劉二利，劉偉，谷坤鵬，張君韜

（1.寧波大榭招商國(guó)際碼頭有限公司，浙江 寧波 315812；2.中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200030）

滲漏是地下工程最常見(jiàn)的病害，有資料表明[1-3]，施工縫、變形縫滲漏水占隧道總滲漏水的60%以上，隨著工程使用年限的延長(zhǎng)，滲水情況還可能會(huì)不斷加重。采用隧道結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行防水試驗(yàn)是一種較為有效的檢驗(yàn)方法，在部分水下工程中也已得到成功應(yīng)用。

一般隧道防水試驗(yàn)采用的試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際工程中隧道結(jié)構(gòu)尺寸比例小于1∶10。試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缧?、質(zhì)量輕、厚度小、防水材料單一，無(wú)法有效模擬實(shí)際工程中多種防水材料及其施工工藝組合作用下的隧道整體防水效果。準(zhǔn)原型試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際工程中隧道結(jié)構(gòu)尺寸比例一般大于1∶10，局部比例甚至大于1∶5。準(zhǔn)原型試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缦鄬?duì)較大，能更真實(shí)地模擬實(shí)際工程中防水材料的施工工藝，其試驗(yàn)結(jié)果能更好反映實(shí)際工程中防水材料及其施工工藝的防水性能[4-6]。

本文以國(guó)內(nèi)太湖湖底隧道工程中的暗埋段結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用準(zhǔn)原型試驗(yàn)對(duì)主體混凝土結(jié)構(gòu)整體防水性能進(jìn)行驗(yàn)證與研究。

1 隧道工程概況

太湖隧道工程全長(zhǎng)5.410 km，其中敞口段290 m，暗埋段5120 m。該工程是蘇錫常南部高速公路常州至無(wú)錫段太湖隧道工程施工項(xiàng)目CX-WX2施工標(biāo)段子項(xiàng)目，涉及多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，施工環(huán)境復(fù)雜。

隧道工程中暗埋段結(jié)構(gòu)為兩孔一管廊結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)建筑方案，隧道單孔結(jié)構(gòu)凈寬17.45 m，凈高7.25 m，中間管廊凈寬4.5 m。暗埋段主體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 暗埋段主體結(jié)構(gòu)形式

暗埋段隧道主體結(jié)構(gòu)采用明挖現(xiàn)澆的施工工藝。60 m為1個(gè)節(jié)段，節(jié)段之間設(shè)置2 cm寬柔性變形縫。每個(gè)節(jié)段分3次澆筑，第1次澆筑底板，第2次澆筑側(cè)墻，第3次澆筑頂板，在距底板和頂板0.5 m處的側(cè)墻上分別設(shè)置2道施工縫。

2 防水體系

隧道總體的防水等級(jí)應(yīng)為二級(jí)，即不允許漏水，結(jié)構(gòu)表面可有少量濕漬，總濕漬面積不大于總防水面積的0.2%，任意100 m2防水面積上的濕漬不超過(guò)3處，滲漏量不大于0.15 L/（m2·d），單個(gè)濕漬的最大面積不大于0.2 m2，平均滲漏量不大于0.05 L/（m2·d）。

隧道局部機(jī)電設(shè)備集中的區(qū)域防水等級(jí)應(yīng)為一級(jí)，即不允許滲水，結(jié)構(gòu)表面無(wú)濕漬。隧道防水設(shè)計(jì)體系的要求為：混凝土結(jié)構(gòu)自防水抗?jié)B等級(jí)為P8，控制裂縫寬度≤0.2 mm，其他需滿(mǎn)足GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求；附加柔性防水層采用P類(lèi)預(yù)鋪防水卷材、非固化瀝青防水涂料和自粘聚合物改性瀝青防水卷材復(fù)合全包防水；施工縫、變形縫、穿墻管、樁頭等部位需進(jìn)行加強(qiáng)防水處理。

3 準(zhǔn)原型設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)采用準(zhǔn)原型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)坑長(zhǎng)15 m、寬10 m、深7 m，且試驗(yàn)系統(tǒng)可真實(shí)模擬工程結(jié)構(gòu)受到的各種豎向荷載、靜動(dòng)態(tài)水平荷載、土壓力荷載，以及復(fù)雜的豎向、水平向和土壓力荷載耦合作用[8-10]。

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾糜谠囼?yàn)坑底，采用現(xiàn)澆方式制作，參照主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型A、B節(jié)段的試驗(yàn)尺寸見(jiàn)圖2，整體模型分2次澆筑，第1次澆筑底板，第2次澆筑側(cè)墻和頂板。在模型中模擬主體結(jié)構(gòu)變形縫、施工縫止水工藝、卷材的干鋪和濕鋪工藝，及附加防水層等的止水、防水工藝。變形縫、施工縫及防水構(gòu)造如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)尺寸

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭顾に?/p>

3.2 準(zhǔn)原型制作

模型制作步驟參照實(shí)際施工，為了簡(jiǎn)易工序，減少施工步驟，每個(gè)節(jié)段分成2步澆筑，將側(cè)墻與頂板合并澆筑。準(zhǔn)原型模型制作步驟見(jiàn)圖4[8]。

圖4 模板制作步驟

4 模型試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)

為防止因預(yù)埋鋼板連接不牢而導(dǎo)致水壓模擬裝置無(wú)法與模型有效密貼，分別在變形縫、A節(jié)段施工縫、B節(jié)段施工縫處各設(shè)置2個(gè)局部加壓試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示。其中變形縫測(cè)點(diǎn)分別在模型頂板和側(cè)墻上，A、B兩個(gè)節(jié)段的施工縫測(cè)點(diǎn)分別對(duì)稱(chēng)設(shè)置在節(jié)段左右兩側(cè)墻的施工縫位置。

圖5 工況及測(cè)點(diǎn)對(duì)照

4.2 48 h密水試驗(yàn)與結(jié)果

注水過(guò)程中水位每升高0.5 m，暫停注水保持30 min，觀察模型內(nèi)外密封情況，確認(rèn)模型無(wú)漏水、試驗(yàn)坑內(nèi)無(wú)異?，F(xiàn)象發(fā)生后，繼續(xù)注水，直至達(dá)到試驗(yàn)要求水深后保持水位。注水過(guò)程持續(xù)約5 h，進(jìn)入水壓保持狀態(tài)，防水試驗(yàn)持水時(shí)間設(shè)定為48 h，模擬20 m水壓局部防水試驗(yàn)持水時(shí)間設(shè)定為24 h[4]。

試驗(yàn)坑剛達(dá)到試驗(yàn)水深4 m時(shí)變形縫及施工縫處的滲水情況見(jiàn)圖6，持水時(shí)間達(dá)到48 h時(shí)變形縫及施工縫處無(wú)任何滲水情況。試驗(yàn)結(jié)束后，模型內(nèi)部和外觀狀態(tài)如圖7所示。

圖6 試驗(yàn)水深4 m時(shí)各測(cè)點(diǎn)處滲水情況

圖7 試驗(yàn)結(jié)束后模型狀態(tài)

4.3 模擬水壓試驗(yàn)與結(jié)果

4.3.1 有外包防水層變形縫、施工縫防水試驗(yàn)

（1）20 m水壓

選擇測(cè)點(diǎn)①、②進(jìn)行20 m水壓有外包防水層防水試驗(yàn)，驗(yàn)證最大設(shè)計(jì)水深環(huán)境下變形縫的防水性能。通過(guò)水壓表進(jìn)行水壓讀數(shù)，每隔1 h觀察1次模型內(nèi)部測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的滲水情況，達(dá)到0.2 MPa后保持水壓24 h。

選擇測(cè)點(diǎn)③、④進(jìn)行20 m水壓有外包防水層防水試驗(yàn)，用于驗(yàn)證最大設(shè)計(jì)水深環(huán)境下施工縫的防水性能。其中：測(cè)點(diǎn)③代表外包防水層濕鋪工藝，測(cè)點(diǎn)④代表外包防水層預(yù)鋪工藝。

由監(jiān)控系統(tǒng)可知，所選變形縫和施工縫處測(cè)點(diǎn)位置在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)任何滲水現(xiàn)象[如圖8（a）、（b）所示]。表明試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谧畲笤O(shè)計(jì)水深（20 m）環(huán)境下的變形縫和施工縫防水工藝的防水效果良好。

（2）極限水壓

完成設(shè)計(jì)水深（20 m）壓力模擬防水試驗(yàn)后，保持水壓模擬系統(tǒng)安裝在測(cè)點(diǎn)位置不動(dòng)，在保持20 m水深壓力24 h無(wú)滲水情況的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)水壓模擬系統(tǒng)加壓，水壓每增加5 m，保持24 h，觀察滲水情況，如無(wú)滲水現(xiàn)象，則繼續(xù)增加水壓，直至發(fā)生滲水現(xiàn)象或水壓模擬系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)增加水壓為止。

經(jīng)試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)①處在30 m水壓條件下保持24 h，模型變形縫處無(wú)滲水現(xiàn)象發(fā)生，但繼續(xù)加壓到33 m水壓時(shí)，水壓模擬系統(tǒng)與模型之間的壓縮條無(wú)法承受水壓，被擠壓嚴(yán)重變形，導(dǎo)致水壓模擬系統(tǒng)與模型之間發(fā)生漏水，因此無(wú)法進(jìn)一步增加水壓。測(cè)點(diǎn)③和測(cè)點(diǎn)④在30 m水壓條件下保持24 h后模型施工縫處均無(wú)滲水現(xiàn)象發(fā)生[如圖8（c）、（d）所示]，但繼續(xù)加壓到31~32 m水壓時(shí)，水壓模擬系統(tǒng)與模型之間均發(fā)生漏水現(xiàn)象，原因與測(cè)點(diǎn)①處相同。試驗(yàn)表明，模型所測(cè)變形縫與施工縫處在30 m水壓條件下，保持24 h均無(wú)滲水現(xiàn)象發(fā)生。

圖8 有外包防水層防水試驗(yàn)

4.3.2 無(wú)外包防水層變形縫、施工縫防水試驗(yàn)

實(shí)際工程施工過(guò)程中，外包防水層容易受工人踩踏和施工機(jī)具刮擦，存在破壞的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)外包防水層遭到破壞后，隧道結(jié)構(gòu)防水性能是否會(huì)下降進(jìn)行驗(yàn)證。本試驗(yàn)對(duì)變形縫處測(cè)點(diǎn)①、②和施工縫處測(cè)點(diǎn)④、⑤處的外包防水層人為剝除，然后通過(guò)水壓模擬系統(tǒng)對(duì)上述測(cè)點(diǎn)再次進(jìn)行20 m水壓防水試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，剝除外包防水層后的變形縫與施工縫處在最大設(shè)計(jì)水深壓力條件下均未發(fā)生滲水現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 20 m水壓無(wú)外包防水層變形縫與施工縫滲水情況

4.3.3 變形縫和施工縫外包層檢查結(jié)果

水壓模擬系統(tǒng)加壓過(guò)程中，外包防水層無(wú)異樣表現(xiàn)，但保持20 m水壓不足30 min后，即出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)周?chē)拷冃慰p處兩側(cè)外包防水層均出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，如圖10（a）、（b）所示，同時(shí)伴隨壓力緩慢下降。約10 min后鼓包大小不再變化，水壓下降至約18 m后停止下降。

試驗(yàn)結(jié)束后，拆除水壓模擬系統(tǒng)，將鼓包處用刀劃破。觀察測(cè)點(diǎn)表面狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)竄水是由變形縫處發(fā)生，并沿變形縫向左右兩側(cè)擴(kuò)展。翻開(kāi)鼓包處外包防水層，可以看到外包防水層已經(jīng)被高壓水完全剝離開(kāi)結(jié)構(gòu)混凝土表面，如圖10（c）、（d）所示。

采用相同方式對(duì)A、B兩個(gè)節(jié)段施工縫測(cè)點(diǎn)處外包防水層進(jìn)行剝除，如圖10（e）、（f）所示，未發(fā)生竄水情況。和變形縫處竄水情況對(duì)比，變形縫處發(fā)生竄水可能與變形縫處結(jié)構(gòu)與變形縫填充橡膠板之間存在自然縫隙有關(guān)，在壓力作用下，水從自然縫隙中竄出，進(jìn)而使周?chē)獍浪畬影l(fā)生鼓包。

圖10 A、B兩節(jié)段變形縫、施工縫外包層竄水情況

4.4 7 d密水試驗(yàn)與結(jié)果

為進(jìn)一步探索模型在外包防水層遭受破壞后的整體防水性能，對(duì)4.3中變形縫與施工縫部分測(cè)點(diǎn)處外包防水層剝除后的模型，進(jìn)行4 m水深整體防水性能做持水7 d試驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)模型內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象，如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在外包防水層被人為部分破除后，隧道模型在常水位條件下的整體防水性能良好。

圖11 4 m水深無(wú)外包防水層隧道模型內(nèi)部無(wú)滲水情況

4.5 混凝土破壞后水壓試驗(yàn)與結(jié)果

完成7 d密水試驗(yàn)后，在無(wú)變形縫處選擇了3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，人為在測(cè)點(diǎn)處中心位置的混凝土上鉆孔，鉆穿鉆孔后將測(cè)點(diǎn)處混凝土模型表面的外包防水層包覆完整。進(jìn)行20 m水壓模擬試驗(yàn)步驟進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)生一定破壞后的混凝土自身防水性能。其中1個(gè)測(cè)點(diǎn)在B節(jié)段模型頂板處，另外2個(gè)測(cè)點(diǎn)分別在A、B節(jié)段的側(cè)墻處。模擬混凝土破壞人為鉆孔照片如圖12（a）、（b）所示。試驗(yàn)過(guò)程如圖12（c）、（d）所示。

圖12 模擬混凝土破壞狀態(tài)下20 m水壓防水試驗(yàn)過(guò)程

由圖12可見(jiàn)，在對(duì)模型混凝土進(jìn)行鉆孔破壞后的位置進(jìn)行20 m水壓模擬試驗(yàn)，所選測(cè)點(diǎn)位置的模型內(nèi)部表面均無(wú)滲水情況發(fā)生。在遭受局部混凝土鉆孔模擬破壞的情況下，防水層防水性能仍然良好。

5 結(jié)論

（1）太湖湖底隧道主體結(jié)構(gòu)及其防水體系在4 m水深條件下的整體防水性能可靠，滿(mǎn)足二級(jí)防水設(shè)計(jì)要求。

（2）混凝土結(jié)構(gòu)遭受局部破壞的情況下，在4 m水深條件下的整體防水性能可靠，滿(mǎn)足二級(jí)防水設(shè)計(jì)要求。

（3）隧道主體結(jié)構(gòu)防水體系在工程最大設(shè)計(jì)水深20 m水壓條件下變形縫與施工縫局部防水性能可靠，且在外包防水層完整和遭受局部破壞的情況下，其防水性能均能滿(mǎn)足二級(jí)防水設(shè)計(jì)要求。

（4）隧道主體結(jié)構(gòu)變形縫與施工縫處在外包防水層完好的情況下，可承受30 m水深壓力無(wú)滲水。

（5）外包防水卷材濕鋪和預(yù)鋪工藝及其選用材料均能滿(mǎn)足二級(jí)防水最大設(shè)計(jì)水深（20 m）防水要求。

（6）預(yù)鋪外包防水卷材在20 m水壓條件下，變形縫處發(fā)生竄水現(xiàn)象，可能與變形縫處隧道節(jié)段端面與變形縫填充橡膠板之間存在天然縫隙形成水流導(dǎo)槽有關(guān)。