公路隧道富水段可排水止水带应用浅析

2021-03-09谢兼量肖东辉雷尊贵齐呈祥李林峰

公路交通技术 2021年1期

谢兼量，肖东辉，雷尊贵，齐呈祥，李林峰

(1.保利长大工程有限公司，广州 510620； 2.重庆中宇工程咨询监理有限责任公司，重庆 400067；3.北京交通大学，北京 100044)

隧道细部结构(施工缝和变形缝)的渗漏水一直是影响隧道结构稳定及使用年限的重要原因，其水源补给可分为地下水补给渗漏水和地表水补给渗漏水2种[1]。目前，隧道细部结构的防渗措施主要存在以下问题：1) 止水带设计上，未考虑止水带的排导水功能或排导水效果一般，在隧道富水地段易形成背后积水，发生渗水的概率仍然较大[2]；2) 止水带施作时，止水带的固定及连接存在诸多问题，止水带固定不牢固，安装不当易引起止水带产生扭曲、上浮、位移、倾倒等不良状况[3]。

针对上述问题，许多学者做了相关研究。李伟等[4]提出隧道施工缝和变形缝防水采用多道设防，以提高隧道防水能力。宋占辉[5]通过工程实践和试验提出了准中埋背贴式可排水橡胶止水带，对以后的隧道及地下工程三缝的防排水处理有指导作用。吕康成[6]研发的梯形背贴式排水止水带及中埋式蝶形排水止水带，可在无压或较小压条件下工作，减少了隧道渗漏水现象发生。张民庆等[7]研制了横向内置加劲型中埋式橡胶止水带，现场试验表明该止水带使用方便、安装质量好、效率高、综合成本低。冀夏芳等[8]提出无钢筋衬砌段和钢筋衬砌段的止水带施工工艺，消除了止水带施工的通病。张再仁[9]结合工程实践，提出在采用测量定位、钢筋卡固定、垫层施工后，可有效提高止水带施工质量。

分析上述研究成果发现，以上研究未涉及到对公路隧道富水段可排水止水带排导水效果的研究。本文结合广东省南昆山隧道，通过对止水带优化设计，提高止水带强度及排导水能力，并在现场对环向止水带进行试验，测量止水带防水及排导水效果，以达到提高隧道细部结构防水能力的目的。

1 止水带优化设计

南昆山隧道原防水设计采用钢板腻子止水带。由于其不具排导水功能，在隧道富水段，衬砌背后积水形成较高水压，隧道施工缝、变形缝容易出现渗漏水，无法满足防水要求。

在已有研究基础上，针对止水带衬砌背后积水难排问题，对止水带进行优化设计，增加了“U”型排导水槽，开发背贴式可排水橡胶止水带及中埋式可排水橡胶止水带，其结构如图1、图2所示。

单位：cm

优化设计的可排水止水带采用三元乙丙橡胶作为主要材料，具有耐老化、耐腐蚀、耐低温等优良性能。结构上，可排水止水带断面分为伸缩区、强力区、防水区，受力均匀。

伸缩区中间设置“U”结构，增加了刚度，也能实现较大多向变形；伸缩区迎水面封闭连接带能防止杂物进入“U”型槽中，保证“U”型槽排导水效果。当水压较大时，封闭连接带发生较大变形，并发生断裂，从而实现导水功能，将水引入排水盲管，减小背后水压，提高止水能力。

优化的可排水止水带两边凹槽较宽且较高，防水区的防水线呈倒锯齿状，具有汇集地下水能力，增强橡胶止水带和混凝土的握裹力，防止止水带受较大水压力而拔出，使橡胶带更牢固。止水带凸起部分较高，可延长渗水路程，减少背后积水量，并有效降低水压，更不易渗水。

与原设计采用的钢板腻子止水带相比，可排水止水带的特点：1) 增加排水功能，一定程度上减小衬砌背后水压，降低渗水几率；2) 在高水压条件下，止水带不易发生破坏、损伤，适合在高水压富水地段施作。

2 止水带结构安全验算

隧道富水段结构承受一定水压，这要求止水带具有与之匹配的承受能力，需满足抗拉、抗拔以及抗剪安全要求，以下进行止水带结构安全验算。优化的可排水止水带尺寸如图1、图2所示，2类止水带圆环尺寸及总宽度均相同，因此仅对中埋式止水带进行验算。止水带的泊松比为0.42，拉伸变形和剪切变形取极限值，按30 mm[10]进行验算。

中埋式止水带内圆半周长为28 mm，受拉后半环呈带状，长度为44 mm，止水带原长34 mm，被拉长了10.3 mm，即发生了几何变形。因此，止水带拉长10.3 mm后，开始产生拉应力。止水带应力计算公式为：

σ=Eε

(1)

(2)

式中：σ为止水带变形产生的拉应力，MPa；E为止水带弹性模量，取5 MPa；ε为拉应变；Δl为止水带圆环处变形大小，m；l为止水带圆环处原宽度，m。抗拉变形极限值为30 mm，当止水带继续变形19.7 mm后，ε=0.44。

单位长度止水带应力为：

T1=Eεt×1

(3)

式中：T1为止水带圆环根部单位长度止水带拉应力，kN/m；t为止水带拉直后的圆环处厚度，为0.011 m。经计算T1=2.3 kN/m，圆环根部σ1=T/0.008=281.9 kPa。

水压产生的应力采用河海大学提出的公式：

(4)

式中：T2为止水带圆环部位单位长度止水带拉应力，kN/m；P为水压力，取770 kPa；b为变形缝拉开后产生应力变形的宽度，取0.056 m；依据止水带拉伸试验结果，取ε=15%。经计算T=22.7 kN/m，圆环部位σ2=2 063.6 kPa，圆环根部σ1′=2 837.5 kPa。

经应力叠加计算可得总拉力T=T1+T2=25 kN/m；圆环部位总应力σ圆=σ2=2 063.6 kPa，圆环根部总应力σ根=σ1+σ1′=3 119.4 kPa。

1) 止水带拉断验算

通过式(5)判断止水带抗拉断性能：

(5)

式中：RL为止水带抗拉强度，MPa。

止水带最大拉应力在止水带圆环根部，即σ根=3.12 MPa

2) 止水带抗剪验算

通过式(6)判断止水带剪切性能：

τ≤τf=4.44 MPa

(6)

τ=Gγ

(7)

式中：τ为止水带剪切应力，MPa；τf为止水带的剪切强度，MPa，按郝巨涛等[13]的研究成果取4.44 MPa；G为止水带剪切模量，取1.76 MPa；γ为止水带剪切应变。经计算τ=2.61 MPa<4.44 MPa，满足安全使用要求。

3) 止水带抗拔验算

橡胶止水带在混凝土中的粘着应力为0.4 MPa～0.7 MPa[11]，粘着应力取0.4 MPa。止水带宽度为0.3 m，单位长度单侧止水带在混凝土中的粘着力为0.4×0.15×1×2=120 kN/m，受力分析如图3所示，从混凝土中拔出的安全系数为120/T=120/25=4.8，止水带圆环部和根部拉应力大于止水带小于混凝止之间的应力，止水带不会被拔出。综上，优化的可排水止水带满足安全施工要求。

3 止水带现场试验

为验证止水带的防水和排导水效果，结合南昆山隧道出口端左线在ZK76+945～ZK76+891段富水地段，在现场进行了环向止水带对比试验。通过对富水段的止水带设置、导管排水情况观察进行对比，分析优化后的止水带与钢板腻子止水带的防渗效果。通过布置导管，并进行观察和分析，研究优化后止水带的排导水效果。

单位：cm

3.1 试验方案

在富水段选取5个断面进行试验，试验断面设置情况如表1所示。

表1 试验断面设置情况

其中断面1、2：在防水板与初支之间、背贴止水带“U”型槽内及二衬之间各设置一PVC透明管，并分别标记上内、中、外字样，如图4(a)所示。

断面3、4：在中埋止水带和背贴式止水带的“U”型槽内及防水板与初期支护之间各设置一PVC透明管，并分别标记上外、中、内字样，如图4(b)所示。

断面5：在防水板与初支之间、二衬之间及中埋止水带“U”型槽内各设置一PVC透明管，分别标记上内、中、外字样，如图4(c)所示。

PVC透明管的外径略小于“U”型槽的宽度，保证PVC管不影响止水带正常工作；插入深度约为50 cm，保证软管能有效排水以便观察。在PVC管入水口管两侧设置多道切口以增大PVC管的集水能力，细部结构如图5所示。

将PVC管观测端引出至离洞壁一定距离，并从蛇纹管内穿出，如图6所示，防止台车移动压断PVC管，保证其完好以便后期观测。

(a) 断面1、2与 PVC管位置

(b) 断面3、4与 PVC管位置

(a) PVC细部结构正视图 (b) PVC细部结构侧视图

图6 预留管线示意

3.2 试验数据分析

观察PVC管排水情况，得到各断面试验结果，如表2所示。

表2 试验结果

表2中数据表明：1) 断面1～5内管有细微水滴，二衬背后有水，存在一定水压，断面1～4中管偶有细微水滴，表明优化背贴式止水带具有排导水能力；外管及二衬表面无水，说明优化背贴止水带能有效防止渗水发生；2) 断面5中管有细微水滴，说明有少量水渗过钢板腻子止水带，而外管及二衬表面无水，说明水未渗过优化中埋止水带；表明在富水条件下钢板腻子止水带的防渗效果一般；3) 断面1、2与断面3、4的PVC管排水情况相同，断面5中管有细微水滴，表明优化止水带较钢板腻子止水带而言，采用一道防水就具备良好的防水能力。

3.3 环向止水带安装工艺及控制要点

为保证试验正常进行及止水带防水效果，需严格控制止水带的安装工艺及控制要点并对现场安装进行监测检查。

1) 安装工艺

衬砌模板台车各项准备工作就绪后，沿衬砌设计轴线每间隔0.45 m在挡头板上钻一Φ12钢筋孔，然后将加工成形的Φ10钢筋卡由待模注混凝土一侧向另一侧穿入，钢筋卡内侧卡紧一半止水带，待模注混凝土凝固后拆除挡头板，弯曲Φ10钢筋卡套上止水带的另一半，模注下一循环混凝土。浇筑二次衬砌混凝土时，加强混凝土振捣，排除止水带底部气泡和空隙，使止水带和混凝土紧密结合。安装后的止水带如图7所示。

2) 控制要点

(1) 止水带的设置应确保能够平行于初期支护混凝土内轮廓面，避免发生弯曲、倾覆等问题[14]。

(2) 埋设位置应准确，其中间空心圆环应与变形缝重合，通常止水带以施工缝或伸缩缝为中心两边对称布设，要求止水带偏离中心不能超过3 cm。