公路隧道富水段可排水止水帶應用淺析

謝兼量，肖東輝，雷尊貴，齊呈祥，李林峰

(1.保利長大工程有限公司，廣州 510620； 2.重慶中宇工程咨詢監理有限責任公司，重慶 400067；3.北京交通大學，北京 100044)

隧道細部結構(施工縫和變形縫)的滲漏水一直是影響隧道結構穩定及使用年限的重要原因，其水源補給可分為地下水補給滲漏水和地表水補給滲漏水2種[1]。目前，隧道細部結構的防滲措施主要存在以下問題：1) 止水帶設計上，未考慮止水帶的排導水功能或排導水效果一般，在隧道富水地段易形成背后積水，發生滲水的概率仍然較大[2]；2) 止水帶施作時，止水帶的固定及連接存在諸多問題，止水帶固定不牢固，安裝不當易引起止水帶產生扭曲、上浮、位移、傾倒等不良狀況[3]。

針對上述問題，許多學者做了相關研究。李偉等[4]提出隧道施工縫和變形縫防水采用多道設防，以提高隧道防水能力。宋占輝[5]通過工程實踐和試驗提出了準中埋背貼式可排水橡膠止水帶，對以后的隧道及地下工程三縫的防排水處理有指導作用。呂康成[6]研發的梯形背貼式排水止水帶及中埋式蝶形排水止水帶，可在無壓或較小壓條件下工作，減少了隧道滲漏水現象發生。張民慶等[7]研制了橫向內置加勁型中埋式橡膠止水帶，現場試驗表明該止水帶使用方便、安裝質量好、效率高、綜合成本低。冀夏芳等[8]提出無鋼筋襯砌段和鋼筋襯砌段的止水帶施工工藝，消除了止水帶施工的通病。張再仁[9]結合工程實踐，提出在采用測量定位、鋼筋卡固定、墊層施工后，可有效提高止水帶施工質量。

分析上述研究成果發現，以上研究未涉及到對公路隧道富水段可排水止水帶排導水效果的研究。本文結合廣東省南昆山隧道，通過對止水帶優化設計，提高止水帶強度及排導水能力，并在現場對環向止水帶進行試驗，測量止水帶防水及排導水效果，以達到提高隧道細部結構防水能力的目的。

1 止水帶優化設計

南昆山隧道原防水設計采用鋼板膩子止水帶。由于其不具排導水功能，在隧道富水段，襯砌背后積水形成較高水壓，隧道施工縫、變形縫容易出現滲漏水，無法滿足防水要求。

在已有研究基礎上，針對止水帶襯砌背后積水難排問題，對止水帶進行優化設計，增加了“U”型排導水槽，開發背貼式可排水橡膠止水帶及中埋式可排水橡膠止水帶，其結構如圖1、圖2所示。

單位：cm

單位：cm

優化設計的可排水止水帶采用三元乙丙橡膠作為主要材料，具有耐老化、耐腐蝕、耐低溫等優良性能。結構上，可排水止水帶斷面分為伸縮區、強力區、防水區，受力均勻。

伸縮區中間設置“U”結構，增加了剛度，也能實現較大多向變形；伸縮區迎水面封閉連接帶能防止雜物進入“U”型槽中，保證“U”型槽排導水效果。當水壓較大時，封閉連接帶發生較大變形，并發生斷裂，從而實現導水功能，將水引入排水盲管，減小背后水壓，提高止水能力。

優化的可排水止水帶兩邊凹槽較寬且較高，防水區的防水線呈倒鋸齒狀，具有匯集地下水能力，增強橡膠止水帶和混凝土的握裹力，防止止水帶受較大水壓力而拔出，使橡膠帶更牢固。止水帶凸起部分較高，可延長滲水路程，減少背后積水量，并有效降低水壓，更不易滲水。

與原設計采用的鋼板膩子止水帶相比，可排水止水帶的特點：1) 增加排水功能，一定程度上減小襯砌背后水壓，降低滲水幾率；2) 在高水壓條件下，止水帶不易發生破壞、損傷，適合在高水壓富水地段施作。

2 止水帶結構安全驗算

隧道富水段結構承受一定水壓，這要求止水帶具有與之匹配的承受能力，需滿足抗拉、抗拔以及抗剪安全要求，以下進行止水帶結構安全驗算。優化的可排水止水帶尺寸如圖1、圖2所示，2類止水帶圓環尺寸及總寬度均相同，因此僅對中埋式止水帶進行驗算。止水帶的泊松比為0.42，拉伸變形和剪切變形取極限值，按30 mm[10]進行驗算。

中埋式止水帶內圓半周長為28 mm，受拉后半環呈帶狀，長度為44 mm，止水帶原長34 mm，被拉長了10.3 mm，即發生了幾何變形。因此，止水帶拉長10.3 mm后，開始產生拉應力。止水帶應力計算公式為：

σ=Eε

(1)

(2)

式中：σ為止水帶變形產生的拉應力，MPa；E為止水帶彈性模量，取5 MPa；ε為拉應變；Δl為止水帶圓環處變形大小，m；l為止水帶圓環處原寬度，m。抗拉變形極限值為30 mm，當止水帶繼續變形19.7 mm后，ε=0.44。

單位長度止水帶應力為：

T1=Eεt×1

(3)

式中：T1為止水帶圓環根部單位長度止水帶拉應力，kN/m；t為止水帶拉直后的圓環處厚度，為0.011 m。經計算T1=2.3 kN/m，圓環根部σ1=T/0.008=281.9 kPa。

水壓產生的應力采用河海大學提出的公式：

(4)

式中：T2為止水帶圓環部位單位長度止水帶拉應力，kN/m；P為水壓力，取770 kPa；b為變形縫拉開后產生應力變形的寬度，取0.056 m；依據止水帶拉伸試驗結果，取ε=15%。經計算T=22.7 kN/m，圓環部位σ2=2 063.6 kPa，圓環根部σ1′=2 837.5 kPa。

經應力疊加計算可得總拉力T=T1+T2=25 kN/m；圓環部位總應力σ圓=σ2=2 063.6 kPa，圓環根部總應力σ根=σ1+σ1′=3 119.4 kPa。

1) 止水帶拉斷驗算

通過式(5)判斷止水帶抗拉斷性能：

σ

(5)

式中：RL為止水帶抗拉強度，MPa。

止水帶最大拉應力在止水帶圓環根部，即σ根=3.12 MPa

2) 止水帶抗剪驗算

通過式(6)判斷止水帶剪切性能：

τ≤τf=4.44 MPa

(6)

τ=Gγ

(7)

式中：τ為止水帶剪切應力，MPa；τf為止水帶的剪切強度，MPa，按郝巨濤等[13]的研究成果取4.44 MPa；G為止水帶剪切模量，取1.76 MPa；γ為止水帶剪切應變。經計算τ=2.61 MPa<4.44 MPa，滿足安全使用要求。

3) 止水帶抗拔驗算

橡膠止水帶在混凝土中的粘著應力為0.4 MPa～0.7 MPa[11]，粘著應力取0.4 MPa。止水帶寬度為0.3 m，單位長度單側止水帶在混凝土中的粘著力為0.4×0.15×1×2=120 kN/m，受力分析如圖3所示，從混凝土中拔出的安全系數為120/T=120/25=4.8，止水帶圓環部和根部拉應力大于止水帶小于混凝止之間的應力，止水帶不會被拔出。綜上，優化的可排水止水帶滿足安全施工要求。

3 止水帶現場試驗

為驗證止水帶的防水和排導水效果，結合南昆山隧道出口端左線在ZK76+945～ZK76+891段富水地段，在現場進行了環向止水帶對比試驗。通過對富水段的止水帶設置、導管排水情況觀察進行對比，分析優化后的止水帶與鋼板膩子止水帶的防滲效果。通過布置導管，并進行觀察和分析，研究優化后止水帶的排導水效果。

單位：cm

3.1 試驗方案

在富水段選取5個斷面進行試驗，試驗斷面設置情況如表1所示。

表1 試驗斷面設置情況

其中斷面1、2：在防水板與初支之間、背貼止水帶“U”型槽內及二襯之間各設置一PVC透明管，并分別標記上內、中、外字樣，如圖4(a)所示。

斷面3、4：在中埋止水帶和背貼式止水帶的“U”型槽內及防水板與初期支護之間各設置一PVC透明管，并分別標記上外、中、內字樣，如圖4(b)所示。

斷面5：在防水板與初支之間、二襯之間及中埋止水帶“U”型槽內各設置一PVC透明管，分別標記上內、中、外字樣，如圖4(c)所示。

PVC透明管的外徑略小于“U”型槽的寬度，保證PVC管不影響止水帶正常工作；插入深度約為50 cm，保證軟管能有效排水以便觀察。在PVC管入水口管兩側設置多道切口以增大PVC管的集水能力，細部結構如圖5所示。

將PVC管觀測端引出至離洞壁一定距離，并從蛇紋管內穿出，如圖6所示，防止臺車移動壓斷PVC管，保證其完好以便后期觀測。

(a) 斷面1、2與 PVC管位置

(b) 斷面3、4與 PVC管位置

(c) 斷面5 與PVC管位置

(a) PVC細部結構正視圖 (b) PVC細部結構側視圖

圖6 預留管線示意

3.2 試驗數據分析

觀察PVC管排水情況，得到各斷面試驗結果，如表2所示。

表2 試驗結果

表2中數據表明：1) 斷面1～5內管有細微水滴，二襯背后有水，存在一定水壓，斷面1～4中管偶有細微水滴，表明優化背貼式止水帶具有排導水能力；外管及二襯表面無水，說明優化背貼止水帶能有效防止滲水發生；2) 斷面5中管有細微水滴，說明有少量水滲過鋼板膩子止水帶，而外管及二襯表面無水，說明水未滲過優化中埋止水帶；表明在富水條件下鋼板膩子止水帶的防滲效果一般；3) 斷面1、2與斷面3、4的PVC管排水情況相同，斷面5中管有細微水滴，表明優化止水帶較鋼板膩子止水帶而言，采用一道防水就具備良好的防水能力。

3.3 環向止水帶安裝工藝及控制要點

為保證試驗正常進行及止水帶防水效果，需嚴格控制止水帶的安裝工藝及控制要點并對現場安裝進行監測檢查。

1) 安裝工藝

襯砌模板臺車各項準備工作就緒后，沿襯砌設計軸線每間隔0.45 m在擋頭板上鉆一Φ12鋼筋孔，然后將加工成形的Φ10鋼筋卡由待模注混凝土一側向另一側穿入，鋼筋卡內側卡緊一半止水帶，待模注混凝土凝固后拆除擋頭板，彎曲Φ10鋼筋卡套上止水帶的另一半，模注下一循環混凝土。澆筑二次襯砌混凝土時，加強混凝土振搗，排除止水帶底部氣泡和空隙，使止水帶和混凝土緊密結合。安裝后的止水帶如圖7所示。

2) 控制要點

(1) 止水帶的設置應確保能夠平行于初期支護混凝土內輪廓面，避免發生彎曲、傾覆等問題[14]。

(2) 埋設位置應準確，其中間空心圓環應與變形縫重合，通常止水帶以施工縫或伸縮縫為中心兩邊對稱布設，要求止水帶偏離中心不能超過3 cm。

圖7 止水帶安裝

(3) 用角尺檢查止水帶與襯砌端頭模板是否正交，否則會降低止水帶的有效長度。

(4) 中埋式止水帶應固定在擋頭模板上，先安裝一端，澆筑混凝土時另一端應用箱型模板保護，固定時只能在止水帶的允許部位上穿孔打洞，不得損壞止水帶本體部分。

(5) 在澆搗靠近止水帶附近的混凝土時，應嚴格控制澆搗的沖擊力，避免力量過大而刺破橡膠止水帶，同時還須充分震搗，確保混凝土與橡膠止水帶緊密結合，施工中若發現有破裂現象，應及時修補。

(6) 襯砌脫模后，若檢查發現施工中有走模現象發生，致使止水帶偏離中心，則應適當鑿除或填補部分混凝土，對止水帶進行糾偏。

4 結束語

1) 優化止水帶較傳統止水帶增加排導水功能，在高水壓環境下可通過排導水減小襯砌背后積水，提高隧道抗滲能力。

2) 優化止水帶較傳統止水帶，排水、防水效果優良，設置一道防水即可滿足防水需求。

3) 該優化止水帶應用于隧道富水高水壓地段，有良好防排水能力，可供類似工程參考。