隧道及地下工程防水

基本要求應(yīng)以預(yù)防為主。在勘測、設(shè)計、施工各階段中，對防水要嚴(yán)格保證質(zhì)量。工程交付使用后，應(yīng)確保符合設(shè)計要求,防水設(shè)備良好,運用正常。在使用期間，即使偶有微小病害，也應(yīng)立即杜絕，不留隱患。要能滿足基本要求，才能顯出工程經(jīng)濟效益和社會效益。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)的水源截斷并引走。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，又有長期補給來源時，可在地下水流上游側(cè)設(shè)置截水洞截水并將其排除，以疏干洞室周圍地層。洞室竣工后，施工時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)過襯砌流入洞室的措施。按工程具體情況，可以單獨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，可在已成的襯砌背部作外防水層。最經(jīng)濟的外防水層，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，稱噴涂防水層，屬柔性防水層。如用防水卷材，則稱卷材防水層。此外，尚可在圍巖上先噴涂熱瀝青或瀝青橡膠、合成樹脂，涂敷瀝青油氈等，再灌筑襯砌混凝土。操作時對某些有毒材料應(yīng)加強勞動保護。②結(jié)構(gòu)內(nèi)防水層。施工較簡便，但不能消除水對襯砌的侵蝕，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。對模筑混凝土，可采用橡膠、塑料或金屬止水帶。對鑄鐵或鋼筋混凝土管片或砌塊的接頭，均應(yīng)做成專門的防水溝槽，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。它可分為開挖前(超前)壓漿和襯砌后壓漿兩種。當(dāng)隧道通過斷層破碎帶時，用壓漿來加固圍巖和堵水，以保證施工的順利進行，稱為超前壓漿。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)隧道周圍鉆孔，將地下水引入洞內(nèi)經(jīng)排水溝排出。對離壁式襯砌，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，則可改用暗挖的防寒泄水洞。

隧道及地下工程滲漏水是長期以來困擾專家們的一個頭痛問題，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，隧道及地下工程滲漏水的情況十分嚴(yán)重。

根據(jù)對隧道及地下工程防水體系的失敗原因進行了統(tǒng)計分析，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)護不善占2.3%。由此可見，發(fā)生滲漏的原因是多方面，因此研究和分析這些原因?qū)μ岣叩叵鹿こ谭浪|(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理、失效材料所產(chǎn)生的物質(zhì)對周圍結(jié)構(gòu)體性能的影響、建立評價各種失效影響因素指標(biāo)及失效檢測方法，是地下工程防水體系應(yīng)研究的重要問題。

一、防水施工原因

前述統(tǒng)計數(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)，對部分防水滲漏案例進行分析后發(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方面的原因，同時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)，稍有不慎會導(dǎo)致整個防水體系失敗;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，但抗拉強度較低，如發(fā)生較大外力作用，結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形和位移;易導(dǎo)致防水膜破裂，致使整個防水體系失效;另外該施工方法對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，混凝土振搗密度實度很難達(dá)到設(shè)計抗?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)。

以上原因說明，防水施工過程是保證工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，因此應(yīng)強化防水施工的重要性，針對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)量檢測機制。

二.防水設(shè)計原因

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

由防水設(shè)計理念問題引發(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)計應(yīng)考慮放排水系統(tǒng)的可維護性和易更換性。

有防水設(shè)計經(jīng)濟性問題引發(fā)的滲漏：盡管防水工程在地下工程中占得工程總費用比例是較小的，但往往設(shè)計者考慮造價的原因，仍選用價廉差的材料，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)境和微生物侵蝕對防水材料性能的弱化、已有防水材料材質(zhì)固有的弱點隨使用的環(huán)境的惡劣和使用時間推移逐漸喪失的防水功能。如某鐵路隧道在維修養(yǎng)護時，其防水卷材已變質(zhì)老化。發(fā)生這些情況歸納起來，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物質(zhì)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的松軟，析出的物質(zhì)對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)就會出現(xiàn)位移和變形、開裂、混凝土剝落等現(xiàn)象，進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)力在長期的調(diào)整過程中可能會使防水板受到來自一襯和二襯得長期擠壓，在基面不平衡或有突出點處產(chǎn)生穿刺性損傷，造成防水層失效。在四季溫差較大的場合，常年凍融交替，在凍脹力的強烈作用下，殘余變形逐年積累，使襯砌結(jié)構(gòu)位移和開裂，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.維護和管理原因

排水系統(tǒng)堵塞。不暢時，如果維護部善，將導(dǎo)致較大的水壓長期積累引起結(jié)構(gòu)開裂，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)護是十分重要的。

主要待研究問題

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期相互作用產(chǎn)生的擠壓、變形因素對防水體系產(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)境不均勻變形對防水體系失效起較大作用是眾所周知的事實，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，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，圍巖松弛擴大，作用在襯砌上的地壓增加，致使襯砌開裂漏水。

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)變化對防水層所產(chǎn)生的受力變化影響上。一旦某項力學(xué)指標(biāo)超過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，對防水層本身物理性能的破壞影響程度，據(jù)此來確定防水層和結(jié)構(gòu)施工過程中需要相應(yīng)采取的工程措施，對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

隧道及地下工程防水體系目前選用的防水材料多為有機高分子材料的光熱老化、熱氧老化、光氧老化、化學(xué)介質(zhì)中的老化機理及穩(wěn)定性方面。對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

隧道及地下工程所采取的防水方法不同，對各項施工工藝以及力學(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，因此檢測項目、檢測指標(biāo)以及檢測方法也相應(yīng)部同。隧道及地下工程的設(shè)計壽命期遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于一般建筑工程，其防水工程的壽命與使用年限應(yīng)是同樣的尺度，因此，也要求對防水材料的工程性和耐久性有一個科學(xué)使用的檢測方法。

四.現(xiàn)行檢測指標(biāo)分析

目前我國針對工程進行的耐久性檢測中，高分子防水卷材檢測指標(biāo)主要有：常規(guī)檢測指標(biāo)(外觀及尺寸、拉伸和撕裂強度、伸長率、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。噴涂材料還要增加噴涂材料與潮濕基面的粘結(jié)強度、表干和實干時間、加熱伸縮率等項。

另外由于不同防水卷材、噴涂材料的施工方法、工藝要求、防水作用機理方面有著顯著差別，檢測標(biāo)準(zhǔn)與方法也會不同，這不僅在于各檢測項指標(biāo)的取值，檢測理論與方法也會不同。統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)難以反映材料的特點與特長，尤其是一些專用于某種特定環(huán)境的防水材料，更需要有專門的檢測方法。

隧道及地下工程防水的耐久性問題要比一般建筑復(fù)雜，套用常規(guī)防水材料的檢測指標(biāo)和方法，并不能反映材料的真實耐久性，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，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不能真實反映其耐久性能，而這些材料和技術(shù)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也沒有系統(tǒng)?？茖W(xué)地解決耐久性問題，在其他各種建筑防水材料的單一國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、部門標(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價技術(shù)體系。

提高材料的耐久性水平，特別是從鼓勵新材料、新技術(shù)的創(chuàng)新、滿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)與檢測方法是工程界亟待解決的研究課題。