独墅湖明挖市政隧道主体结构防水设计与选材

刘雄，雷鸣

（中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215131）

0 前言

为服务经济建设以及满足城市化进程的需求，我国隧道建设的速度不断加快，穿江越河跨海等水下隧道工程越来越多[1]。“十隧九漏”足以说明隧道渗漏水和萌生裂纹是隧道工程的通病，如不及时制止，将极大影响隧道工程的安全运行和服役寿命[2-4]。为了减少或者杜绝隧道渗漏水和裂缝的产生，必须对隧道工程进行渗漏和裂缝预防处理。不同于一般隧道工程，湖底隧道长期服役于水下环境，因此，更应该把湖底隧道的防水设计置于重点位置，不能仅仅针对施工缝、变形缝等特殊部位，而应对于整体工程进行防水设计[4]。

水下隧道常采用沉管施工工艺，因此，水下隧道也被称为沉管隧道[5-6]，但沉管隧道接缝处的防水施工工艺复杂，容易增加施工成本。此外，沉管的不均匀沉降对于隧道的运行安全影响非常大[5]。为了增加水下隧道的结构整体性，盾构法施工工艺也常用于水下隧道施工[7-10]。然而，沉管法适用于水深区，独墅湖常年平均水位1.174 m，不适合沉管作业。盾构法一般适用于断面较小的隧道工程，对于六车道工程体量,盾构断面超常规，并且盾构机的定制和采购增加工程成本和工程周期。因此经过实地勘测论证和分析，独墅湖隧道最终选择明挖法施工[11]。

混凝土材料是实现明挖隧道混凝土结构自防水的材料关键，甄选防水效果好的混凝土材料是保障混凝土结构自防水能力的技术核心。防水材料是提高明挖隧道防水能力的材料保证，是防止隧道渗水的第一道屏障。

本文以独墅湖工程实例为背景，从混凝土工程自防水设计和防水材料选择进行研究，并制定严格的施工质量控制方案，最后，对独墅湖明挖市政隧道的防水效果进行评价。

1 工程概况

苏州市独墅湖隧道总长3.93 km，其中湖底隧道长约1.8 km。结构设计文件显示，湖底段主体为双向六车道明挖围堰隧道，主体结构采用强度等级为C35、抗渗等级为P8的钢筋混凝土结构。结构总宽为30.2 m、净高5.1 m、顶板厚1.1 m、侧墙厚1.1 m、分隔带宽3.9 m、标准段底板厚1.2 m、非标准段底板厚1.5 m。隧道下穿土质分别为填土层、黏土层、粉砂层、砂性土。

2 独墅湖隧道防水设计

独墅湖隧道采用保证混凝土结构自防水质量、提高接缝防水水平和加强辅助防水监督等多道防水防线的综合治理体系，防水设计遵循以结构自防水为主，外防水层为辅，接缝防水为重点，多道防水，综合治理的原则。

2.1 隧道主体结构防水设计

该湖底隧道以钢筋混凝土结构自防水为主，衬砌结构铺设防水材料为辅。隧道主体结构防水设计如图1所示。

图1 隧道主体结构防水设计示意

2.2 重点部位构造防水设计

为了提高隧道防水能力、保证隧道运行安全和延长隧道服役周期，必须在图1的防水设计基础上对重点构造部位进行特殊的防水设计。本隧道的重点构造部位包括敞开段、暗埋段、施工缝、变形缝、阴阳角、桩头和坑槽等，其中施工缝和变形缝又因所处的位置不同而采取不同的防水构造设计。因此本文将重点介绍侧墙纵向水平施工缝构造防水、顶板横向垂直施工缝构造防水和顶板变形缝构造防水设计。

2.2.1 侧墙纵向水平施工缝构造防水设计

施工缝形成于先、后浇筑成型混凝土之间的结合面，是一种“虚缝”。侧墙高度较高，不能一次浇筑到设计标高，因而采取水平方向分段浇筑的施工技术，所形成的先、后浇筑混凝土成型面就是纵向水平施工缝。

本工程的纵向水平施工缝可分为垂直支护段施工缝和放坡段施工缝。由于2种施工缝所处的位置和起到的作用不同，采用不同构造防水设计。纵向水平施工缝的防水构造设计见图2。首先，在施工缝处涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料，涂料中的活性化学物质向混凝土内部渗透并发生反应，生成的结晶沉淀物堵塞孔隙、修复裂缝，进而提高混凝土的防水性能[12]。然后再涂抹遇水膨胀止水胶，渗水时遇水膨胀止水胶会发生自身膨胀，进而填充空隙。水泥基渗透结晶型防水涂料和遇水膨胀止水胶是通过修复裂缝来提高混凝土的抗渗能力。另外，为提高施工缝处的防渗能力，还应在施工缝处铺设一定宽度的镀锌钢板止水带，用以阻止外部压力水渗入混凝土内部。

图2 侧墙纵向水平施工缝构造防水设计

2.2.2 顶板横向垂直施工缝构造防水设计（见图3）

图3 顶板横向垂直施工缝构造防水设计

从图3可以看出，顶板横向垂直施工缝构造防水与侧墙水平纵向施工缝构造防水设计大致相同，比较显著的不同点是在顶板的横向垂直施工缝部位利用中埋式橡胶止水带替代镀锌钢板止水带。这是由于侧墙承受回填土和水流的冲击力，需用钢板止水带提高施工缝处混凝土的抗变形能力。但对于顶板施工缝而言，则是利用中埋式橡胶止水带优异的弹性和变形能力防止顶板的渗漏水，并起到减震作用。

2.2.3 顶板变形缝构造防水设计

变形缝是有效阻止隧道构筑物在外界因素作用下发生变形、开裂甚至破坏的构造缝。顶板变形缝构造防水设计见图4。

图4 顶板变形缝构造防水设计

对比图2、图3、图4可以看出，变形缝的构造防水设计远比施工缝的构造防水设计复杂。这是由于变形缝是实际存在的缝，如果不对变形缝做构造防水处理，外界水就会毫无阻碍地流入隧道内部，极大影响隧道的运行安全。施工缝中使用的水泥基渗透结晶型防水涂料和遇水膨胀止水胶并没有在变形缝构造防水设计中采用，是因为水泥基渗透结晶型防水涂料和遇水膨胀止水胶所修复的裂缝都是微裂缝，对于变形缝级别的裂缝几乎没有修复效果。

图4显示变形缝构造设计中最先埋设的是变形缝接水盒，一方面，起到储存渗水的作用；另一方面，防止渗水外溢，接水盒可以认为是保证隧道工程具有一定防水能力的最后一道防线。此外，变形缝的构造防水设计中分别选用了高弹性模量聚氨酯和低弹性模量聚氨酯2种密封胶。高模量聚氨酯密封胶除了起到防水作用之外，还起到防止变形缝大幅度变形的目的；低模量聚氨酯则是为适应各类防水材料的变形特点。很多工程实践表明，变形缝的构造防水设计再健全，也无法完全杜绝变形缝渗水现象的发生，因此，为后期渗水的治理，在变形缝的两边埋设预埋式注浆管。

3 防水材料的选择原则

为提高隧道的自防水和抗开裂能力，必须严格把控混凝土本身的质量，在保证混凝土抗渗等级和强度等级的基础上，在隧道主体结构混凝土中掺加1%体积比的聚丙烯纤维以提高混凝土结构的抗裂性能。聚丙烯纤维的技术指标参数见表1，主体结构混凝土的配合比如表2所示。水泥：P·O42.5；粉煤灰：F级，苏州华望新型建材有限公司；矿粉：S95，安徽长江精细硅粉有限责任公司；碎石：粒径5~25 mm，浙江湖州；砂：长江中砂；外加剂：JB-2型高效减水剂，苏州金源。

表1 聚丙烯纤维技术指标

表2 主体结构混凝土配合比 kg/m3

不同部位使用的防水材料类型应有所不同。例如，隧道顶板依次铺设非固化橡胶沥青防水涂料、自粘聚合物改性沥青防水卷材、无纺布和C20细石混凝土保护层；隧道底板则依次铺设高分子防水卷材、C20素混凝土垫层和夯实素土；侧墙依次铺设非固化橡胶沥青防水涂料、自粘聚合物改性沥青防水卷材和发泡聚乙烯板保护层。另外，在选用钢板止水带时，应在钢板止水带表面镀锌。镀锌可防止钢板在混凝土内部发生碱性锈蚀，锌层生成的氧化锌可充当钝化层，防止止水钢板在服役期间发生电化学腐蚀。

4 独墅湖隧道防水施工质量控制

影响隧道工程防渗能力的因素除了混凝土本身质量、构造防水设计之外，还有隧道的施工工艺。施工工艺不仅影响混凝土本身的质量还会影响构造防水的作用效果。不规范的施工工艺会引起混凝土质量缺陷，诸如增大混凝土内部孔隙率，使混凝土发生不均匀性收缩并产生裂缝，使混凝土内部应力分布不均匀。这些质量缺陷均会诱导混凝土自身产生裂缝，增加渗漏的风险。混凝土构造防水不规范施工工艺不仅会降低防水材料的防水效果，还可能影响混凝土自身的质量。因此，必须严格制定混凝土施工和构造防水施工专项预案。

4.1 独墅湖隧道混凝土施工质量控制

混凝土施工工艺的选择应该根据具体的工程特点，而本项目的最大工程特点就是大体积混凝土施工。可归纳如下几点：

（1）单次浇筑体积较大，混凝土浇筑后水化热量大，形成较大的内外温差，容易在混凝土表面产生温变裂纹。

（2）混凝土养护手段不适当，容易在后期出现干缩裂缝。

（3）混凝土浇筑时间长，难以保证连续施工，很容易导致施工冷缝。

基于大体积纤维混凝土体积量大、放热量高以及易受温度收缩影响的显著特点，所采用的施工工艺除符合普通混凝土工程的技术指标要求外，还应符合如下技术指标：

（1）原材料：通过使用低水化热的普通硅酸盐水泥控制纤维混凝土温度，确保使用水泥在搅拌站的入机温度不超过60℃。使用非碱活性骨料，并确保骨料级配良好。粉煤灰、矿粉、外加剂的选用和掺量应参照相应规范执行。

（2）配合比设计：砂率宜为35%~40%，泵送时可增加至45%，灰砂比控制在1∶1.5~1∶2.5，入泵混凝土坍落度控制在120~160 mm，坍落度损失不超过20 mm/h，且坍落度总损失不超过40 mm，预拌混凝土的初凝时间控制在6~8 h。

（3）混凝土浇筑：由于独墅湖隧道工程体量大，隧道主体结构混凝土施工应坚持多阶段施工原则，坚持竖向分层、水平分段、逐层由下往上平行顺筑的施工顺序。混凝土浇筑示意见图5。此外，混凝土浇筑过程中采用二次振捣工艺。

图5 混凝土浇筑示意

（4）混凝土养护：采取保温养护并实时监测混凝土内外部温度差，分层拆模，混凝土内部温度和环境温度差小于25℃时方可完全拆模。

4.2 独墅湖隧道构造防水施工质量控制

构造防水施工质量控制主要包括接缝防水施工质量控制和防水卷材施工质量控制。两者相互作用，相互影响，共同提高独墅湖隧道的抗渗能力。

4.2.1 接缝防水施工质量控制

为了控制接缝防水施工质量，所有接缝处的防水施工必须按图施工，不能擅自更改设计图纸。

在施工缝防水施工前，应确保施工缝处新旧混凝土结合面整洁、无杂物，然后按图涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料，并及时浇筑纤维混凝土。待后浇筑混凝土凝结硬化后及时在施工缝表面密贴遇水膨胀止水胶。横向施工缝采用中埋式止水带、附加防水层2道防水措施，其中中埋式止水带顺着结构兜绕成环。纵向施工缝采用镀锌止水钢板（6 mm厚）、遇水膨胀止水胶等防水措施。钢板需经镀锌处理，热浸锌涂层厚度不小于70μm。

与施工缝不同，变形缝拟采用外贴式止水带、中埋式止水带、内嵌细胞式压缩密封体等多道防水措施。暗埋段变形缝防水施工时，外贴式止水带、中埋式止水带、细胞式压缩密封体顺着结构兜绕成环；敞开段变形缝防水施工时，中埋式止水带和外贴式止水带沿底板和侧墙布置。

4.2.2 防水卷材施工质量控制

防水卷材施工应必须做到严格按图施工，施工人员必须经过正规的防水施工技术培训并取得上岗证。防水卷材的施工还应关注如下注意事项：

（1）顶板混凝土基面要坚实平整，不允许作找平层。混凝土基层表面不能有突出的尖角与可见裂缝等缺陷，若裂缝宽度＞0.15 mm，需作灌注化学浆液处理；若宽度裂缝＞0.5 mm，应以亲水性低黏度环氧灌浆作补强处理。

（2）自粘聚合物改性沥青防水卷材厚度为1.5 mm，在结构变形缝及施工缝处均采用结构变形缝两侧各500 mm宽的相同材料作为加强层，与预铺防水卷材（P类）粘层。

（3）预铺防水卷材（P类）厚度为2 mm，在结构变形缝及施工缝处均采用结构变形缝两侧各500 mm宽的相同材料作为加强层，与预铺防水卷材（P类）粘层。

（4）顶板防水涂料之上要求施作保护层。

（5）在基坑回水之后，应对隧道结构的渗漏进行全面检查、处理，然后才能进行下道工序施工。

（6）隧道外防水层施工完毕后，应及时回填。

5 独墅湖市政明挖隧道防水效果评价

由于独墅湖隧道运行期间常年处于湖底，为确保运行安全，在正式通车之前，应先进行回水试验以查缺补漏。所以在独墅湖主体结构完整之后，项目团队按计划拆除围堰结构进行回水试验，经过6个多月的回水试验，混凝土结构表面未出现渗漏水现象，偶尔出现湿渍，满足GB 50108—2018《地下工程防水技术规范》中的二级防水相关规定。回水试验表明，本文提出的隧道防水设计和防水材料的选择具有工程可靠性。

6 结语

独墅湖明挖市政隧道主体结构长期处于湖水环境中，防水要求较高，必须充分认识隧道防水设计和防水选材的作用和地位。本文从混凝土结构主体防水设计、特殊部位构造防水设计、混凝土质量、防水材料选择和防水施工质量控制等方面对独墅湖明挖市政隧道渗漏预防技术展开研究，对独墅湖明挖市政隧道的防水效果进行评估，可为类似水下明挖市政隧道工程提供参考。