隧道与地下工程防排水技术近年来的探索与改进

陈心茹，朱祖熹

(上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235)

0 引言

地下工程结构防水效果是衡量工程质量的主要指标之一，因而越来越被重视，而复杂的地下环境条件对地下结构的耐久性和防水有着无法预计的影响，因此在工程建设的设计施工过程中合理选用针对工程环境与工程结构的防水材料及施工工艺是至关重要的［1］。近年来，我国隧道与地下工程发展迅速，防排水技术也有着长足的进步。在此，根据近年在隧道及地下工程分会防水排水专业委员会专业年会上发布的防水与耐久性方面的部分科研成果，以及在工程实践中摸索、沿承的成功经验，从细节着手，分析、展现地下结构防排水和耐久性在设计、施工技术上的若干进步，同时也反映防水材料及其使用中存在的一些问题。

1 工程现状

随着交通建设及地下空间的开发利用，相关防水排水技术在获得长足进步的同时，也暴露了不少的问题和隐患。由于现在的快速建设，使我们对设计、施工、管理各方面无暇及时总结、及时调整。部分隧道和地下工程出现了结构密实度和抗渗性差、开裂、渗漏、部分工程过早维修等问题。为此，需要建设各方结合目前大环境下的工程建设情况，对设计、施工等环节加强监控，在结构与防水进一步协调配合的基础上，在设计上有针对性地改进与优化。

在以往长大隧道与重大地下工程建设中，已确立了结构与防水相辅相承、互为一体的关系。结构与防水在设计上的优化、材料性能的提高以及施工技术的改进使防水体系逐步完善，也基本满足了结构耐久性的设计要求。根据目前国家可持续发展及其地下结构在功能、环保、节能降耗等方面的综合要求，完善的结构与防水综合评估体系在隧道与地下工程建设中是至关重要的。以此为契机，经过多年不懈探索、研究和实践应用，地下工程防排水技术领域在材料、施工工艺等方面都取得了不少成果。

2 结构自防水与耐久性技术进步与发展

2.1 混凝土结构自防水与耐久性之间的辩证统一

通过多年的认识与实践，混凝土结构自防水与结构耐久性之间的相互对立、彼此隔离的现象正在逐渐消除。目前国家隧道和重大地下工程结构防水等级均要求达到一级或二级，并明确要求了工程主体结构设计使用年限。因此设计施工在确立了以混凝土结构自防水为根本、接缝防水为重点、辅以附加防水层的结构防水体系的同时，也充分认识与逐步做到了建立防水体系与混凝土结构耐久性体系之间所构成的“相辅相成、互为一体”的关系，如高山严寒地区山岭隧道既有防水、排水特殊设计，又有冻融环境的耐久性设计与施工措施;在氯化物环境中的海底隧道防水与耐久性相结合的措施均有重点研究，且获得了显著的成果。

2.2 混凝土结构耐久性设计与施工作为独立体系予以实施

随着对混凝土结构耐久性认知的加深以及相关国家标准的颁布执行，各地隧道交通及地下空间开发工程中混凝土结构的耐久性已被广泛重视。对混凝土结构耐久性的独立设计也渐次展开，耐久性施工、检测及评估技术通过不断研究应用［1］，已逐步形成系列的规范与标准。钢筋混凝土耐久性图示如图1所示。高强度垫块如图2所示。作为混凝土钢筋保护层用高强度垫块等结构耐久性的在地下工程的设计、施工中已有明确要求与措施，并逐步得以实施。

2.3 地下工程接缝及其他细部构造的防水设计不断优化完善

2.3.1 盾构隧道接缝防水密封垫的替补置换技术开始探索

密封垫的设计不仅通过有限元数理分折与阿累尼乌斯公式推算，以及长期水密性试验的比照，以力求控制密封垫百年设计使用寿命。同时，单道密封垫防线一旦由于材料与特殊原因而失效，采取何种预案弥补的问题也已提上研究日程［2］，多项有关研究正相继开展。弹性密封垫构造如图3所示。

图1 钢筋混凝土耐久性图示Fig.1 Sketch of durability of reinforced concrete

图2 高强度垫块Fig.2 High-strength cushion block

图3 弹性密封垫构造(单位:mm)Fig.3 Structure of elastic sealing cushion(mm)

2.3.2 沉管隧道各类接头的设防措施随着不断实践应用更趋专门化、合理化

GINA，OMEGA橡胶止水带作为沉管隧道主要接头防水材料，其材质、断面构造与形式、装置及检验技术都成为重要的研究课题，GINA，OMEGA橡胶止水带的室内力学性能、密封性能试验与复杂工况下的有限元分析相结合的研究不断深化［3－4］。GINA止水带构造装置及有限元分解图例见图4。

2.3.3 矿山法、新奥法等暗挖隧道夹层防水层，变形缝渗漏处理等新材料、新工艺不断研发

1)塑料防(排)水板与无纺布复合使用，在矿山法隧道夹层防排水、盾构法隧道联络通道防排水、明挖法隧道外层疏水等能充分发挥防排结合的特质，其无纺布还能过滤泥砂防止泥土流失［5］。塑料复合排水板如图5所示。同时依靠外贴式塑料止水带与分区注浆系统(如图6示)将防水板划分为多个封闭的区域，各区域的防水板内表面设置注浆管，一旦混凝土本体产生渗漏水，即可通过位于漏点最近的注浆管进行注浆堵漏处理［6］。

图4 GINA止水带构造装置及有限元分解图例Fig.4 Structure and finite element model of GINA

图5 塑料复合排水板Fig.5 Complex plastic draining material

2)作为变形缝渗漏水注浆堵水后的加强措施，内置式密封带(条)等新型防水材料被开发与使用。内装式密封带(Colflex)如图7所示。阿拉丁(Aladin)密封条如图8所示。此外，飞马度(FERMADUR)类变形缝压缩型密封条也有广泛的应用［1］。

2.4 地下工程防水排水的新技术不断得到开发应用

2.4.1 喷涂速凝型涂膜防水技术异军突起

喷涂速凝材料通常除了具有亲水性或凝固时间可控等优点外，其自身还具备较好的伸缩性、与水泥水化物组合强度较好，且能够在冷冻或干湿交替多次后不破坏等特点。目前无论喷涂层材料的性能、喷涂设备以及施工工艺均已有长足进步，具备工程应用的要求［7］。其中，聚丙烯酸盐、橡胶沥青等喷膜防水在国内沉管及明挖隧道中(诸如港珠澳大桥工程中的沉管隧道、天津开发区海河沉管隧道、阳澄湖明挖暗埋隧道、无锡太湖大道隧道等)已有非常成功的应用实例。顶板聚脲喷涂外防水层施工如图9所示。

图6 外贴式塑料止水带与分区注浆系统(单位:m)Fig.6 Plastic water-stopping tie and sectioned grouting system(m)

图7 Colflex密封带Fig.7 Colflex sealing tie

图8 Aladin密封条Fig.8 Aladin sealing tie

图9 顶板聚脲喷涂外防水层施工Fig.9 Water-proofing material spraying on top roof

2.4.2 能与混凝土“咬合”的防水卷材、防水毯在城市轨道交通和地下工程中广泛应用

1)预铺高分子卷材在与混凝土接触面有一层可与混凝土起化学反应的粘结层，并在混凝土固化过程中与之咬合成一体，是预铺反粘、外防内贴的重要新材料［7］。

2)图10所示为可与混凝土形成永久、有机结合的天然钠基膨润土与土工布复合而成的防水毯，对地下空间的环保性及可持续性有着积极的意义［8］。

近年来，哈尔滨保健路隧道采用膨润土复合防水毯作全包防水层，北京地铁数个矿山法隧道通道、上海地铁8号线(人民广场换乘大厅)、上海地铁10号线江湾体育场过河段等都得到了应用并取得了不错的效果。

图10 膨润土复合防水毯构造(单位:mm)Fig.10 Structure of complex bentonite water-proofing blanket(mm)

2.4.3 耐根穿刺卷材防排水技术不断拓展

随着人们对环保问题的日益重视，地下工程顶板有种植绿化时耐根穿刺卷材的防排水技术成为防水技术与绿化技术相互交叉结合的新技术［9］。近几年上海、苏州、宁波等城市轨道交通车站及明挖暗埋区间隧道在穿越中心城区与绿化交叉重叠时，其顶板覆土上大面积绿化种植要求不断增多，耐根穿刺卷材的设置在设计中已明确提出了相关要求。耐根穿刺防水排水构造如图11所示。

图11 耐根穿刺防水排水构造Fig.11 Structure of root penetration resistance water-proofing system

2.4.4 电渗防水技术的实践与应用已被重视

电渗透系统(也称多脉冲智能电渗透系统，简称MPS系统)是当今先进的防渗、防潮、防霉技术［10］，该技术已经成熟应用了20多年，主要用在地下管廊、隧道、水库大坝、电站等工程中的防水、防渗、防潮和除湿领域。在欧洲、美洲及香港等重要工程中取得了成功，并证明其卓越的防渗、防潮、防霉能力。上海运营中的地铁及隧道的维保及渗漏水治理、大连东港地下综合管沟工程中均应用该技术，并取得了良好的防治效果。这是一项基于长时期建立的电渗透原理和通过一系列的低压脉冲电荷工作而改进的革新技术。MPS系统工作原理图如图12所示。电渗防水机制示意如图13所示。当然，鉴于在造价与结构形式等方面的限制，其使用的局限性也不可否认。

图12 MPS系统工作原理图Fig.12 Working principle of MPS system

图13 电渗技术机制示意图Fig.13 Mechanism of electronic infiltration seepage technology

2.5 运营中的隧道与地下工程的维护、保养技术

运营期间的隧道及地下工程随着外界长期持续的振动和环境改变均会引起不均匀沉降和变形，破坏或削弱了既有的防水结构，导致了接缝发生漏水。因此在保障建设质量的同时，对运营中的地下工程设施的维护与保养通过调查、检测、评估与治理等一系列技术措施已日趋规范化、制度化，并已逐步形成了一套完善的体系(如微扰动注浆技术在运营隧道的渗漏治理与沉降控制中获得成功应用，便是佐证)［11］。运营隧道检测维修如图14所示。

图14 运营隧道检测维修Fig.14 Detection and maintaining of running tunnel

3 结论与建议

以上所述仅是近几年隧道、地铁等诸多地下工程在实践中于防排水专业技术上所取得的较为重要的技术成就与进步。

在地下工程设计施工过程中，结构防水与耐久性相结合构筑的综合体系对确保工程质量的重要意义毋容置疑。更好地完善结构自防水体系，进一步认识混凝土结构耐久性退化的机制，掌握相关的设计理论与方法，加大应用技术研究力度，从而使地下工程的建设无论在功能、环保、节能等各个方面都得到可持续的发展。

当然，针对百年使用寿命的地下工程，诸如:盾构隧道管片接缝中单道密封垫防线一旦失效后如何补救的研究，混凝土结构耐久性指标、检测及评估技术的完善，电渗透系统如何更经济、有效地阻止通过混凝土毛细孔进入结构的细微水流并得到更为广泛的认识与应用等方面的探索，还有待于进一步开展研究。

［1］ 朱祖熹，陆明，柳献.隧道工程防水的设计与施工［M］.北京:中国建筑工业出版社，2012.(ZHU Zuxi，LU Ming，LIU Xian.Tunnel engineering waterproofing design and construction［M］.Beijing:China Building Industry Press，2012.(in Chinese))

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［9］ 孙雪钊.种植屋面工程用耐根穿刺防水材料浅析［J］.中国建筑防水，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))

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