工布對應工況下的hw值(1.4，0.5，0.4 mm)，由此可見，通過提高土工布規格，可以使噴膜后土工布卸壓性能達到原設計要求。

3　結論

(1)土工布卸壓時間與土工布規格、初始水壓、法向接觸壓力相關，其中，土工布規格越高，初始水壓越大，法向接觸壓力越小，則土工布卸壓時間越小，而后逐步趨于穩定。除個別工況外，試驗結果總體滿足這一規律。

(2)土工布平面尺寸限定條件下，等效卸壓厚度hw決定了其平面卸壓能力(q值)。丙烯酸鹽噴膜防水層對土工布hw值的影響與法向接觸壓力、土工布規格有關，其中，低規格土工布(90，110 g/m2)的hw值受噴膜層影響較大，改變率達到了-30%～-70%。此外，試驗所得到的卸壓公式建立了防排水結構卸壓過程中微觀變量(hw)與宏觀變量(q)之間的線性關系，為噴膜后土工布規格的定量選取提供了一定的指導意義，其表明hw值越大，結構的卸壓能力越高，最終趨于穩定。

(3)多孔介質模型對丙烯酸鹽噴膜防排水結構的卸壓機理做出了解釋，本次卸壓試驗主要針對卸壓斷面上的影響因素(b、hw)，關于卸壓平面方向上的影響因素有待于通過相關試驗做進一步的研究，以建立三維多孔介質模型，從而對防排水結構的卸壓機理做出更為立體的解釋。同時本次試驗所推導出的卸壓公式僅適用于結構平面尺寸已限定的情況，其廣義卸壓公式需做進一步修正。

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Research on Water-pressure Level Relieving Performance of Spray-applied Acrylate Waterproof Membrane Structure in Water-pressure Tunnel Engineering

WANG Jian， YANG Qi-xin， JIANG Ya-jun， HOU Ben-shen

(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， Chengdu 610031, China; 2.School of Civil Engineering Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The effect of spray-applied acrylate waterproof membrane structure on the water-pressure level relieving performance of geotextile is analyzed and discussed based on porous medium model and level water-pressure relieving tests in the light of the features of spray-applied acrylate waterproof membrane structure and the environmental conditions of rich-water tunnel engineering. A conversion method for exerting lateral pressure in level drainage experiments， the bolt torque， is applied the first time in experiments， and the relationship between macroscopic variable(hw)and microcosmic variable(q)is established in later analyses to， which demonstrate the hypothesis of porous medium model and providing guidance for quantitative selection of geotextile specifications. The analyses of porous medium model shows that the equivalent water-pressure relieving thickness hw is an important parameter which effects equivalent flow area directly and changes water pressure-relieving performance of the waterproof structure. The level water-pressure relieving experiments show that the effect of spray-applied acrylate waterproof membrane on the geotextile of low specification is greater than that on the geotextile of high specification. The effecting rate of hw reaches -30%～-70% for geotextile of low specification (90 g/m2and 110 g/m2) and the effecting rate of hw is less than -20% for geotextile of the specification of up to 230 g/m2and 380 g/m2.

Tunnel engineering; Composite spray-applied waterproof membrane; Water-pressure level relieving performance; Porous medium model

2016-01-18；

2016-02-18

國家自然科學基金項目(51178401、51108385)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(2682014CX065)

汪健(1989—)，男，碩士研究生，E-mail：1399197556@qq.com。

1004-2954(2016)08-0084-05

U453.6

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.018