新型盾構隧道防水體系工程試驗及數值分析

張子新， 肖時輝， 劉曈葳， 黃 昕， 何 人

(1. 同濟大學 地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 珠海大橫琴股份有限公司， 廣東 珠海 519031;3. 上海隧道工程有限公司， 上海 200032)

防止滲漏水已成為地下工程設計時的重要考量因素.結構滲漏水是因為防水材料性能減弱、工程設計及施工等因素所造成的[1]，而結構產生裂縫則是因為設計、施工不當和溫度、收縮作用等引起的[2].依據《地下工程防水技術規范》(GB50108-2008)，迎水面混凝土裂縫不得大于 0.1 mm.因此，如何通過控制裂縫或直接采用防水措施顯得尤為重要.

常見的防水設計方法有被動防水和主動防水.被動防水包括結構自防水、附加防水等方式.其中：結構自防水一般是通過提高混凝土自身的抗滲性能來實現的；附加防水是按照工程的防水等級選用，以柔性外防水為主[3].但是，這些防水方法均不能產生主動控制，進而達到誘導裂縫主動發生的效果，只能在裂縫產生后盡早發現滲漏點以實施堵漏措施.主動防水是在設計時人為地將結構某一區域的強度弱化，使得裂縫率先出現在弱化區域，從而達到裂縫開展位置可控的目的.設置誘導縫是弱化結構局部強度的有效途徑之一，它可以主動控制裂縫的開展部位與方向，將裂縫控制在一定范圍內，并采取相應的措施以防止滲漏水[4].在此基礎上，只需將防水材料布置在相應的誘導縫范圍內，即可起到主動防水的作用.因此，誘導縫的設置至關重要.

國內對于地下鋼筋混凝土結構的防水技術研究已有許多.例如：在隧洞工程襯砌結構中采用彈性橡膠墊[5]；在地下室防水工程中采用反應性丁基橡膠防水卷材[6]；在地鐵車站的誘導縫處，采用中埋式止水帶、削弱截面及減少誘導縫部位鋼筋用量、附加防水層等方法[7].但是，使用新型反應性丁基橡膠鋼板止水帶與誘導縫相結合的方法還不多見.因此，本文以珠海橫琴新區馬騮洲交通隧道工程為背景，通過現場試驗和數值分析，研究了反應性丁基橡膠鋼板止水帶與誘導縫相結合的新型防水體系對海相復合地層盾構隧道明挖段的開裂控制效果，通過分析參數的敏感性，對實際工程試驗段中新型防水體系的誘導縫布置間距進行分析，并與工程現場試驗的結果進行對比，得到了最佳的誘導縫布置間距，優化了當前的防水設計，為新型防水技術的推廣應用奠定了理論基礎和實踐依據.

1 工程概況和防水體系

1.1 工程概況

珠海市橫琴新區馬騮洲交通隧道(橫琴第3通道)工程位于珠海市南灣城區和橫琴新區，工程范圍南起環島北路以南約700 m，與在建橫琴中路順接，向北至南琴路，過馬騮洲水道后與珠海主城區相連，全長約4 km，如圖1所示.工程分為馬騮洲交通隧道、南接線、北接線.隧道盾構段長約 1.1 km，隧道外徑 14.5 m，為雙管單層雙向6車道隧道[8].

圖1 橫琴三通道工程平面圖Fig.1 Plan view of the project of Hengqin

試驗段區域內，地基土在0～56.80 m深度范圍內均為第4紀松散沉積物(Q4)及中生代燕山期風化花崗巖，主要由人工填土層、海-陸交互相、海相沉積的淤泥、淤泥質土、黏土、中粗砂層、花崗巖殘積土和下伏的全風化、強風化、中風化花崗巖組成.

地下潛水位埋深為 0.50～2.10 m，相應水位埋深標高為 0.87～3.00 m.設計抗浮水位為 0.50 m.根據區域水文地質資料，區域內地下水隨季節而變化，主要受降雨季節支配，區域水位的年平均變化范圍為 1.00～2.36 m.雨季時地下水位上升，旱季時地下水位下降；地下水位的變化幅度受地形地貌、地質構造及巖性的影響；此外，由于場地靠近馬騮洲水道，地下水的變化亦受附近海水等地表水的影響.承壓水水位呈季節性變化.

圖2 兩種防水部材的尺寸(mm)Fig.2 Dimensions of the two waterproof materials (mm)

新型防水體系的試驗段設置在橫琴通道北線BA04盾構隧道明挖段.試驗段側墻采用復合墻形式，將圍護結構作為永久結構設計，混凝土為C45等級.車站主體采用厚度800 mm的地下墻圍護，側墻與板分開澆筑，每段結構分5次澆筑.頂板厚度 0.8 m，中板厚度 0.4 m，底板厚度 1.0 m，側墻厚度約 0.6 m.試驗段側墻誘導縫采用誘導縫防水部材A與部材BL組合的防水體系，以替代傳統的中埋式止水鋼板，其具體尺寸見圖2[8].底板水平施工縫采用反應性丁基橡膠膩子止水帶W型部材[8]，以替代傳統的止水鋼板.

1.2 新型防水體系

本文基于主動防水的理念，將控制裂縫與防水相結合，設計了新型防水體系.新型防水體系包含誘導縫防水體系及施工縫防水體系兩部分.其中，誘導縫防水體系包含最外層的勾縫構件、防水部材A和部材BL，如圖3所示.可以看出，裂縫主要在勾縫及誘導縫部材設置處擴展.施工縫防水體系采用反應性丁基橡膠膩子止水帶W型部材來控制施工縫處的滲漏水.

圖3 誘導縫防水體系結構Fig.3 Components of the waterproof system with crack inducer

新型防水體系是將具有優異化學穩定性和耐水性的反應性丁基橡膠止水帶、橡膠膩子與不同厚度鋼板復合而成的含部材A和部材BL等的新型鋼板止水帶.在水泥的水化過程中，由于水的存在，丁基橡膠在加工過程中產生的活性基與石灰中的金屬氧化物能夠發生負離子反應而形成與結構物一體的防水層[7]，利用其制成的丁基橡膠膩子與鋼材和混凝土等材料具有良好的黏結力，因而在工程應用中能夠有效防止止水鋼板與混凝土之間的滑移及由此產生的竄水現象[9].

新型防水體系中的誘導縫防水體系是通過誘導縫的設置、引導由溫度等因素引起的非結構性裂縫在指定的位置開展來實現的[10].當混凝土出現水化放熱或產生收縮效應時，由于勾縫構件及防水部材對結構強度的弱化作用，使得弱化區域首先產生裂縫，從而達到主動控制裂縫產生位置的目的.同時，設置防水材料，從而起到主動防水的作用.具體方法：先將新型防水材料綁扎至鋼筋上，并在誘導縫處預埋木條等材料，待混凝土澆筑完畢后，取出誘導縫處的預埋件，從而形成了誘導縫防水體系.

施工縫防水體系的功能：當施工縫處的混凝土開裂時，由于丁基橡膠膩子與混凝土的化學作用，使得丁基橡膠隨著混凝土的開裂而被拉開，但即使裂縫很大，丁基橡膠與鋼板和混凝土也能牢固黏結，僅丁基橡膠膩子發生了變形，水仍無法從鋼板與丁基橡膠及鋼板與混凝土之間的縫隙中通過.另外，誘導縫防水和施工縫防水體系均適用于防水等級為1級及需要多道設防的地下工程結構.與傳統的混凝土自防水和中埋式止水鋼板的防水方法相比，新型防水技術的特點：通過設置勾縫來誘導裂縫產生的位置而使裂縫可控；誘導縫施工簡單，只需在鋼筋籠上綁扎新型反應性丁基橡膠防水材料，并在鋼筋籠外的相應位置設置勾縫構件，防水性能良好，尤其是反應性丁基橡膠具有優異的抗滲性和耐久性[11].

2 工程現場試驗與結果

2.1 試驗設計

橫琴通道北線BA04試驗段結構的縱向長30 m、寬35 m、側墻高度為14 m，現場情況見圖4.采用新型反應性丁基橡膠鋼板止水帶施工的相對位置詳見文獻[8]中.為了比較混凝土自防水和新型反應性丁基橡膠鋼板止水帶的防水效果，將BA04段分為 10 m 的混凝土自防水段和20 m的誘導縫防水段，如圖5(a)中2個灰色區域所示.其中，試驗段內的混凝土自防水區域僅依靠混凝土自身的防水能力.試驗選取3個監測斷面①、②、③(見圖5(a))，每個監測斷面的具體監測項目見表1.監測周期為側墻開始澆筑混凝土直至頂板施工結束的時間.現場試驗時，先澆筑3層側墻(分別為3，4，5 m)，之后澆筑頂板.前一層混凝土澆筑完成、經檢測可以拆模后，再綁扎后一層的鋼筋籠進行澆筑.同時，預留足夠的分層澆筑的時間間隔，在前一層達到受力平衡后再澆筑后一層，以最小化分層澆注施工對防水試驗的影響.在每層澆筑高度的中間位置布設傳感器(見圖5(b)).在施工時，還需要對裂縫的開展以及滲漏水情況進行實時人工觀測，以分析不同防水區域的誘導縫開裂情況及防水效果.

圖4 試驗的現場情況Fig.4 Environment of the test

圖5 BA04段的監測布設圖(m)Fig.5 Monitoring profile of BA04 (m)

2.2 試驗方法

根據試驗設計，BA04試驗段的監測布設如圖5所示.對于新型防水體系的現場施工，先在誘導縫部材設置處采用20 mm×20 mm的木條預埋在混凝土內，待拆模后再將木條鑿出以形成勾縫.

監測斷面里程樁及其監測內容見表1.其中，WK3+109.100 表示監測斷面樁號和里程，里程單位為km.試驗中，混凝土結構澆筑分3層，每層均需要分別綁扎鋼筋籠并在對應位置埋設監測應力、應變的傳感器，并在每層澆筑完成后依據試驗設計頻率進行監測.

表1 各斷面監測項目Tab.1 Monitored items of each section

2.3 結果與分析

本文選取監測斷面中較為典型的監測點進行分析，即監測斷面②的第2層澆筑監測位置，監測所得溫度變化情況如圖6所示.可以看出，在混凝土澆筑約 6.5 d后，澆筑體的溫度達到最大值，靠近土體一側的最高溫度為71 ℃.在澆筑 12.0 d后，溫度趨于平穩，接近于環境溫度(約為28 ℃).另外，內襯墻靠近土體一側的溫度比遠離土體一側的溫度高，這是因為土體比空氣的導熱性差而保溫性強的緣故.

在澆筑1個月內的鋼筋應力變化情況如圖7所示.其中，應力的正值表示鋼筋受到拉應力，其負值表示鋼筋受到壓應力.由圖可以看出，在內襯墻變形時，靠近土體一側受拉而內側受壓.穩定后，拉應力約為115 MPa，壓應力約為160 MPa.第1層澆筑完成(約 14.0 d)后，鋼筋應力達到穩定；隨后，由于第2層內襯墻的澆筑而使鋼筋應力產生了變化，但很快達到穩定；而第3層內襯墻的澆筑對第1層鋼筋的應力影響不大.

圖6 實測溫度的變化情況Fig.6 Field measured temperature versus time

圖7 實測鋼筋應力的變化情況Fig.7 Field measured steel stress versus time

圖8 實測的混凝土應變Fig.8 Field measured concrete strain versus time

圖9 現場的裂縫開展及分布Fig.9 Layout of concrete cracks

內襯墻澆筑后混凝土應變ε的變化情況如圖8所示.可以看出：內襯墻變形時，靠近土體一側受拉而內側受壓；第2層澆注時混凝土的應變略有變化；第3層澆注對第1層混凝土應變的影響可以忽略不計，符合實測的鋼筋應力的變化規律(見圖7)；靠近土體一側的混凝土拉應變最后穩定在 7.10×10-4.本文的實測結果表明，鋼筋的平均應變約為 7.00×10-4，與混凝土應變的實測值非常接近，表明試驗中鋼筋與混凝土的應變接近.

圖9所示為現場觀測到的裂縫分布情況.可見，在未設誘導縫的10 m區域出現了4條較長的豎向裂縫(編號①、②、③、⑧).其中：編號①、②、③的裂縫從內襯墻底一直延伸到第1次澆筑的頂部，且寬度較大，出現了明顯滲水；編號⑥的豎向裂縫處于設置誘導縫的位置，且該豎向裂縫從內襯墻底一直延伸到第1次澆筑的頂部，但由于采用了新型防水材料，所以未見滲漏水痕跡；編號⑤和⑦的豎向裂縫發展于每隔5 m設置的誘導縫中間區域，其高度僅 0.5 m，且只在混凝土表面出現了濕漬，漏水點較少.這是因為在混凝土水化熱膨脹的初期階段，預埋的木條限制了混凝土的變形，使得誘導縫處的應力得不到完全釋放，所以在兩條誘導縫中間的區域產生了裂縫；而編號④的水平向裂縫是由于水平施工縫造成的.

由現場試驗的結果可以看出，在未設置誘導縫的10 m的區域內，裂縫展開明顯，基本為通長滲水裂縫，而設置了誘導縫區域的裂縫數量較少且長度較短，對滲漏水的控制效果較好.

3 數值模擬與結果分析

參照文獻[8]，本文采用擴展有限單元法(XFEM)對新型反應性丁基橡膠鋼板止水帶在橫琴通道北線BA04試驗段實際工程中的裂縫擴展過程進行數值模擬，并對實際工程試驗段中的誘導縫設置間距進行模擬分析.

依據地質勘察報告，土體采用莫爾-庫侖本構模型，土層參數詳見文獻[8].由于BA04段實際工程中采取有效的降水措施，所以在數值模擬過程中不考慮地下水的水壓及滲流影響.所用XFEM模型見圖10.

圖10 擴展有限元模型(m)Fig.10 Extended finite element model (m)

參照文獻[8]中的方法布置BA04試驗段的新型反應性丁基橡膠鋼板止水帶.根據工程布置情況，模擬中將誘導縫設為初始裂縫位置，深度為20 mm.

由于實際工程中的裂縫大多為非結構性裂縫，即溫度及收縮等因素是造成混凝土產生裂縫的主要原因，所以在建立XFEM模型時考慮了混凝土水化熱膨脹的影響，并采用等效齡期水化度的方法計算水化熱.對于XFEM模型，先計算溫度場，然后計算應力場，即可考慮溫度場和應力場的耦合作用[8].

根據施工步驟確定的數值模擬步驟分別為：① 初始地應力平衡；② 向下開挖1.5 m至設計地坪標高；③ 地應力平衡；④ 繼續開挖土體14.0 m，澆筑混凝土結構；⑤ 計算溫度場，并將其結果耦合至力學模型中；⑥ 計算裂縫擴展.

在實際工程關注的防水體系設計中，選用新型反應性丁基橡膠鋼板止水帶時，采用參數的敏感性分析方法在BA04試驗段中誘導縫布置間距s=3，4，5，6，7，9 m條件下進行數值模擬計算，以對比其對裂縫擴展的影響.

采用等效齡期水化度方法模擬混凝土水化過程的溫度變化情況如圖11所示.可見，在水化前期，溫度變化的趨勢和峰值均擬合得較好.現場試驗所得溫度與數值模擬的溫度變化規律基本一致，從而驗證了采用等效齡期水化度方法計算溫度的合理性.

得到模型溫度場后，通過熱力耦合進行計算，所得應力場如圖12所示.在模型中，對應于監測斷面②的第1層澆筑監測位置的混凝土應力σ為 23.04 MPa，計算所得其應變ε為 6.87×10-4，與其實測結果(7.10×10-4)基本一致.其他監測點的應變見表2.可見，實測值與數值模擬的計算值相差不大.

圖11 混凝土水化過程的溫度模擬結果Fig.11 Temperature of simulated concrete hydration

圖12 混凝土應力的模擬計算結果Fig.12 Contour of simulated concrete stress

Tab.2 Comparison between measurement and calculation of concrete strain

監測點位置ε×104實測值計算值斷面①-26.967.24斷面②-17.106.87斷面②-28.607.98斷面②-31.141.20斷面③-26.386.94斷面③-31.221.38

圖13所示為相同誘導縫設置間距(s=5 m)下得到的裂縫開展模擬結果.圖中：左側框為采用混凝土自防水區域，其中生成通長裂縫，且伴有較短裂縫發展；右側框為采用誘導縫防水區域，其中應力得到釋放，中間區域沒有新裂縫生成.可以看出，模擬結果與試驗結果基本一致.在當前的荷載工況下，誘導縫可以很好地控制裂縫擴展的方向(見圖14).當采用新型反應性丁基橡膠鋼板止水帶時，裂縫的擴展深度為 28.1 mm，由于反應性丁基橡膠與混凝土的黏結作用，使得裂縫由勾縫發展至防水部材設置處即終止.

計算結果的裂縫張開寬度w與計算步數N的關系如圖15所示.可見，由于新型反應性丁基橡膠與混凝土黏結牢固，所以沒有相對滑移，裂縫張開寬度較小且增長緩慢.在計算步數達到第5步后裂縫基本達到穩定，最大擴展裂縫寬度為 7.17 μm.

圖13 裂縫開展的模擬結果Fig.13 Result of simulated crack development

圖14 新型反應性丁基橡膠鋼板止水帶的裂縫擴展Fig.14 Crack growth of the new butyl rubber with steel plate

圖15 裂縫張開寬度的變化情況Fig.15 Development of crack width

相同誘導縫位置處的裂縫張開寬度與誘導縫布置間距的關系如圖16所示.可以看出，當s=4 m時，裂縫張開寬度最小.隨著s值增加，裂縫張開寬度增大.對于本文的工程實例，采用4～5 m的誘導縫布置間距，可達到較好的防水效果，但考慮到經濟因素，推薦采用5 m的誘導縫布置間距.

圖16 裂縫張開寬度與誘導縫布置間距的關系曲線Fig.16 Variation of the crack width with the spacing of inducing joint

4 結論

(1) 采用新型反應性丁基橡膠鋼板止水帶的誘導縫防水體系能夠引導裂縫的擴展，并起到良好的防水效果，且其數值模擬結果與工程試驗結果較吻合.

(2) 綜合考慮安全和經濟等因素，在本文的工程實例中，新型反應性丁基橡膠鋼板止水帶的最佳誘導縫布置間距為4～5 m.

(3) 數值模擬計算進一步驗證了對于地下工程，由結構所受外荷載產生的結構性裂縫較少，其影響可以忽略，而溫度和收縮作用是裂縫產生的關鍵因素，應重點考慮.