粉土地层异形大断面顶管隧道防水设计

顶管施工需要根据工程特点，因地制宜制定相关混凝土技术要求和措施，完善结构混凝土自防水体系，是确保结构防水和耐久性的关键。唐兴装备深耕非开挖行业17年，是国内领先的顶管设备设计制造商，接下来以郑州市沈庄北路——商鼎路下穿中州大道隧道工程为例，对在粉土层中的异形大断面顶管混凝土自防水、管节接口防水以及顶管出洞装置的设计进行了论述，以期为今后类似工程的设计及施工积累经验。

1工程慨况

郑州市沈庄北路一商鼎路下穿中州大道隧道工程始于沈庄北路与熊耳河交叉口，至商鼎路与通泰路交叉口，全长1.01km。中州大道是贯穿城市南北的一条重要快速通道，也是郑州市的中央生态大道，红线宽度100m。工程以顶管法下穿中州大道，其余区段为明挖法。本文就顶管段隧道的防水技术及耐久性要求，从设计的角度进行简要的阐述和总结。顶管段隧道纵断面及工程概况见图1、表1。

本隧道顶管段由2条机动车道和2条非机动车道组成，其中机动车道顶管采用类椭圆形钢筋混凝土管节，高7.5m，宽10.4m；非机动车道顶管采用矩形钢筋混凝土管节，高4.2m，宽6.9m；均从沈庄工作井出发向商鼎工作井顶进。顶管横断面如图2所示，工程地质及水文条件如表2所示。

本工程具有以下特点及需要解决的技术问题：

1）顶管管节结构断面大，单次顶进距离长，施工难度大，对接头防水要求高。

2）顶管位于粉土层，土层结构松散、稳定性较差、透水性较强，对接头防水密封要求高。

3）隧道埋深较深，顶部覆土厚度达9.3m，水头压力较大，

2防水原则与防水标准

按照《地下工程防水技术规范》（GB50108一2008）的相关要求，结合工程实际情况，设计提出“以防为主、刚柔并济、因地制宜、综合治理”的防水原则；采用高精度钢模制作高精度管节，以管节混凝土自防水为根本，以接缝防水为重点，确保工程整体防水效果。

对于有人员经常活动但不长期停留、少量湿渍基本不影响设备正常运转的隧道工程，按防水等级二级的要求进行设计；同时，注重钢筋混凝土结构耐久性的设计，以满足结构使用寿命100年的设计要求。

3混凝土自防水及耐久性

顶管隧道长期在地下水土压力下工作，要防止地下水渗入，首先要求管节混凝土自身具备良好的抗渗性和耐久性。依据国家相关规范，结合结构埋深及水文地质条件等外在因素的影响，对顶管管节混凝土提出抗渗等级（≥P10）、强度等级（≥C50）、氯离子扩散系数（≤3×10*cm/s）、电通量（≤1000库伦）、60d干燥收缩率（≤0.022）和裂缝宽度（≤0.2mm，且不允许出现贯穿）等一系列技术要求，以满足混凝土结构的耐久性要求。管节混凝土要满足上述优良的技术性能要求，就需要从混凝土原材料控制和配合比研究入手，加强管节混凝土制备、运输、浇筑、养护等施工的全过程管理。从设计的角度控制管节混凝土质量的措施主要有：

1）原材料控制的关键在于降低水化热，减少混凝土的收缩裂缝。为此，要求采用低水化热的水泥，并用粉煤灰、矿渣粉等优质活性矿物掺和料取代部分水泥；同时控制粗细骨料的级配，以使胶凝材料与料结合得更完美，并对于原材料中的碱、氯离子等有害物质作严格限制。

2）配合比研究的主要目的是控制胶凝材料用量及用水量。胶凝材料用量过多会产生多余的水化热，用水量过多会使混凝土产生泌水等不利情况。因此在合理选取水胶比的同时，要求添加聚羧酸系高效减水剂，从而尽可能解决混凝土由于多余的水而引起的多种病害。

3）混凝土养护的关键在于保温、保湿。通过对湿度、温度及养护时间提出具体要求及有效控制，同时责成施工单位作出混凝土养护的施工组织方案，从而确保结构混凝土的质量。

综上所述，通过现场浇筑试件，并经设计、施工、监理及业主各方的综合评判，本隧道管节防水混凝土的主要技术要求为：采用低水化热水泥，并要求C3A含量≤8%；控制混凝土氯离子含量（s胶凝材料的0.1%）和碱含量（≤3kg/m³）；胶凝材料的用量控制在410~500kg/m³，水胶比≤0.35；添加聚羧酸系高效减水剂调节混凝土施工性能。同时，从施工管理上提出预制管节在场地堆放时，夏季喷水养护、冬季防止管片混凝土受冻害、混凝土内部和外表温差不大于20℃等措施，以确保设计要求的管节混凝土质量。

4管节接缝防水设计

4.1管节接口防水设计

本工程机动车道与非机动车道顶管管节的接头采用相同形式。目前国内顶管管节通常采用“F形”
钢承口式接口，钢套环一端埋入混凝土管节中，另一端与管节外弧面的槽口组成防水构造（见图3）。

“F形”钢承口式接口的防水机理如下：

1）接口“F”形钢承插管以楔形橡胶止水圈作为首要防水线，材质为氯丁橡胶。止水圈由高强粘结剂粘于无钢套环管节端头基面上。当顶管机接口插入时，橡胶止水圈受到钢套环的挤压，与钢套环紧密相贴，起到防水的作用。

2）考虑到顶管机钢套环与管节混凝土温差收缩不一致，二者之间可能存在渗水通道，因此在混凝土相接触的钢套环环面上设置兜绕成环的遇水膨胀橡胶条。另外，钢套环管节端头预留沟槽，灌注低模量聚氨醋密封胶。通过上述两条措施来达到钢套环与混凝土之间的防水目的。

3）当整条顶管隧道施工完毕后，管节接头之间的背土面嵌缝沟槽内嵌填高模量聚氨脂密封胶或聚合物水泥防水砂浆，从而在管节接头处形成封闭的防水体系。

4）为均匀管节间的相互作用力、减少接口处混凝土在施工中的破损，管节接头之间需设置胶合板（用于直线段）或本松板（用于曲线段）作为传力衬垫。本工程平面均为直线段，因此采用胶合板。

对于大断面顶管隧道，除上述防水措施外，也可在接口钢套环处设置双道楔形橡胶密封圈加强防水，并在接口中部预留密封垫沟槽，设置弹性密封垫作为辅助防线（见图4）。

据了解，此类接头构造形式国内已有发明专利u并应用于某些工程。当接头外侧的橡胶密封圈失效后，中部的弹性密封垫能够继续发挥防水作用，理论上可以大大提高接头防水性能并延长结构使用寿命。当然，由于其构造形式较为复杂、施工工艺相对繁琐，实际通车后的防水效果究竟如何尚需时日验证。鉴于本隧道顶管段均为直线段，且周边无腐蚀性介质，在保证接头防水质量的前提下，从简化施工工艺、节省工期、经济性等角度综合考虑，设计仍然采用了图3中目前较为成熟的的接头防水构造形式。

4.2机动车道管节纵缝防水设计

本工程在最初设计时，由于机动车道顶管管节的断面尺寸较大，单节重约73t，一次成型制作存在诸多难度，因此考虑采用2分块拼装成环的方案（见图5）。此类构造形式在国内尚无先例，根据管节纵缝结构的特点，设计采用将双面覆橡胶腻子防水衬垫板覆贴在接缝表面作为主要防线（见图6），同时在纵缝背水面的预留凹槽内嵌填高模量聚氨酯密封胶密封以加强防水。双面覆橡胶腻子防水衬垫板的原理是利用衬垫板受压产生的反弹力来达到密封防水的目的。它是在普通衬垫板表面覆贴一定厚度的橡胶腻子层，当衬垫板受压时，该腻子层可填满衬垫板与混凝土之间的细小空隙形成密闭，再依靠衬垫的接触面压应力以弹性压密止水。以往接缝间的衬垫板仅起传力作用，不单独作为一道接缝防水措施，而本隧道拟采用的双面覆橡胶腻子防水衬垫板既可分散管节拼装时的集中应力，又能起密封止水作用，与传统的丁腈软木橡胶衬垫板相比在功能上具有明显的优势。

1）防水性能：橡胶腻子类材料与混凝土表面粘结性能强，密封性好，与衬垫板组合可单独作为一道接缝防水措施。

2）耐久性：表面覆上的橡胶腻子层永不固化，耐久性极强。

3）施工性：对基面要求较低，可在潮湿基面施工。

4）构造方面：由硬度较低的橡胶腻子包裹硬度较高的衬垫板，管片拼装时自身不易受剪切、压缩破坏；柔韧性强，且对结构变形有着很好的适应性。

但是随着后期施工逐步解决了大断面管节的生产、吊装、运输等问题，管节整节预制毕竟比分块预制有着明显优势，最终机动车道顶管管节仍采用一次成型，取消了纵缝构造。但对于无法预埋止水带的隧道接缝，双面覆橡胶腻子防水衬垫板不失为一种新的思路。

5顶管出洞防水装置设计

顶管隧道出洞防水装置的性能对顶管出洞的安全有着重要意义，尤其对于稳定性较差的粉土层，进出洞时洞门封堵效果难以保证，极易导致涌水、漏泥等现象发生，因此必须引起足够重视。目前国内的出洞防水装置种类主要有插板式装置和铰链式装置，对于一些大直径超深埋隧道，也可采取双道铰链式装置。本工程设计采用了施工便捷、无需人工操作又能保证出洞防水质量的单道铰链式出洞防水装置。

铰链式出洞防水装置安装时，首先在洞口位置设置预制成环的帘布橡胶板，并在板的本体设置浸胶帘子布线以保证橡胶板在顶管推进时的完整性；此外橡胶板端部设计成凸起圆球状，可加强端部与顶管外径或管节的密贴。为使帘布橡胶板与洞口紧密压实，需紧随其后压上圆环板，然后设置铰链板装置，该装置由固定板、翻板、销套、销轴、开口销等组成。在铰链式出洞防水装置的设计中，应特别注意以下2点：

1）翻板的长度。如果翻板过长，会引起翻板上翻角度过大甚至接近水平，无法很好地与顶管紧密相贴，从而引起渗漏；如果翻板过短，在顶管出洞产生偏差的情况下很可能导致翻板某处边端与顶管外缘没有接触点，不能形成封闭的防水线。根据多年工程实践，一般认为翻板长度以与顶管外径接触上翻30°~70°范围（与垂直面夹角）为宜。

2）翻板的布设。原则上相邻两块翻板之间的间隙控制在20mm左右为宜。如果间隙过大，帘布橡胶板在水土压力的作用下，在翻板间隙处容易凸起，影响密封质量；如果间隙过小，加之制作、安装精度上的误差，可能造成相邻两根销轴相互冲突，给施工造成不便。由于本隧道顶管并非规则的圆形，这给翻板的布置带来诸多难度，设计通过调节翻板的宽度，并经多次修正后，最终确定了本隧道出洞口翻板的排布方式（见图7）。

另外，顶管施工采用触变泥浆工艺同步充填建筑空隙，除可以减少土体变形和推顶阻力外，还可减少管节下沉，有利于使管节接口的上下间隙尽量接近均等，帮助密封圈防水上下同效。

6结语

目前，该工程隧道顶管段已贯通，工程防水质量良好，管节接头无明显渗水，局部渗漏经技术处理后也恢复了止常，总体满足了设计要求。

对本工程防水设计的总结、归纳如下：

1）根据工程特点，因地制宜制定相关混凝土技术要求及措施，完善结构混凝土自防水体系，是确保结构防水和耐久性、满足100年设计使用寿命的关键。

2）防水设计应综合考虑工程地质和水文地质条件、施工质量及工期等因素，在满足防水要求的前提下，宜尽量简化施工工序及工艺，以保证现场实际施工质量。

3）应选择合理的出洞防水装置，其各部件细部尺寸的设计也应做到精益求精，以此确保顶管出洞安全。

 

本文由唐兴装备整理自《中国建筑防水》中的《粉土地层异形大断面顶管隧道防水设计》徐薇娜，贾逸，转载请注明出处，如有侵权请联系删除。