明挖隧道工程混凝土抗裂防渗常见问题及提升技术研究综述

徐可，赵娟，闵强，王丙垒，纪宪坤

（1.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430083；
2.武汉源锦建材科技有限公司，湖北 武汉 430083）

随着城市化进程的加快，以城市轨道交通建设为主导的地下空间开发已进入高潮，城市水下明挖隧道工程建设也越来越多。隧道工程作为一种隐蔽的地下结构工程，大多位于城市内湖泊、江河以下，隧道混凝土结构长期处于较大水压作用下，且受到工程地质条件、设计、施工、材料以及环境因素等方面的影响。因此，对城市水下明挖隧道的防水防渗技术提出了极高的要求，防水防渗技术往往是作为施工期的关键技术之一，其应用效果直接关乎工程施工、运营状况、使用功能以及使用寿命等目标能否达成。

据统计，我国现有运行的铁路隧道5000余座，其中3433座隧道存在诸如衬砌劣损与侵蚀、渗漏水等病害[1]。以北京地铁10号线为例，有近90%的车站存在渗漏水问题[2]。而地质条件及水位情况较铁路及地铁隧道更为复杂的城市水下隧道的渗漏更严重，南京地铁1号线河西地区明挖隧道为典型的城市水下明挖隧道，在投入使用一段时间后出现了较大范围内且局部不均匀沉降，以及较多裂缝、渗漏水等病害[3]。由此可见，目前城市隧道渗漏情况极为严重，在此背景下，开展城市水下明挖隧道防水防渗技术提升的研究具有极为重要的必要性。

由于城市水下隧道建成后大多用于地下轨道交通及市政交通，一旦产生渗漏水，一方面，将影响隧道功能的正常运行，严重是甚至影响到如通信、照明等电器暖通工程；
另一方面，持续的渗漏将对混凝土结构自身的耐久性造成影响，加速混凝土结构的劣化，严重影响结构的使用安全。在此情况下，需要不断地投入人力、物力对渗漏水进行治理，造成极大的资金消耗及浪费。因此，做好城市水下明挖隧道的防水防渗技术提升具有极为重要的研究意义。

构成城市水下隧道防水防渗要素主要包括：隧道主体混凝土结构、外防水层、变形缝及施工缝等必要的防水细部节点，以及渗漏出现后的修补材料及工艺的可靠性。此类要素的设计、施工及材料本身的品质直接关系到最终的防水防渗效果，而目前存在诸多方面的问题。

1.1 隧道主体混凝土结构（顶板、底板、侧墙）开裂后渗水

隧道主体混凝土结构具有强度等级高、体积大、单向施工距离长、施工季节跨度大等特点，均不利于混凝土结构的抗裂。由于这些不利特点造成隧道混凝土处于强约束、大收缩及高温升的状态，使得隧道主体混凝土结构往往出现较多的贯穿性开裂，造成混凝土结构层渗漏水，如图1、图2所示，且往往隧道主体混凝土结构是隧道防水防渗的最重要一道防线，其质量意义要远高于其他外设防水层。

图1 隧道顶板开裂

图2 侧墙结构开裂

隧道裂缝的类型通常分为结构性裂缝和非结构性裂缝，据国内外研究资料表明[4-6]，隧道结构产生的裂缝属于荷载引起的约占20%，而属于混凝土变形引起的非结构裂缝则高达80%左右，其中以收缩裂缝为主导。对于隧道混凝土结构性裂缝，通过合理的结构承载力、配筋及沉降设计等可以大幅改善，因此，隧道裂缝控制的重点应聚焦到以收缩为主导的非荷载性裂缝。引起隧道混凝土结构容易产生收缩开裂的主要原因与其结构尺寸、施工特点、混凝土材料本身等都有一定的关系。

（1）城市隧道主体混凝土结构厚度以0.7~2.0 m居多，部分隧道项目结构尺寸如表1所示。

表1 部分隧道及地铁项目结构尺寸

结构厚度越大，散热越慢，水化温升越高，如图3所示。一方面，由于不同厚度层散热条件不一致造成表面与内部温度梯度，进而在内约束情况下形成温度应力；
另一方面，温升越高，其降至环境温度的温降越大，由此产生的温度收缩变形越大。

图3 混凝土温度随结构厚度的变化曲线

（2）隧道混凝土结构通常采用不同部位分次浇筑的方式，如图4所示，先浇筑底板及上返导墙，再浇筑侧墙，最后浇筑顶板，且侧墙结构一般采用单侧支模方式，该浇筑方式往往使得混凝土结构受到导墙、支护墙及施工缝处的单一或双重约束，由于新老混凝土结构温度收缩及自收缩的不一致，极易产生较大的外约束，加大开裂的风险，如图5、图6所示。

图4 典型明挖隧道分次浇筑结构

图5 新老混凝土的温度曲线

图6 新老混凝土不同龄期浇筑体的综合应变曲线

（3）隧道混凝土结构采用分段施工的方法，根据不同的施工进度要求，通常单次的浇筑长度在20~30 m，个别赶工期的项目一次性浇筑长度可到达40 m，甚至更长，根据约束系数与浇筑长度的关系[见式（1）]，单次浇筑长度越长，先浇混凝土对新浇筑混凝土的约束越大，同时产生的温度应力也越大，如图7所示。

式中：R（τ）——外约束系数；

L——混凝土浇筑体的长度，mm；

H——混凝土浇筑体的厚度，mm；

E（τ）——混凝土弹性模量，MPa；

Cx——地基阻尼系数，N/mm3。

图7 不同尺寸混凝土长度与约束系数的关系曲线

（4）隧道混凝土结构施工周期长，季节跨度大，大体积混凝土的温升随季节环境因素变化较大，如图8所示。混凝土入模温度对隧道结构开裂风险的影响如图9所示。

图8 不同月份某地区1 m厚侧墙温升的变化

图9 入模温度与开裂风险的关系曲线

（5）明挖隧道结构混凝土考虑其受力特点，其强度等级大多为C35～C45，由于受到钢模板的周转问题要求早拆模，通常对混凝土早期强度及富裕强度要求高，因而，胶凝材料用量大，混凝土的水化放热集中，1 d左右中心温度到达近70℃，升温快且拆模后降温越快，降温速度大，平均降温速率≥5℃/d，如图10所示，加大了混凝土的温度收缩开裂。

基于上述特点，明挖隧道混凝土结构的开裂往往成为质量通病，无论是结构尺寸、施工条件，还是混凝土配合比、原材料等，其主要体现在于加剧了混凝土的温度及收缩的变化，从而使隧道混凝土结构产生超过其自身能够承受的拉应力而产生开裂。因此，在隧道混凝土的裂缝控制上可重点从水化热调控、补偿收缩及现场必要的施工控制措施等几个方面进行针对性的裂缝控制，从而有效降低隧道混凝土的裂缝数量，提高混凝土本体的自防水性能，以满足明挖隧道结构的防水要求。

图10 某隧道1.3 m厚C40侧墙温度曲线

1.2 外防水层施工困难且易老化失效

明挖隧道外防水层铺贴形式根据外墙与基坑支护间的距离大小，可分为外防外贴和外防内贴2种。通常为降低开挖方量及节省成本的目的，大多明挖隧道开挖面小，侧墙混凝土结构施工一般为单侧支模形式。因此，底板及侧墙部位采用预铺反粘高分子防水卷材进行外防内贴的形式较多（见图11），当个别隧道采用两阶段开挖形式时，也可以按照常规的外防外贴形式卷材施工（见图12）。

采用单侧支模形式时，防水卷材通常直接通过压条或水泥钉的形式将其直接固定在外支护面上，在铺贴施工过程中通常会出现破损、搭接不牢以及脱落的情况，而底板部位的防水卷材往往也会出现类似于褶皱、搭接不牢以及施工过程中雨水提前浸泡等问题，如图13所示。这些问题的存在严重地影响外防水层的实际防水效果。而采用外防外贴形式时，其外防水作业面充裕，可以采用的外防水类型更多，能够在一定程度上避免单侧支模带来的防水卷材施工及类型选择带来的防水问题，但同其他地下工程防水问题类似，也同样存在搭接不牢靠，窜水以及外防水层脱落等常见问题，即便是在施工过程中能够有效地控制好上述问题，但大多外防水通常以有机高分子材料为主，其耐久性差且易老化失效。

图11 单侧支模外防内贴

图12 两阶段开挖双侧支模外防外贴

图13 防水卷材在施工过程中存在的问题

1.3 隧道变形缝及施工缝处的渗漏水

隧道工程渗漏水通常有“十缝九漏”之说，其中以变形缝和施工缝为主。通常的防水措施依据现有GB/T 50108—2008《地下工程防水技术规程》及CECS 370—2014《隧道工程防水技术规程》，典型的变形缝及施工缝主要采用膨胀止水条，及中埋式、外贴式、可拆卸式钢板或橡胶止水带，同时还有一些局部防水材料加强层的做法，对于变形缝还会设置一些必要的柔性密封材料进行密封处理。

但在实际施工过程中往往存在如下施工及材料问题：

（1）中埋止水带安装不到位，并非处于结构厚度的中间部位。

（2）后一道工序的施工保护不足，造成止水带破损、弯折或与混凝土之间产生较大的变形。

（3）相邻止水带未满焊或搭接、拼接不牢等问题。

（4）止水带、密封材料、填充材料以及外加强防水层材料本身耐久性不足造成的材质失效。

（5）施工缝或变形缝处的混凝土未经过凿毛及清理处理，造成新老混凝土接缝不严等。

（6）遇水膨胀止水条提前遇水造成膨胀失效等。

（7）底板上返导墙处的振捣不密实，蜂窝、麻面等问题突出等。

（8）施工缝及变形缝处渗漏的反复注浆修补以及修补材料的不断老化等。

1.4 隧道传统的修补材料及工艺可靠性低，复漏率高

传统的隧道修补工艺以开槽或直接压力注浆修补为主，发展到如今的注浆修补材料可分为水泥基注浆材料和化学注浆材料[7]。

水泥基注浆材料可分为单液水泥注浆材料和水泥基复合注浆材料。

单液水泥注浆材料：最常用的是普通硅酸盐水泥，其颗粒最大粒径可达0.1 mm。受水泥粒径影响较大，其可注性较差，只能注入大于0.1 mm的裂缝和孔隙中，对于微细裂隙注浆效果较差，并且浆液易沉淀析水、稳定性较差。将水泥颗粒机械研磨变细得到的超细水泥注浆材料可注入0.05~0.09 mm的缝隙，其抗压强度、渗透性和稳定性有较大改善，但存在成本高、储存运输难度大、黏度大、流动性差等缺点。

水泥基复合注浆材料是为了解决单液水泥注浆材料存在的缺点而逐步发展起来的。（1）水泥-黏土注浆材料是在水泥中掺入一定量黏土制得，可有效地改善浆液的稳定性和可注性，提高结石率，但是黏土的加入会增大浆液的黏度，降低结石体的强度。（2）水泥－水玻璃注浆材料是在水泥中按照一定比例掺入水玻璃，必要时添加少量外加剂制得。可有效解决单液水泥浆材料凝结时间不可调的问题，但进行注浆止水时，有碱溶出，易粉化。（3）水泥-粉煤灰注浆材料是利用较小粒径的粉煤灰替代部分水泥，并添加少量外加剂制成的注浆材料。这类新型注浆材料具有固结率高、硬度大、流动性强等优点，及其良好的物理活性和化学活性，但仍存在早期强度低的缺点[8]。

化学注浆材料可分为无机化学注浆材料（水玻璃注浆材料）和有机高分子注浆材料。

与水泥基注浆材料相比，化学注浆材料可注性好、凝结时间可调、充填密实好，更适合用于水泥难注的微细裂缝注浆施工，尤其适用于岩土等裂隙≤0.2 mm、地下水流速＞500 mm/min的条件下注浆施工。

水玻璃注浆材料是目前使用最广的一种无机化学注浆材料。水玻璃注浆材料是在水玻璃浆液中配以胶凝剂等而制成，具有成本低、可注性好、凝固时间可调节等优点，但凝结体强度低，稳定性较差。

有机高分子注浆材料主要有丙烯酰胺类、丙烯酸盐类、聚氨酯类、木质素类、环氧树脂类、甲基丙烯酸酯类等，其中丙烯酰胺类、丙烯酸盐类、聚氨酯类、木质素类注浆材料适合用于防渗堵漏工程中；
环氧树脂类、甲基丙烯酸酯类注浆材料等适合用于补强加固工程中。高分子类注浆材料除了具有化学注浆材料的优点外，其缺点也较为明显，主要表现为材料制备工艺复杂，成本较高，部分高分子材料有毒污染环境，不易于大量用于注浆施工中。

（1）丙烯酰胺类注浆材料（丙凝）是在丙烯酰胺中配以其他外加剂而制成，具有可注性好、黏度低、凝结时间可控、结石率高、抗渗性好等优点，但其存在抗压强度低、耐久性差、价格昂贵、具有毒性和腐蚀性等缺点。

（2）丙烯酸盐类注浆材料是在丙烯酸盐（钙、镁等）中配以交联剂等外加剂而制成，具有黏度低、可注性好、胶凝时间可控、抗挤出能力强等特点，但施工操作不便，极易堵管，且凝结体强度低。

（3）聚氨酯类注浆材料的浆液在遇到水分后会膨胀，可以有效堵住缝隙，多余的浆液也容易清理。由于水溶性聚氨酯与水反应后生成的物质强度＜1 MPa，当水压上升时衬砌会重新出现渗漏水现象，如图14所示，结果在水压较大的情况下需要反复注浆，造成了人力、物力和时间的浪费[9]。

图14 注浆修补后的复漏

（4）环氧树脂类注浆材料具有强度高、粘结力强、收缩小、化学稳定性好、能在常温下固化等性能，作为注浆材料存在黏度大、可注性小、憎水性强、与潮湿裂缝粘结力差等问题，因此主要用于干裂缝的处理和结构补强。另外，裂缝注浆时通常需要0.2～0.4 MPa的注浆压力，往往容易造成裂缝变宽，对裂缝产生二次伤害[10]。

综合来看，传统注浆材料及工艺对隧道混凝土堵漏均存在一定的局限性。隧道产生渗漏后无法一次性彻底根治，维护成本高，效果差。

2.1 隧道主体混凝土裂缝控制技术研究

（1）隧道大体积混凝土抗裂性评估及设计

调研已建成明挖隧道混凝土工程，分析对隧道结构混凝土的性能要求、混凝土用原材料和配合比、施工概况和开裂情况，分析结构混凝土开裂原因，明晰影响隧道混凝土结构抗裂性的关键影响因素。

基于现场现有原材料、大体积混凝土常用中热水泥等材料以及实际配合比或基于经验拟定的配合比，对原材料物理化学性能、混凝土早期水化热、力学、变形以及耐久性能进行测试。基于试验数据以及已有研究或工程的统计数据，并考虑到浇筑成型的实际大体积混凝土结构处于水化、温度、湿度、约束不断变化且多种因素交互作用的环境，结合有限元分析方法及软件，对混凝土材料、施工环境及结构尺寸等作用下的隧道大体积混凝土的抗裂性进行仿真分析，系统评估混凝土材料性能参数（热学、力学、变形等）、环境条件参数（施工季节、环境温湿度等）、施工工艺参数[入模温度、浇筑方式（跳仓施工、分段长度、分层厚度）、模板散热条件、拆模时间、保温保湿方案等]、结构约束等因素对混凝土收缩开裂的定量影响。

（2）隧道大体积混凝土抗裂性能、原材料及施工控制关键指标的提出

在抗裂性仿真计算基础上，针对影响结构底板、侧墙和顶板等不同部位开裂的主导原因，提出适用于大体积混凝土体积变形、胶材水化热等抗裂性能控制指标。继而根据实际工程混凝土性能要求并结合以往工程经验、相关规范、研究文献中对影响抗裂性的原材料因素的规定或研究结果，结合工程当地或周边原材料情况调研结果，提出抗裂混凝土原材料性能控制指标。基于对施工措施影响的定量分析，提出入模温度、分段长度、分层厚度、保温方式等施工控制关键参数和指标。

（3）低温升、低收缩、高抗裂大体积隧道混凝土制备关键技术研究

在大掺量矿物掺合料配制技术研究基础上，进一步采用水化速率和降温阶段收缩协同调控技术、纤维复合增韧技术等多种技术单独或复合使用的途径配制高抗裂隧道混凝土。一方面，通过水化热抑制剂材料对水泥水化加速期的调控，降低结构混凝土温升；
另一方面，通过氧化镁膨胀剂、氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂调控膨胀材料的膨胀历程，提高温降阶段的膨胀效能，有效解决传统膨胀补偿等技术和混凝土温度及收缩历程不匹配问题。并可以在实际使用过程中组合纤维复合材料进行系统应用。通过对底板、侧墙、顶板不同结构部位高抗裂混凝土的配合比设计和制备，采用试验和理论评估相结合的方法，研究水化速率和降温阶段收缩协同调控技术对混凝土收缩驱动力和抗力的影响规律，同时测试混凝土力学及耐久性能，在综合考虑各种性能的基础上，提出明挖隧道混凝土低温升、低收缩、高抗裂大体积混凝土制备关键技术，并给出不同隧道结构部位高抗裂混凝土建议配合比以及最优抗裂剂材料及组合。

2.2 高抗裂自防水混凝土为主，外防水为辅的主体复合防水构造应用研究

（1）不同刚性外防水材料的组合设计与应用

在高抗裂隧道自防水混凝土基础上，结合隧道外防水的作业面情况，通过防水砂浆、水泥基渗透结晶防水涂料、聚合物水泥防水涂料、聚氨酯防水涂料、非固化涂料及高分子沥青防水卷材等不同材料的单独使用、刚-刚结合、刚-柔结合的方式进行设计与实体应用，通过固定龄期内的渗漏水状态进行应用效果验证，确定最佳外防水层组合形式。

（2）不同外防水组合应用施工效果及工艺参数的研究

在不同刚性外防水材料组合设计与实体应用基础上，从渗漏面积、渗漏部位、渗漏时间、施工效率、施工成本及渗漏处理便捷性等多方面提炼应用效果及不同外防水组合应用工艺参数，并整理最佳组合施工工法或专利技术。

（3）施工工艺对比研究

针对不同的外防水材料，对比分析不同施工工艺的研究，对于防水涂料类的材料以喷涂及刷涂为主；
对于防水卷材类的材料以热熔、湿铺及自粘的形式对比研究其施工质量及效率。

2.3 特殊节点防水措施及提升优化研究

（1）接缝防水材料及构造做法提升技术

基于常见接缝防水材料及构造做法造成的渗漏水问题，通过接缝界面处预洒渗透结晶防水材料、丁基止水钢板、可翻转止水钢板及可滑动变形缝等防水材料的组合设计与选择，并结合施工缝及变形缝接缝形式的变化，提出最优的接缝防水材料组合及构造做法，并确定各防水材料关键的性能指标及施工控制要求。

（2）接缝防水施工工艺优化研究

通过凿毛处理、残余废弃混凝土清理、界面层防水加强、预埋疏水层及引流管、注浆管等施工措施，优化施工工序及工艺，形成最有效防水接缝施工工艺措施。

2.4 隧道运营阶段渗漏水病害处理措施

（1）变形缝及施工缝渗漏水病害处理措施

通过堵-排结合的防水对产生的渗漏水进行处理，根据变形缝及施工缝渗漏发生的部位，板式结构采用以排为主，以堵为辅的方式，侧墙结构采用以堵为主、以排为辅的方式分别进行渗漏水治理的措施。通过开槽引流、设置疏水层等方式将水引至排水沟或集水坑，采用局部再造防水层的方式堵住变形缝的渗漏。

（2）混凝土结构裂缝无机堵漏材料及非注浆材料与技术的探究

针对裂缝的宽度及贯穿情况，选择以无机水性渗透结晶防水材料喷涂、开槽快速无机堵漏材料封堵、表面丁基胶带贴补，超细水泥注浆修补材料等进行混凝土裂缝修补材料的对比优选，非注浆堵漏技术的应用，探究无机堵漏材料及非注浆工艺的修补堵漏效果，总结出性价比最优的材料及工艺，并推广应用。

（1）隧道裂缝控制的重点应聚焦到以收缩为主导的非荷载性裂缝，引起隧道混凝土结构容易产生收缩开裂的主要原因与其结构尺寸、施工特点、混凝土材料本身等都有一定关系。

（2）外防水层施工困难，且易老化失效，施工缝及变形缝为主无有效处理措施，且常规注浆修补材料耐久性差、工艺可靠性低、复漏率高是引起外防水及节点防水失效的关键问题。

（3）隧道主体混凝土裂缝控制技术应以高抗裂自防水混凝土为主，外防水为辅的主体复合防水构造应用、特殊节点防水措施提升优化研究为主要方向。