维普资讯 http://www.cqvip.com ＳＣＩ—ＴＥＣＨ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＥＣＯＮＯＭＹ 文章编号：１００５－－６０３３（２００６）０９—０２７７—０２ ２００６年第１６卷第９期 收稿日期：２００６－０３－０２ 隧洞防渗系统的设计与施工 刘俊发 （山西省河渠建设开发中心，ｔｔｌｉ￣ｉ太原，０３０００１） 摘要：阐述了隧洞防渗系统在隧洞工程中的重要作用，指出要防止隧洞渗漏一是采 取措施提高隧洞的混凝土质量和做好沉陷缝止水；二是在隧洞的一次和二次村砌之间 铺设土工织物及土工膜。 关键词：隧洞；防渗系统；土工膜；土工织物 中图分类号：Ｕ４５ 文献标识码：Ａ １问题的提出 随着我国大规模的经济建设，在铁路、公路等交通部门以及水利水 电建设中，修建了较多的隧洞，取得了不少经验。 我国已经在各种复杂地质条件下修建了各类隧洞，如严重的断层破 碎带、高地应力岩层、高地下水、喀斯特地区等，但目前国内外尚少见在 软土地基，特别在湿陷性黄土中修建引水隧洞的实例。目前我国西北地 区，如陕、甘、晋等缺水省区，为了解决人畜的生活用水，农业用水以及工 业用水的需要，开始修建如引大人秦，引黄人晋，引黑河水至西安等工 程，部分隧洞坐落在软基或黄土地区，将遇到在湿陷性黄土中修建引水 隧洞的问题。对于湿陷性黄土，水利工作者有一定的认识和经验。一般水 工建筑物可用基坑灌水浸泡，使黄土预先沉陷；或打基桩，使水工建筑物 坐落在基桩上，这样防止建筑物在建成后通水出现不均匀沉陷而导致破 坏。但对于隧洞，特别是修建在湿陷性黄土中的长隧洞，采用上述办法也 有困难。较好的办法是尽量防止隧洞里的水向外渗漏，或减少渗漏。 图１隧洞防渗系统结构 ２引水隧洞的防渗系统 在湿陷性黄土地基上修建引水隧洞，可采用在控制土洞后进行一次 衬砌，一次衬砌一般采用厚１５０［１ｌ／ｎ一２００［１ｌ／ｎ的喷混凝土及支护，然后铺 设土工织物和土工膜，最后浇筑二次衬砌混凝土，二次衬砌混凝土的厚 度要根据结构计算确定。 二次衬砌混凝土是隧洞的主体，是防止隧洞内的水向外渗漏，抵抗 围岩压力，承受内水压力和决定隧洞使用寿命的关键，一定要做好。二次 衬砌最好用泵送混凝土，最大砾石骨料粒径不宜超过２０ ａｒｍ－－４０ ｍｍ。混 受背面围岩和一次衬砌喷混凝土凹凸不平的约束产生应力，当温度应力 （拉伸应力）超过衬砌混凝土的拉伸强度时就产生裂缝，而且在以后还有 可能产生干燥收缩裂缝。在一二次衬砌中铺设土工织物和土工膜防渗系 统后，二次衬砌就和背面基础隔离，不再受背面凹凸约束，因此就不容易 产生裂缝。 ３对防渗系统材料的技术要求 ３．１对土工织物ｌ无纺布）的技术要求 土工织物（无纺布）主要是用以保护土工膜不被施工和运行期的外 凝土的和易性要好，塌落度在８ｈｉｍ一１２ ｈｉｍ之间，易于振捣密实。浇筑二 次衬砌混凝土时要注意不要刺破土工膜。二次衬砌的混凝土要保证质 量，要达到设计标号，而且要有足够的抗渗性和耐久性。掺用适量的粉煤 力刺破，也可用来排水，从围岩内部经一次衬砌混凝土渗出的少量水，沿 无纺布（土工织物）向下聚集在隧洞两旁，或经设置在隧洞底中部底板以 下的系统排走。 灰和其他外加剂，严格控制水灰比，使它不产生裂缝。还要做好伸缩缝的 止水，止水片应按设计要求埋设好，接头的焊接不允许搭接，尽可能做到 二次衬砌混凝土不漏水。 土工织物（无纺布）应具备一定的力学强度及弹性，以吸收由于固定在 次衬砌混凝土上和浇筑二次衬砌混凝土的压力。由于荷载和温度变化引 起的隧洞二次衬砌混凝土变形，以及接缝处局部水压力等引起的应力，都 一混凝土的渗透系数为ｌｘｌ０ ｃｒｄｓ，还是有些渗水，而且难以保证混 凝土不裂缝，所以在一次实砌和二次衬砌之闻除土工织物外，加铺一层 土工膜。如聚乙烯（ＰＥ）、聚氯乙烯（ＰＶＣ）和乙烯醋酸乙烯共聚物（ＥＶＡ） 可视为不透水材料，由输气量方法试验，间接测得土工膜渗透系数约为１× 不致造成土工织物（无织布）的任何破坏，土工织物（无纺布）应具备一定的 抗化学腐蚀的能力，因它们可能接触混凝土、灰浆、岩石渗水及氢氧化钙、 硫酸盐等化合物；同时还应具备一定的抗老化能力，由于埋在洞里，在运行 期问不暴露在大气之中，所以不易老化，只是施工时要注意避免暴晒。＿般 丙纶和涤纶纤维制成的土工织物（无纺布）的抗腐蚀能力强，可以采用；而 天然纤维和再生纤维都会因化学作用而腐蚀，不宜采用。 一１０ ｃｒｄｓ－１ｘ１０－￣４ｃｒｄｓ。选用足够厚度的上述高分子聚合物土工膜，并精 心施工，不要把土工膜刺破；至于土工膜的接缝，则可采用热楔式双缝自 动爬行焊接机焊接，并经过压气检查合格，就可能达到防渗的要求。为防 止土工膜被刺破，土工膜与一次衬砌混凝土之间铺设土工织物（无纺布） 作保护层，其结构见图ｌ。 般情况下，隧洞工程采用的土工织物的主要技术指标为：密度４００ ｇｍ￣５００ ｅｄｍ￣，２ ｋＰａ荷载作用下的厚度为３．６ ｈｉｍ以上，纵向抗拉强度为 ５００ Ｎ／５ ｃｍ～１ ０００ ５／／５ ｃｍ，抗顶破强度（ＣＢＲ）不小于２ ５００ Ｎ一３ ４００ Ｎ，梯形 撕裂强度（纵向）５ｏｏＮ－－６８０Ｎ，垂直渗透系数３ｘ１０－ ｃｍ／ｓ～Ｉｘｌ ｃｍ／ｓ不等， 孔隙率约９０％，有效孔径０．０８ ａｒｍ－０．１ ｈａｍ，极限延伸率在７０％左右。 ３．２对防渗用土工膜的技术要求 在隧洞的一次衬砌和二次衬砌之间铺设土工膜防渗系统，除起防渗 作用外，对防止二次衬砌混凝土产生裂缝也是很有效的。研究结果表明． 二次衬砌发生裂缝的原因主要是由于新浇混凝土温度下降，产生收缩， 维普资讯 http://www.cqvip.com 刘俊发隧洞防渗系统的设计与施工 本刊Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｊ，ｂ＠ｍａｉｌ．ｓｘｉｎｆｏ．ｎｅｔ 经验交流 土工膜应易于适应隧洞结构形式的不平表面，能吸收一定的平面力 表１几种土工膜的一般性能 项目名称 ＥＶＡ ＥＣＢ 材料名称 ＰＶＣ ＬＤＰＥ ＨＤＰＥ ＰＥ板 （包括抗穿刺、抗拉等）；在隧洞运行产生变形时不致破坏，而继续保持防 渗功能；能跨过结构的裂缝，防止隧洞内的水向外渗漏；能抗腐蚀，耐久 性好，还要可焊性好，能用机械焊接来铺设和安装施工。 一密度／（￣ｃｍ ） Ｏ．９６ 约０．９６ １．３５～１．４２ ＞Ｏ．９１ ＞Ｏ．９４ 拉伸强度／ＭＰａ １５．７ 撕裂强度／（ｋＮ／ｍ） ６３ Ｏ．９２ 般来说，聚氯乙烯（ＰＶＣ），低密度聚乙烯（ＬＤＰＥ及ＬＬＤＰＥ），乙烯 １０ ４９ １２ ２６Ｏ ４０ ＞１２ ＞６６ ＞１６ ７．１—１６．２ ４６ ＞醋酸乙烯共聚物（ＥＶＡ）和乙烯醋酸乙烯沥青共聚物（Ｅ．ｃ．Ｂ）是较好的防 渗用土工膜材料。聚氯乙烯土工膜在燃烧时，容易自灭，防火性能较好， 但在焊接时，产生有味的气体，在洞内不易排出。另外聚氯乙烯土工膜用 断裂拉伸率／％ ６ｏｏ ６００ 耐酸碱性 柔性／￣Ｃ －＞４６０ ＞５Ｏ０ ９０－－．６６０ 耐 一６ｏ 耐 —耐 ３０对 耐 一４６ 耐 —６ｏ 耐 于防渗时，要检查水的质量是否合乎饮水标准。 土工膜的技术指标因材料品种不同而异，一般极限抗拉强度在１２ ＭＰａ～２４ ＭＰａ之间，极限拉断伸长率在５００％以上，热处理尺寸变化率小 ３０ 折不裂 脆 脆 脆 于２％，低温度弯折性为一３Ｏｏ一—６ｏ。，无裂缝，渗透系数在１ｘｌ０ ｃｍ／ｓ一１× １０－”ｃｍ／ｓ以下。几种土工膜的一般性能见表１。 据文献报道．隧洞土工膜的厚度均在１ ｍｍ一３ ｍｉｌｌ之间，我国最薄的 在０．８ ｍｍ～１．０ ｍｍ左右，而厚的在１．５ ａｍ以上。 ５．１焊缝的密封性检查 焊缝的密封性检查即检查接缝焊接的连续性，以防止接缝焊接不严 密而发生渗水、漏水。此类检查是在施工现场完成的非破坏性检查。最常 用的是压气检查法，此法检查双焊缝的密封性，方便迅速且极为有效。在 双线焊缝的两焊缝之间有一空腔，检查时将两端封死，在一端插入打气 用的针头，并密封其四周，然后向空腔内充气，充气压力为０．１５ ＭＰａ～０．２ ４防渗系统的施工方法 ４．１一次衬砌混凝土面的清理 ＭＰａ，充气后静观２ ｍｉｎ，若空腔内气体压力强度下降值小于２０％且稳定 不变，即认为接缝密实性良好。该测试方法国内尚无统一标准，需进一步 加以研究制定。 一对出露在一次衬砌混凝土表面的铁丝、钢筋头、锚杆头等均要切断， 然后用水泥砂浆抹平。土螺栓等有凸出部位时，在螺帽以上留５ ｍｍ切 断，然后用水泥砂浆抹成Ｒ一３００ ｍｍ的球面。必要时，在锚杆头和螺栓 等露出部位再用３００ｍｍｘ３００ｍｍ的厚毡铺盖，以防土工膜被刺破。喷混 凝土表面的毛刺必须用钉锤砸去。喷混凝土面的凹凸半径要大于３００ ＩＴｌｌｎ，凹部的长高比（￡ ）要大于７：ｌ。隧洞断面变化或转弯时，应抹成Ｒ＞ ５００ｍｍ之弧形。 般情况下．充气检查接缝的每次充气长度可达５０ｍ一１００／２１不等， 并无绝对限值。该法充气压力可由压力表直接显示，操作容易，灵敏度 高，国内外广泛采用。在操作过程中，检查人员应注意长焊缝两端和检查 装置的气密性；还应保证整个待检双焊缝空腔连通，否则可能得到错误 的结论。要求对每一条焊缝都要进行压气试验。对于局部接缝，如孔洞修 补．丁字形接头等则宜用真空法检查。 ５．２焊缝的强度检查 强度检验分剪切试验和剥离试验两种。我国尚没有强度检验标准， ４．２土工织物（无纺布）的铺设 在１ ｍ 土工织物上用４个圆形（直径７０ ｍｍ左右）ＰＶＣ垫片将土工 织物固定在隧洞拱顶及边墙上。用冲击钻打孔后，利用塑料膨胀套塞入 孔中，用螺钉将垫片固定在一次衬砌混凝土面上。这样土工织物就永久 被固定在垫片下面。 ４．３土工膜的铺设 美国国家卫生基金会［ＮＳＦ，１９８５］提出剪切试验土工膜接缝强度最小值， 当ＰＥ的厚度小于２ ｍｍ时，接缝剪切强度应在母材屈服强度的９０％以 上．接缝的脱开率为０；剥离试验强度应大于屈服应力的６０％，接缝脱开 率小于接缝面积的１０％。两种试验都不允许在焊缝上破坏，焊缝强度试 验取样数量也有规定。所有试验均应在指定的监理工程师指导下进行， 以保证质量。 土工膜按洞的周长加接缝长度裁断，先在拱顶用热风塑料焊枪或加 热器将土工膜与垫片焊在一起，然后将土工膜沿两边展开，并从上到下 与垫片一一焊上，最后可用双缝热楔自动爬行焊机将这一段土工膜的水 平接缝焊上。用同样的方法可进行第二幅土工膜的固定，两幅之间的环 向接缝也可用双缝热楔自动抓行焊机焊接。在铺土工膜时要注意：一是 土工膜要放正，即要使每幅的水平接缝与洞轴平行；二是每幅土工膜的 水平接缝要错开。根据实际情况，也可先铺设隧洞底部或边墙的土工膜， 再向上铺至隧洞顶部。一般隧洞在直径为５ ｍ～６ ｍ时需搭支架．经监理 ６结语 近年来，我国已开始修建高速公路和城市地铁隧洞，均要求防止地 下水渗入隧洞；同样在一些铁路隧洞施工中也要求防止地下水渗入隧 洞．以保证安全运行。我国西北地区水利工程的引水隧洞，有一些从湿陷 工程师认可，由熟练的焊接工人以合格设备进行施工，否则难以保证质 量，甚至可能事倍功半。 性黄土地区通过，在做好收缩缝和沉陷缝止水的同时，仍需要做好防渗 系统。 （责任编辑：邱娅男） ５土工膜焊缝的质量检查 土工膜接缝焊接质量好坏直接关系到隧洞能否按设计要求安全运 行，因此检验接缝的质量是防渗工程施工中极为重要的环节之一。接缝 的质量检查可分为焊缝的密封性检查和焊缝的强度检查两部分。 第一作者简介：刘俊发，男，１９６３年１０月生，１９８８年毕业于山西水 利职工大学水资源专业工程师，山西省河渠建设开发中心，山西省太原 市桃园南路４８号０３０００１． ，，Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｗａｔｅｒｔｉｇｈｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｕｎｎｅｌ ＬＩＩＪＪｕｎ－ｆａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ’ｓ ｗａｔｅｒｔｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄ ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｕｎｎｅｌ’ｓ ｌｅａｋａｇｅ，ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｉｓ ｔｏ ａｄｏｐｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｏｉｎｇ ｗｅｌｌ ｔｈｅ ｗａｔｅｒｔｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｊｏｉｎｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｉｓ ｔｏ ｐａｖｅ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ ｆａｂｒｉｃ ａｎｄ ｅａｒｔｈ ｆｉｌｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｕｎｎｅｌ’ｓ ｐｒｉｍａｒｙ ｌｉｎｅｒ ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｉｎｅｒ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｗａｔｅｒｔｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ；ｅａｒｔｈ ｆｉｌｍ；ｅａｒｔｈ ｆａｂｒｉｃ ２７８