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隧道及地下工程防水滲漏分析

來源:原創    發布時間:2019-05-31

隧道及地下工程滲漏水是長期以來困擾專家們的一個頭痛問題,也是當前地下工程建筑中突出的質量通病和亟待解決的課題。我國北京、上海和廣州的城市地下鐵道中,滲漏水情況也已在30%左右。在地下工程較發達的日本,據調查滲漏水也達到30%以上。由此可見,隧道及地下工程滲漏水的情況十分嚴重。

根據對隧道及地下工程防水體系的失敗原因進行了統計分析,分析數據表明:由于施工原因導致滲漏水的占34.2%,設計不合理占10.4%,防水材質在不同水環境條件下變異占33.1%,結構變異致使防水體系失效占11%,維修養護不善占2.3%。由此可見,發生滲漏的原因是多方面,因此研究和分析這些原因將對提高地下工程防水質量起到重要的作用。

防水滲漏原因分析

隧道及地下工程防水體系失效性是指防水體系和材料使用過程中,由于外部作用侵蝕破壞或內部材料弱化,抵抗地下水環境的能力減弱或全部喪失。分析和研究地下工程在不同地下工程在不同地下水環境介質中的失效影響因素與機理、失效材料所產生的物質對周圍結構體性能的影響、建立評價各種失效影響因素指標及失效檢測方法,是地下工程防水體系應研究的重要問題。

一、防水施工原因

前述統計數據表明,防水施工階段是地下工程防水滲漏的主要環節,對部分防水滲漏案例進行分析后發現,既有施工不精心和工藝方面的原因,也有施工管理和檢測方面的原因,同時采用不同施工方法的地下工程,其防水滲漏原因也不盡相同。

1. 復合襯砌隧道一般采用高分子防水板(卷材),其失效原因主要有:a、防水卷材材質本身不能和噴射混凝土初襯密貼,安設時的沖擊、背面突出物等易將防水板扎破,導致漏水;b、板與板間的接合部室薄弱環節,稍有不慎會導致整個防水體系失敗;c、如遇混凝土壁面有較大空洞和凹凸的部位,二次襯砌的擠壓及圍巖變形會使防水板拉伸,特別是結合部位易發生斷裂破壞。

2. 噴涂防水的隧道及地下工程防水體系滲漏的原因有:噴涂防水膜很難保證其均勻性,雖然一般噴涂材料延展性較好,但抗拉強度較低,如發生較大外力作用,結構會發生變形和位移;易導致防水膜破裂,致使整個防水體系失效;另外該施工方法對噴涂的施工工藝精度要求高,但一般工程很難達到。

3. 自防水混凝土的防水體系失敗的原因有:地下工程工作面狹小,混凝土振搗密度實度很難達到設計抗滲的要求,另外施工縫合變形縫也是這種防水措施的薄弱環節。

以上原因說明,防水施工過程是保證工程質量的重要環節,因此應強化防水施工的重要性,針對不同的防水方法制定相應的施工細則,并建立防水施工質量檢測機制。

二.防水設計原因

一部分設計師對防水重要性的認識不夠,認為地下滲漏水不影響結構的安全問題,在選用材料和設計方式上重視程度不夠,因此在防水設計方案中結合結構特征認真研究不充分,致使防水設計不合理。

由防水設計理念問題引發的滲漏:目前地下工程使用壽命都在100年以上,而防水材料的使用壽命均達不到這一要求,因此地下工程防水設計應考慮放排水系統的可維護性和易更換性。

有防水設計經濟性問題引發的滲漏:盡管防水工程在地下工程中占得工程總費用比例是較小的,但往往設計者考慮造價的原因,仍選用價廉差的材料,也是導致防水滲漏的原因。

三.防水材料變異的原因

根據研究,發現由于防水材料材質的變異導致防水體系失效的情況占有較大的比例,其原因有地下水環境和微生物侵蝕對防水材料性能的弱化、已有防水材料材質固有的弱點隨使用的環境的惡劣和使用時間推移逐漸喪失的防水功能。如某鐵路隧道在維修養護時,其防水卷材已變質老化。發生這些情況歸納起來,主要有以下原因:a、劣質的混凝土添加劑中含有高濃度的堿性成分和不易分解的鹽類物質,導致混凝土結構的松軟,析出的物質對防水卷材起了侵蝕作用;b、凍融交替使得防水材料結構變異;c、微生物侵蝕、粘結材料變異;d、地下水中含有不同濃度的酸、堿、鹽離子對材料的侵蝕;e、防水材料材質結構的不穩定導致材料結構組織的變異。

四.工程結構變異原因

地下工程長期處于復雜的環境中,致使結構產生變異的不利因素很多,一旦發生變異,襯砌結構就會出現位移和變形、開裂、混凝土剝落等現象,進而使得防水體系失效。如由于圍巖具有流變性,后期的圍巖應力在長期的調整過程中可能會使防水板受到來自一襯和二襯得長期擠壓,在基面不平衡或有突出點處產生穿刺性損傷,造成防水層失效。在四季溫差較大的場合,常年凍融交替,在凍脹力的強烈作用下,殘余變形逐年積累,使襯砌結構位移和開裂,導致防水層逐步失效。結構本身材料劣化引起的變異,如混凝土碳化、鹽害、堿集料反應等,其析出物也是造成防水體系破壞的原因。

五.維護和管理原因

排水系統堵塞。不暢時,如果維護部善,將導致較大的水壓長期積累引起結構開裂,破壞防水體系。在嚴寒地區的隧道,冰凍產生的凍脹力是導致結構開裂和排水管堵塞破裂的重要原因,因此隧道及地下工程的維修養護是十分重要的。

主要待研究問題

隧道及地下工程環境與其他建筑工程不同,作為附著層的高分子材料,影響其使用期間耐久性的因素是很獨特的,除了一般的由溫度、濕度、光照、酸堿環境作用等引起的材料老化和降解而失效外,還要考慮地下圍巖和襯砌的長期相互作用產生的擠壓、變形因素對防水體系產生的損害作用。

一.地下結構(圍巖)環境部均勻變形對防水失效性的影響

地下結構(圍巖)環境不均勻變形對防水體系失效起較大作用是眾所周知的事實,其原因比較復雜,主要體現在地下環境特殊的外力(水壓、東脹力、塑性地壓、圍巖松弛地壓、偏壓、承載力不足、地震等)施加于結構,造成結構產生不均勻變形甚至開裂,致使防水層受局部較大的壓力、剪力和拉伸力的作用而破壞。隧道的拱頂是導致防水失效的主要部位,鐵路和公路隧道這類案例較多,其原因是由于隧道拱頂混凝土澆注工藝的缺陷,襯砌與防水層之間很難密實,有的甚至存在較大的空洞。此處往往容易形成水囊并積聚較大水壓,圍巖松弛擴大,作用在襯砌上的地壓增加,致使襯砌開裂漏水。

防水層由于地下結構環境不均勻變形所產生的破壞主要體現在防水層的物理性質上,也就是由于外界結構變化對防水層所產生的受力變化影響上。一旦某項力學指標超過了防水層材料的允許值,防水層的完整性將發生破壞,而造成防水層滲漏。另外,防水材料在受力的情況下,其耐久性也將發生變化,即防水材料的力學環境也將有可能加速材料本身老化或失效,這也是造成防水層滲漏的原因。

采用不同的防水方法,防水層在地下結構環境中所受到的破壞和影響程度是不一樣的,因此研究在這些外力作用下,對防水層本身物理性能的破壞影響程度,據此來確定防水層和結構施工過程中需要相應采取的工程措施,對防止地下防水體滲漏有著重要的工程意義。

二.防水材料的失效性檢測

隧道及地下工程防水體系目前選用的防水材料多為有機高分子材料的光熱老化、熱氧老化、光氧老化、化學介質中的老化機理及穩定性方面。對于地下工程防水材料而言,由于處于密閉環境中,極少受到大氣紫外線輻射作用,因此上述環境因素所產生的老化影響是次要的,主要的影響因素為環境介質即霉菌等微生物、水以及化學腐蝕介質(酸、堿、鹽)。

三.隧道及地下工程防水的工程檢測

隧道及地下工程所采取的防水方法不同,對各項施工工藝以及力學、物理、化學指標的要求也不同;不同的使用環境,影響因素差異也較大,因此檢測項目、檢測指標以及檢測方法也相應部同。隧道及地下工程的設計壽命期遠遠長于一般建筑工程,其防水工程的壽命與使用年限應是同樣的尺度,因此,也要求對防水材料的工程性和耐久性有一個科學使用的檢測方法。

四.現行檢測指標分析

目前我國針對工程進行的耐久性檢測中,高分子防水卷材檢測指標主要有:常規檢測指標(外觀及尺寸、拉伸和撕裂強度、伸長率、熱處理尺寸變化率、低溫彎折性、抗穿孔性、不透水性、剪切狀態下的粘合性)和耐久性檢測指標(熱老化處理、耐化學侵蝕、人工氣候加速老化)兩大項。噴涂材料還要增加噴涂材料與潮濕基面的粘結強度、表干和實干時間、加熱伸縮率等項。

另外由于不同防水卷材、噴涂材料的施工方法、工藝要求、防水作用機理方面有著顯著差別,檢測標準與方法也會不同,這不僅在于各檢測項指標的取值,檢測理論與方法也會不同。統一的標準難以反映材料的特點與特長,尤其是一些專用于某種特定環境的防水材料,更需要有專門的檢測方法。

隧道及地下工程防水的耐久性問題要比一般建筑復雜,套用常規防水材料的檢測指標和方法,并不能反映材料的真實耐久性,這些需認真研究并解決。

目前防水材料與施工技術多元化發展進程加快,各種新型防水材料不斷涌現,如水性防水涂料、水性噴膜防水涂料、干粉噴涂技術等新型環保型材料的出現,其服務領域面向隧道及地下工程時,現行標準不能真實反映其耐久性能,而這些材料和技術的企業標準也沒有系統??茖W地解決耐久性問題,在其他各種建筑防水材料的單一國家標準、行業標準、部門標準、企業標準中,也均未綜合、全面地建立失效性的評價技術體系。

提高材料的耐久性水平,特別是從鼓勵新材料、新技術的創新、滿足隧道及地下工程更高的防水要求的角度出發,在現有各方面的檢測標準的基礎上,建立和完善適合于隧道及地下工程防水的耐久性技術標準與檢測方法是工程界亟待解決的研究課題。


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