盾构隧道渗漏水病害成因与防治现状

代 显 奇，王 军，李 占 先，韩 健 勇，王 伟 伟，李 克 金

(1.中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250101； 2.中铁十四局集团建筑工程有限公司，山东 济南 250014；3.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101)

0 引 言

随着中国经济和城市化进程的飞速发展，隧道工程的规模不断增大。统计数据显示，中国目前已是世界上隧道建设与运营里程最多的国家[1]，且盾构法已经成为隧道开挖的主要施工方法[2]，并且因其具备低扰动、强适应性和高质量等优势，广泛应用于跨江越海通道工程中[3]。但随着规模的增大和运营时间的增长，隧道的病害问题日益凸显，严重影响到了隧道的运营安全和使用寿命。其中，隧道渗漏水是盾构隧道中最为常见的病害。

针对盾构隧道渗漏水病害，国内外学者开展了一系列研究。刘德军等[4]对上海地铁1号线等4条线路开展了病害检测，结果表明渗漏水、结构损伤、结构形变是被检查线路存在的主要病害，渗漏水病害发生概率为结构损伤病害的3～4倍；董飞等[5]统计分析了北京地铁5号线等7条线路共计112.7 km的盾构隧道区间，结果显示渗漏水病害在全部病害中占比高达64.95%；林楠等[6]经过长期的监测和调研，将盾构隧道常见病害归纳为渗漏水、结构裂缝、隧道纵向沉降等；叶耀东等[7]通过数据监测与外观状况检查，发现上海地铁运营隧道病害主要表现为渗漏水、隧道纵向沉降及管径环向收敛变形等；Mair[8]通过调研发现，接缝、手孔等抗渗能力较差的区域是隧道渗漏水的多发点。盾构隧道渗漏水病害发生概率较大，且其他病害也多由渗漏水病害直接或间接引起。

在工程渗漏水病害监测、调查分析的基础上，学者们提出了不同类型的盾构隧道渗漏水理论模型。Reilly等[9]首次提出可以用均质等效渗透体来模拟隧道的渗水问题，此方法一直沿用至今；Shin等[10]基于伦敦和首尔的土壤条件，提出了有限元衬砌渗透性建模方法，强调了衬砌渗透性和水力边界条件的重要性，并研究了地下水运动对隧道变形数值预测的影响；郑永来等[11]采用解析几何方法研究了软土地铁隧道纵向不均匀沉降与管片接头环缝张开量关系，结果表明不均匀沉降导致环缝张开，造成隧道渗漏水，继而又造成隧道不均匀沉降；Wongsaroj等[12]通过分析伦敦圣詹姆斯公园盾构隧道开挖后地面响应监测数据以及进行有限元分析，发现隧道在长期渗水条件下，周围土体的运动机制由膨胀、固结、刚体运动3部分组成；黄宏伟等[13]以上海地铁盾构隧道为例，建立盾构隧道渗流模型，分析结果表明隧道渗流越严重，地表沉降越大；刘印等[14]提出了一种既符合盾构隧道横向刚度要求又能模拟局部接头渗水的计算方法，用来合理反映局部长期渗水对沉降及隧道变形造成的影响。

已有研究表明，盾构隧道渗漏水病害极为普遍，严重影响地铁的运营安全和使用寿命。例如在广州地铁2，8号线延长线、上海4号线，以及国外苏联圣彼得堡地铁1号线、荷兰海牙电车隧道都发生过严重渗水漏砂事故，造成地表大量沉降，地面建筑损坏[15-18]。渗漏水病害会使隧道内部环境潮湿，造成电网短路等事故，并且容易造成轨道湿滑，减小轮轨间的黏着力，影响地铁运营安全；潮湿环境还将加剧管线、轨道等部件的腐蚀损坏，严重缩短地铁运营设备的使用寿命。渗漏水时会裹挟周围的土颗粒、泥砂，造成水土流失，使隧道产生不均匀沉降，导致隧道接头等薄弱部位损伤，并造成接缝张开、错台扩大，继而引发更为严重的渗漏水，形成恶性循环。通过调研发现，在隧道运营过程中的其他病害，如管片裂缝、不均匀沉降、拱顶沉降等，多由渗漏水直接或间接引起。

随着盾构隧道服役时间的增加，更多的渗漏水病害会暴露出来。另外，随着交通基础设施的完善，中国隧道建设步伐将放缓，可以预测隧道工程将由建设高潮期转入运营维护期，为此，盾构隧道渗漏水防治更具有重要的研究意义。本文通过对现有调查数据进行整理总结，分析了盾构隧道渗漏水病害的渗漏特征与成因，总结了盾构隧道主要的防水措施，归纳了常用的渗漏水病害的治理方法，以期为盾构隧道渗漏水病害的防治提供一定参考。

1 盾构隧道渗漏水特征及成因分析

1.1 盾构隧道渗漏水特征

根据盾构隧道渗漏水病害渗流量不同，一般将渗漏水类型分为湿迹、渗水、滴漏、漏泥砂。渗漏水类型划分见表1[19]。

表1 渗漏水分类及定义

盾构隧道常见的渗漏水位置主要有管片接缝渗漏、管片裂缝渗漏、螺栓孔渗漏以及注浆孔渗漏等[20-25]。现将文献中盾构渗漏水病害相关数据进行统计，渗漏水类型及渗漏水位置统计结果分别见图1～2。

图1 盾构隧道渗漏水类型调研结果

由图1可知：渗水病害在4类病害中最为常见，在渗漏水类型中占比约50%～80%；其次是湿渍，滴漏病害相对较少。漏泥砂病害虽极少发生，但对隧道安全危害较大，因为其渗漏量较大，渗漏时容易裹挟管片壁后的土颗粒、泥砂等，使周围环境产生较大的水土流失，严重时将导致管片壁后空洞，使衬砌结构产生应力集中现象。

图2为不同地铁盾构隧道渗漏病害位置统计结果。其中盾构隧道中最为常见的渗漏位置为管片接缝处，占比约80%～90%，且以环缝渗漏最为普遍。螺栓孔与注浆孔渗漏水发生相对较少，且螺栓孔渗漏水是由接缝渗漏水间接导致的。管片裂缝渗漏水发生最少。因此管片接缝防水应为盾构隧道防水的重点。图3为上海盾构隧道部分渗漏水位置[22]。

图2 渗漏水位置调研结果

图3 盾构隧道渗漏水位置

1.2 盾构隧道渗漏水成因分析

盾构隧道渗漏水病害成因复杂多样，受多种因素共同影响，治理前应先将渗漏水成因调查清楚。图4为现有调查数据中部分盾构隧道渗漏水成因的统计结果[25-31]。根据图4统计结果，盾构隧道渗漏水病害发生时间可分为施工期间和运营期间两个阶段。其中施工期间的病害成因为主控因素，管片拼装质量、管片的制作养护质量以及螺栓施工质量这3点成因的占比就达50%以上。管片的拼装质量占比达25%，是影响盾构隧道纵缝及环缝防水性能的关键因素。因此，拼装质量升高可使接缝处密封止水条压紧密实，也可减小在运营期间因沉降变形而造成的接缝张开。

图4 部分盾构隧道渗漏水成因

盾构隧道施工期间造成渗漏水的主要原因有：① 管片拼装质量差，接缝处密封止水垫未压紧；② 管片在运输和拼装过程中造成损坏，缺边掉角；③ 螺栓孔处施工不佳，未垫螺栓孔密封圈；④ 二次注浆后孔内未填实；⑤ 盾构机姿态不佳，盾尾间隙局部过小，管片拼装质量差；⑥ 千斤顶推力过大或管片受力不均，造成管片损坏；⑦ 同步注浆量不足，注浆材料性能不佳，管片壁后间隙充填不密实。

运营期间的主要原因有：① 隧道运营循环荷载、同步注浆量不足等原因导致隧道产生不均匀沉降，错台扩大，接缝张开，密封止水条压紧效果削弱；② 密封止水条在运营期间会产生老化、蠕变及应力松弛等现象，止水能力下降；③ 地下环境的长期腐蚀使密封防水部件失效。

结合图2、图4调查结果，对盾构隧道渗漏水病害渗漏特征及成因分析可知，盾构隧道渗漏水病害有多种渗漏形式，以管片接缝渗漏为主。而造成接缝处渗漏的原因多样，其中管片的拼装质量、管片的制作养护质量、同步注浆效果、地基沉降变形、隧道纵向变形、盾构机姿态不佳等因素都可直接或间接导致接缝处渗漏水，这些因素的总占比高达75%。因此，影响盾构隧道防水性能的关键因素为控制接缝处张开量的大小。控制接缝的张开量应从施工质量及运营阶段变形情况等因素综合考虑。

2 盾构隧道常用的防水措施

盾构隧道渗漏水防治应遵循“以防为主，以堵为辅，多道防线，综合治理”的原则，防水是根本，堵漏是补救。提高盾构隧道的防水性能，可以减少渗漏水病害对隧道结构其他方面的损伤，减少维修养护成本，提高使用年限。盾构隧道的防水系统由管片结构自防水、接缝防水、管片结构外防水等多道措施构成。混凝土管片自身具有较强的防水性，所以接缝防水是盾构隧道防水系统的重中之重。

2.1 盾构隧道管片结构自防水

管片结构自防水是盾构隧道防水的基础，关键在于提高管片预制精度及管片抗渗性能。

2.1.1管模精度

提高管片预制精度，可保障隧道防水要求，满足结构受力避免其他病害。管片质量检验允许偏差如表2所列[32]。

表2 管片质量检验允许偏差

2.1.2管片混凝土

管片混凝土设计强度等级不低于C50，抗渗等级应符合工程设计要求。管片混凝土应满足以下几项要求[33]：① 水泥标号不宜小于42.5级；② 细集料宜采用非碱活性中粗砂，细度模数为2.3～3.3；③ 粗集料宜采用非碱活性碎石或卵石，其最大粒径不宜大于31.5 mm；④ 严禁使用氯盐类外加剂或其他对钢筋有腐蚀作用的外加剂。

管片制作时，应按照要求严格控制水灰比、养护条件、脱模时间、温度应力等方面。在堆放、运输过程中应避免管片损坏，在进场前进行严格的检查验收。

2.2 管片接缝防水

经过统计分析可知，管片接缝处渗漏水问题最为严重，因此盾构隧道防水系统的核心措施是管片接缝防水，主要有密封垫防水、嵌缝防水。

2.2.1密封垫防水

密封垫防水是通过在管片预制沟槽内粘贴橡胶止水条来发挥作用，其关键点在于密封防水材料的选择。图5为管片密封垫粘贴[32]。

图5 密封垫粘贴示意

常见的密封垫类型包括由三元乙丙(EPDM)与氯丁橡胶等硬质橡胶制得的弹性密封型和由遇水膨胀的树脂与合成橡胶混合而成的遇水膨胀型。弹性密封垫利用压缩弹性力止水，遇水膨胀型密封垫利用与水接触后发生膨胀的特性，使密封垫充填管片接缝间隙，并与管片紧密挤压，从而密封防水[34]。图6统计了部分隧道的接缝形式[29-32，35-40]。

图6 部分盾构隧道接缝形式

通过调研可以发现，在海底隧道、越江隧道中多采用以弹性橡胶密封垫为主，辅以遇水膨胀止水条2道防线的形式(见图7)，占比在58%左右，其在较高水压条件下，可以有效提高接缝防水的可靠性。同时，将遇水膨胀橡胶条设置在弹性密封垫外侧，可避免泥砂进入两道相压的弹性密封垫之间，使之产生空隙，导致接缝防水效果减弱。

图7 弹性橡胶密封垫与遇水膨胀橡胶条双道防线

采用单道弹性橡胶密封垫防水也是较为常见的形式，其要求管片拼装质量良好，运营期间管片接缝变形小，止水带膨胀足以补偿接缝的变形。

2.2.2嵌缝防水

嵌缝防水是通过在管片的内弧面设置嵌缝槽，将嵌缝材料在槽内嵌填密实，从而密封防水。对于嵌缝材料，应采用容易填密、操作简单、不受初始缝形状影响、具有良好的不透水性、粘结性、耐久性、延伸性和抗下坠性、基面潮湿或轻度渗漏均可作业的材料。目前采用的嵌缝填料有水泥、环氧树脂、聚氨脂、石棉化合物等。

2.3 管片结构外防水

2.3.1同步注浆防水

盾构隧道施工时，管片外与开挖面土体存在间隙。按照一定的注浆压力和注浆量将快硬早强的注浆材料注入间隙中，使其充填密实，在管片外弧面形成隔水层，达到防水防渗的目的，并且减少土体损失，控制地面沉降。

2.3.2管片外弧面涂刷外防水涂料

当地下水有侵蚀性及管片表面有明显裂纹时，应在管片外弧面涂刷防水涂料。防水涂层应满足以下几项要求：① 涂层应具有较好的防水、防腐、耐久性能；② 涂层耐磨性好，在盾尾密封钢丝刷与钢板的挤压摩擦下不损坏；③ 涂层应具有防迷流的功能，其体积电阻率、表面电阻率要高[41]。

3 盾构隧道渗漏水治理方法

隧道发生渗漏水病害后，应及时采取控制措施，遏制大规模渗漏水，减少由此导致的损害。渗漏水病害的治理应按照“以堵为主，堵、防、排结合，因地制宜，综合治理”的原则进行。目前，盾构隧道渗漏水病害的治理方法以化学注浆封堵为主。盾构隧道渗漏水病害治理时，应综合考虑渗漏水的类型、位置、成因、状态、地质条件等因素，采取针对性的治理方法。

3.1 管片壁后注浆堵漏

对于有大面积纵环缝渗漏的部位，利用已有注浆孔或新设注浆孔，将单液浆或双液浆注入管片外壁迎水面。壁后注浆能够在迎水面形成有效隔水层，阻断或大幅增加渗漏水路径，阻止外部水源通过张开的接缝侵入管片内部，进而从根本上消除或减轻渗漏水。壁后注浆也可对隧道沉降做有效治理。注浆前应先确定堵漏范围，宜在渗漏部位外扩2～3环，以确保注浆效果。由于与迎水面直接接触，需考虑注浆材料耐久性的问题。常用的壁后注浆材料有水泥水玻璃双液浆、聚氨酯液浆、丙烯酸盐溶液。

3.2 管片壁内注浆堵漏

在壁后注浆后，隧道内仍存在小范围局部的渗漏水，可采用壁内注浆的方式堵漏。利用化学浆液充填接缝，延长渗漏水路径。壁内接缝注浆不能从根本上消除渗漏水，但可有效减少或减缓渗漏水。水压较小的部位可采用直接堵塞法，水压较大的部位可采用抽管引水堵漏法。打孔方式有斜孔注浆方式、骑缝注浆方式[42]。常用的壁内注浆材料有聚氨酯液浆、弹性环氧树脂液浆。

3.3 管片接缝嵌缝封堵

在拱顶85°范围内，采用弹性密封条作为嵌缝的主填塞材料。密封条横断面尺寸需略大于嵌缝槽尺寸，使密封条在嵌入槽内后，利用其本身的弹性复原力与混凝土嵌缝槽紧密贴合产生接触应力，实现密封防水[30]。

隧道运营期间整治渗漏水病害存在工序复杂、施工时间紧等难点。因此渗漏水病害的治理应及时有效，标本兼治。在发现渗漏水时，需采取快速处置措施，及时抑制渗漏水，避免发生危险，减少损失。日后应尽快排查渗漏位置，调查渗漏原因，再对渗漏点全面封堵，彻底解决渗漏水病害，延长盾构隧道使用寿命。目前盾构隧道渗漏水注浆治理多采用化学类浆液，其凝胶时间可控、流动度大、可注性好，但多存在毒性，且造价较高。各类浆液的注浆工艺仍待开发，对注浆效果、各项指标的检测也缺乏全面、有效的手段[43]。因此，在注浆材料和注浆工艺方面仍需要进行进一步的研究。

4 结 论

盾构隧道渗漏水的防治应从防水设计、施工质量出发，注重预防，减小误差，控制运营期地基不均匀沉降及构件老化问题，通过多种措施综合治理。

(1) 盾构隧道渗漏水病害类型以渗水为主，占比约50%～80%。在渗漏水位置方面，管片接缝是最主要的渗漏位置，占比高达80%～90%，且以环缝渗漏最为普遍，应为盾构隧道的防水重点。渗漏水成因复杂多样，主要因素为施工期间的施工质量不佳、运营期间的地基不均匀沉降及构件老化，因此应严格把控施工质量，重视隧道运营维护。

(2) 盾构隧道的防水系统可归纳为管片结构自防水、管片接缝防水、管片结构外防水。管片结构自防水是盾构隧道防水系统的基础，管片接缝防水是核心措施，其关键点为密封垫材料的选择。在海底隧道、越江隧道等水压较大的隧道中，多采用以弹性密封垫为主，遇水膨胀止水条为辅的两道防线的形式，可有效提高防水可靠性。采用单道弹性密封垫形式也较为常见，其对管片拼装质量及接缝变形要求较高。

(3) 盾构隧道渗漏水病害治理的常用方法有管片壁后注浆、壁前注浆、接缝嵌缝封堵，其中管片壁后注浆为主要措施，其治理效果明显。渗漏水治理时需注意各项要点，选择合适的注浆材料。现多采用化学浆液注浆，其在环保与造价等方面仍存在不足，且各类浆液的注浆工艺仍待开发。因此在注浆材料和注浆工艺方面仍需进一步研究。