公路隧道防水设计与施工.docx
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公路隧道防水设计与施工
公路隧道防水设计与施工
1前言
公路隧道虽起步较晚，但发展速度较快，特别是在高等级公路建设中，隧道所占比重较大。
在已建成的公路隧道中，渗水，漏水情况是存在的，影响行车安全及洞内设施的正常运转，也给行人带来不便，引起人们普遍的关注。
公路长隧道内，通风，照明，通讯及消防等现代化设施齐全，它们对防潮，防锈，绝缘方面都有严格要求，以保证其设备正常运行，同时还要给人应有的良好景观。
因此，隧道防排水的成功在于优秀的防水设计，精心的施工组织。
2公路隧道防水要求
2.1防水等级
我国“地下工程防水技术规范”对防水分为4个等级（见表1），该规范对各等级的适用范围也有明确规定。
如城市公路隧道划在二级，水下隧道和一般公路隧道划在三级，比公路隧道规范具体，易为设计、施工人员掌握。
表1地下工程防水等级
防水等级标准
一级不允许渗水，围护结构无湿渍
二级不允许渗水，围护有少量、偶见的湿渍
三级有少量漏水点，不得有线流和漏泥沙，每昼夜漏水量＜0.5L/m2
四级有漏水点，不得有线流和漏泥沙，每昼夜漏水量＜2.1L/m2
2.2防水要求
我国公路隧道设计规范对防排水的规定，一般公路隧道应做到：
（1）拱部不滴水，边墙不漏水。
（2）路面不冒水，不积水，设备箱洞处不渗水。
（3）冻害地区隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结。
汽车专用公路隧道则应达到拱部，墙部及设备箱洞处均不渗水。
该规定较为笼统，设计和施工掌握标准不易统一，给质量评定带来一定难度。
3公路隧道防水设计与施工中存在的问题
3.1防水认识问题
公路隧道的防排水问题虽然引起广大技术工作者的关注，并致力于这方面的工作，但在认识上，特别是来自建设（业主）方面的认识，仍有待加深。
3.2标准规范中存在的问题
公路隧道设计规范自1990年实施以来，已有10余年，隧道不仅发展速度较快，且洞内现代设施日趋完善。
在山区公路中，除特长隧道外，短的和中长的隧道比重很大，在这种情况下，对上路隧道防水划为等级就显得很重要。
如位于城市、风景区或车、人较多的隧道与山区公路隧道，富水区隧道与贫水区隧道，它们在防水要求上应有差别。
再比如严寒地区隧道排水则只要使纵排水沟和出水口不冻结，衬砌背后不积水，整个隧道形成一个通畅的防寒排水系统，隧道就不致产生冻胀破坏，出现大的冻害，如侧墙内移，衬砌冻裂，衬砌表面挂冰、冰柱、冰溜、路面冻起和冰锥等病害。
制定以公路隧道防水等级，是合理选用防水材料，正确组织施工，保证相应等级的防水质量，做到经济、合理的有效措施。
3.3防水设计中存在的问题
当前公路隧道防水设计较为粗糙，体现在文件内容上，如对材料要求过于简单，对施工要求不具体。
我们知道，公路隧道防水设计包括洞外排水、洞内防水和堵水、洞内排水3个方面，构成隧道完整的防水系统。
然而，各部分的位置、基面状态及遇水情况是不一样的，故材料的选择，施工技术要求也应不同。
以洞内防水和堵水为例，前者用防水卷材，后者用橡胶带（条），对它们的老化要求是一致的。
对它们的力学性能要求就不一样，同为防水卷材的基面是凹凸不平的，而橡胶带（条）的基面是平整的，因此，设计文件中只标注材料型号是不够的，何况，同一防水卷材，由于它的合格标准指标定得太低，存在着合格品与优等品之间性能差异很大，如PVC防水板的拉伸强度，合格品为7Mpa,优等品则达到15Mpa，选用哪一种，设计文件应明确规定。
所以，防水设计在内容上应细化，要求应明确、具体，还应注意防水设计与施工技术，施工工序和施工质量相匹配，确保设计与实施效果相符合。
在防水系统的设计思路上，要明确使其畅通无阻是隧道防水设计成效的关键。
因此隧道建设各方面应明确以下思路：
洞外水就近排走，绝不能流入洞内；
洞内水及时快捷地排出洞外；
在施工过程中根据实际情况不断完善设计。
3.4防水材料问题
公路隧道使用的防水材料多为高分子聚合物，如PE板，PVC板，CW系列等。
它们在阳光辐射，化学腐蚀及水等因素作用下都存在老化问题。
随着老化程度加深，材料的强度，延伸性等物理力学性能都将逐渐衰退，直至失效。
影响防水板老化的因素较多，也比较复杂，要准确测定老化程度既费工，费时又费财，而且测定某处的老化资料也难具有代表性。
目前各生产厂家提供的老化系数或标称的30~50年使用寿命，多用加速老化实验获取的资料数据，推算所得，其可靠程度值得研究。
直至目前，还没有防水卷材老化与隧道衬砌混凝土寿命之间的相关性资料，所以，防水卷材老化问题应引起足够重视。
由于老化的客观存在，我认为应加强两方面的工作：
一是研究延缓材料老化性能，使防水材料与衬砌混凝土的寿命接近同步；二是研究防水材料在隧道断面结构中的位置布置，使防水材料处在便于修理或更换的地方。
3.5施工中存在问题
隧道防水施工质量的优劣是防水效果好坏的关键，而防水材料的基面状态又是影响施工质量的重要因素。
当前绝大多数防水设计很少对防水材料的基面提出具体要求。
公路隧道开挖多为钻爆施工，基面凹凸不平是不可避免的。
基面凹凸差距较大，防水卷材铺上，浇模注混凝土时会出现两种情况：
一是防水卷材与基面不密贴，形成空隙；二是防水卷材被顶破或撕裂。
根据日本的试验表明：
当D/L=1/6时（D为喷混凝土两相邻凸间凹进深度，L为两凸面间的距离），厚度为0.8~1.5mm加300g/m2缓冲材料的防水板，与凹凸基面是充分密贴的；当D/L=1/3时，密贴性非常差。
在对D/L=1/3、1/6和1/10的3种情况进行对比试验后，提出D/L值应控制在1/6~1/10之间。
我国对公路隧道喷射混凝土基面平整度要求为：
边墙D/L≤1/6，拱顶≤1/8。
我们可以用此值来控制施工质量，超过的应予补，这是从设计上保证防水质量的一项措施。
所以，在设计文件中，应根据围岩类别，提出相应的D/L值要求，便于施工单位控制质量和正确选材。
4公路隧道设计与施工要点
4.1防水材料的选择
用于公路隧道的防水材料，品种繁多，质量各异，冒牌和劣质产品时有出现。
在合格产品中，同一厂家生产的同一品牌的防水的材料，因等级不同，性能差距也较大。
如RT-4型防水卷材分优等品，一等品与合格品，它们的拉伸强度分别为14.2Mpa,10.8Mpa和7.9Mpa,优等品与合格相差近一倍，选哪一级更能保证防水质量，就需要设计者根据围岩情况和施工方法提出具体要求；施工单位也应根据实际的基面状态提出选用等级的建议。
如果不了解材料的这种差异，只标注一个型号，可能会出现D/L值大时，选用材料的拉伸强度却低的情况，结果是防水效果差。
除材料品种、等级外，对防水卷材的厚度和无纺布厚度也应有所选择。
一般来说，防水卷材厚度大，抗顶破、撕裂性能好，但韧性、与基面贴密性差，施工不方便，成本也较高；太薄的防水板又易于被顶破或被撕裂，失去防水作用。
试验表明：
1.5mm和1mm的高压PE塑料板的焊接工艺和防水效果完全相同，力学性能都满足施工荷载的要求，故防水板厚度宜选在0.8~1.5mm之间较合适。
具体选用时应根据基面状态而定：
基面平整，可选厚板；平整度差，应选取薄板。
无防布的厚度一般宜大于3mm（300g/m2），可满足滤水，导水及起保护层作用。
材料选择除设计文件上应有要求外，关键是施工时应根据开挖后的基面状态作最终选择，以确保材料的可靠性，保证防水效果。
若开挖后的基面D/L值在1/6或偏下，应首选取CW系列的防水板，因该产品产除具有韧性好，操作方便外，它有多个方向的灵活性以适应较大范围的D/L值，确保浇筑混凝土时防水板不会被顶破；同时该产品采用一钉双挂法，可减少销钉数量；竖平重叠法接头，可增大授接头抗拉强度。
总之，防水材料的正确选择，是防水成败的一个重要方面，一定要认真对待。
4.2加强衬砌混凝土的自防能力
提高公路隧道衬砌混凝土的自身防水能力是增强隧道防水效果的有效措施，由于依赖防水层的作用，对衬砌混凝土的自防能力往往有所忽视。
混凝土渗、漏水的原因，是孔隙的存在。
空隙为施工孔隙和构造孔隙两种类型，前者以控制振捣密实解决；后者以调整配合比设计或掺外加剂解决。
所谓防水混凝土是在普通混凝土的基础上，通过调整配合比或掺外加剂如BR系列增强防水剂等，提高混凝土的密实性，使抗渗等级大于0.6Mpa,而较多的设计文件上只有“衬砌混凝土”为防水混凝土一句话，没有具体要求，使施工和监理难于控制其质量。
我认为对衬砌混凝土的自防能力，就根据隧道处最大作用水头（H）与防水混凝土衬砌壁厚（h）的比值提出抗渗等级要求，防水混凝土抗渗等级见表2。
同时，还需对施工提出有关具体要求，如施工缝是采用一道防线还是多道防线等。
表2防水混凝土抗渗等级
H/h抗渗等级/Mpa
＜100.6（p6）
10~150.8（p8）
15~251.2（p12）
25~351.6（p16）
＞3520（P20）
注：
1.括号内为抗渗等级的另一种表达方式。
2．H为最大作用水头，h为防水混凝土衬砌壁厚。
4.3防水系统设置
公路隧道防水系统的设置，既要满足防排水的功能要求，又应考虑维修，更换的方便。
将防水系统设在模注混凝土之后是值得采用和推广的。
它的结构为：
基岩→喷锚混凝土→模注混凝土→防水层→保护层。
这种结构具有以下优点：
（1）基面平整好，适应防水层卷材的范围宽；
（2）可缩短浇注模注混凝土的工序时间，有利于隧道围岩的稳定和安全施工；
（3）防水层施工工期不受掘进工序控制，也不影响其它工序的进展；
（4）对防水层的维修或更换方便；
（5）可满足人为景观期望，最大限度的实现美学要求。
保护层的形式观列三种供能考：
形式一：
在防水层外浇10cm厚的钢筋网混凝土保护层。
优点是坚固并与模注混凝土弧面保持一致。
缺点是多一次挂网、立模工序，维修、更换防水层时要凿掉钢筋网混凝土，费工又费时。
形式二:
采用重庆九龙隧道形式。
优点是维修方便，增强了活塞作用，有利通风,减少噪声缺。
缺点是内空线型美观感欠佳。
形式三：
沿隧道长每间隔一定距离，设环形钢门架，沿钢门架铺没装饰板。
优点是施工及营运中的维修防水层时折、装方便；缺点是靠地面2m范围内，装饰板抗外力破坏能力弱。
保护层的形式是多种多样的，采用哪种形式，应根据实际情况确定。
公路隧道防水层系统设计和结构形式，随着科技的进步和新材料的发展，有待改进和突破。
4.4隧道防排水施工
隧道防排水遵循“以排为主，防排结合，因地制宜，综合治理”的原则，争取隧道建成后达到防水等级要求。
4.4.1施工准备
施工前详细阅读设计图纸及资料，实地观察地质,地形，根据钻探资料等，预计可能出现的地下水情况，做好洞口浅埋段和透性强地段的处理工作。
施工准备工作包括以下几项：
（1）检查勘探孔是否按要求处理完毕;
（2）洞顶上方沟谷如存在较多裂隙，地表水渗漏影响施工，用水泥砂浆勾缝抹面处理；（3）洞口附近排水需畅通，修建的临时排水沟特别注意要勾缝，保证一定坡度，且坡度要平顺；（4）洞口顶部截水沟预先按图纸修建好，以确保隧道进洞开挖时不出现渗漏水。
4.4.2防水施工
防水措施包括：
（1）在初期支护与二次衬砌之间敷设一层PVC复合土工布防水板，作为第一道防水措施，防水板敷设范围为自拱部至边墙下部引水管。
（2）拱部及边墙二次衬砌采用不低于S6等级的防水混凝土，作为第二道防水措施；
（3）沉降缝用XZ-322-30型中埋式橡胶止水带止水，施工缝用BW-96Ⅱ型遇水膨胀止水带止水。
4.4.2.1PVC复合防水板施工
（1）施工前准备工作
材料进场及验收。
厂家PVC复合防水板进场后，除对其外观进行检查外，还需要检查材料合格证，检验报告单及各项控制指标是否达到有关技术要求。
经检查合格后，材料方可进场，并堆放到专门存放地点。
制作简易台车。
简易台车的制作从安全、经济、轻便、隧道净空，底下通车，易于行走等几个方面进行考虑。
临时台车由钢管焊接成支架，上面铺设5cm厚木板；底部设行走系统，可沿轨道行走。
台车用于防水板、透水管，绑扎钢筋等施工。
初期支护面的修整。
铺设防水板前，截掉喷射混凝土面外露的锚杆头及钢筋断头。
对初期支护面凹凸不平部位进行修整，采用修凿，补喷和抹砂浆等方法，使基面尽量平顺。
（2）防水板铺前拼幅。
PVC复合防水板的规格为28m×2m×1mm，二次衬砌混凝土施工时每12m浇灌一次，所以防水板铺设是以12m为一循环进行的。
在第一次铺设时，考虑下一循环连接，长出混凝土端头板2m，第一次铺设长度为14m。
防水板铺设施工时高空焊接操作比较困难，所以铺前进行拼幅，以减少高空作业。
拼幅以纵向6m，横向满足隧道环向长度为一幅。
隧道建洞后，可在洞内拼幅。
防水板搭接宽度不小于10cm，两道焊缝宽度均不小于2.5cm，用DSH-C型自风调温塑料焊枪进行焊接。
焊接前，接头应清理干净，接头处不得有气泡，折皱及空隙，强度应不小于同质材料。
（3）PVC复合防水板的铺设。
防水板应在初期支护变形基本稳定后，二次衬砌施做前进行，铺设前对初期支护面进行检查，符合要求后铺设在简易台车上进行，工艺如下：
①防水板就位：
铲车把拼幅好的防水板运送到铺设位置，人工将防水板卸在台车上，施工人员二字排开，将防水板托起至要求位置，注意与上一循环连接处保证有10cm以上的搭接。
摊平防水布，并注意不要绷得太紧。
②钻眼：
用直径8mm冲击钻打眼，拱部打眼距离为1m×1m，墙部为1.2m×1.2m，梅花型布置。
③打固定钉、固定防水板：
在打眼处先打进加工好的圆木条，再打进固定钉（固定钉带垫圈），将防水板固定。
注意钉间防水板不宜绷得太紧，保证防水板紧贴基面。
④覆盖固定钉：
在打好固定钉的位置加盖一块防水板（15cm×15cm），其四周与原防水板焊接。
⑤防水板连接：
连接处防水板搭接宽度不小于10cm，两道焊缝宽度均应大于2.5cm。
（4）质量检查。
防水板施工完毕后，施工方自检，并做好隐蔽工程检查记录，监理同意后进行下一道工序施工。
4.4.2.2二次衬砌防水施工
混凝土在硬化过程中产生细缝可通过掺外加剂提高抗渗性能。
拱部及边墙二次衬砌作为洞内第二道防水措施，设计要求混凝土标号达到C25，混凝土抗渗等及达到S6。
衬砌混凝土采用机械化施工，搅拌机搅拌，泵送混凝土，模板为液压模板台车。
混凝土配比要考虑设计、施工两方面要求，如表3所示，以供参考。
施工中采用4%的FS-P防裂型防水粉剂或5%水剂都能达到抗渗S6的要求，推荐使用粉剂，因为粉剂抗渗能力更高，且易搅拌均匀。
表3隧道衬砌混凝土（C25/S6）配比及实验结果
混凝土材料用量及比例
试验结果
材料名称
水泥（普硅）
砂（0~5）
碎石（5~31.5）
水（饮用水）
外加剂（FS-P）
粉煤灰（一级磨细））
混凝土抗压强度/Mpa
抗渗等级
止水高度/mm
配合比kg/m3
320
784
1036
180
12.8
64
R7=26.3
R28=34.6
S12
50
衬砌施工缝、沉降缝是隧道防水薄弱环节，处理不好则会出现渗漏水，会造成对衬砌浸蚀，电器设备锈蚀的危害文通安全等后患，必须引起足够重视。
施工缝选用膨胀止水带（BW-96Ⅱ型）防水，经实验，该止水带膨胀系数可达2.8倍。
沉降缝采用中埋式橡胶止水带进行防水，它具有高弹性和压缩变形的特点，在外力作用下产生膨胀，从而起到紧固、密封、有效地防止接缝的渗漏水。
隧道二次衬砌台车按12.2m进行设计，沿纵向每12m为一循环，灌注一次混凝土，施工缝每12m设置一道，沉降缝在围岩类别及衬砌形式发生变化处进行设置。
在安装止水带及混凝土浇灌时，应注意对止水带的保护，如发现破裂应及时修补。
浇灌混凝土时，就防止止水带偏移，并充分振捣，使止水带与混凝土很好的贴合。
止水带安装工艺如下：
（1）施工缝膨胀式止水带；待浇混凝土一侧用塑料条（与止水带尺寸一样）固定在端头模板上，浇灌混凝土时预留出止水带凹糟，混凝土凝固后拆除挡头板，拉出预埋塑料条。
在进行下一循环混凝土浇灌准备工作时将膨胀式止水带嵌入预留凹槽中，再沿止水带方向每隔100cm在其两侧打固定钉，然后用细铁丝绑定即可。
（2）沉降缝中埋式止水带：
沿衬砌环向每隔100cm设一道定位卡，定位卡由待浇混凝土一侧穿入另一侧，内侧钢筋卡卡紧止水带一半，另一半止水带贴在挡头板上，待混凝土凝固后拆除挡头板，将原贴在挡头板上的止水带拉直后，弯曲钢筋卡卡紧另一半止水带，即可浇灌下一循环衬砌混凝土。
4.4.3排水施工
在洞内路面两侧设置矩形边沟，以排除衬砌后围岩渗水和路面积水。
衬砌之仰拱地段在路面平整层下，设置纵向间距为5m的横向透水管，以排除隧道底部渗水，防止地下水对路面的破坏，为了有效地排除衬砌背后积水，在衬砌支护与防水板之间设置软式透水管环向盲沟，再将盲沟水引入边沟排出洞外，排水边沟纵坡与隧道纵坡一致。
4.4.3.1软式透水管施工
透水管布设位置包括：
集中涌水地段，大面积淋水地段的岩面部位；喷射混凝土与二次衬砌之间；路面下无仰拱地段及有无仰拱的交界地带。
详见图1所示：
软式透水管施工工艺，不同地段也有所不同。
（1）岩面涌水地段透水管。
①测量放样：
在需透水管的地方进行测量放样，定出软式透水管安放的具体位置。
②铺设就位：
沿透水管先铺一层250g/m2无纺布，放置软式透水管，再放0.2mm厚塑料布及1cm×1cm细格铁丝，派人托住准备打眼。
③打眼：
用直径8mm冲击钻进行钻眼，拱部打眼距离为1m，墙部为1.2m。
④打入固定钉，绑扎牢固：
在打眼处先打进加工好的小圆木条，将无纺布，透水管，塑料布等一起固定。
然后用ф4mm铁丝绑扎牢固。
（2）沿喷射混凝土表面的透水管。
测量放样：
定出软式透水管安放的具体位置。
打眼：
沿透水管放样线按一定距离用冲击钻钻眼，拱部眼距1m，墙部1.2m。
③打钉：
在打眼处打进加工好的小圆木条，再打入固定钉。
④安装透水管：
沿放样线放置软式透水管，卡在固定钉中间，然后用φ4mm固定铁丝绑定。
（3）路面下横向透水管
①测量放样：
定出透水管安放具体位置。
②开槽：
沿放样线开凿透水管放置槽道。
③放入软式透水管，在空隙处填入砂砾。
④打眼：
铺上PVC复合防水板，沿透水管放样线每隔2m，在其两侧用冲击钻打眼
⑤打进小圆木条，再打进固定钉，将透水管与防水板一起固定。
4.4.3.2排水边沟的施工
洞内排水沟设置于路面两侧，用于排除衬砌后盲沟引水，围岩渗水及路面积水，它是洞内主要排水渠道，设计断面为矩形。
洞内排水边沟在隧道开挖贯通后进行，目的是为了确保边沟线型平顺及工序施工方便。
排水边沟模板采用钢模板，以保证外观质量。
边沟施工主要包括，模板制作，盖板预制，边沟混凝土浇筑，铺设预制盖板。
边沟施工流程为：
场地清理→预制边沟盖板→洞内边沟基底清理→边沟位置测量放样→绑扎钢筋→安装边沟模板→浇灌边沟混凝土→等待混凝土凝固→拆模→铺设边沟盖板。
隧道排水边沟施工时应抓住以下要点，以保证排水畅通及外观质量：
1边沟测量放样准备；
2模板安装接缝处连接平顺；
3每次拆模后进行模板面刨光、上油；
4边沟混凝土浇注时加强振捣。
5公路隧道渗、漏水处理措施
公路隧道的防水系统，一般是设在喷混凝土与模注混凝土之间，用防水卷材铺一层防水层；有缝之处设止水带；纵、环向设排水管，称为防、堵、排三设防。
然而，“三防”设在喷混凝土与模注混凝土之间有些不利：
一是防水材料破裂或老化失效后，不利于补救；二是排水软管一旦被泥沙淤塞，不利于疏通；三是“三防”中任一防遭到破坏，不利于维修或更换，导致防水功能失效。
故对防水系统的设置问题，也引起广大技术工作者的重视。
重庆九龙隧道建成后漏水严重，采取的补救办法是重做防水层。
即在隧道内空面上挂防水板，防水板外做保护层。
保护层结构为：
沿隧道长每间隔3m设一道钢筋混凝土门形支架，支架间的侧墙砌砖，拱弧部分安装珍珠空心板，隧道净空成折线形。
此补救措施不但解决了漏水问题，还带来了以下好处：
维修或更换防水层方便；折线内空压缩了断面，增强了行车活塞作用，有利于通风；减少噪声，破坏噪声的共鸣条件，缩短噪声的混响时间；保护层又具有装饰功能，满足对景观的美学要求。
九龙隧道的做法，为防水系统开辟了新思路。
6结语
目前，公路隧道的防水设计主要包括洞外排水、洞内排水和堵水，洞内排水设计，以构成一个完整而统一的防水系统。
根据工程地质、水文地质等具体情况进行施工设计，并根据经验，施工情况最终确定防水材料的选择。
明确使其畅通无阻作为防水系统设计的原则思路。
隧道防排水施工应以防、截、排、堵相结合的综合治理原则进行。
隧道进洞开挖前，需对隧道地质、水文等条件进行调查，然后根据使用要求、施工方法、出水部位及水量大小等情况，制定切实可行的排水方案，做到“防”有措施,“排”出路。
重视施工防排水设施与结构物防排水工程相结合。
从而改善施工中的劳动条件，保证施工安全和质量，节省投资，防止运营中发生混凝土浸蚀、衬砌渗漏水、道路翻浆、电器锈蚀以及交通事故等后患。
总之，应不断总结经验，探讨新技术。
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