隧道及地下工程结构渗漏水病害的防与治

李 蓉，唐小杉

(中铁西南科学研究院，四川成都，610031)

作者简介: 李蓉，教授级高工，主要从事隧道及地下工程防水专业的科研与工程咨询等。

【摘 要】 本文针对当前隧道及地下工程渗漏水问题严重、防水系统工作效果较差的现状，在总结隧道及地下工程结构特征和防治技术的基础上，研究建立了隧道及地下工程结构渗漏水病害防与治系统。该系统以二次衬砌或主体结构自防水为基础，由混凝土结构自防水、混凝土衬砌接缝防水、混凝土衬砌裂缝化学注浆修补技术等组成。经工程实践证明，该防治系统具有安全性好、可靠性高、耐久性好、可维护性强的特点。

【关键词】 隧道及地下工程; 结构自防水; 渗漏水病害; 化学注浆; 防治系统

1 概述

1．1 隧道及地下工程渗漏水现状

随着隧道及地下工程建设的迅速发展，其修建难度亦不断增大，渗漏水问题发生频率较高，对工程运营安全带来较大影响，渗漏水隧道所占比例很高，尤其是山岭隧道几乎十隧九漏。渗漏水病害对地下工程围岩及结构的稳定性、地面建筑和隧道周围水环境等都会产生诸多不利影响，危及行车安全、设备安全和人员安全，已成为目前困扰工程运营的难题。

1．2 隧道及地下工程防水技术概况

随着人们对地下工程使用要求的不断提高，防水问题逐渐为人们所重视。目前，我国在隧道及地下工程方面的发展迅速，对工程的防水要求更加严格。防水措施从以往的单一防水向复合防水、综合防水方面拓宽。随着注浆技术、材料技术、混凝土技术以及机械技术的不断发展，隧道及地下工程防水技术也取得了较大的进步，主要有以下几个方面。

(1)混凝土结构自防水技术

通过混凝土的配合比设计、材料的选择、外加剂的使用、优化各组分相互间适应性等技术提高混凝土结构防水技术，例如在混凝土中添加膨胀剂、抗裂剂等，混凝土产生适量膨胀，防止混凝土开裂; 加入减水剂降低水灰比、控制水化反应，使生成的钙矾石晶体填充、切断、堵塞混凝土的毛细孔，切断渗水通道，提高混凝土的密实度和抗渗能力等，使混凝土不裂不渗，从而达到混凝土结构自防水的目的。

(2)防水层防水

防水层防水通常指卷材防水层和涂膜防水层防水，利用其抗渗透作用，在水压力作用下保持不透水，从而起到防水的作用。

(3)混凝土接缝防水

混凝土结构接缝是隧道及地下工程防水的薄弱环节，施工缝、变形缝是最常见的渗漏位置。目前，较为常用的防水方法主要有橡胶止水带、钢边止水带、PVC止水带、可注浆式止水带等。

1．3 隧道及地下工程防水与治水中存在的技术难题

基于隧道及地下工程的特殊性，目前存在的难点主要表现在以下几个方面:

(1)隧道及地下工程防排水系统的有效性问题。目前的防、排水体系受施工、围岩变形、地下环境中的微生物以及泥沙沉积等因素影响，极易失去防、排水作用，且当前的防、排水系统可维护性较差，一旦形成渗漏，难以彻底修复。

(2)二次衬砌自防水与耐久性问题。目前的二次衬砌结构因施工或材料等问题，常常导致结构出现裂缝，形成缺陷。使地下水渗流至结构内部，导致结构防水失效，致使二次衬砌的耐久性得不到保证。

(3)二次衬砌结构接缝防水措施薄弱，维护困难。因目前二次衬砌结构接缝防水多采用橡胶止水带、钢板止水带、嵌缝胶以及遇水膨胀橡胶条等措施，由于施工工艺复杂、材料间的匹配性差、防水设施与混凝土的粘结能力不足等诸多原因，形成的缝隙缺陷易成为地下水迁移通道。

(4)隧道及地下工程的渗漏水治理困难。隧道及地下工程的渗漏水是由于支护结构体系内部缺陷形成的渗漏，其治理需要标本兼顾，鉴于技术实施的可操作性控制因素复杂、施工干扰大等诸多困难，隧道及地下工程渗漏水的治理往往事倍功半。

2 研究成果

在充分调研国内外现有隧道及地下工程防水技术的基础上，结合目前隧道及地下工程防水存在的问题，建立了可靠性高、耐久性好、可维护性强的隧道及地下工程结构渗漏水病害防治系统。主要包括高性能防水型二次衬砌结构、预埋式可注浆混凝土接缝防水系统以及混凝土裂缝高压化学注浆治理技术。

高性能防水型二次衬砌，采用高性能抗裂防水混凝土浇筑而成，具有耐久性好、承载力强、防水可靠等特点，主要起到抵抗地下水的作用;

预埋式可注浆混凝土接缝防水系统，在二次衬砌结构接缝处预埋注浆管路，通过注入化学浆液，封闭接缝处的缝隙，防止地下水沿接缝渗流至工程结构内部，同时，该注浆系统具有重复注浆功能，可根据需要进行重复注浆，使接缝处防水具有可维护性;

混凝土裂缝高压注浆治理技术，以化学注浆技术为依托，对二次衬砌结构破损处进行注浆修补，确保衬砌结构防水能力，在工程后期运营中可根据实际情况及时对二次衬砌结构进行修补。

3 工程实例

3．1 高性能防水型二次衬砌工程应用概况

在辽宁省大伙房特长输水隧洞(全长84.5km)富水段，进行了衬砌自防水混凝土现场应用试验。采用掺加CSA抗裂防水剂、粉煤灰、调整混凝土配合比配方的方法，达到控制裂缝产生的目的，以提高混凝土衬砌自防水的能力。

主要技术参数: 本试验段在取消300g/m3土工布和2mm厚防水板的基础上，直接在厚200mm、强度等级C25(挂钢筋网φ8@150×150)喷射混凝土初支的基础上模筑衬砌防水混凝土。衬砌混凝土厚300～500mm，强度等级C25/P8/F100，为现浇混凝土。

本试验段共进行了3个浇筑段(36m)的试验，各试验段的内容如下:

试验段1: 为空白对照段(不添加粉煤灰和CSA抗裂防水剂)，里程桩号K15+900～15+912;

试验段2: 为不添加粉煤灰只掺加CSA抗裂防水剂试验段，里程桩号K15+912～15+924;

试验段3: 为添加粉煤灰和掺加CSA抗裂防水剂试验段，里程桩号K15+924～15+936。

材料配比见表1。

表1 衬砌混凝土的配合比

现场应用结果:

①掺加CSA抗裂防水剂和粉煤灰的试验段，拆模后未见漏水点(见图1);

图1 掺加CSA抗裂防水剂和粉煤灰的试验段

②只掺加CSA抗裂防水剂的试验段，拆模后仅有3处漏水点(2处点状渗水，1处横向裂缝渗水)(见图2);

③不掺加CSA抗裂防水剂和粉煤灰的试验段，拆模后有10处漏水点(8处点状线流式出水，2处横向裂缝面状线流式出水)(见图3)。

图2 只掺加CSA抗裂防水剂的试验段

二次衬砌防水性能，不能依赖提高混凝土标号的方法来提高衬砌结构的自防水性能。提高防水能力的重点在于控制混凝土结构的毛细孔、微裂缝等结构内部缺陷，进而达到提高防水的目的。本文研究内容提出的抗裂防水混凝土技术，主要是通过采用减水剂、引气剂以及CSA抗裂剂等外加剂，并掺加一定量的掺和料，配制出抗裂防水混凝土，其抗渗指标能够达到W20级，满足隧道防水要求。通过在大伙房特长输水隧洞六河段的现场应用表明，该防水混凝土构成的二次衬砌具有较好的防水性能，而且耐久性也较好。

图3 未掺加CSA抗裂防水剂和粉煤灰的试验段

3．2 预埋式可注浆混凝土接缝防水系统工程应用概况

3.2.1 预埋注浆管衬砌接缝防水方法

图4 预埋注浆管衬砌接缝防水原理示意图

预埋注浆管衬砌接缝防水技术是将特种注浆管预埋在衬砌接缝位置，待衬砌混凝土达到要求强度，向注浆管内注入高分子化学防水材料，使高分子防水材料充满衬砌接缝内的空隙，实现对衬砌接缝的封堵，其防水原理见图4。注浆管初次注浆后，采用高压空气冲洗注浆管，如运营期间接缝再次发生渗漏可以进行重复注浆进行防水，实现了衬砌接缝防水系统的可维护性。

3.2.2 衬砌接缝防水注浆的材料选择

高分子浆材具有良好的渗透性，为衬砌接缝防水注浆的首选材料。根据以往工程经验，聚氨酯和丙烯酸盐两种材料较为适合。

3.2.3 现场应用

本试验选择辽宁省大伙房特长输水隧洞六河段衬砌施工缝进行，该段施工缝位于富水地段，地下水十分丰富，衬砌施工完成后施工缝渗漏水较为严重，试验采用聚氨酯和丙烯酸盐为注浆材料，获得了很好的效果。

注入丙烯酸盐的施工缝，注浆前从预埋注浆管路预留在混凝土外部的6个注浆导管管口向外流出的水量为600～800m3/d，注浆后环向施工缝处的渗漏水量基本为0，堵水率为100%，堵水效果见图5。

图5 注入丙烯酸盐的环向施工缝前后渗漏水情况

注入聚氨酯的施工缝，注浆前从预埋注浆管路预留在混凝土外部的6个注浆导管管口向外流出的水量为800～1000m3/d，注浆后环向施工缝处的渗漏水量基本为0，堵水率为100%，堵水效果见图6。

图6 注入聚氨酯的环向施工缝前后渗漏水情况

试验结果表明，聚氨酯和丙烯酸盐化学浆材对于隧道衬砌混凝土结构接缝的注浆，工艺上具有可行性，堵水效果明显，注浆后环向施工缝无渗水现象，达到预计防水效果。

3．3 衬砌混凝土裂缝渗漏水治理技术研究

3.3.1 衬砌混凝土裂缝渗漏水病害类型

(1)根据渗漏水程度将渗漏水定性分为湿渍、渗水、滴水、滴水成线、射水和涌水。

(2)根据渗漏水病害发生位置的不同，分为拱顶(顶部)渗漏、边墙渗漏、仰拱(底板)水害和附属设施水害。

(3)根据隧道渗漏水的补给水源的不同，分为地下水补给和地表水补给2种，其中地下水补给的渗漏水病害，水源稳定，四季变化不大; 而地表水补给的渗漏病害，受地表降水影响较大。

3.3.2 注浆法治理衬砌混凝土裂缝渗漏水的机理、材料及工艺

地下水之所以能够渗透过二次衬砌，是因为二次衬砌结构体内部存在孔洞、缝隙等水流通道，衬砌内部注浆是通过压力设备将注浆材料压入二次衬砌结构体内的孔隙，浆液凝固后与二次衬砌形成一个整体，封闭水流通道，提高二次衬砌的抗渗能力，进而达到治理渗漏的目的。化学注浆法主要用于治理隧道及地下工程的渗漏水，其堵水原理是采用钻孔与地下水渗流通道连通，并在钻孔内安装注浆针头，浆液通过注浆针头逐渐扩散、填充衬砌接缝内的空隙，如图7所示。注浆针头与衬砌接缝的空间关系一般为注浆针头与衬砌接缝斜交(a)，注浆针头骑缝注浆(b)两种方式，主要根据衬砌接缝的延伸情况、结构形态以及注浆目的等因素决定，其目的是钻孔必须与衬砌接缝相交，保证浆液能够扩散。

图7 针头注浆治理衬砌接缝渗漏水

(a)注浆针头与接缝斜交注浆; (b)注浆针头骑缝注浆

衬砌内部注浆根据二次衬砌孔隙情况、渗漏情况的不同，而使用的注浆材料和工艺都不同，主要可以分为以下2种注浆材料施工工艺。

(1)堵水型衬砌内部注浆

堵水型衬砌内部注浆是以堵水为主要目的二次衬砌混凝土注浆，要求二次衬砌混凝土结构完好，具有足够的强度，此种注浆堵水常用在治理衬砌施工缝、变形缝以及不影响结构承载力、不需要结构补强的裂缝等处的渗漏病害，通常选择堵水型材料及工艺即可。

(2)补强型衬砌内部注浆

二次衬砌由于施工、荷载过大等原因形成的蜂窝或较大裂缝，发生的渗漏水病害，治理前需要对衬砌进行结构补强。渗漏水治理过程中宜选择补强型注浆材料及工艺。

3.3.3 注浆法治理衬砌混凝土裂缝渗漏水的设备

注浆泵采用电动或手动高压小型化学注浆泵，注浆泵的流量应大于1L/min，以避免因流速小渗透速度慢而造成注浆系统的堵塞，影响浆液充分扩散到接缝的周围。注水泵与化灌泵不得交叉使用，常用的电动注浆泵如图8所示。

图8 电动单液注浆泵

3.3.4 现场试验及工程实例

宜万铁路某隧道衬砌裂缝渗漏治理，经过注浆处理，共钻孔21个，使用聚氨酯材料注浆，达到衬砌表面无渗水的效果，图9为治理前和治理后(30h)衬砌表面的情况。

图9 治理前后对比图

(a)治理前; (b)治理后

青藏铁路昆仑山隧道渗漏水治理，采用聚氨酯材料注浆，治理后解决了渗漏水引起的冻害问题，历时10年，效果良好。

图10 青藏铁路昆仑山隧道渗漏水对隧道造成的危害

图11 青藏铁路昆仑山隧道渗漏水病害整治

4 结语

隧道及地下工程中的防水可靠性是工程界极为重视的问题，地下工程的工程质量往往在很大程度上受防水工程质量制约，隧道及地下工程防水质量对于整个工程来讲至关重要。本项目针对我国隧道及地下工程防水的实际情况，在认真分析防排水系统特征和总结已有研究成果的基础上，开展了隧道及地下工程结构渗漏水病害防治系统的研究，建立了由抗裂型自防水混凝土、预埋式可注浆混凝土接缝防水系统以及混凝土裂缝注浆修补技术组成的渗漏水病害防治系统，经多次现场试验证明，该防水系统具有良好的防水效果，而且具有较好的可维护性。该防水系统具有以下特点:

(1)以隧道及地下工程二次衬砌为防水系统载体，通过提高混凝土抗裂防水能力、衬砌结构接缝防水能力以及混凝土裂缝注浆修补技术实现防止地下水渗流至工程结构内部的目的;

(2)该防治系统解决了传统防水系统难以维护的技术难题，通过二次衬砌结构接缝预埋注浆系统的重复注浆以及混凝土裂缝修补技术能够实现防水系统的维护;

(3)该防治系统对工程环境适应性较强，对围岩压力、水压力承载力较强;

(4)该防治系统无需另设防水层，提高了工程施工效率，降低了工程成本。

参考文献

［1］李伟，杨其新，杨丹.隧道衬砌施工缝和变形缝防水新方法的研究［J］.铁道标准设计，2008，(2): 75－78.

［2］张爱君.地下工程变形缝堵漏与防水［J］.铁道标准设计，1995，(10).