超大跨度隧道结构防排水设计与施工技术研究

2022-08-18贺维国费曼利宋超业

隧道建设(中英文) 2022年7期

王星，贺维国，费曼利，宋超业

(1.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308；2.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

隧道工程的防排水材料及工艺技术是决定防排水效果的关键因素[1]。对如何提高隧道防排水质量和技术改进一直是国内外学者不断研究的课题。20世纪70年代以来，随着地下工程技术的不断发展和工程实践的摸索总结，国内隧道防排水技术虽取得了十足的进步，但也暴露出了不少问题和隐患[2]，而且相关规范或标准多局限于跨度小于30 m的常规或较大跨隧道。

从目前研究现状看,国内隧道防排水技术主要遵循“防、排、截、堵相结合，刚柔相济，因地制宜，综合治理”的原则[2-3]。文献[4]通过对2002年以来已运营的5 700多座铁路隧道的调查统计，得出约1 620座隧道存在较为严重的渗漏水病害; 文献[5-7]通过对传统防排水技术与实践的研究和归纳，指出了传统技术的诸多缺陷，如防水板接缝多，焊缝质量差，防水材料耐老化性能差，材料延展性不够，防水板易被基面凸起或钢筋头刺穿，防水板和后浇混凝土结合不密实、易窜水，隧道拱部混凝土灌注难以振捣导致二次衬砌密实度和抗渗性差等，不仅给施工造成困扰，而且运营后常有结构渗漏水现象，在病害治理上付出了巨大代价。

随着地下特殊功能需求，30 m以上超大跨度洞室在国内外开始修建，如京张铁路八达岭长城站渡线单洞跨度32.7 m，挪威格乔维克城滑冰场跨度61 m等[8]。由于类似超大跨度隧道的案例及文献极少，缺乏成熟的防排水技术经验，相关规范标准等基本处于空白，在工程实践中给设计与施工带来了极大挑战。因此，针对30 m以上超大跨度或巨型隧道，寻找一种更快速有效的防排水工艺，既能提高施工工效，又能确保工程防水质量，已成为现阶段亟需解决的问题。本文以某超大跨隧道工程为背景，对防排水新材料及新工艺技术进行探讨研究，以期为类似工程提供借鉴。

1 超大跨度隧道结构特点及技术现状

1.1 结构特点

本文所述超大跨度隧道指的是开挖跨度大于30 m的地下洞室。与常规隧道相比，该种大跨洞室通常具有横向跨度超大、矢跨比小、净空高、结构厚度大等特点。隧道修建时对施工方法的选择、支护刚度、防排水等技术要求都很高，以保证隧道施工阶段的安全性及后期运营阶段的功能质量。

1.2 超大跨隧道技术现状

目前国内外超大跨隧道应用较少，还没有成熟的设计理论和规范标准，其开挖支护、防排水体系、机械化配套等方面的关键技术能借鉴的经验非常有限，还处于探索阶段。

根据研究资料，超大跨隧道锚喷支护及二次衬砌结构均需要满足较大的支护刚度。随着纤维混凝土技术应用的越来越成熟，锚喷初期支护层以钢纤维或其他高性能纤维混凝土为主要设计经验，以提高超大跨度、小矢跨比等不利条件下隧道柔性支护体系的强度、刚度和稳定性。

1.3 防水材料及工艺技术的创新需求和喷膜防水技术现状

1.3.1 防水材料及工艺技术的创新需求

超大跨度隧道结构自身特点给隧道的防排水设计与施工带来了新的技术难度和挑战，如防水层铺设难度极大、易掉落、防水板接缝更多、焊接更困难、容易被刺穿、施工工效低、渗漏后难以维修等，而且造价成本高，显然传统常规隧道的防排水工艺在超大跨隧道结构中难以适用。因此，超大跨隧道对防水材料选择、防排水体系、实操难度、工艺技术、质量效果、后期可维护性等方面的要求和标准更高，实践中需进一步开拓思路和创新，以破解超大跨隧道防排水技术难题。

1.3.2 喷膜防水技术现状

近些年来,随着防水新材料的应用，国内外逐渐开始在隧道实践中推广喷膜防水新技术[9]。这种喷涂方式对隧道开挖基面凹凸起伏适应性强，复杂空间条件下施作灵活，喷涂后没有接缝，防水整体性更好[10]。该技术在一定程度上能够克服传统塑料防水板在隧道应用中的一些不足,在国内一些隧道中也积累了成功经验，如京张高铁东花园隧道、港珠澳大桥沉管段、贵广高铁天平山隧道等[11-12]，都取得了不错的效果。

2 超大跨度隧道新型防排水系统设计研究

2.1 依托工程概况

某山岭隧道工程的开挖跨度B大于40 m，开挖高度H大于20 m，如图1所示。围岩级别为Ⅱ—Ⅲ级，隧道衬砌类型为排水型复合式衬砌结构，初期支护喷射层采用钢纤维喷射混凝土，隧道每延米开挖面积超800 m2，为超大跨度隧道结构。

图1 某超大跨度隧道示意图

隧道结构设计防水等级为一级，即不允许漏水，结构表面无湿渍[13-14]。地下水类型主要为山体基岩裂隙水和构造带脉状裂隙水，洞身范围存在多条不良地质构造破碎带，且较为发育，全—强风化地层透水性较强，中—微风化地层为弱透水性。

2.2 防排水设计方案

综合考虑超大跨隧道特点、新材料特性、施工工效、防水质量、防排设施的可维护性及维护难度等因素，本工程在实践中对传统工艺进行了改进创新，采用了一种“环纵导排系统+复合隔离防渗层+喷涂高弹性涂膜防水层+自密实混凝土防水结构”组合的新型防排水体系。具体设计方案如下。

2.2.1 导排系统设计

导排系统处于二次衬砌结构外侧，紧贴初期支护锚喷层，如图2所示。导排系统由环向排水盲管、纵向排水盲管、凹凸排水板带、横向泄水管、排水边沟、检查井等组成，将衬砌结构周围地下渗漏水有规律地引流至排水沟，排水沟设计尺寸为500 mm×500 mm(宽×高)。通过导排系统，将衬砌周围外部水压进行释放，从而减轻隧道二次衬砌结构及柔性防水层的胀水压力，改善结构受力。

图2 防排水体系组合示意图

1)环纵盲管系统布置方式。环向排水盲管和环向凹凸排水板带沿隧道拱墙环形铺设，纵向排水盲管沿两侧边墙底部铺设。环向排水盲管纵向间距6 m；1.2 mm厚凹凸排水板宽度1.0 m，纵向间距6 m，与环向排水盲管呈间隔布置，如图3所示。环向排水管采用DN75 mm双壁打孔波纹管，管外包无纺布，采用专用卡条及暗钉固定在锚喷层基面。

图3 导排系统组合平面示意图

2)纵向盲管分段设计。为减小大体积混凝土浇筑水化热影响,衬砌每6 m设置1道环向施工缝，每循环浇筑采用定制台车一次性灌注；纵向排水盲管为DN110 mm双壁打孔波纹管；纵向盲管分段设计，长度为9 m，盲管的两端采用90°配套成品弯头，与横向泄水管连接后伸入二次衬砌排水边沟内，考虑二次衬砌结构侧墙较厚，采用直角弯头可避免两幅二次衬砌结构之间出现较宽的纵向排水盲区，如图4所示。

图4 纵向盲管分段示意图

3)环纵盲管连接设计。环向盲管、纵向盲管、横向泄水管采用3通或4通连接，如图5和图6所示。

图5 3通接头示意图

图6 4通接头示意图

4)排水系统可维护性设计。在盲管分段处设置可维护检查井，沿隧道纵向每24 m设置1个，后期使用阶段可定期采用高压水枪进行冲洗检查，确保排水通畅，可维护性高，操作便捷。

2.2.2 复合隔离防渗层设计

高弹性涂膜防水材料喷射过程中对基面的渗漏水、平整度及粗糙度等要求较高。超大跨度隧道初期支护完成后，钢纤维毛刺较多，容易刺破防水层。针对基面渗漏水，在超大跨度条件下，通过预注浆手段实现完全无渗漏水状态的难度极大。通过现场反复试验，在较大潮湿面或有渗漏明水点基面上喷射涂膜时，喷膜层主液料胶凝固化前非常容易流失，难以保证防水质量。

考虑上述因素影响，超大跨度隧道防排设计中采用了一种柔性PE复合土工膜，布置于排水系统和喷膜层之间。该膜以土工织物为导水层，以高分子材料为防渗层，经压延、热熔涂敷而成；土工膜为两布一膜组合结构，即由内外侧土工织物中间夹一层高分子PE土工薄膜复合而成的不透水环保型材料，如图7所示。其中，内层土工织物能保护涂膜不容易被围岩凸起或钢纤维刺穿，具有隔离保护作用；中间薄膜具有较好的防渗作用；外层土工织物因具有较大的摩擦力，能作为良好的基面与高弹性喷膜材料进行粘接。

图7 PE复合土工膜示意图

复合土工膜具有优良的抗拉、抗撕裂、抗顶破等物理力学性能，有较强的力学承载和变形适应能力，还具有质量轻、造价低、易铺设、延伸性能好、耐腐蚀、耐老化等其他优点，其物理力学性能见表1。防排水设计中该膜除了具有隔离缓冲功能外，还能发挥其独特的防渗功能，可兼做第1道防线，提高隧道防水质量。

表1 PE复合土工膜物理力学性能

2.2.3 柔性喷膜防水层设计

喷膜技术中防水材料为一种高弹性涂膜材料，其成膜机制是：由多种高分子组分溶液通过喷枪高速喷射混合后，引发物理化学反应，快速聚集成膜，固化后形成连续致密的高弹性防水涂层，如橡胶沥青、丙烯酸盐等。喷膜工艺能够一次成型，无须搭接，整体性强，施工操作便捷灵活，工效高，防水质量容易保证，能够更好地适用于超大跨度隧道空间结构。本工程采用的高弹涂膜防水层设计厚度为3 mm，具有良好的力学指标，如表2所示。

表2 喷膜层力学性能指标

2.2.3.1 涂膜层优良特性

1)超强延展性。高弹性涂膜复原率达95%以上，能够有效解决结构物因应力变形、膨胀开裂或连接不牢等造成的渗漏、锈蚀等问题。

2)卓越的附着性。可以依附在混凝土、土工布、钢铁、木材、金属等多种材料表面，不起层，不剥离，不脱落，对基层起到良好的保护作用。

3)蠕变抗裂性强。通过自身柔性的蠕变，消除基层应力对防水层的影响,也不会因长期处于高应力作用下而加速老化。

4)自愈合性能好。高弹涂膜防水层局部出现微小裂纹或破损后，胶膜层可缓慢自愈，以消除胶膜层在裂纹处的内应力，堵住缺陷，防止“窜水”，提高防水可靠度。

5)施工快捷简便性。可以选择人工或机械喷射施工，操作灵活，喷涂后5 s内即可成型，一次喷涂即可达到设计厚度。

6)具有较强的耐候性及耐老化性。

7)环保节能性。原料生产、喷涂和使用过程中均无毒无味，无污染，属于节能环保材料。

2.2.3.2 喷涂防水层搭接加强设计

针对喷涂防水层搭接、隔离防渗层搭接区域均进行防水加强，先喷段与后喷段的搭接长度不小于150 mm，如图8和图9所示。

图8 喷涂防水膜搭接示意图

图9 土工膜搭接喷涂防水示意图

2.2.4 刚性防水层设计

超大跨隧道结构跨度大、洞室高，施工浇筑及振捣困难，拱部二次衬砌背后不密实，更容易出现脱空，而且属于大体积、大水化热混凝土浇筑。防水设计方案中采用自密实混凝土刚性防水，抗渗等级不低于P8，有利于提高浇筑密实性，提高自身防水性能。

2.2.5 结构接缝防水设计

衬砌结构施工缝及变形缝等接缝部位进行喷涂防水加强，长度不小于600 mm；接缝处采取预埋注浆管或中埋可维护式注浆橡胶止水带等措施，如接缝处渗漏水，便于后期进行注浆维护，提高结构接缝防水质量，如图10和图11所示。

图10 衬砌施工缝防水构造示意图(单位：mm)

图11 衬砌变形缝防水构造示意图(单位：mm)

3 超大跨度隧道新型防排水系统施工工艺及关键技术

3.1 施工工艺流程

超大跨度隧道结构防排水体系的施工工艺流程如图12所示。

图12 防排水施工工艺流程示意图

3.2 施工关键技术

1)开挖爆破及初期支护层轮廓控制。①超大跨度隧道开挖过程中，遵循“竖向分层、横向分仓、导洞先行，岩柱先撑后拆，及时支护，步步成环”的原则，化大断面为小断面。②爆破时采用大直径中空孔直眼掏槽光爆技术，严控中空孔孔径、首响孔与中空孔的水平及竖向间距，逐孔起爆时差及中空孔的布设位置等各爆破参数，通过微振动、小损伤精准控制每个工序小断面开挖轮廓，实现超大跨度整体超欠挖控制。锚喷支护层轮廓尽量喷射平整，有利于复合土工膜的铺设和控制喷膜涂层厚度，节约成本。

2)基面渗漏水治理。针对初期支护较大渗漏出水点先进行预注浆堵水，封闭围岩裂隙通道，避免后期形成较大出水通道，也有利于限量排放控制。

3)复合土工膜搭接及检查。应为两布一膜复合土工结构，采用热熔焊接，焊缝搭接宽度不小于15 cm，采用双焊缝焊接工艺，并进行充气检查。

4)喷涂层作业顺序。喷涂时应遵循以下原则：①喷涂作业时按照自下而上、先边墙后拱顶的原则进行，最大限度减少上部回弹料对下部基面的污染；②同一作业面施工按先远后近、先低后高、先细部后大面的顺序。

5)喷膜层整体性控制。①超大跨度隧道喷膜防水属于大面积喷涂施工，宜分区喷涂，600～900 m2为一分区单元，每单元施工时应连续喷涂至设计厚度。②喷涂工作流速宜为15 L/min，喷射压力为1.5～2 MPa，通过泵体压力阀及喷枪开关调节控制，防止液料流速过小导致喷涂层厚度不均匀，确保其整体性。③2次喷涂搭接长度大于150 mm，确保先后喷涂层的连续性。

6)喷膜层接头清洁及保护控制。①喷涂分多区段时，下一区段喷射前，应对前一段喷涂防水层的接头部位进行清洗，以保证其表面清洁。②加强成膜后成品保护，避免金属铁器等破坏损伤防水层。③仰拱喷膜防水层上浇筑50 mm厚细石混凝土保护层，防止钢筋绑扎和焊接对防水层的破坏。

7)喷射方式及距离控制。①大面积喷涂时，考虑基面凹凸起伏、形状不规则，存在低洼处、阴阳角等特殊部位较多，相比机械手喷射，采用人工手持喷枪进行喷涂，操作及移动更加灵活，能有效喷避免涂层出现露底、薄厚不均匀等质量缺陷，而且经济成本更低。②喷枪与基面尽量保持垂直，且与基面的距离以40～60 cm为宜，应匀速交叉喷涂，控制成膜厚度，确保喷涂防水质量，如图13所示。