隧道及地下工程防水

基本要求應(yīng)以預(yù)防為主。在勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工各階段中，對(duì)防水要嚴(yán)格保證質(zhì)量。工程交付使用后，應(yīng)確保符合設(shè)計(jì)要求,防水設(shè)備良好,運(yùn)用正常。在使用期間，即使偶有微小病害，也應(yīng)立即杜絕，不留隱患。要能滿(mǎn)足基本要求，才能顯出工程經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。防水措施是以截、堵、排相結(jié)合的綜合治理，根據(jù)工程的使用要求、所在位置和水文地質(zhì)情況，來(lái)確定何者為主。山嶺隧道常以排為主，水底隧道則以堵為主。防水技術(shù)的具體內(nèi)容如下:

截水 是將可能流向地下洞室內(nèi)的水源截?cái)嗖⒁?。可在洞口設(shè)置截水溝和排水溝，將地表水從地面排除。當(dāng)?shù)叵滤貏e發(fā)育，又有長(zhǎng)期補(bǔ)給來(lái)源時(shí)，可在地下水流上游側(cè)設(shè)置截水洞截水并將其排除，以疏干洞室周?chē)貙?。洞室竣工后，施工時(shí)留下不用的輔助坑道均應(yīng)予以封閉，避免地表水流入洞內(nèi)。

堵水 是切斷水流經(jīng)過(guò)襯砌流入洞室的措施。按工程具體情況，可以單獨(dú)或綜合采用下列方法。

結(jié)構(gòu)本身堵水 采用如防水混凝土、鑄鐵管片、鋼板襯套等具有高度不透水性的材料，作為地下洞室的襯砌或其組成部分，均可起到良好的堵水作用。

結(jié)構(gòu)表面堵水 在襯砌上做防水層是一種行之有效的方法。按其在襯砌上的位置可分為:①結(jié)構(gòu)外防水層。在明挖施工的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)外有足夠的施工空間時(shí)，可在已成的襯砌背部作外防水層。最經(jīng)濟(jì)的外防水層，可用普通水泥砂漿作五層抹面，或用摻防水劑的水泥砂漿抹面，稱(chēng)為抹面防水層，屬剛性防水層。用乳化瀝青、瀝青橡膠以及聚氨酯涂料等，稱(chēng)噴涂防水層，屬柔性防水層。如用防水卷材，則稱(chēng)卷材防水層。此外，尚可在圍巖上先噴涂熱瀝青或?yàn)r青橡膠、合成樹(shù)脂，涂敷瀝青油氈等，再灌筑襯砌混凝土。操作時(shí)對(duì)某些有毒材料應(yīng)加強(qiáng)勞動(dòng)保護(hù)。②結(jié)構(gòu)內(nèi)防水層。施工較簡(jiǎn)便，但不能消除水對(duì)襯砌的侵蝕，常在其他防水措施失效后增設(shè)，所用材料和結(jié)構(gòu)外防水層相同。

結(jié)構(gòu)夾層防水層 對(duì)防水要求較高的工程多采用此法，即在第一次襯砌(模筑襯砌或噴射混凝土)后設(shè)置防水層,再作第二次襯砌。夾層防水層可用防水薄板,或剛性和柔性的各種噴涂，或涂抹防水材料。常用的薄板有聚氯乙烯、聚乙烯、醋酸乙烯等。薄板的掛設(shè)可用射釘法，即用射釘槍將鉚釘穿過(guò)薄板擊入混凝土基面以固定薄板，鉚釘處設(shè)有瀝青橡膠墊塊以防漏水，薄板的接縫多用熱風(fēng)焊接。

接縫堵水 接縫是指模筑混凝土的工作縫、沉降縫、伸縮縫、裝配式襯砌的接頭等,均是漏水的薄弱環(huán)節(jié),須采取有效的接縫堵水措施。對(duì)模筑混凝土，可采用橡膠、塑料或金屬止水帶。對(duì)鑄鐵或鋼筋混凝土管片或砌塊的接頭，均應(yīng)做成專(zhuān)門(mén)的防水溝槽，在工地裝配后，用防水材料將其填密。近期已出現(xiàn)不用密封材料，而在拼裝成環(huán)后向環(huán)縫、縱縫的注漿溝內(nèi)壓漿堵水的方法。裝配式襯砌的螺栓孔也是漏水的通路，須加用氯丁橡膠或丁苯橡膠制成的密封墊圈。

壓漿堵水 不僅用作防水，還可提高圍巖的穩(wěn)定性，改善襯砌的受力條件。它可分為開(kāi)挖前(超前)壓漿和襯砌后壓漿兩種。當(dāng)隧道通過(guò)斷層破碎帶時(shí)，用壓漿來(lái)加固圍巖和堵水，以保證施工的順利進(jìn)行，稱(chēng)為超前壓漿。襯砌與圍巖間的超挖部分常用片石回填，然后壓漿充填片石的空隙。常用的壓漿材料有水泥砂漿(可摻各種外加劑)、水泥水玻璃漿液以及其他化學(xué)漿液。

排水 將水排離地下洞室。首先須將攔截的水排走，堵在洞外的水也必須引走。其次必須將滲、漏、流、引入洞內(nèi)的水用設(shè)計(jì)的排水系統(tǒng)排出洞外。貼壁式襯砌的背部，可在地下水所在部位設(shè)置環(huán)向盲溝。根據(jù)地下水情況，可只設(shè)拱部盲溝或豎向盲溝;也可在有水部位敷設(shè)合成樹(shù)脂墊，它能與山體密貼，透水性好，不易堵塞。如地下水發(fā)育，為了疏干圍巖，可在石質(zhì)隧道周?chē)@孔，將地下水引入洞內(nèi)經(jīng)排水溝排出。對(duì)離壁式襯砌，可在圍巖與襯砌間作外排水溝。一般在洞內(nèi)設(shè)縱向排水溝和橫向排水坡度，以排出滲入或引入的地下水。寒冷地區(qū)，為防止水流凍結(jié)，應(yīng)采用雙層蓋板、中間有保溫層的保溫水溝，或修筑位于凍結(jié)深度以下的深埋水溝;如水溝太深使明挖不安全時(shí)，則可改用暗挖的防寒泄水洞。

隧道及地下工程滲漏水是長(zhǎng)期以來(lái)困擾專(zhuān)家們的一個(gè)頭痛問(wèn)題，也是當(dāng)前地下工程建筑中突出的質(zhì)量通病和亟待解決的課題。我國(guó)北京、上海和廣州的城市地下鐵道中，滲漏水情況也已在30%左右。在地下工程較發(fā)達(dá)的日本，據(jù)調(diào)查滲漏水也達(dá)到30%以上。由此可見(jiàn)，隧道及地下工程滲漏水的情況十分嚴(yán)重。

根據(jù)對(duì)隧道及地下工程防水體系的失敗原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分析數(shù)據(jù)表明：由于施工原因?qū)е聺B漏水的占34.2%，設(shè)計(jì)不合理占10.4%，防水材質(zhì)在不同水環(huán)境條件下變異占33.1%，結(jié)構(gòu)變異致使防水體系失效占11%，維修養(yǎng)護(hù)不善占2.3%。由此可見(jiàn)，發(fā)生滲漏的原因是多方面，因此研究和分析這些原因?qū)?duì)提高地下工程防水質(zhì)量起到重要的作用。

防水滲漏原因分析

隧道及地下工程防水體系失效性是指防水體系和材料使用過(guò)程中，由于外部作用侵蝕破壞或內(nèi)部材料弱化，抵抗地下水環(huán)境的能力減弱或全部喪失。分析和研究地下工程在不同地下工程在不同地下水環(huán)境介質(zhì)中的失效影響因素與機(jī)理、失效材料所產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)周?chē)Y(jié)構(gòu)體性能的影響、建立評(píng)價(jià)各種失效影響因素指標(biāo)及失效檢測(cè)方法，是地下工程防水體系應(yīng)研究的重要問(wèn)題。

一、防水施工原因

前述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，防水施工階段是地下工程防水滲漏的主要環(huán)節(jié)，對(duì)部分防水滲漏案例進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，既有施工不精心和工藝方面的原因，也有施工管理和檢測(cè)方面的原因，同時(shí)采用不同施工方法的地下工程，其防水滲漏原因也不盡相同。

1. 復(fù)合襯砌隧道一般采用高分子防水板(卷材)，其失效原因主要有：a、防水卷材材質(zhì)本身不能和噴射混凝土初襯密貼，安設(shè)時(shí)的沖擊、背面突出物等易將防水板扎破，導(dǎo)致漏水;b、板與板間的接合部室薄弱環(huán)節(jié)，稍有不慎會(huì)導(dǎo)致整個(gè)防水體系失敗;c、如遇混凝土壁面有較大空洞和凹凸的部位，二次襯砌的擠壓及圍巖變形會(huì)使防水板拉伸，特別是結(jié)合部位易發(fā)生斷裂破壞。

2. 噴涂防水的隧道及地下工程防水體系滲漏的原因有：噴涂防水膜很難保證其均勻性，雖然一般噴涂材料延展性較好，但抗拉強(qiáng)度較低，如發(fā)生較大外力作用，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形和位移;易導(dǎo)致防水膜破裂，致使整個(gè)防水體系失效;另外該施工方法對(duì)噴涂的施工工藝精度要求高，但一般工程很難達(dá)到。

3. 自防水混凝土的防水體系失敗的原因有：地下工程工作面狹小，混凝土振搗密度實(shí)度很難達(dá)到設(shè)計(jì)抗?jié)B的要求，另外施工縫合變形縫也是這種防水措施的薄弱環(huán)節(jié)。

以上原因說(shuō)明，防水施工過(guò)程是保證工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，因此應(yīng)強(qiáng)化防水施工的重要性，針對(duì)不同的防水方法制定相應(yīng)的施工細(xì)則，并建立防水施工質(zhì)量檢測(cè)機(jī)制。

二.防水設(shè)計(jì)原因

一部分設(shè)計(jì)師對(duì)防水重要性的認(rèn)識(shí)不夠，認(rèn)為地下滲漏水不影響結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題，在選用材料和設(shè)計(jì)方式上重視程度不夠，因此在防水設(shè)計(jì)方案中結(jié)合結(jié)構(gòu)特征認(rèn)真研究不充分，致使防水設(shè)計(jì)不合理。

由防水設(shè)計(jì)理念問(wèn)題引發(fā)的滲漏：目前地下工程使用壽命都在100年以上，而防水材料的使用壽命均達(dá)不到這一要求，因此地下工程防水設(shè)計(jì)應(yīng)考慮放排水系統(tǒng)的可維護(hù)性和易更換性。

有防水設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題引發(fā)的滲漏：盡管防水工程在地下工程中占得工程總費(fèi)用比例是較小的，但往往設(shè)計(jì)者考慮造價(jià)的原因，仍選用價(jià)廉差的材料，也是導(dǎo)致防水滲漏的原因。

三.防水材料變異的原因

根據(jù)研究，發(fā)現(xiàn)由于防水材料材質(zhì)的變異導(dǎo)致防水體系失效的情況占有較大的比例，其原因有地下水環(huán)境和微生物侵蝕對(duì)防水材料性能的弱化、已有防水材料材質(zhì)固有的弱點(diǎn)隨使用的環(huán)境的惡劣和使用時(shí)間推移逐漸喪失的防水功能。如某鐵路隧道在維修養(yǎng)護(hù)時(shí)，其防水卷材已變質(zhì)老化。發(fā)生這些情況歸納起來(lái)，主要有以下原因：a、劣質(zhì)的混凝土添加劑中含有高濃度的堿性成分和不易分解的鹽類(lèi)物質(zhì)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的松軟，析出的物質(zhì)對(duì)防水卷材起了侵蝕作用;b、凍融交替使得防水材料結(jié)構(gòu)變異;c、微生物侵蝕、粘結(jié)材料變異;d、地下水中含有不同濃度的酸、堿、鹽離子對(duì)材料的侵蝕;e、防水材料材質(zhì)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)組織的變異。

四.工程結(jié)構(gòu)變異原因

地下工程長(zhǎng)期處于復(fù)雜的環(huán)境中，致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變異的不利因素很多，一旦發(fā)生變異，襯砌結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)位移和變形、開(kāi)裂、混凝土剝落等現(xiàn)象，進(jìn)而使得防水體系失效。如由于圍巖具有流變性，后期的圍巖應(yīng)力在長(zhǎng)期的調(diào)整過(guò)程中可能會(huì)使防水板受到來(lái)自一襯和二襯得長(zhǎng)期擠壓，在基面不平衡或有突出點(diǎn)處產(chǎn)生穿刺性損傷，造成防水層失效。在四季溫差較大的場(chǎng)合，常年凍融交替，在凍脹力的強(qiáng)烈作用下，殘余變形逐年積累，使襯砌結(jié)構(gòu)位移和開(kāi)裂，導(dǎo)致防水層逐步失效。結(jié)構(gòu)本身材料劣化引起的變異，如混凝土碳化、鹽害、堿集料反應(yīng)等，其析出物也是造成防水體系破壞的原因。

五.維護(hù)和管理原因

排水系統(tǒng)堵塞。不暢時(shí)，如果維護(hù)部善，將導(dǎo)致較大的水壓長(zhǎng)期積累引起結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，破壞防水體系。在嚴(yán)寒地區(qū)的隧道，冰凍產(chǎn)生的凍脹力是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和排水管堵塞破裂的重要原因，因此隧道及地下工程的維修養(yǎng)護(hù)是十分重要的。

主要待研究問(wèn)題

隧道及地下工程環(huán)境與其他建筑工程不同，作為附著層的高分子材料，影響其使用期間耐久性的因素是很獨(dú)特的，除了一般的由溫度、濕度、光照、酸堿環(huán)境作用等引起的材料老化和降解而失效外，還要考慮地下圍巖和襯砌的長(zhǎng)期相互作用產(chǎn)生的擠壓、變形因素對(duì)防水體系產(chǎn)生的損害作用。

一.地下結(jié)構(gòu)(圍巖)環(huán)境部均勻變形對(duì)防水失效性的影響

地下結(jié)構(gòu)(圍巖)環(huán)境不均勻變形對(duì)防水體系失效起較大作用是眾所周知的事實(shí)，其原因比較復(fù)雜，主要體現(xiàn)在地下環(huán)境特殊的外力(水壓、東脹力、塑性地壓、圍巖松弛地壓、偏壓、承載力不足、地震等)施加于結(jié)構(gòu)，造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻變形甚至開(kāi)裂，致使防水層受局部較大的壓力、剪力和拉伸力的作用而破壞。隧道的拱頂是導(dǎo)致防水失效的主要部位，鐵路和公路隧道這類(lèi)案例較多，其原因是由于隧道拱頂混凝土澆注工藝的缺陷，襯砌與防水層之間很難密實(shí)，有的甚至存在較大的空洞。此處往往容易形成水囊并積聚較大水壓，圍巖松弛擴(kuò)大，作用在襯砌上的地壓增加，致使襯砌開(kāi)裂漏水。

防水層由于地下結(jié)構(gòu)環(huán)境不均勻變形所產(chǎn)生的破壞主要體現(xiàn)在防水層的物理性質(zhì)上，也就是由于外界結(jié)構(gòu)變化對(duì)防水層所產(chǎn)生的受力變化影響上。一旦某項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)超過(guò)了防水層材料的允許值，防水層的完整性將發(fā)生破壞，而造成防水層滲漏。另外，防水材料在受力的情況下，其耐久性也將發(fā)生變化，即防水材料的力學(xué)環(huán)境也將有可能加速材料本身老化或失效，這也是造成防水層滲漏的原因。

采用不同的防水方法，防水層在地下結(jié)構(gòu)環(huán)境中所受到的破壞和影響程度是不一樣的，因此研究在這些外力作用下，對(duì)防水層本身物理性能的破壞影響程度，據(jù)此來(lái)確定防水層和結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中需要相應(yīng)采取的工程措施，對(duì)防止地下防水體滲漏有著重要的工程意義。

二.防水材料的失效性檢測(cè)

隧道及地下工程防水體系目前選用的防水材料多為有機(jī)高分子材料的光熱老化、熱氧老化、光氧老化、化學(xué)介質(zhì)中的老化機(jī)理及穩(wěn)定性方面。對(duì)于地下工程防水材料而言，由于處于密閉環(huán)境中，極少受到大氣紫外線輻射作用，因此上述環(huán)境因素所產(chǎn)生的老化影響是次要的，主要的影響因素為環(huán)境介質(zhì)即霉菌等微生物、水以及化學(xué)腐蝕介質(zhì)(酸、堿、鹽)。

三.隧道及地下工程防水的工程檢測(cè)

隧道及地下工程所采取的防水方法不同，對(duì)各項(xiàng)施工工藝以及力學(xué)、物理、化學(xué)指標(biāo)的要求也不同;不同的使用環(huán)境，影響因素差異也較大，因此檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)指標(biāo)以及檢測(cè)方法也相應(yīng)部同。隧道及地下工程的設(shè)計(jì)壽命期遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于一般建筑工程，其防水工程的壽命與使用年限應(yīng)是同樣的尺度，因此，也要求對(duì)防水材料的工程性和耐久性有一個(gè)科學(xué)使用的檢測(cè)方法。

四.現(xiàn)行檢測(cè)指標(biāo)分析

目前我國(guó)針對(duì)工程進(jìn)行的耐久性檢測(cè)中，高分子防水卷材檢測(cè)指標(biāo)主要有：常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)(外觀及尺寸、拉伸和撕裂強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、熱處理尺寸變化率、低溫彎折性、抗穿孔性、不透水性、剪切狀態(tài)下的粘合性)和耐久性檢測(cè)指標(biāo)(熱老化處理、耐化學(xué)侵蝕、人工氣候加速老化)兩大項(xiàng)。噴涂材料還要增加噴涂材料與潮濕基面的粘結(jié)強(qiáng)度、表干和實(shí)干時(shí)間、加熱伸縮率等項(xiàng)。

另外由于不同防水卷材、噴涂材料的施工方法、工藝要求、防水作用機(jī)理方面有著顯著差別，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與方法也會(huì)不同，這不僅在于各檢測(cè)項(xiàng)指標(biāo)的取值，檢測(cè)理論與方法也會(huì)不同。統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)難以反映材料的特點(diǎn)與特長(zhǎng)，尤其是一些專(zhuān)用于某種特定環(huán)境的防水材料，更需要有專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)方法。

隧道及地下工程防水的耐久性問(wèn)題要比一般建筑復(fù)雜，套用常規(guī)防水材料的檢測(cè)指標(biāo)和方法，并不能反映材料的真實(shí)耐久性，這些需認(rèn)真研究并解決。

目前防水材料與施工技術(shù)多元化發(fā)展進(jìn)程加快，各種新型防水材料不斷涌現(xiàn)，如水性防水涂料、水性噴膜防水涂料、干粉噴涂技術(shù)等新型環(huán)保型材料的出現(xiàn)，其服務(wù)領(lǐng)域面向隧道及地下工程時(shí)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不能真實(shí)反映其耐久性能，而這些材料和技術(shù)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有系統(tǒng)?？茖W(xué)地解決耐久性問(wèn)題，在其他各種建筑防水材料的單一國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、部門(mén)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，也均未綜合、全面地建立失效性的評(píng)價(jià)技術(shù)體系。

提高材料的耐久性水平，特別是從鼓勵(lì)新材料、新技術(shù)的創(chuàng)新、滿(mǎn)足隧道及地下工程更高的防水要求的角度出發(fā)，在現(xiàn)有各方面的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，建立和完善適合于隧道及地下工程防水的耐久性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)方法是工程界亟待解決的研究課題。