有水压隧道工程丙烯酸盐喷膜防排水结构的水平卸压性能探讨

汪　健，杨其新，蒋雅君，侯本申

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都　610031; 2.西南交通大学土木工程学院，成都　610031)



有水压隧道工程丙烯酸盐喷膜防排水结构的水平卸压性能探讨

汪健1，2，杨其新1，2，蒋雅君1，2，侯本申1，2

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都610031; 2.西南交通大学土木工程学院，成都610031)

根据丙烯酸盐喷膜防排水结构特点、富水区隧道工程的环境条件，基于多孔介质模型和水平卸压试验，分析和探讨丙烯酸盐喷膜防水层的施作对土工布排水层水平方向上卸压性能的影响。试验首次将螺栓扭矩——预紧力换算法用于防排水试验法向接触压力的施加，同时，在后期数据分析中建立防排水结构卸压过程中微观变量(等效卸压厚度hw)与宏观变量(单位压强卸压流量q)之间的线性关系，论证多孔介质模型假说，为喷膜后土工布规格的定量选取提供一定的设计指导。模型分析表明，等效卸压厚度hw为重要参数，其直接影响结构等效过水面积，从而改变结构卸压能力；水平卸压试验结果表明，丙烯酸盐喷膜防水层的施加对低规格土工布(90，110 g/m2)的卸压能力影响较大，hw值影响率达到了-30%～-70%，而当土工布规格达到230 g/m2和380 g/m2时，影响已经较小，hw值影响率均在-20%以下。

隧道工程；复合喷膜防水；水平卸压性能；多孔介质模型

丙稀酸盐喷膜防水技术是近年来出现的全新概念的防水技术——柔性、无接缝防水。由于喷膜层能与围岩完全密贴，且阻燃、防破损性好、防水效果佳、施工快速方便、无接缝等特点，迅速引起了世界各国专家的关注和研究[1]。目前，丙烯酸盐喷膜防水技术已在国内诸多隧道中得到成功应用，包括常规山岭隧道、高寒山区隧道、高铁隧道、气密性输气隧道以及改建铁路隧道等。

对于防水层采用丙烯酸盐喷膜的复合式衬砌，其防排水结构体系未发生改变。然而，由于丙烯酸盐喷膜防水层在成膜过程中与土工布密贴，易嵌入土工布排水层内部，影响其孔隙率和有效连通路径。在高水头富水区隧道，衬砌背后排水系统无论被堵塞或者压死，都会导致衬砌上的水压力显著上升，其静水压力数值范围可达1～2MPa[2-5]，因此，丙烯酸盐喷膜防水层对于土工布排水层卸压性能的影响值得关注。

本文通过测定单层土工布与喷涂丙烯酸盐喷膜防水层后的复合土工布各自的卸水压能力，并进行多种规格土工布的比较实验，定量分析了丙烯酸盐喷膜防水层对土工布排水层卸压性能的影响。

1　防排水机理及试验原理

1.1丙烯酸盐喷膜防水层成膜机理

本文所提到的丙烯酸盐喷膜防水技术特点为双组份、双喷头高压无气式喷涂成膜。喷膜材料中的原液在喷射前分别混合助剂形成2种药液，通过独立管路进行输送，由双喷头喷枪进行喷射后在空气中进行混合，到达喷涂基面数秒后即可满足设计强度[6-8]。

目前，已有学者根据非织造土工布的水平排水机理提出了对应的多孔介质模型[9]。笔者针对以丙烯酸盐喷膜为防水层的防排水结构体系，提出一种新型多孔介质模型，来解释其水平卸压机理：在水平方向上，喷膜层分为外露层和嵌入层，均可看作不透水层；对于非织造土工布层，由于喷膜层的嵌入，其失去排水能力的部分为堵塞层，归入喷膜嵌入层，即可看作不透水层，排水性能未受影响的部分为完好层，由均匀分布的圆孔孔隙与不透水的纤维骨架所组成。模型如图1所示。

经过对该模型的简化，可得到喷膜后土工布在水平方向上的等效过水面积

(1)

式中，S、S水、S外、S嵌、S纤分别为丙烯酸盐喷膜防排水结构体系水平方向截面的总面积、过水断面面积、喷膜外露层面积、嵌入层面积和土工布完好层纤维骨架面积；h1、h2、h3、b、n分别为丙烯酸盐喷膜防排水结构体系水平方向截面土工布完好层平均厚度、喷膜嵌入层平均厚度、喷膜外露层厚度、截面宽度及土工布完好层孔隙率。

图1　多孔介质模型

该模型中，土工布完好层平均厚度h1及其孔隙率n为重要参数，其直接影响喷膜后土工布在水平方向上的等效过水面积，从而改变其卸压能力。

由于本次试验中均采用平面尺寸为直径7 cm的圆形试块，因此，可对多孔介质模型进行进一步改进，引入变量等效卸压厚度，其计算公式为

(2)

式中hw——等效卸压厚度，m；

h1——土工布完好层平均厚度，m。

n——土工布完好层孔隙率。

其中，等效卸压厚度hw为多孔介质模型中土工布完好层那部分孔隙的等效厚度，当卸压结构为同种材料制成且平面尺寸确定的情况下，hw的大小直接决定了该结构的卸压能力。

1.2非织造土工布卸压机理

非织造土工布水平渗透性能直接影响其平面疏导水的能力，对于成品土工布，影响其水平渗透性能的主要因素：孔隙率、有效连通路径。

非织造布因制造规格(平面单位质量)的不同，纤维骨架稀疏程度、孔隙大小等也会随之发生变化[9]。已知非织造土工布孔隙率n1及喷膜后非织造土工布完好层孔隙率n2的计算公式为

(3)

式中m——土工布单位面积质量，g/m2；

ρ——土工布原材料密度，g/m3；

h——土工布厚度，m。

1.3实验室法向接触压力施加原理

卸压过程中，法向接触压力对防排水层的卸压能力影响很大[10]，准确控制模型在卸压过程中的法向接触压力是本次试验成功的关键。根据本次试验模型特点，笔者结合螺栓扭矩——预紧力换算法，保证同组试验相同法向接触压力的同时，较准确地测算出了施加在防排水层上的法向接触压力值。

拧紧力矩一般通过拧紧扳手来施加，其中，拧紧扳手力矩T用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T1及螺母和被连接件(或者垫圈)支承面间的端面摩擦阻力T2。在确定螺栓大小的情况下，螺栓的轴向预紧力正比于拧紧力矩，其比例系数就是拧紧力矩系数K[11-13]。

本次试验中，扭矩螺丝刀提供扭矩，其扭矩值范围为0.1～1.2 N·m，最小刻度0.01 N·m，法相压强由拧紧4枚普通粗牙M12螺栓施加，相关计算公式为

(4)

式中P法——防排水结构所受法向接触压力，Pa；

M——扭矩值，N·m；

K——拧紧力矩系数，取0.26；

d——固定螺栓公称直径，取0.012 m；

d0——试验块直径，取0.07 m。

根据贵广铁路工程和京沪高速铁路工程其中4座隧道6个断面的监测数据分析，若二次衬砌在初支变形稳定后施做，不同围岩等级下的初支与二衬之间的稳定接触压力大致在同一水平上，且均低于300 kPa[14-15]。

由此，本次试验法向接触压力设置范围定为0～350 kPa(考虑特殊工况)。

2　丙烯酸盐喷膜防水层的施做对土工布排水层水平卸压性能的影响试验

为对比丙烯酸盐喷膜防水层对不同规格土工布排水层水平卸压性能的影响，以及不同法向接触压力条件下防排水结构的卸压能力变化，进行了模拟装置中的卸压对比试验。

2.1试验原料基本参数

单层土工布基本参数如表1所示。

试验材料为成都市嘉洲新型防水材料有限公司提供，试验中各规格组均设置该规格的单层土工布和对应的复合土工布进行对比。

2.2试验装置

试验中通过水压设备仪增压来模拟高水头水压，水压设备仪为南京泰克奥科技有限公司提供的Stress-Path Testing System，施压范围为0～3 MPa，容积2 L，配套1台4 L容积转换器，整套装置的总容积为6 L。

表1　单层土工布基本参数

注：所提到的复合土工布的结构形式为：在标准土工布层上喷涂一层3 mm厚的丙烯酸盐喷膜防水层，如90 g/m2复合土工布=90 g/m2单层土工布层+3 mm厚丙烯酸盐喷膜防水层。

为模拟防排水结构在隧道复合式衬砌中受挤压的状态，试验采用2层110 mm×110 mm压块制成试验盒，通过紧固螺栓对防排水结构提供法向接触压力。试验装置示意如图2、图3所示。

图2　试验盒平面示意(单位：mm)

图3　试验盒1-1剖面

试验盒的设计保证卸压水流沿土工布试块平面内各个方向流出，避免单向流动所带来的偶然误差，提高了试验结果的准确性。

2.3试验过程

本次试验模拟有水压隧道防排水层在初支点渗工况下的卸压能力，而对于初支裂缝的线渗和大面积渗水情况不做讨论。试验中分别取初始水压为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa，卸压完成时间取水压达到试验初始水压的1%时所对应的时间，水压设备仪可自动记录整个卸压过程(水压值、泄水量随时间的变化情况)。

为模拟防排水结构在隧道复合式衬砌中受不同法向接触应力时的卸压能力，本次试验在同等初始水压下分别取法向接触压力为33.3 kPa(松弛状态)、166.6 kPa(正常密贴状态)和333.1 kPa(过度密贴状态)3种工况进行分析。

分别对8组试样进行上述加压试验，用排水量收集器收集各次试验实际所排水量，排出水中溶解气体对试验的干扰。

2.4试验结果

2.4.1不同规格单层土工布卸压时间与初始水压、法向接触压力的关系

本实验重点模拟相同法向接触压力下，初始水压与卸压时间的关系。法向接触压力为33.3、166.6 kPa及333.1 kPa 3种工况下的试验结果如图4、图5及图6所示。

图5　单层土工布初始压强与卸压时间关系(法向接触压力：166.6 kPa)

图6　单层土工布初始压强与卸压时间关系(法向接触压力：333.1 kPa)

根据图4、图5、图6所示结果可得出以下结论。

(1)法向接触压力限定条件下，同规格土工布的卸压时间随初始水压的增大而减小，并逐渐趋于稳定；此外，初始水压限定条件下，同规格土工布的卸压时间随法向接触压力的增大而增大。

(2)法向接触压力为166.6 kPa和333.1 kPa时，同等法向接触压力工况下，随着土工布规格的提升，卸压时间明显减少，卸压能力提高，而后趋于稳定，当土工布规格达到230 g/m2以上时，土工布规格的提升对卸压能力提高的幅度不大；法向接触压力为33.3 kPa时，同等初始水压下，土工布规格高低与卸压所需时间表现出来的规律性不如其他2种工况明显，初步分析原因为：在较小法向接触压力条件(松弛状态)下，卸压过程中部分水流并未沿土工布平面内部排出，而是从土工布与压板之间排出，从而影响土工布内部平面卸压性能的测定。

2.4.2单层土工布的等效卸压厚度hw与单位压强卸压流量的关系

通过试验测定数据，发现在确定了法向接触压力及土工布规格情况下(hw确定)，卸压流量与初始水压的比值基本接近于某一定值，即单位初始水压所产生的卸压流量保持不变。因此引入相关计算公式如下

(5)

式中q——单位压强卸压流量，mL·s-1·MPa-1；

Qi——某工况下卸压流量，mL·s-1；

P0i——某工况下初始水压，MPa；

n——工况数。

q表征法向接触压力限定条件下，某规格土工布单位初始水压的卸压流量大小。本次试验中分别计算法向接触压力为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa的4种工况，取均值得到对应的土工布q值。单层土工布q值取值如表2所示。

表2　单层土工布q值取值　　mL·s-1·MPa-1

由表2数据可知，法向接触压力的增大使q减小；法向接触压力限定条件下，提高土工布规格一定程度上可以增加结构的q值。

根据表1和表2所示试验结果，得到hw与q的散点图及对应拟合曲线方程(可决系数R2=0.86)，如图7所示。

图7　hw与q相关关系散点分布

(6)

式中q——单位压强卸压流量，mL·s-1·MPa-1；

hw——等效卸压厚度，mm。

由此可知，当卸压结构平面为直径7 cm的圆时，hw与q呈对数相关，等效卸压厚度hw决定了结构单位初始水压下的卸压流量，直接影响结构的卸压能力大小。

2.4.3丙烯酸盐喷膜防水层对土工布卸压性能的影响

上述研究结论表明：hw为影响结构卸压能力的关键因素。由此，试验通过对比复合土工布与单层土工布的hw值，进而来反映喷膜层对土工布卸压性能的影响。试验已测得各工况下的复合土工布q值，见表3。

表3　复合土工布q值取值　mL·s-1·MPa-1

如表3所示，当法向接触压力为33.3 kPa条件下，90 g/m2复合土工布的单位压强卸压流量为4.95 mL·s-1·MPa-1，代入式(6)，得到其等效卸压厚度hw为0.45 mm。可见，此工况下，喷膜层的施加对土工布卸压能力影响较大，hw减小了67.5%，已大大偏离了单层土工布卸压性能的设计值。

同理，可得到各工况下复合土工布的等效卸压厚度，并与同等工况下单层土工布进行对比，见表4。

表4　复合土工布hw值取值　mm

注：表中括号内数据表示同种工况下，复合土工布hw值相对于单层土工布的改变率。

由表4可以得出以下结论。

(1)当土工布规格为90 g/m2和110 g/m2时，喷膜层的施加对土工布等效卸压厚度有较大的削减，达到了-30%～-70%，严重影响了整个结构的卸压能力；当土工布规格达到230 g/m2及380 g/m2时，喷膜层对土工布等效卸压厚度的改变已经很小，均低于-20%，此外，改变率出现了部分正值，即喷膜层的施加反而提高了土工布的卸压能力，分析原因：①试验测定存在一定的误差所致(喷膜层对土工布卸压性能影响较小，导致对比试验所测结果十分接近)；②喷膜层的施加一定程度上可以抵抗法向压力对土工布卸压性能的影响。

(2)根据表中所示各工况下90 g/m2复合土工布的hw值，显然，其已无法满足设计对90 g/m2单层土工布的卸压要求。然而，230 g/m2复合土工布各工况下的hw值(2.63，1.55，1.08 mm)均高于90 g/m2单层土工布对应工况下的hw值(1.4，0.5，0.4 mm)，由此可见，通过提高土工布规格，可以使喷膜后土工布卸压性能达到原设计要求。

3　结论

(1)土工布卸压时间与土工布规格、初始水压、法向接触压力相关，其中，土工布规格越高，初始水压越大，法向接触压力越小，则土工布卸压时间越小，而后逐步趋于稳定。除个别工况外，试验结果总体满足这一规律。

(2)土工布平面尺寸限定条件下，等效卸压厚度hw决定了其平面卸压能力(q值)。丙烯酸盐喷膜防水层对土工布hw值的影响与法向接触压力、土工布规格有关，其中，低规格土工布(90，110 g/m2)的hw值受喷膜层影响较大，改变率达到了-30%～-70%。此外，试验所得到的卸压公式建立了防排水结构卸压过程中微观变量(hw)与宏观变量(q)之间的线性关系，为喷膜后土工布规格的定量选取提供了一定的指导意义，其表明hw值越大，结构的卸压能力越高，最终趋于稳定。

(3)多孔介质模型对丙烯酸盐喷膜防排水结构的卸压机理做出了解释，本次卸压试验主要针对卸压断面上的影响因素(b、hw)，关于卸压平面方向上的影响因素有待于通过相关试验做进一步的研究，以建立三维多孔介质模型，从而对防排水结构的卸压机理做出更为立体的解释。同时本次试验所推导出的卸压公式仅适用于结构平面尺寸已限定的情况，其广义卸压公式需做进一步修正。

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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

国家自然科学基金项目(51178401、51108385)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2682014CX065)

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

1004-2954(2016)08-0084-05

U453.6

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.018