新型盾构隧道防水体系工程试验及数值分析

2019-07-03张子新肖时辉刘曈葳

上海交通大学学报 2019年6期

张子新，肖时辉，刘曈葳，黄昕，何人

(1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092； 2. 珠海大横琴股份有限公司，广东珠海 519031;3. 上海隧道工程有限公司，上海 200032)

防止渗漏水已成为地下工程设计时的重要考量因素.结构渗漏水是因为防水材料性能减弱、工程设计及施工等因素所造成的[1]，而结构产生裂缝则是因为设计、施工不当和温度、收缩作用等引起的[2].依据《地下工程防水技术规范》(GB50108-2008)，迎水面混凝土裂缝不得大于 0.1 mm.因此，如何通过控制裂缝或直接采用防水措施显得尤为重要.

常见的防水设计方法有被动防水和主动防水.被动防水包括结构自防水、附加防水等方式.其中：结构自防水一般是通过提高混凝土自身的抗渗性能来实现的；附加防水是按照工程的防水等级选用，以柔性外防水为主[3].但是，这些防水方法均不能产生主动控制，进而达到诱导裂缝主动发生的效果，只能在裂缝产生后尽早发现渗漏点以实施堵漏措施.主动防水是在设计时人为地将结构某一区域的强度弱化，使得裂缝率先出现在弱化区域，从而达到裂缝开展位置可控的目的.设置诱导缝是弱化结构局部强度的有效途径之一，它可以主动控制裂缝的开展部位与方向，将裂缝控制在一定范围内，并采取相应的措施以防止渗漏水[4].在此基础上，只需将防水材料布置在相应的诱导缝范围内，即可起到主动防水的作用.因此，诱导缝的设置至关重要.

国内对于地下钢筋混凝土结构的防水技术研究已有许多.例如：在隧洞工程衬砌结构中采用弹性橡胶垫[5]；在地下室防水工程中采用反应性丁基橡胶防水卷材[6]；在地铁车站的诱导缝处，采用中埋式止水带、削弱截面及减少诱导缝部位钢筋用量、附加防水层等方法[7].但是，使用新型反应性丁基橡胶钢板止水带与诱导缝相结合的方法还不多见.因此，本文以珠海横琴新区马骝洲交通隧道工程为背景，通过现场试验和数值分析，研究了反应性丁基橡胶钢板止水带与诱导缝相结合的新型防水体系对海相复合地层盾构隧道明挖段的开裂控制效果，通过分析参数的敏感性，对实际工程试验段中新型防水体系的诱导缝布置间距进行分析，并与工程现场试验的结果进行对比，得到了最佳的诱导缝布置间距，优化了当前的防水设计，为新型防水技术的推广应用奠定了理论基础和实践依据.

1 工程概况和防水体系

1.1 工程概况

珠海市横琴新区马骝洲交通隧道(横琴第3通道)工程位于珠海市南湾城区和横琴新区，工程范围南起环岛北路以南约700 m，与在建横琴中路顺接，向北至南琴路，过马骝洲水道后与珠海主城区相连，全长约4 km，如图1所示.工程分为马骝洲交通隧道、南接线、北接线.隧道盾构段长约 1.1 km，隧道外径 14.5 m，为双管单层双向6车道隧道[8].

图1 横琴三通道工程平面图Fig.1 Plan view of the project of Hengqin

试验段区域内，地基土在0～56.80 m深度范围内均为第4纪松散沉积物(Q4)及中生代燕山期风化花岗岩，主要由人工填土层、海-陆交互相、海相沉积的淤泥、淤泥质土、黏土、中粗砂层、花岗岩残积土和下伏的全风化、强风化、中风化花岗岩组成.

地下潜水位埋深为 0.50～2.10 m，相应水位埋深标高为 0.87～3.00 m.设计抗浮水位为 0.50 m.根据区域水文地质资料，区域内地下水随季节而变化，主要受降雨季节支配，区域水位的年平均变化范围为 1.00～2.36 m.雨季时地下水位上升，旱季时地下水位下降；地下水位的变化幅度受地形地貌、地质构造及岩性的影响；此外，由于场地靠近马骝洲水道，地下水的变化亦受附近海水等地表水的影响.承压水水位呈季节性变化.

图2 两种防水部材的尺寸(mm)Fig.2 Dimensions of the two waterproof materials (mm)

新型防水体系的试验段设置在横琴通道北线BA04盾构隧道明挖段.试验段侧墙采用复合墙形式，将围护结构作为永久结构设计，混凝土为C45等级.车站主体采用厚度800 mm的地下墙围护，侧墙与板分开浇筑，每段结构分5次浇筑.顶板厚度 0.8 m，中板厚度 0.4 m，底板厚度 1.0 m，侧墙厚度约 0.6 m.试验段侧墙诱导缝采用诱导缝防水部材A与部材BL组合的防水体系，以替代传统的中埋式止水钢板，其具体尺寸见图2[8].底板水平施工缝采用反应性丁基橡胶腻子止水带W型部材[8]，以替代传统的止水钢板.

1.2 新型防水体系

本文基于主动防水的理念，将控制裂缝与防水相结合，设计了新型防水体系.新型防水体系包含诱导缝防水体系及施工缝防水体系两部分.其中，诱导缝防水体系包含最外层的勾缝构件、防水部材A和部材BL，如图3所示.可以看出，裂缝主要在勾缝及诱导缝部材设置处扩展.施工缝防水体系采用反应性丁基橡胶腻子止水带W型部材来控制施工缝处的渗漏水.

图3 诱导缝防水体系结构Fig.3 Components of the waterproof system with crack inducer

新型防水体系是将具有优异化学稳定性和耐水性的反应性丁基橡胶止水带、橡胶腻子与不同厚度钢板复合而成的含部材A和部材BL等的新型钢板止水带.在水泥的水化过程中，由于水的存在，丁基橡胶在加工过程中产生的活性基与石灰中的金属氧化物能够发生负离子反应而形成与结构物一体的防水层[7]，利用其制成的丁基橡胶腻子与钢材和混凝土等材料具有良好的黏结力，因而在工程应用中能够有效防止止水钢板与混凝土之间的滑移及由此产生的窜水现象[9].

新型防水体系中的诱导缝防水体系是通过诱导缝的设置、引导由温度等因素引起的非结构性裂缝在指定的位置开展来实现的[10].当混凝土出现水化放热或产生收缩效应时，由于勾缝构件及防水部材对结构强度的弱化作用，使得弱化区域首先产生裂缝，从而达到主动控制裂缝产生位置的目的.同时，设置防水材料，从而起到主动防水的作用.具体方法：先将新型防水材料绑扎至钢筋上，并在诱导缝处预埋木条等材料，待混凝土浇筑完毕后，取出诱导缝处的预埋件，从而形成了诱导缝防水体系.

施工缝防水体系的功能：当施工缝处的混凝土开裂时，由于丁基橡胶腻子与混凝土的化学作用，使得丁基橡胶随着混凝土的开裂而被拉开，但即使裂缝很大，丁基橡胶与钢板和混凝土也能牢固黏结，仅丁基橡胶腻子发生了变形，水仍无法从钢板与丁基橡胶及钢板与混凝土之间的缝隙中通过.另外，诱导缝防水和施工缝防水体系均适用于防水等级为1级及需要多道设防的地下工程结构.与传统的混凝土自防水和中埋式止水钢板的防水方法相比，新型防水技术的特点：通过设置勾缝来诱导裂缝产生的位置而使裂缝可控；诱导缝施工简单，只需在钢筋笼上绑扎新型反应性丁基橡胶防水材料，并在钢筋笼外的相应位置设置勾缝构件，防水性能良好，尤其是反应性丁基橡胶具有优异的抗渗性和耐久性[11].

2 工程现场试验与结果

2.1 试验设计

横琴通道北线BA04试验段结构的纵向长30 m、宽35 m、侧墙高度为14 m，现场情况见图4.采用新型反应性丁基橡胶钢板止水带施工的相对位置详见文献[8]中.为了比较混凝土自防水和新型反应性丁基橡胶钢板止水带的防水效果，将BA04段分为 10 m 的混凝土自防水段和20 m的诱导缝防水段，如图5(a)中2个灰色区域所示.其中，试验段内的混凝土自防水区域仅依靠混凝土自身的防水能力.试验选取3个监测断面①、②、③(见图5(a))，每个监测断面的具体监测项目见表1.监测周期为侧墙开始浇筑混凝土直至顶板施工结束的时间.现场试验时，先浇筑3层侧墙(分别为3，4，5 m)，之后浇筑顶板.前一层混凝土浇筑完成、经检测可以拆模后，再绑扎后一层的钢筋笼进行浇筑.同时，预留足够的分层浇筑的时间间隔，在前一层达到受力平衡后再浇筑后一层，以最小化分层浇注施工对防水试验的影响.在每层浇筑高度的中间位置布设传感器(见图5(b)).在施工时，还需要对裂缝的开展以及渗漏水情况进行实时人工观测，以分析不同防水区域的诱导缝开裂情况及防水效果.

图4 试验的现场情况Fig.4 Environment of the test

图5 BA04段的监测布设图(m)Fig.5 Monitoring profile of BA04 (m)

2.2 试验方法

根据试验设计，BA04试验段的监测布设如图5所示.对于新型防水体系的现场施工，先在诱导缝部材设置处采用20 mm×20 mm的木条预埋在混凝土内，待拆模后再将木条凿出以形成勾缝.

监测断面里程桩及其监测内容见表1.其中，WK3+109.100 表示监测断面桩号和里程，里程单位为km.试验中，混凝土结构浇筑分3层，每层均需要分别绑扎钢筋笼并在对应位置埋设监测应力、应变的传感器，并在每层浇筑完成后依据试验设计频率进行监测.

表1 各断面监测项目Tab.1 Monitored items of each section

2.3 结果与分析

本文选取监测断面中较为典型的监测点进行分析，即监测断面②的第2层浇筑监测位置，监测所得温度变化情况如图6所示.可以看出，在混凝土浇筑约 6.5 d后，浇筑体的温度达到最大值，靠近土体一侧的最高温度为71 ℃.在浇筑 12.0 d后，温度趋于平稳，接近于环境温度(约为28 ℃).另外，内衬墙靠近土体一侧的温度比远离土体一侧的温度高，这是因为土体比空气的导热性差而保温性强的缘故.

在浇筑1个月内的钢筋应力变化情况如图7所示.其中，应力的正值表示钢筋受到拉应力，其负值表示钢筋受到压应力.由图可以看出，在内衬墙变形时，靠近土体一侧受拉而内侧受压.稳定后，拉应力约为115 MPa，压应力约为160 MPa.第1层浇筑完成(约 14.0 d)后，钢筋应力达到稳定；随后，由于第2层内衬墙的浇筑而使钢筋应力产生了变化，但很快达到稳定；而第3层内衬墙的浇筑对第1层钢筋的应力影响不大.

图6 实测温度的变化情况Fig.6 Field measured temperature versus time

图7 实测钢筋应力的变化情况Fig.7 Field measured steel stress versus time

图8 实测的混凝土应变Fig.8 Field measured concrete strain versus time

图9 现场的裂缝开展及分布Fig.9 Layout of concrete cracks

内衬墙浇筑后混凝土应变ε的变化情况如图8所示.可以看出：内衬墙变形时，靠近土体一侧受拉而内侧受压；第2层浇注时混凝土的应变略有变化；第3层浇注对第1层混凝土应变的影响可以忽略不计，符合实测的钢筋应力的变化规律(见图7)；靠近土体一侧的混凝土拉应变最后稳定在 7.10×10-4.本文的实测结果表明，钢筋的平均应变约为 7.00×10-4，与混凝土应变的实测值非常接近，表明试验中钢筋与混凝土的应变接近.

图9所示为现场观测到的裂缝分布情况.可见，在未设诱导缝的10 m区域出现了4条较长的竖向裂缝(编号①、②、③、⑧).其中：编号①、②、③的裂缝从内衬墙底一直延伸到第1次浇筑的顶部，且宽度较大，出现了明显渗水；编号⑥的竖向裂缝处于设置诱导缝的位置，且该竖向裂缝从内衬墙底一直延伸到第1次浇筑的顶部，但由于采用了新型防水材料，所以未见渗漏水痕迹；编号⑤和⑦的竖向裂缝发展于每隔5 m设置的诱导缝中间区域，其高度仅 0.5 m，且只在混凝土表面出现了湿渍，漏水点较少.这是因为在混凝土水化热膨胀的初期阶段，预埋的木条限制了混凝土的变形，使得诱导缝处的应力得不到完全释放，所以在两条诱导缝中间的区域产生了裂缝；而编号④的水平向裂缝是由于水平施工缝造成的.

由现场试验的结果可以看出，在未设置诱导缝的10 m的区域内，裂缝展开明显，基本为通长渗水裂缝，而设置了诱导缝区域的裂缝数量较少且长度较短，对渗漏水的控制效果较好.

3 数值模拟与结果分析

参照文献[8]，本文采用扩展有限单元法(XFEM)对新型反应性丁基橡胶钢板止水带在横琴通道北线BA04试验段实际工程中的裂缝扩展过程进行数值模拟，并对实际工程试验段中的诱导缝设置间距进行模拟分析.

依据地质勘察报告，土体采用莫尔-库仑本构模型，土层参数详见文献[8].由于BA04段实际工程中采取有效的降水措施，所以在数值模拟过程中不考虑地下水的水压及渗流影响.所用XFEM模型见图10.

图10 扩展有限元模型(m)Fig.10 Extended finite element model (m)

参照文献[8]中的方法布置BA04试验段的新型反应性丁基橡胶钢板止水带.根据工程布置情况，模拟中将诱导缝设为初始裂缝位置，深度为20 mm.

由于实际工程中的裂缝大多为非结构性裂缝，即温度及收缩等因素是造成混凝土产生裂缝的主要原因，所以在建立XFEM模型时考虑了混凝土水化热膨胀的影响，并采用等效龄期水化度的方法计算水化热.对于XFEM模型，先计算温度场，然后计算应力场，即可考虑温度场和应力场的耦合作用[8].

根据施工步骤确定的数值模拟步骤分别为：① 初始地应力平衡；② 向下开挖1.5 m至设计地坪标高；③ 地应力平衡；④ 继续开挖土体14.0 m，浇筑混凝土结构；⑤ 计算温度场，并将其结果耦合至力学模型中；⑥ 计算裂缝扩展.

在实际工程关注的防水体系设计中，选用新型反应性丁基橡胶钢板止水带时，采用参数的敏感性分析方法在BA04试验段中诱导缝布置间距s=3，4，5，6，7，9 m条件下进行数值模拟计算，以对比其对裂缝扩展的影响.

采用等效龄期水化度方法模拟混凝土水化过程的温度变化情况如图11所示.可见，在水化前期，温度变化的趋势和峰值均拟合得较好.现场试验所得温度与数值模拟的温度变化规律基本一致，从而验证了采用等效龄期水化度方法计算温度的合理性.

得到模型温度场后，通过热力耦合进行计算，所得应力场如图12所示.在模型中，对应于监测断面②的第1层浇筑监测位置的混凝土应力σ为 23.04 MPa，计算所得其应变ε为 6.87×10-4，与其实测结果(7.10×10-4)基本一致.其他监测点的应变见表2.可见，实测值与数值模拟的计算值相差不大.

图11 混凝土水化过程的温度模拟结果Fig.11 Temperature of simulated concrete hydration

图12 混凝土应力的模拟计算结果Fig.12 Contour of simulated concrete stress

Tab.2 Comparison between measurement and calculation of concrete strain

监测点位置ε×104实测值计算值断面①-26.967.24断面②-17.106.87断面②-28.607.98断面②-31.141.20断面③-26.386.94断面③-31.221.38

图13所示为相同诱导缝设置间距(s=5 m)下得到的裂缝开展模拟结果.图中：左侧框为采用混凝土自防水区域，其中生成通长裂缝，且伴有较短裂缝发展；右侧框为采用诱导缝防水区域，其中应力得到释放，中间区域没有新裂缝生成.可以看出，模拟结果与试验结果基本一致.在当前的荷载工况下，诱导缝可以很好地控制裂缝扩展的方向(见图14).当采用新型反应性丁基橡胶钢板止水带时，裂缝的扩展深度为 28.1 mm，由于反应性丁基橡胶与混凝土的黏结作用，使得裂缝由勾缝发展至防水部材设置处即终止.

计算结果的裂缝张开宽度w与计算步数N的关系如图15所示.可见，由于新型反应性丁基橡胶与混凝土黏结牢固，所以没有相对滑移，裂缝张开宽度较小且增长缓慢.在计算步数达到第5步后裂缝基本达到稳定，最大扩展裂缝宽度为 7.17 μm.