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隧道及地下工程防水渗漏分析
-金石特   2014-11-23 08:07:37 作者:SystemMaster 来源: 文字大小:[][][]

 隧道及地下工程渗漏水是长期以来困扰专家们的一个头痛问题,也是当前地下工程建筑中突出的质量通病和亟待解决的课题。我国北京、上海和广州的城市地下铁道中,渗漏水情况也已在30%左右。在地下工程较发达的日本,据调查渗漏水也达到30%以上。由此可见,隧道及地下工程渗漏水的情况十分严重。

  根据对隧道及地下工程防水体系的失败原因进行了统计分析,分析数据表明:由于施工原因导致渗漏水的占34.2%,设计不合理占10.4%,防水材质在不同水环境条件下变异占33.1%,结构变异致使防水体系失效占11%,维修养护不善占2.3%。由此可见,发生渗漏的原因是多方面,因此研究和分析这些原因将对提高地下工程防水质量起到重要的作用。

  防水渗漏原因分析

  隧道及地下工程防水体系失效性是指防水体系和材料使用过程中,由于外部作用侵蚀破坏或内部材料弱化,抵抗地下水环境的能力减弱或全部丧失。分析和研究地下工程在不同地下工程在不同地下水环境介质中的失效影响因素与机理、失效材料所产生的物质对周围结构体性能的影响、建立评价各种失效影响因素指标及失效检测方法,是地下工程防水体系应研究的重要问题。

  一、防水施工原因

  前述统计数据表明,防水施工阶段是地下工程防水渗漏的主要环节,对部分防水渗漏案例进行分析后发现,既有施工不精心和工艺方面的原因,也有施工管理和检测方面的原因,同时采用不同施工方法的地下工程,其防水渗漏原因也不尽相同。

  1. 复合衬砌隧道一般采用高分子防水板(卷材),其失效原因主要有:a、防水卷材材质本身不能和喷射混凝土初衬密贴,安设时的冲击、背面突出物等易将防水板扎破,导致漏水;b、板与板间的接合部室薄弱环节,稍有不慎会导致整个防水体系失败;c、如遇混凝土壁面有较大空洞和凹凸的部位,二次衬砌的挤压及围岩变形会使防水板拉伸,特别是结合部位易发生断裂破坏。

  2. 喷涂防水的隧道及地下工程防水体系渗漏的原因有:喷涂防水膜很难保证其均匀性,虽然一般喷涂材料延展性较好,但抗拉强度较低,如发生较大外力作用,结构会发生变形和位移;易导致防水膜破裂,致使整个防水体系失效;另外该施工方法对喷涂的施工工艺精度要求高,但一般工程很难达到。

  3. 自防水混凝土的防水体系失败的原因有:地下工程工作面狭小,混凝土振捣密度实度很难达到设计抗渗的要求,另外施工缝合变形缝也是这种防水措施的薄弱环节。

  以上原因说明,防水施工过程是保证工程质量的重要环节,因此应强化防水施工的重要性,针对不同的防水方法制定相应的施工细则,并建立防水施工质量检测机制。

  二.防水设计原因

  一部分设计师对防水重要性的认识不够,认为地下渗漏水不影响结构的安全问题,在选用材料和设计方式上重视程度不够,因此在防水设计方案中结合结构特征认真研究不充分,致使防水设计不合理。

  由防水设计理念问题引发的渗漏:目前地下工程使用寿命都在100年以上,而防水材料的使用寿命均达不到这一要求,因此地下工程防水设计应考虑放排水系统的可维护性和易更换性。

  有防水设计经济性问题引发的渗漏:尽管防水工程在地下工程中占得工程总费用比例是较小的,但往往设计者考虑造价的原因,仍选用价廉差的材料,也是导致防水渗漏的原因。

  三.防水材料变异的原因

  根据研究,发现由于防水材料材质的变异导致防水体系失效的情况占有较大的比例,其原因有地下水环境和微生物侵蚀对防水材料性能的弱化、已有防水材料材质固有的弱点随使用的环境的恶劣和使用时间推移逐渐丧失的防水功能。如某铁路隧道在维修养护时,其防水卷材已变质老化。发生这些情况归纳起来,主要有以下原因:a、劣质的混凝土添加剂中含有高浓度的碱性成分和不易分解的盐类物质,导致混凝土结构的松软,析出的物质对防水卷材起了侵蚀作用;b、冻融交替使得防水材料结构变异;c、微生物侵蚀、粘结材料变异;d、地下水中含有不同浓度的酸、碱、盐离子对材料的侵蚀;e、防水材料材质结构的不稳定导致材料结构组织的变异。

  四.工程结构变异原因

  地下工程长期处于复杂的环境中,致使结构产生变异的不利因素很多,一旦发生变异,衬砌结构就会出现位移和变形、开裂、混凝土剥落等现象,进而使得防水体系失效。如由于围岩具有流变性,后期的围岩应力在长期的调整过程中可能会使防水板受到来自一衬和二衬得长期挤压,在基面不平衡或有突出点处产生穿刺性损伤,造成防水层失效。在四季温差较大的场合,常年冻融交替,在冻胀力的强烈作用下,残余变形逐年积累,使衬砌结构位移和开裂,导致防水层逐步失效。结构本身材料劣化引起的变异,如混凝土碳化、盐害、碱集料反应等,其析出物也是造成防水体系破坏的原因。

  五.维护和管理原因

  排水系统堵塞。不畅时,如果维护部善,将导致较大的水压长期积累引起结构开裂,破坏防水体系。在严寒地区的隧道,冰冻产生的冻胀力是导致结构开裂和排水管堵塞破裂的重要原因,因此隧道及地下工程的维修养护是十分重要的。

  主要待研究问题

  隧道及地下工程环境与其他建筑工程不同,作为附着层的高分子材料,影响其使用期间耐久性的因素是很独特的,除了一般的由温度、湿度、光照、酸碱环境作用等引起的材料老化和降解而失效外,还要考虑地下围岩和衬砌的长期相互作用产生的挤压、变形因素对防水体系产生的损害作用。

  一.地下结构(围岩)环境部均匀变形对防水失效性的影响

  地下结构(围岩)环境不均匀变形对防水体系失效起较大作用是众所周知的事实,其原因比较复杂,主要体现在地下环境特殊的外力(水压、东胀力、塑性地压、围岩松弛地压、偏压、承载力不足、地震等)施加于结构,造成结构产生不均匀变形甚至开裂,致使防水层受局部较大的压力、剪力和拉伸力的作用而破坏。隧道的拱顶是导致防水失效的主要部位,铁路和公路隧道这类案例较多,其原因是由于隧道拱顶混凝土浇注工艺的缺陷,衬砌与防水层之间很难密实,有的甚至存在较大的空洞。此处往往容易形成水囊并积聚较大水压,围岩松弛扩大,作用在衬砌上的地压增加,致使衬砌开裂漏水。

  防水层由于地下结构环境不均匀变形所产生的破坏主要体现在防水层的物理性质上,也就是由于外界结构变化对防水层所产生的受力变化影响上。一旦某项力学指标超过了防水层材料的允许值,防水层的完整性将发生破坏,而造成防水层渗漏。另外,防水材料在受力的情况下,其耐久性也将发生变化,即防水材料的力学环境也将有可能加速材料本身老化或失效,这也是造成防水层渗漏的原因。

  采用不同的防水方法,防水层在地下结构环境中所受到的破坏和影响程度是不一样的,因此研究在这些外力作用下,对防水层本身物理性能的破坏影响程度,据此来确定防水层和结构施工过程中需要相应采取的工程措施,对防止地下防水体渗漏有着重要的工程意义。

  二.防水材料的失效性检测

  隧道及地下工程防水体系目前选用的防水材料多为有机高分子材料的光热老化、热氧老化、光氧老化、化学介质中的老化机理及稳定性方面。对于地下工程防水材料而言,由于处于密闭环境中,极少受到大气紫外线辐射作用,因此上述环境因素所产生的老化影响是次要的,主要的影响因素为环境介质即霉菌等微生物、水以及化学腐蚀介质(酸、碱、盐)。

  三.隧道及地下工程防水的工程检测

  隧道及地下工程所采取的防水方法不同,对各项施工工艺以及力学、物理、化学指标的要求也不同;不同的使用环境,影响因素差异也较大,因此检测项目、检测指标以及检测方法也相应部同。隧道及地下工程的设计寿命期远远长于一般建筑工程,其防水工程的寿命与使用年限应是同样的尺度,因此,也要求对防水材料的工程性和耐久性有一个科学使用的检测方法。

  四.现行检测指标分析

  目前我国针对工程进行的耐久性检测中,高分子防水卷材检测指标主要有:常规检测指标(外观及尺寸、拉伸和撕裂强度、伸长率、热处理尺寸变化率、低温弯折性、抗穿孔性、不透水性、剪切状态下的粘合性)和耐久性检测指标(热老化处理、耐化学侵蚀、人工气候加速老化)两大项。喷涂材料还要增加喷涂材料与潮湿基面的粘结强度、表干和实干时间、加热伸缩率等项。

  另外由于不同防水卷材、喷涂材料的施工方法、工艺要求、防水作用机理方面有着显着差别,检测标准与方法也会不同,这不仅在于各检测项指标的取值,检测理论与方法也会不同。统一的标准难以反映材料的特点与特长,尤其是一些专用于某种特定环境的防水材料,更需要有专门的检测方法。

  隧道及地下工程防水的耐久性问题要比一般建筑复杂,套用常规防水材料的检测指标和方法,并不能反映材料的真实耐久性,这些需认真研究并解决。

  目前防水材料与施工技术多元化发展进程加快,各种新型防水材料不断涌现,如水性防水涂料、水性喷膜防水涂料、干粉喷涂技术等新型环保型材料的出现,其服务领域面向隧道及地下工程时,现行标准不能真实反映其耐久性能,而这些材料和技术的企业标准也没有系统。科学地解决耐久性问题,在其他各种建筑防水材料的单一国家标准、行业标准、部门标准、企业标准中,也均未综合、全面地建立失效性的评价技术体系。

  提高材料的耐久性水平,特别是从鼓励新材料、新技术的创新、满足隧道及地下工程更高的防水要求的角度出发,在现有各方面的检测标准的基础上,建立和完善适合于隧道及地下工程防水的耐久性技术标准与检测方法是工程界亟待解决的研究课题。

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