周慶國(guó) 陳俊 胡景波

（1.中國(guó)鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司，成都610000；2.金華市欣生沸石開(kāi)發(fā)有限公司，浙江金華321017）

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，我國(guó)隧道的數(shù)量、長(zhǎng)度都躍居全球第一。隧道規(guī)模越來(lái)越大，埋深越來(lái)越深，技術(shù)難度也越來(lái)越大。隧道與地下工程的防水也為工程界日臻重視。公路、鐵路隧道屬于大型項(xiàng)目，具有施工工期長(zhǎng)、跨度大等特點(diǎn)，再加上不同施工區(qū)自然條件各異，導(dǎo)致施工過(guò)程中出現(xiàn)各類問(wèn)題［1-4］。滲漏水是公路、鐵路隧道施工和維護(hù)過(guò)程中非常常見(jiàn)的問(wèn)題，不僅影響隧道的正常通行，長(zhǎng)期滲漏水還會(huì)使襯砌混凝土劣化，縮短隧道的使用壽命。

目前我國(guó)公路、鐵路隧道基本上采用復(fù)合式襯砌［5-8］。復(fù)合式襯砌由初期支護(hù)、防排水系統(tǒng)和二次襯砌組成。防排水系統(tǒng)由防水板、縱環(huán)向盲管、土工布、止水帶等組成。受各種因素影響，部分隧道運(yùn)營(yíng)不久便出現(xiàn)滲漏水問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)防水與結(jié)構(gòu)同壽命。本文結(jié)合工程實(shí)例探討隧道結(jié)構(gòu)防水融合體系，為公路、鐵路隧道的防水設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

川藏高速公路跑馬山1號(hào)隧道為傍山隧道，項(xiàng)目位于康定城區(qū)，從升航村進(jìn)洞，呈幾字形穿越跑馬山景區(qū)，從主城區(qū)甘孜州廣電中心背后出洞，進(jìn)出口高差220 m，全長(zhǎng)約8.8 km，如圖1所示。

圖1 跑馬山隧道地理位置

隧道設(shè)通風(fēng)橫洞+地下風(fēng)機(jī)房1處，另設(shè)施工支洞1處。隧道巖性以角礫巖、碎裂巖為主，斷層地段裂隙發(fā)育。斷層破碎帶地下水發(fā)育，涌水量大。隧道左洞、右洞分別長(zhǎng)8 865，8 780 m。結(jié)構(gòu)防水融合體系應(yīng)用試驗(yàn)選擇在通風(fēng)橫洞進(jìn)行，橫洞長(zhǎng)為1 258 m，隧道半徑為5.53 m，平均海拔3 500 m。通風(fēng)橫洞圍巖為澄江—晉寧期火山巖，隧道洞身圍巖主要為中風(fēng)化花崗巖，屬較硬巖，巖體呈大塊～巨塊狀，圍巖穩(wěn)定性較好。該段埋深較大，存在高地應(yīng)力，有可能發(fā)生巖爆。地下水類型為基巖裂隙水，呈淋雨?duì)畛鏊?，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。

2 防水設(shè)計(jì)方案

2.1 原防水體系

隧道設(shè)計(jì)為復(fù)合式襯砌。原防水體系設(shè)計(jì)為：二次襯砌抗?jié)B等級(jí)不低于P8；初期支護(hù)與二次襯砌間拱墻設(shè)置防水層（1.2 mm厚EVA（乙烯醋酸乙烯共聚物）防水卷材+300 g/m2無(wú)紡布）；襯砌變形縫設(shè)置中埋式橡膠止水帶+背貼式止水帶；施工縫設(shè)置遇水膨脹止水條+背貼式止水帶。

2.2 結(jié)構(gòu)防水融合體系

考慮到該隧道防水難度大，反復(fù)論證后決定采用結(jié)構(gòu)防水融合體系。通過(guò)結(jié)構(gòu)抗裂防滲試驗(yàn)，優(yōu)化接縫防水設(shè)計(jì)和施工工藝，形成高抗?jié)B、低裂紋和自愈合的襯砌混凝土結(jié)構(gòu)防水融合體系。

結(jié)構(gòu)防水融合體系由2部分構(gòu)成：①初砌混凝土結(jié)構(gòu)自防水。取消防水板，保留土工布，并安設(shè)環(huán)向透水盲管，同時(shí)預(yù)埋加壓管以備后期進(jìn)行壓水試驗(yàn)。在二次襯砌混凝土中添加抑溫抗裂防水劑，保證襯砌混凝土的抗裂防滲效果與結(jié)構(gòu)耐久性。②接縫防水。襯砌變形縫設(shè)置中埋式橡膠止水帶+背貼式止水帶，施工縫設(shè)置遇水膨脹止水條，同時(shí)變形縫和施工縫還須在二次襯砌混凝土端頭截面涂刷1.5 mm厚欣生水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。

3 襯砌混凝土抗裂防滲與耐久性能試驗(yàn)研究

3.1 原材料及配合比

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積340 m2/kg，密度3.15 g/m3。粉煤灰為F類Ⅱ級(jí)灰，45μm方孔篩篩余16.2%，密度2.28 g/m3，主要化學(xué)組成見(jiàn)表1。砂子采用中砂，細(xì)度模數(shù)2.5。石子采用石灰?guī)r碎石，連續(xù)級(jí)配，最大粒徑25 mm。外加劑采用聚羧酸系減水劑，減水率15%，固含量14%。防水劑采用欣生抑溫抗裂防水劑，其抑溫性能見(jiàn)圖2，性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 膠凝材料主要化學(xué)組成

圖2 水泥凈漿熱功率曲線

表2 抑溫抗裂防水劑性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

混凝土試驗(yàn)配合比以施工單位提供的工程配合比為基準(zhǔn)，摻加抑溫抗裂防水劑，見(jiàn)表3。

表3 混凝土試驗(yàn)配合比 kg·m-3

3.2 試驗(yàn)方法

1）平板開(kāi)裂試驗(yàn)依據(jù)GB 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

2）混凝土接觸式收縮試驗(yàn)依據(jù)GB 50082—2009進(jìn)行，試件成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d測(cè)試初始長(zhǎng)度。

3）混凝土溫度抗裂性能試驗(yàn)又分為模擬工程實(shí)際散熱條件半絕熱溫升仿真試驗(yàn)、絕熱溫升試驗(yàn)和溫度應(yīng)力試驗(yàn)。半絕熱溫升仿真試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。試件為邊長(zhǎng)400 mm的立方體，擠塑板厚度50 mm。絕熱溫升試驗(yàn)依據(jù)GB 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。設(shè)備采用HR-3型混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀。溫度應(yīng)力試驗(yàn)采用HYTSTM-Ⅱ混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)，試件長(zhǎng)1 500 mm，截面尺寸為150 mm×150 mm。

圖3 半絕熱溫升試驗(yàn)裝置

4）混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)又分為抗氯離子滲透試驗(yàn)和抗水滲透試驗(yàn)?？孤入x子滲透試驗(yàn)依據(jù)GB 50082—2009進(jìn)行；抗水滲透試驗(yàn)按照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，采用KX-026混凝土滲透儀。

5）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)JTG E30—2005進(jìn)行，采用KX-005數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取樣，在實(shí)驗(yàn)室制備抗壓試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

在銑床上加工多孔專用夾具采用調(diào)整墊和緊固螺桿配合以及定位螺絲的配合調(diào)整工件的位置以達(dá)到工件加工的要求。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 平板開(kāi)裂試驗(yàn)

基準(zhǔn)混凝土、摻防水劑混凝土單位面積上的總開(kāi)裂面積分別為705，570 mm2。摻防水劑混凝土單位面積上的總開(kāi)裂面積較基準(zhǔn)混凝土低19%，說(shuō)明其早期抗裂性能較基準(zhǔn)混凝土高。這是由于抑溫抗裂防水劑一方面具有微膨脹補(bǔ)償收縮作用，通過(guò)化學(xué)膨脹抵消了早期的干燥收縮；另一方面抑溫抗裂防水劑的表面改性組分在一定程度上能減小結(jié)構(gòu)混凝土的自收縮，兩者結(jié)合起來(lái)，可大大減少混凝土早期塑性收縮，對(duì)混凝土早期抗裂性能具有良好的改善作用。

3.3.2 混凝土接觸式收縮試驗(yàn)

混凝土接觸式收縮試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4?？芍夯鶞?zhǔn)混凝土收縮率隨齡期增長(zhǎng)而逐漸增加，28 d之前混凝土收縮率增幅較大，28 d后混凝土收縮率逐漸趨于穩(wěn)定；摻防水劑混凝土收縮率變化趨勢(shì)與基準(zhǔn)混凝土相似，但60 d收縮率較基準(zhǔn)混凝土小7%?；炷林袚饺胍譁乜沽逊浪畡瑢?duì)混凝土抗收縮性能具有改善作用。這是由于抑溫抗裂防水劑中的微膨脹組分在水化初期通過(guò)膨脹形成了一定的預(yù)壓應(yīng)力，可補(bǔ)償后期的干燥收縮。

圖4 混凝土接觸式收縮試驗(yàn)結(jié)果

3.3.3 混凝土溫度開(kāi)裂性能試驗(yàn)

1）混凝土半絕熱溫升仿真試驗(yàn)

由于水泥用量高、細(xì)度小、C3A含量高等原因，導(dǎo)致像隧道襯砌這種結(jié)構(gòu)尺寸并不大的混凝土結(jié)構(gòu)溫度收縮開(kāi)裂現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)，控制襯砌混凝土溫度收縮開(kāi)裂成為抗裂的關(guān)鍵。混凝土半絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，與基準(zhǔn)混凝土相比，摻抑溫抗裂防水劑混凝土最高溫升降低了8.38℃，這明顯會(huì)降低混凝土溫度收縮開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 混凝土半絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果

混凝土絕熱溫升是指在沒(méi)有任何熱量散失的條件下混凝土自身由于水化放熱導(dǎo)致的溫升?；炷两^熱溫升試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)：與基準(zhǔn)混凝土相比，摻抑溫抗裂防水劑混凝土升溫到30℃的時(shí)間滯后15 h。從溫升曲線的斜率來(lái)看，水化溫升速率明顯降低。這是因?yàn)橐譁乜沽逊浪畡┠軌蛞种扑嗍炝现械腃3A與C2S的水化進(jìn)程，從而能夠降低混凝土最高溫升，達(dá)到削峰效果。

圖6 混凝土絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果

3）溫度應(yīng)力試驗(yàn)

混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7?？梢钥吹剑孩贀椒浪畡┗炷磷罡邷囟冉档土?0.8℃，抑溫抗裂防水劑具有較好的削峰效果。②開(kāi)裂應(yīng)力反映了混凝土的極限抗拉強(qiáng)度［9］。兩種混凝土的開(kāi)裂應(yīng)力均在2.5 MPa左右，說(shuō)明抑溫抗裂防水劑對(duì)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度影響不大。③隨著降溫，在某一時(shí)刻混凝土試件所受拉應(yīng)力會(huì)超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，受約束試件會(huì)開(kāi)裂［10］。開(kāi)裂溫度越低，早齡期混凝土出現(xiàn)熱裂縫的概率越小。摻防水劑后開(kāi)裂溫度從21℃降到0℃附近，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)明顯降低。

圖7 混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

3.3.4 混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)

1）抗氯離子滲透試驗(yàn)

采用電通量法進(jìn)行了抗氯離子滲透試驗(yàn)?；鶞?zhǔn)混凝土、摻防水劑混凝土電通量分別為2013，1429 C。摻防水劑混凝土電通量較基準(zhǔn)混凝土降低29%，故其抗氯離子滲透性能較基準(zhǔn)混凝土好。這是因?yàn)榛炷林袚饺胍譁乜沽逊浪畡?，能改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)程度，故而能夠提高抗氯離子滲透性能。

2）抗水滲透試驗(yàn)

通常地下工程會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)埋置深度采用不同抗?jié)B等級(jí)的混凝土。通風(fēng)橫洞采用抗?jié)B等級(jí)P8的混凝土，在施工過(guò)程中取摻抑溫抗裂防水劑二次襯砌混凝土進(jìn)行測(cè)試。其抗?jié)B等級(jí)達(dá)到P24，高于現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)文件對(duì)二次襯砌混凝土抗?jié)B等級(jí)的要求。這是由于摻入抑溫抗裂防水劑一方面增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)混凝土的憎水疏水性能，另一方面通過(guò)二次反應(yīng)生成了新的晶體填充了孔隙，提高了結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度。

3.3.5 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

摻抑溫抗裂防水劑的二次襯砌混凝土試件平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到36 MPa，滿足C30的設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，混凝土中摻抑溫抗裂防水劑可明顯減少水泥水化熱，抑制混凝土溫升，降低混凝土溫度應(yīng)力，同時(shí)具有良好抗收縮性能、早期抗裂性能；混凝土中摻抑溫抗裂防水劑能大幅提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，對(duì)耐久性能也有一定的改善作用。這都為結(jié)構(gòu)自防水提供了支撐。

4 結(jié)構(gòu)防水融合體系經(jīng)濟(jì)性分析

結(jié)構(gòu)防水融合體系在原防水方案的基礎(chǔ)上取消了防水板，在二次襯砌混凝土中摻加了抑溫抗裂防水劑。

經(jīng)計(jì)算，每延米二次襯砌拱墻混凝土用量8.71 m3，防水層每延米面積23.65 m2。

成本增加部分：添加抑溫抗裂防水劑成本增加90元/m3，每延米增加成本8.71×90=783.90元。成本節(jié)省部分：取消防水板（工程概算約35元/m2），每延米可節(jié)省成本約23.65×35=827.75元。

二者相比，取消防水板，采用結(jié)構(gòu)防水融合體系，單洞公路隧道每延米可節(jié)省成本827.75-783.90=43.85元，每公里隧道防水體系可節(jié)省成本43 850元。采用結(jié)構(gòu)防水融合體系具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)構(gòu)防水融合體系應(yīng)用效果

選取川藏高速公路跑馬山1號(hào)隧道通風(fēng)橫洞測(cè)試結(jié)構(gòu)防水融合體系應(yīng)用效果。取消了防水板，土工布懸掛安裝完后直接進(jìn)行二襯混凝土澆筑施工。在二次襯砌混凝土中摻加了抑溫抗裂防水劑。二次襯砌混凝土配合比見(jiàn)表4?；炷撂涠葹?80～220 mm，和易性良好。

表4 二次襯砌混凝土配合比 kg·m-3

二次襯砌混凝土采用泵送施工，振搗采用附著式振動(dòng)器，嚴(yán)格控制混凝土澆筑時(shí)間，防止出現(xiàn)施工冷縫。拆模完成后在二次襯砌混凝土端頭截面上涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。其獨(dú)有的滲透結(jié)晶組分使得新老混凝土結(jié)合得更加牢靠，增大了防水體系的安全系數(shù)。二次襯砌混凝土拆模后，表面光滑無(wú)裂紋（圖8），可見(jiàn)二次襯砌混凝土中摻加抑溫抗裂防水劑提高了混凝土的密實(shí)性，具有良好的抗裂效果。

圖8 二次襯砌混凝土外觀

現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)束至今，經(jīng)多次查驗(yàn)，整體無(wú)滲漏水現(xiàn)象，二次襯砌混凝土保持良好的抗裂防滲能力，達(dá)到了防水設(shè)計(jì)目標(biāo)。采用結(jié)構(gòu)防水融合體系還減少了懸掛防水板工序，縮短了施工時(shí)間。

6 結(jié)論

1）結(jié)構(gòu)防水融合體系由襯砌混凝土結(jié)構(gòu)自防水和接縫防水2部分構(gòu)成。室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，摻加抑溫抗裂防水劑的混凝土具有良好的抗裂防滲性能，并且能夠提升結(jié)構(gòu)混凝土耐久性能，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自防水提供了基礎(chǔ)。變形縫和施工縫處涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料使得新老混凝土結(jié)合得更密實(shí)，提升了變形縫和施工縫處的防水能力。

2）該體系在公路隧道通風(fēng)橫洞應(yīng)用至今，整體無(wú)滲漏水現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了總體防水設(shè)計(jì)目標(biāo)。與傳統(tǒng)柔性防水體系相比，結(jié)構(gòu)防水融合體系更省時(shí)、省錢(qián)、省心。該研究為公路、鐵路隧道防水提供了經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)支撐。