寒區(qū)富水地層隧道變形縫結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化

米東陽

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隧道變形縫是伸縮縫、沉降縫和施工縫的總稱，它的作用主要是為了適應(yīng)襯砌結(jié)構(gòu)的伸縮、沉降等不均勻變形[1]；襯砌在變形縫處的混凝土結(jié)構(gòu)斷開，結(jié)構(gòu)失去自防水的能力，且變形縫的寬度隨環(huán)境溫度而變化，結(jié)構(gòu)的運動導(dǎo)致防水難度增加；因此，變形縫結(jié)構(gòu)是隧道滲漏水的薄弱環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化一直是隧道工程的創(chuàng)新熱點。

寒區(qū)富水地層中的隧道，變形縫結(jié)構(gòu)止水失效引起的滲漏水比一般地層較嚴(yán)重，在冬季，隧道洞頂掛冰，路面結(jié)冰變滑，對車輛行車安全影響非常大，給隧道運營安全帶來極大的風(fēng)險。為此，本文針對寒區(qū)富水地層隧道的特殊性，分析了現(xiàn)有隧道變形縫結(jié)構(gòu)的設(shè)計不足，對隧道變形縫結(jié)構(gòu)的變形能力、排水能力和保溫措施進行了設(shè)計優(yōu)化。

1 目前隧道變形縫結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

1.1 現(xiàn)有變形縫結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[2-4]

隧道明暗洞交界處和隧道圍巖軟硬差別較大處的沉降縫或伸縮縫，發(fā)生不均勻沉降的機率高，現(xiàn)有的隧道沉降縫結(jié)構(gòu)形式采用如圖1所示，沿著二次襯砌外側(cè)，防水板的內(nèi)側(cè)設(shè)置一道封閉的背貼式橡膠止水帶，襯砌的中部預(yù)埋一道封閉的膨脹橡膠中止水帶，縫的中間采用浸瀝青木板填充。

隧道施工間歇形成的施工縫，不均勻沉降和伸縮變形較小，其結(jié)構(gòu)形式采用圖2所示，沿著隧道防水板的外側(cè)設(shè)置軟式透水管，襯砌的中部預(yù)埋一道封閉的膨脹橡膠止水條，帶有注漿管，運營后如有滲漏水，可對其注漿堵漏，因施工縫后期變形很小，堵漏一般可以解決滲漏水問題。

圖1 沉降縫主要結(jié)構(gòu)形式

圖2 施工縫主要結(jié)構(gòu)形式

1.2 寒區(qū)富水地層變形縫防水失效原因

寒區(qū)富水地層變形縫防水失效的原因主要有兩方面，一是外力增加的原因，地區(qū)突降暴雨或暴雪，隧道圍巖周邊的水壓力增大，變形縫處的橡膠止水帶就成為整個隧道防水的薄弱點，也往往最先破壞。二是止水材質(zhì)劣化的原因，寒區(qū)隧道長期的凍融，降低了隧道變形縫止水措施的極限變形能力和耐久性，加之外界水壓力，變形縫防水措施很容易失效[5]。

富水地層隧道的地質(zhì)條件一般較差，受軟弱地基因素和結(jié)構(gòu)荷載不均衡的影響，變形縫豎向沉降量可能較大，傳統(tǒng)的隧道變形縫橡膠止水帶長度大約30 cm，但是適應(yīng)隧道變形的只是縫寬2 cm范圍內(nèi)的橡膠止水帶（尤其是中止水帶），由于橡膠的彈性變形能力有限，止水帶不能抵抗沉降和伸縮變形，就會導(dǎo)致止水帶撕裂破壞，從而發(fā)生滲漏現(xiàn)象。

變形縫一般是隧道上一個模板的末端，下一模板的起始，如圖3，變形縫處靠近圍巖側(cè)的混凝土，由于振搗和澆筑困難，傳統(tǒng)變形縫的橡膠止水帶在變形縫處無特殊設(shè)計，施工中很容易形成施工缺陷（見圖3），缺陷的空間成為了一個聚水點，它長期處于干濕環(huán)境，橡膠止水帶處于膨脹與收縮的循環(huán)，其使用壽命降低較快，夏季水壓較大的時候，橡膠止水帶破裂，變形縫止水失效。

圖3 變形縫施工示意圖

傳統(tǒng)的隧道變形縫設(shè)計中，如果有少量的水穿過背貼式止水帶積聚在變形縫中，主要在中止水帶外側(cè)，達到平衡后，水不會滲入變形縫內(nèi)；在寒冷地區(qū)，溫度降低后，中止水帶附近的水因靠近襯砌內(nèi)而先結(jié)冰，水的導(dǎo)熱系數(shù)是0.54 w/m·k，冰的導(dǎo)熱系數(shù)是2.22 w/m·k，冰傳遞能量比水快很多，變形縫中的水結(jié)冰后，變形縫成為低溫傳導(dǎo)的通道，導(dǎo)致襯砌背后的水結(jié)冰，冰的體積比水大，橡膠止水帶在低溫時工作性能低，凍脹力很容易將其破壞，經(jīng)過多個冬季的循環(huán)，變形縫的中止水帶防水措施基本上失效，越到后期滲水越嚴(yán)重。

2 變形縫結(jié)構(gòu)設(shè)計的新方法

2.1 變形縫結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化思路

從上述寒區(qū)富水地層隧道變形縫防水失效的原因可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有隧道變形縫設(shè)計不足主要是：第一，變形縫橡膠止水帶抵抗變形能力低，不均勻變形大時，容易撕裂；第二，中止水帶靠近襯砌內(nèi)側(cè)，加之變形縫通道缺乏保溫措施，中止水帶外側(cè)積水冬季容易結(jié)冰；第三，施工中，防水板后軟式透水管易受擠壓，排水能力降低；富水地層夏季水量較大，排水管堵塞問題凸顯。解決導(dǎo)致寒區(qū)富水地層變形縫滲漏水的3個重要問題就是變形縫結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的思路。

2.2 變形縫新結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體措施

在“以排為主，堵排結(jié)合”的指導(dǎo)思想下，對沉降縫的防水措施主要采用彈簧排水軟管、背貼式止水帶、中止水帶、巖棉保溫板等設(shè)施，具體措施如圖4。在變形縫外側(cè)，防水板與無紡布之間設(shè)兩道彈簧排水管，可以排出富水地層的地下水；將中止水帶由中部位置提高至離隧道襯砌外側(cè)H/3處（H為隧道襯砌的厚度）；中止水帶內(nèi)側(cè)使用巖棉保溫板，中止水帶與背貼式止水帶之間可以使用浸瀝青板。

圖4 沉降縫結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

將中止水帶中間圓環(huán)結(jié)構(gòu)改為橢圓環(huán)結(jié)構(gòu)，中止水帶適應(yīng)隧道變形的自身有效長度由πt（2t為變形縫的寬度），變?yōu)?πt+2（a-t）（a為橢圓長軸的長），止水帶適應(yīng)變形的能力增加，具體見圖5。

圖5 中止水帶結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

對于施工縫，其縫的寬度非常小，對其防水措施的設(shè)計優(yōu)化主要是：第一，將防水板背后的軟式透水管改為彈簧排水軟管；第二，將中止水條適當(dāng)上移，至距襯砌外側(cè)H/3處（H為隧道襯砌的厚度），具體措施見圖6。

2.3 變形縫新結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點

a）采用多道彈簧排水軟管，可以將富水地層的地下水較快引入隧道排水系統(tǒng)，降低變形縫處的水壓力，減小了變形縫的工作強度，降低其破壞風(fēng)險。

b）提高中止水帶位置，并在其內(nèi)側(cè)加巖棉保溫板，可以減小中止水帶位置聚水的凍結(jié)風(fēng)險，避免反復(fù)凍融對變形縫結(jié)構(gòu)的破壞。

圖6 施工縫結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

c）對中止水帶的中間部分進行優(yōu)化，提高其變形能力，解決隧道大變形時，其撕裂的問題。

3 結(jié)語

隧道變形縫是隧道防水的重點部位。針對寒區(qū)富水地層，目前采用的變形縫設(shè)計方法存在許多不足，容易發(fā)生滲漏水；新的防水設(shè)計從變形縫防水失效的原因出發(fā)，對變形縫的排水措施進行了優(yōu)化，增加了保溫措施，對橡膠止水帶抵抗變形的結(jié)構(gòu)形式進行了優(yōu)化，增加了橡膠止水帶的變形能力，在寒區(qū)富水地層隧道中有較高的使用價值。

本文所述的變形縫防水設(shè)計依然存在不足，第一，由于橡膠止水帶采用較復(fù)雜的設(shè)計，施工中需要固定措施，施工存在一定的難度；第二，變形縫中采用巖棉保溫材料替代浸瀝青木板，巖棉保溫材料價格相對較貴。針對富水軟弱地質(zhì)條件下的隧道變形縫，國外的常規(guī)做法是增大變形縫設(shè)計密度，每隔約8 m設(shè)計一道變形縫，在工期寬裕時，這種方法是一個較優(yōu)的選擇。