结构防水融合体系在川藏高速公路隧道中的应用

周庆国 陈俊 胡景波

（1.中国铁建昆仑投资集团有限公司，成都610000；2.金华市欣生沸石开发有限公司，浙江金华321017）

随着现代化建设的发展，我国隧道的数量、长度都跃居全球第一。隧道规模越来越大，埋深越来越深，技术难度也越来越大。隧道与地下工程的防水也为工程界日臻重视。公路、铁路隧道属于大型项目，具有施工工期长、跨度大等特点，再加上不同施工区自然条件各异，导致施工过程中出现各类问题［1-4］。渗漏水是公路、铁路隧道施工和维护过程中非常常见的问题，不仅影响隧道的正常通行，长期渗漏水还会使衬砌混凝土劣化，缩短隧道的使用寿命。

目前我国公路、铁路隧道基本上采用复合式衬砌［5-8］。复合式衬砌由初期支护、防排水系统和二次衬砌组成。防排水系统由防水板、纵环向盲管、土工布、止水带等组成。受各种因素影响，部分隧道运营不久便出现渗漏水问题，无法实现防水与结构同寿命。本文结合工程实例探讨隧道结构防水融合体系，为公路、铁路隧道的防水设计提供参考。

1 工程概况

川藏高速公路跑马山1号隧道为傍山隧道，项目位于康定城区，从升航村进洞，呈几字形穿越跑马山景区，从主城区甘孜州广电中心背后出洞，进出口高差220 m，全长约8.8 km，如图1所示。

图1 跑马山隧道地理位置

隧道设通风横洞+地下风机房1处，另设施工支洞1处。隧道岩性以角砾岩、碎裂岩为主，断层地段裂隙发育。断层破碎带地下水发育，涌水量大。隧道左洞、右洞分别长8 865，8 780 m。结构防水融合体系应用试验选择在通风横洞进行，横洞长为1 258 m，隧道半径为5.53 m，平均海拔3 500 m。通风横洞围岩为澄江—晋宁期火山岩，隧道洞身围岩主要为中风化花岗岩，属较硬岩，岩体呈大块～巨块状，围岩稳定性较好。该段埋深较大，存在高地应力，有可能发生岩爆。地下水类型为基岩裂隙水，呈淋雨状出水，围岩级别为Ⅲ级。

2 防水设计方案

2.1 原防水体系

隧道设计为复合式衬砌。原防水体系设计为：二次衬砌抗渗等级不低于P8；初期支护与二次衬砌间拱墙设置防水层（1.2 mm厚EVA（乙烯醋酸乙烯共聚物）防水卷材+300 g/m2无纺布）；衬砌变形缝设置中埋式橡胶止水带+背贴式止水带；施工缝设置遇水膨胀止水条+背贴式止水带。

2.2 结构防水融合体系

考虑到该隧道防水难度大，反复论证后决定采用结构防水融合体系。通过结构抗裂防渗试验，优化接缝防水设计和施工工艺，形成高抗渗、低裂纹和自愈合的衬砌混凝土结构防水融合体系。

结构防水融合体系由2部分构成：①初砌混凝土结构自防水。取消防水板，保留土工布，并安设环向透水盲管，同时预埋加压管以备后期进行压水试验。在二次衬砌混凝土中添加抑温抗裂防水剂，保证衬砌混凝土的抗裂防渗效果与结构耐久性。②接缝防水。衬砌变形缝设置中埋式橡胶止水带+背贴式止水带，施工缝设置遇水膨胀止水条，同时变形缝和施工缝还须在二次衬砌混凝土端头截面涂刷1.5 mm厚欣生水泥基渗透结晶型防水涂料。

3 衬砌混凝土抗裂防渗与耐久性能试验研究

3.1 原材料及配合比

水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积340 m2/kg，密度3.15 g/m3。粉煤灰为F类Ⅱ级灰，45μm方孔筛筛余16.2%，密度2.28 g/m3，主要化学组成见表1。砂子采用中砂，细度模数2.5。石子采用石灰岩碎石，连续级配，最大粒径25 mm。外加剂采用聚羧酸系减水剂，减水率15%，固含量14%。防水剂采用欣生抑温抗裂防水剂，其抑温性能见图2，性能指标检测结果见表2。

表1 胶凝材料主要化学组成

图2 水泥净浆热功率曲线

表2 抑温抗裂防水剂性能指标检测结果

混凝土试验配合比以施工单位提供的工程配合比为基准，掺加抑温抗裂防水剂，见表3。

表3 混凝土试验配合比 kg·m-3

3.2 试验方法

1）平板开裂试验依据GB 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。

2）混凝土接触式收缩试验依据GB 50082—2009进行，试件成型后标准养护3 d测试初始长度。

3）混凝土温度抗裂性能试验又分为模拟工程实际散热条件半绝热温升仿真试验、绝热温升试验和温度应力试验。半绝热温升仿真试验装置见图3。试件为边长400 mm的立方体，挤塑板厚度50 mm。绝热温升试验依据GB 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。设备采用HR-3型混凝土热物理参数测定仪。温度应力试验采用HYTSTM-Ⅱ混凝土温度应力试验机，试件长1 500 mm，截面尺寸为150 mm×150 mm。

图3 半绝热温升试验装置

4）混凝土抗渗性能试验又分为抗氯离子渗透试验和抗水渗透试验。抗氯离子渗透试验依据GB 50082—2009进行；抗水渗透试验按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行，采用KX-026混凝土渗透仪。

5）抗压强度试验依据JTG E30—2005进行，采用KX-005数显式压力试验机。现场随机取样，在实验室制备抗压试件，标准养护28 d进行抗压强度试验。

在铣床上加工多孔专用夹具采用调整垫和紧固螺杆配合以及定位螺丝的配合调整工件的位置以达到工件加工的要求。

3.3 试验结果

3.3.1 平板开裂试验

基准混凝土、掺防水剂混凝土单位面积上的总开裂面积分别为705，570 mm2。掺防水剂混凝土单位面积上的总开裂面积较基准混凝土低19%，说明其早期抗裂性能较基准混凝土高。这是由于抑温抗裂防水剂一方面具有微膨胀补偿收缩作用，通过化学膨胀抵消了早期的干燥收缩；另一方面抑温抗裂防水剂的表面改性组分在一定程度上能减小结构混凝土的自收缩，两者结合起来，可大大减少混凝土早期塑性收缩，对混凝土早期抗裂性能具有良好的改善作用。

3.3.2 混凝土接触式收缩试验

混凝土接触式收缩试验结果见图4。可知：基准混凝土收缩率随龄期增长而逐渐增加，28 d之前混凝土收缩率增幅较大，28 d后混凝土收缩率逐渐趋于稳定；掺防水剂混凝土收缩率变化趋势与基准混凝土相似，但60 d收缩率较基准混凝土小7%。混凝土中掺入抑温抗裂防水剂，对混凝土抗收缩性能具有改善作用。这是由于抑温抗裂防水剂中的微膨胀组分在水化初期通过膨胀形成了一定的预压应力，可补偿后期的干燥收缩。

图4 混凝土接触式收缩试验结果

3.3.3 混凝土温度开裂性能试验

1）混凝土半绝热温升仿真试验

由于水泥用量高、细度小、C3A含量高等原因，导致像隧道衬砌这种结构尺寸并不大的混凝土结构温度收缩开裂现象频频出现，控制衬砌混凝土温度收缩开裂成为抗裂的关键。混凝土半绝热温升试验结果见图5。可见，与基准混凝土相比，掺抑温抗裂防水剂混凝土最高温升降低了8.38℃，这明显会降低混凝土温度收缩开裂风险。

图5 混凝土半绝热温升试验结果

混凝土绝热温升是指在没有任何热量散失的条件下混凝土自身由于水化放热导致的温升。混凝土绝热温升试验结果见图6。可见：与基准混凝土相比，掺抑温抗裂防水剂混凝土升温到30℃的时间滞后15 h。从温升曲线的斜率来看，水化温升速率明显降低。这是因为抑温抗裂防水剂能够抑制水泥熟料中的C3A与C2S的水化进程，从而能够降低混凝土最高温升，达到削峰效果。

图6 混凝土绝热温升试验结果

3）温度应力试验

混凝土温度应力试验结果见图7。可以看到：①掺防水剂混凝土最高温度降低了10.8℃，抑温抗裂防水剂具有较好的削峰效果。②开裂应力反映了混凝土的极限抗拉强度［9］。两种混凝土的开裂应力均在2.5 MPa左右，说明抑温抗裂防水剂对混凝土的极限抗拉强度影响不大。③随着降温，在某一时刻混凝土试件所受拉应力会超过混凝土抗拉强度，受约束试件会开裂［10］。开裂温度越低，早龄期混凝土出现热裂缝的概率越小。掺防水剂后开裂温度从21℃降到0℃附近，开裂风险明显降低。

图7 混凝土温度应力试验结果

3.3.4 混凝土抗渗性能试验

1）抗氯离子渗透试验

采用电通量法进行了抗氯离子渗透试验。基准混凝土、掺防水剂混凝土电通量分别为2013，1429 C。掺防水剂混凝土电通量较基准混凝土降低29%，故其抗氯离子渗透性能较基准混凝土好。这是因为混凝土中掺入抑温抗裂防水剂，能改善混凝土的孔结构，提高混凝土的密实程度，故而能够提高抗氯离子渗透性能。

2）抗水渗透试验

通常地下工程会根据结构埋置深度采用不同抗渗等级的混凝土。通风横洞采用抗渗等级P8的混凝土，在施工过程中取掺抑温抗裂防水剂二次衬砌混凝土进行测试。其抗渗等级达到P24，高于现有技术标准和设计文件对二次衬砌混凝土抗渗等级的要求。这是由于掺入抑温抗裂防水剂一方面增强了结构混凝土的憎水疏水性能，另一方面通过二次反应生成了新的晶体填充了孔隙，提高了结构的密实程度。

3.3.5 抗压强度试验

掺抑温抗裂防水剂的二次衬砌混凝土试件平均抗压强度达到36 MPa，满足C30的设计要求。

综上所述，混凝土中掺抑温抗裂防水剂可明显减少水泥水化热，抑制混凝土温升，降低混凝土温度应力，同时具有良好抗收缩性能、早期抗裂性能；混凝土中掺抑温抗裂防水剂能大幅提升混凝土结构的抗渗性能，对耐久性能也有一定的改善作用。这都为结构自防水提供了支撑。

4 结构防水融合体系经济性分析

结构防水融合体系在原防水方案的基础上取消了防水板，在二次衬砌混凝土中掺加了抑温抗裂防水剂。

经计算，每延米二次衬砌拱墙混凝土用量8.71 m3，防水层每延米面积23.65 m2。

成本增加部分：添加抑温抗裂防水剂成本增加90元/m3，每延米增加成本8.71×90=783.90元。成本节省部分：取消防水板（工程概算约35元/m2），每延米可节省成本约23.65×35=827.75元。

二者相比，取消防水板，采用结构防水融合体系，单洞公路隧道每延米可节省成本827.75-783.90=43.85元，每公里隧道防水体系可节省成本43 850元。采用结构防水融合体系具有明显经济优势。

5 结构防水融合体系应用效果

选取川藏高速公路跑马山1号隧道通风横洞测试结构防水融合体系应用效果。取消了防水板，土工布悬挂安装完后直接进行二衬混凝土浇筑施工。在二次衬砌混凝土中掺加了抑温抗裂防水剂。二次衬砌混凝土配合比见表4。混凝土坍落度为180～220 mm，和易性良好。

表4 二次衬砌混凝土配合比 kg·m-3

二次衬砌混凝土采用泵送施工，振捣采用附着式振动器，严格控制混凝土浇筑时间，防止出现施工冷缝。拆模完成后在二次衬砌混凝土端头截面上涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料。其独有的渗透结晶组分使得新老混凝土结合得更加牢靠，增大了防水体系的安全系数。二次衬砌混凝土拆模后，表面光滑无裂纹（图8），可见二次衬砌混凝土中掺加抑温抗裂防水剂提高了混凝土的密实性，具有良好的抗裂效果。

图8 二次衬砌混凝土外观

现场施工结束至今，经多次查验，整体无渗漏水现象，二次衬砌混凝土保持良好的抗裂防渗能力，达到了防水设计目标。采用结构防水融合体系还减少了悬挂防水板工序，缩短了施工时间。

6 结论

1）结构防水融合体系由衬砌混凝土结构自防水和接缝防水2部分构成。室内试验及现场应用证明，掺加抑温抗裂防水剂的混凝土具有良好的抗裂防渗性能，并且能够提升结构混凝土耐久性能，为实现结构自防水提供了基础。变形缝和施工缝处涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料使得新老混凝土结合得更密实，提升了变形缝和施工缝处的防水能力。

2）该体系在公路隧道通风横洞应用至今，整体无渗漏水现象，实现了总体防水设计目标。与传统柔性防水体系相比，结构防水融合体系更省时、省钱、省心。该研究为公路、铁路隧道防水提供了经验及技术支撑。