米東陽
(山西省交通科學(xué)研究院,山西 太原 030006)
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(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化。
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
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(dá)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。
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。
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。
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(jìn)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。
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(jìn)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(jìn)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。