城市明挖隧道工程防水技术的发展

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0引言

自2000年以来，国内大中型城市的市政基础设施建设速度骤增。在短短的15年内，笔者便参与设计了包括南京、杭州、昆明等近10条长度超过1km的城市明挖市政交通隧道，这些隧道均为城市道路隧道，处在或连接城市的主要干道，大多穿越河道或在城市中心的湖泊底下。由于城市快速发展的需要，对于隧道施工周期要求越来越高。因此，需在较短的施工工期内完成工程并保证质量、特别是一些防水质量要求很高的隧道工程，这就必须考虑使用一些新技术，来完成艰巨的工程任务。现以笔者参与设计的一些隧道工程为例，介绍近年来城市明挖隧道工程防水技术的发展与创新。

1明挖隧道的混凝土自防水技术发展

1.1南京玄武湖隧道

南京玄武湖隧道处于南京城的景观湖中，湖中的土质以淤泥质黏土为主，在结构埋深最深处埋有粉质黏土。这些土层虽然含水率已达饱和，但渗透系数很低。针对这种浅覆土的工程特点，查阅了大量欧美的设计规范、标准，及国内为数不多的工程案例和研究专题，确定了玄武湖隧道结构混凝土的技术参数要求：抗渗等级（暗埋段≥P8，敞开段≥P6）、强度等级（≥C30）、抗冻融指标（＞D300）、抗碳化（理论＞100a）、抗Cl-侵蚀（Cl-扩散系数＜2×10-8cm2/s）、60d干燥收缩率（≤0.025%）和裂缝宽度（≤0.2mm，且不允许出现贯穿）。此处，对于混凝土抗冻融循环的要求，并不是因为本隧道处于严寒地区，而是当时工程界将它作为衡量混凝土长期致密的一个耐久性指标。而对于Cl-扩散系数的测定，因“自然扩散法”检测周期较长，不能作为工程的过程监测，最终确定引进检测周期较短的混凝土电通量检测法。针对混凝土自防水及耐久性设计要求，工程采取了以下技术措施：①对混凝土的胶凝材料、粗细骨料、水等原材料把关，严格控制混凝土的总Cl-和碱含量；②采用优质磨细粉煤灰等活性粉料替代部分水泥充当混凝土的胶凝材料，并严格限制水和胶凝材料的比例；③采用新型的、兼具混凝土膨胀剂及减水剂功能的萘系混凝土外加剂；④对混凝土施工提出了具体的温控、振捣、养护等要求。通过玄武湖隧道工程，得到以下实践经验：

1）对于明挖浅埋隧道的混凝土结构设缝，从施工角度出发，主要以减少收缩裂缝为目的，采用了90m间距设置结构变形缝，相邻变形缝间设置两条垂直施工缝（即间距30m），并要求施工缝两侧混凝土的浇筑间隔时间不少于14d。由于混凝土专项设计考虑较全面，再加上完善的施工及养护措施，结构混凝土本体并未产生水化热而造成的收缩裂缝，从而确保了混凝土的高抗渗性。

2）由于隧道浅埋，良好的结构完整性导致隧道内结构温度仅比室外大气温度低2℃左右。在夏季受隧道结构气温升高的影响，两条相邻变形缝间的混凝土结构管节受热膨胀，局部变形缝处会出现混凝土挤压破碎的现象，这种不良现象是由于变形缝间距过长、变形缝宽设计统一而未考虑到季节变化影响而引起的。此次工程设计基本确立了市政地下工程结构混凝土耐久性设计的框架，提出了高性能混凝土高抗渗性、耐久性、可施工性的基本要求。杭州西湖隧道是南京玄武湖隧道结构混凝土工程经验的又一次实践，但由于建设方未根据工程特点对混凝土进行深入研究，工程效果不是很理想。

1.2南京九华山隧道

南京九华山隧道毗邻玄武湖隧道，同处于玄武湖下并穿越南京九华山。在传承了玄武湖隧道的结构混凝土工程实践的基础上，九华山隧道改变了结构设缝原则。在经过对混凝土结构受温度影响及结构约束、徐变等因素综合考量，提出了结构变形缝间距为60m，即相邻变形缝间设置一条垂直施工缝，施工缝两侧混凝土浇筑时间间隔不少于14d；而变形缝缝宽根据混凝土的浇筑季节的不同而有所变化，冬季施工缝宽为2cm，夏季施工则为1.5cm。随着材料技术的发展，在结构混凝土的研究上，聚羧酸高效减水剂对于结构混凝土的耐久性、施工性能均优于萘系的混凝土外加剂，因此有关聚羧酸高效减水剂的运用研究又再次深入。并且，对其耐久性的检测指标及方法做了一些调整，即开始引入Cl-扩散系数的RCM检测法与自然扩散法相结合的检测，并相互验证。此外，无锡蠡湖隧道、苏州独墅湖隧道、南京新模范马路隧道也应用此结构混凝土设计方案，并获得成功，验证了我们对结构混凝土的专项研究是科学的，日后国内有关混凝土结构耐久性设计标准、规范等的和实行，也同样印证了此种设计的正确性。

1.3无锡太湖大道隧道

1.3.1清水混凝土的应用本隧道工程有一段结构是改造原有的铁路下立交，而此下立交的通行能力仅仅能满足单孔双车道的最低限界要求，是整条隧道的宽度限界瓶颈。出于工程特点，设计方决定此段隧道在满足行车限界后，不再预留侧墙装饰的空间，因而采用了不需装饰层的清水混凝土。但由于本隧道工程的高防水等级和设计使用年限要求，且侧墙因限界的缘故不能设置内装饰层，隧道通车后一旦出现渗漏，便会直接反映在无装饰面层遮蔽的隧道侧墙上。为尽量避免发生上述情况，对本隧道设计采用的清水混凝土的抗渗性和耐久性提出较高要求，需将混凝土抗渗与耐久结合考虑，以完善结构混凝土的自防水。此外，工程采用大型定型钢模板，既能达到施工要求，又能满足清水混凝土表面的建筑效果要求，同时解决了渗漏隐患。

1.3.2自密实混凝土的应用本工程金塘桥下盖挖顺作段，因缺乏混凝土振捣空间，采取了自密实混凝土作为结构内衬。由于自密实混凝土流动性好，具有良好的施工性能和填充性能，且骨料不离析，硬化后具有良好的力学性能和耐久性，可以很好地提高混凝土工程质量，加快工程进度，同时改善了工程的施工环境并降低了工程费用。而此后的四川遂宁市观音湖隧道，由于观音湖其实是一条河道的一部分，是在夏季丰水期由于下游水库蓄水而构成的城市景观湖，所以隧道的建设只能利用冬季枯水期的4个月进行。因施工工期短，在设计上也采用了大型定型钢模板进行大规模的结构混凝土进行施工，结果如期完工，工程质量良好。

2明挖隧道外包防水层的新材料运用

隧道工程外防水层的选择是多种的，但成功的工程实践往往是因地制宜、因工程而异的，结合笔者设计的几条隧道工程举例说明。

2.1南京九华山隧道

是九华山湖中放坡开挖暗埋段隧道防水设计，南京九华山隧道采用了华东地区较为典型的隧道外防水做法。考虑到隧道底板处于淤泥质黏土之上、透水性差，因此隧道底板采用了水泥基渗透结晶型防水涂料，利用涂料的反渗透性，使其在底板混凝土固结过程中渗入结构底板混凝土中，以达到底板防水的目的。而聚氨酯防水涂料较之外包防水卷材能更好地与混凝土基面粘合，达到防窜水的目的，同时避免了材料之间的接缝困扰。

2.2无锡太湖大道隧道

是无锡太湖大道隧道主线伸缩缝防水构造。针对本工程顶板双折板拱的结构特点和施工周期短等因素，设计提出了采用喷涂聚脲防水涂料作为顶板外防水层，这也是在隧道施工中开始大规模运用喷涂型防水涂料；而结构底板及侧墙，按照外防内贴的原则，选择采用预铺式防水卷材。与传统的聚氨酯防水涂料相比，喷涂聚脲防水涂料主要具有如下两大优势：一是施工速度快，节省工期。施工速度快不仅体现在喷涂作业先进的施工工艺上，而且聚脲本身可在5s内凝胶，1min即可达到步行强度，也是施工速度的一大保障。二是聚脲防水涂料具有优异的理化性能，其强度高、无需做保护层，可在施工后直接回填土。但喷涂聚脲防水涂料在现场施工中仍存在一些尚需克服的难题，尤其是对于基面的要求较高。在JGJ/T200—2010《喷涂聚脲防水工程技术规程》中明确规定了“基层表面应坚固、密实、平整、干燥，不得有浮浆、孔洞、裂缝、灰尘、油污等，否则应进行打磨、除尘和修补”；但在实际施作顶板防水层的时候，真正做到上述要求并非易事。因此，如何做到力求适应基面、如何优化底涂料等是今后聚脲施工过程中尚需克服的技术难点。预铺防水卷材具有与浇筑表面的混凝土结构粘结密实、不窜水的特点，并且其施工方便快捷、防水质量得到保证，因此得到了越来越多专业防水设计人员的认可。预铺防水卷材可分为P类（主体材料为高分子）和PY类（主体材料为沥青基聚酯胎）两种，设计从材料耐久性考虑，要求使用P类。但这一类材料又有很多品牌，如何甄别选择，则成为工程实践的关键。对于防水卷材的甄选，设计要求施工现场做防水卷材的简易剥离强度试验，通过模拟工程实际从而最终决定选择合适的外包防水卷材，并将试验结果作为设计要求写入相关文件或图纸。试验可按此进行：

1）将预铺防水卷材放在室外暴晒10d，并模拟现场施工实况对其进行人工踩踏；

2）在现场安装模板，将日晒处理的预铺防水卷材分别立于模板内侧，然后浇筑一个长方体混凝土试块，试块的配比、养护等要求与隧道主体混凝土相同；

3）进行7d养护后拆模，对卷材进行人工撕扯，观察产品与后浇混凝土试块的粘结情况，可以此判断卷材与混凝土基面的粘结性能。卷材剥离强度试验。试验结果表明，尽管已采取了加强层、空铺等措施，预铺防水卷材在伸缩缝位置仍会因变形量过大而导致卷材被拉裂造成接缝渗水。因此，预铺防水卷材在过变形缝时采取何种措施以适应足够的结构变形，是今后防水层设计需要进一步完善的地方。

2.3四川遂宁市观音湖隧道

观音湖隧道处于观音湖底，隧道顶板零覆土，仅有用于防冲刷和抗浮的石笼覆盖，顶板完全浸泡在水中。因此，结构外防水层必须具有良好的耐水性以及与结构基面紧密粘结的性能。设计上选择了预铺防水卷材（P类）与喷涂非固化橡胶沥青防水涂料作为隧道的外防水层的组合。根据太湖大道隧道的工程经验，卷材方面采用了现场试验性能较突出的PV－100预铺防水卷材（P类，主要材料为HDPE），然而选择喷涂非固化橡胶沥青则是有所考虑的。前面提到，本隧道工期非常紧张，因此在施作外防水涂层之前，要对结构混凝土基面作进一步处理基本是不可能的。其次，结构变形缝接缝处采用外贴式橡胶止水带，且侧墙局部为PV-100预铺防水卷材，采用防水涂料时就要考虑到与这两种材料的粘结。最终，设计选择对结构混凝土基面基本无要求，可在潮湿基面快速施工、能与橡胶和塑料两种材料粘结较好的非固化橡胶沥青防水涂料。当时在现场，通过试验比较选择了具有韩国技术支持的品牌产品，从目前的效果来看，几乎是当时唯一的选择。即为非固化橡胶沥青与橡胶和塑料粘结在一起后撕开的效果，非固化橡胶沥青本体断裂，而橡胶和塑料的粘结面并无脱落现象。

3明挖隧道接缝防水的新技术

接缝防水是隧道工程防水中的重要一环，随着工程材料的进步、工程实践的不断总结，现在的接缝防水也有了很多新的做法，下面介绍几种具有代表性新做法。

3.1垂直缝与水平缝相交处

在隧道纵向的水平施工缝与横向的垂直施工缝或者变形缝在结构的侧墙总是有交点的，但以往设计忽略这个细节，垂直缝的止水措施与水平缝的止水措施即便不相交，也会造成结构缝渗漏的相互影响。

3.2侧墙的水平施工缝

在结构底板与侧墙的转角处，通常会有高出底板面20~30cm的侧墙与底板一起浇筑，这样就会存留一道侧墙上的水平施工缝，这道施工缝往往就会成为渗漏的高发部位，通常称之为“烂根”。在隧道大量改用大型定型钢模板技术之后，设计改变了这条缝的设置位置，这种改变对于施工要求大大降低，施工质量可以得到保证。无锡太湖大道隧道和四川遂宁市观音湖隧道运用了这种新型施工技术，均未出现“烂根”现象。侧墙施工缝部位防水做法，

3.3兜绕成环的外贴式橡胶止水带

以往的明挖隧道顶板伸缩缝外侧通常采用密封胶嵌缝，与侧墙的外贴式止水带在转角处搭接密封，不同防水材料之间的搭接质量难以保证，处理不当往往会导致渗漏，因此设计在遂宁市观音湖隧道的伸缩缝处整环设置了外贴式止水带。为解决外贴式止水带在顶板的安装问题，设计人员在隧道顶板设置了上压模板，将顶板止水带固定在上压模板上，为外贴式止水带的整环设置创造了条件。

3.4外贴式橡胶止水带加贴反应型丁基橡胶腻子带

以往结构变形缝用的外贴式橡胶止水带，均以机械咬合的方式与结构混凝土粘结，在混凝土施工过程中，出现咬合不紧密就会增加接缝渗漏的概率。在无锡蠡湖隧道施工过程中，设计对外贴式橡胶止水带作了适当调整，在止水带两端加贴反应型丁基橡胶腻子带，使其与结构混凝土的粘结又多了一重保障。

4结语

隧道的防水施工是一个系统工程，设计只是这个系统工程的开端，要做好隧道结构防水工程的质量全控制，必须依靠参建各方共同努力，尤其是建设方业主单位。首先，要对具体施工现场人员进行工程防水的培训工作，杜绝土建方的“粗放型”施工；其次，需提前投入工程防水的专题研究，有些作为设计的依据甚至要在施工图之前出结果，但这一点在工程前期往往会被忽视；再次，要严格控制工程防水的原材料，特别是结构混凝土，不同于普通工民建只需普通商品混凝土，隧道工程对于混凝土性能要求比较高，需严格把控质量。总之，设计是源头，工程的建设方应该无条件地支持设计采用新材料、新技术和先进的施工工艺，这无论是对于工程质量本身，还是技术进步都有很好的帮助。

作者：张勇 单位：中国市政工程西北设计研究院有限公司轨道交通分院