隧道及地下工程防水失效性分析-

1、0引言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(dāng)前地下工程建筑中突出的質(zhì)量通病和亟待解決的課題。據(jù)鐵道部工務(wù)部門2002年秋檢數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì):我國至2002年底,共有鐵路隧道5711座,總延長2833km ,嚴(yán)重滲漏水隧道有1620座,占總座數(shù)的28.4%。交通部有關(guān)部門2002年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì):我國至2002年底,共有公路隧道1700座,總延長704km ,嚴(yán)重滲漏水隧道達(dá)500余座,占總座數(shù)約30%。同時,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(fā)達(dá)的日本,據(jù)調(diào)查滲漏水也達(dá)到30%以上。由此可見,既有隧道及地下工程滲漏水的情況十分嚴(yán)重。以上情況

2、產(chǎn)生的根源是什么呢?筆者對200余座隧道及地下工程防水體系的失效原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,分析數(shù)據(jù)表明:由于施工原因?qū)е聺B漏水的占34.2%,設(shè)計(jì)不合理占10.4%,防水材質(zhì)在不同水環(huán)境條件下變異占33.1%,結(jié)構(gòu)變異致使防水體系失效占11%,維修養(yǎng)護(hù)不善占2.3%。由此可見,發(fā)生滲漏的原因是多方面的,因此研究和分析這些原因?qū)μ岣叩叵鹿こ谭浪|(zhì)量起到重要的作用。1防水失效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在使用過程中,由于外部作用侵蝕破壞或內(nèi)部材料弱化,抵抗地下水環(huán)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水環(huán)境介質(zhì)中的失效影響因素與機(jī)理、失效材料所產(chǎn)生的物質(zhì)對周圍結(jié)

3、構(gòu)體性能的影響、建立評價(jià)各種失效影響因素指標(biāo)及失效檢測方法,是地下工程防水體系應(yīng)研究的重要問題。1.1防水施工原因前述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,防水施工階段是地下工程防水失效的主要環(huán)節(jié),對部分防水失效案例進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),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,其防水失效原因也不盡相同。1復(fù)合襯砌隧道一般采用高分子防水板(卷材,隧道及地下工程防水失效性分析*楊其新1,劉東民1,盛草櫻2,蔣雅君1(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都610031;2.西南交通大學(xué)生物工程學(xué)院,四川成都610031摘要:在總結(jié)隧道及地下工程防水失效有關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,分析了

4、防水設(shè)計(jì)、施工、地下水環(huán)境、溫濕效應(yīng)和襯砌結(jié)構(gòu)變異對防水體系失效的影響,提出了地下工程防水失效方面亟待研究的問題。關(guān)鍵詞:隧道及地下工程;防水失效Waterproofing failure analysis of tunnel and underground engineering/Yang Qixin,Liu Dongmin,Sheng Caoying,Jiang YajunAbstract:This paper analyses effects of waterproofing design,construction,groundwater environment,moisture and

5、 temperature and lining structure on waterproofing failure in tunnel and under-ground engineering.It also puts forward some issues related to waterproofing failure,which need to consider without delay.Key words:tunnel and underground engineering;waterproofing failure*2007年國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,項(xiàng)目編號:50678151 其失

6、效原因主要有:防水卷材材質(zhì)本身不能和噴射混凝土初襯密貼,安設(shè)時的沖擊、背面突出物等易將防水板扎破,導(dǎo)致漏水;板與板間的接合部是薄弱環(huán)節(jié),稍有不慎會導(dǎo)致整個防水體系失效;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(jié)合部位易發(fā)生斷裂破壞。2噴涂防水的隧道及地下工程防水體系失效的原因有: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(qiáng)度較低,如發(fā)生較大外力作用,結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形和位移,易導(dǎo)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(dá)到。3自防水混凝土的防水體系失效的原因有:地下工程工作面狹小,混

7、凝土振搗密實(shí)度很難達(dá)到設(shè)計(jì)抗?jié)B的要求,另外施工縫和變形縫也是這種防水措施的薄弱環(huán)節(jié)。以上原因說明,防水施工過程是保證工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié),因此應(yīng)強(qiáng)化防水施工的重要性,針對不同的防水方法制定相應(yīng)的施工細(xì)則,并建立防水施工質(zhì)量監(jiān)測機(jī)制。1.2防水設(shè)計(jì)原因一部分設(shè)計(jì)師對防水重要性的認(rèn)識不夠,認(rèn)為地下工程滲漏水不影響結(jié)構(gòu)的安全問題,在選用材料和設(shè)計(jì)方式上重視程度不夠,因此在防水設(shè)計(jì)方案中結(jié)合結(jié)構(gòu)特征認(rèn)真研究不充分,致使防水設(shè)計(jì)不合理。由防水設(shè)計(jì)理念問題引發(fā)的失效: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(dá)不到這一要求,因此地下工程防水設(shè)計(jì)應(yīng)考慮防排水系統(tǒng)的可維護(hù)性和易更換性。由防水設(shè)

8、計(jì)經(jīng)濟(jì)性問題引發(fā)的失效:盡管防水工程在地下工程中占的工程總費(fèi)用比例是較小的,但往往設(shè)計(jì)者考慮造價(jià)的原因,仍選用價(jià)廉質(zhì)差的材料,也是導(dǎo)致防水失效的原因。1.3防水材料變異原因根據(jù)筆者的研究,發(fā)現(xiàn)由于防水材料材質(zhì)的變異導(dǎo)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(huán)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(zhì)固有的弱點(diǎn)隨使用環(huán)境的惡劣和使用時間推移逐漸喪失防水功能。如:廣州地鐵某區(qū)間在維修時,發(fā)現(xiàn)修建時鋪設(shè)的防水板已大部分腐爛;四川某公路隧道在整理滲漏水時,發(fā)現(xiàn)該隧道漏水的原因是防水板的連接處大部分已失效;某鐵路隧道在維修養(yǎng)護(hù)時,其防水卷材已變質(zhì)老化。發(fā)生這些情況,歸納起來,主要有以

9、下原因:劣質(zhì)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(zhì),導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的松軟,析出的物質(zhì)對防水卷材起了侵蝕作用;凍融交替使得防水材料結(jié)構(gòu)變異;微生物侵蝕、粘結(jié)材料變異;地下水中含有不同濃度的酸、堿、鹽離子對材料的侵蝕;防水材料材質(zhì)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)組織的變異。1.4工程結(jié)構(gòu)變異原因地下工程長期處于復(fù)雜的環(huán)境中,致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變異的不利因素很多,一旦發(fā)生變異,襯砌結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)位移和變形、開裂、混凝土剝落等現(xiàn)象,進(jìn)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(yīng)力在長期的調(diào)整過程中可能會使防水板受到來自一襯和二襯的長期擠壓,在基面不平整或有突出點(diǎn)處產(chǎn)生穿刺性損傷,造成防水

10、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(qiáng)烈作用下,殘余變形逐年積累,使襯砌結(jié)構(gòu)位移和開裂,導(dǎo)致防水層逐步失效。結(jié)構(gòu)本身材料劣化引起的變異,如混凝土碳化、鹽害、堿集料反應(yīng)等,其析出物也是造成防水體系破壞的原因。1.5維護(hù)和管理原因排水系統(tǒng)堵塞、不暢時,如果維護(hù)不善,將導(dǎo)致較大的水壓長期積累引起結(jié)構(gòu)開裂,破壞防水體系。在嚴(yán)寒地區(qū)的隧道,冰凍產(chǎn)生的凍脹力是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(yǎng)護(hù)是十分重要的。2主要的待研究問題隧道及地下工程環(huán)境與其它建筑工程不同,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(dú)特的,除了一般的由溫度、濕度、光照、酸

11、堿環(huán)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結(jié)構(gòu)的長期相互作用產(chǎn)生的擠壓、變形因素對防水體系產(chǎn)生的損害作用。2.1地下結(jié)構(gòu)(圍巖環(huán)境不均勻變形對防水失效性的影響地下結(jié)構(gòu)(圍巖環(huán)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(shí),其原因比較復(fù)雜,主要體現(xiàn)在地下環(huán)境特殊的外力(水壓、凍脹力、塑性地壓、圍巖松弛地壓、偏壓、承載力不足、地震等施加于結(jié)構(gòu),造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻變形甚至開裂,致使防水層承受局部較大的壓力、剪力和拉伸力的作用而破壞。隧道的拱頂是導(dǎo)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(shí),有的甚至存

12、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(kuò)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(jié)構(gòu)環(huán)境不均勻變形所產(chǎn)生的破壞主要體現(xiàn)在防水層的物理性質(zhì)上,也就是由于外界結(jié)構(gòu)變化對防水層所產(chǎn)生的受力變化影響上。一旦某項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)超過了防水層材料的允許值,防水層的完整性將發(fā)生破壞,而造成防水層失效。另外,防水材料在受力的情況下,其耐久性也將發(fā)生變化,即防水材料的力學(xué)環(huán)境也將有可能加速材料本身老化或失效,這也是造成防水層失效的因素。采用不同的防水方法,防水層在地下結(jié)構(gòu)環(huán)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(jù)此來確

13、定防水層和結(jié)構(gòu)施工過程中需要相應(yīng)采取的工程措施,對防止地下防水體系的失效有著重要的工程意義。2.2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(jī)高分子材料,對其老化與失效的研究主要集中在高分子材料的光熱老化、熱氧老化、光氧老化、化學(xué)介質(zhì)中的老化機(jī)理及穩(wěn)定性方面1-2。對于地下工程防水材料而言,由于其處于密閉環(huán)境中,極少受到大氣紫外線輻射作用,因此上述環(huán)境因素所產(chǎn)生的老化影響是次要的,主要的影響因素為環(huán)境介質(zhì)即霉菌等微生物、水以及化學(xué)腐蝕性介質(zhì)(酸、堿、鹽。1霉菌等微生物的影響:目前使用在地下工程中的防水材料種類繁多,其分子組成與結(jié)構(gòu)有很大不同,高分子材料體系所加入的添加劑

14、中含有不同的增塑劑及油脂類化合物,其中含脂肪酸結(jié)構(gòu)的化合物極易感染霉菌,在潮濕恒溫地下環(huán)境中,霉菌的分泌物會引起材料分解并轉(zhuǎn)化為醇類和有機(jī)酸等物質(zhì),這些物質(zhì)的存在為霉菌生長繁殖提供了養(yǎng)料,促進(jìn)了霉菌向縱深發(fā)展,形成材料降解導(dǎo)致其性能失效3。2水的影響:隧道及地下工程中的防水材料與地下水是密切接觸的,這種長期接觸會在材料表面形成水膜,進(jìn)而發(fā)展到水滲入材料內(nèi)部,使材料內(nèi)部某些水溶性物質(zhì)和增塑劑中含有親水基團(tuán)的物質(zhì)被溶解、抽提或吸收,從而改變了材料的組成而促使材料老化甚至使得材料功能失效3。3化學(xué)腐蝕性介質(zhì)的影響:地下工程中通常遇到的腐蝕介質(zhì)有混凝土中析出的強(qiáng)堿和鹽等,或地下水中含有的腐蝕性化學(xué)元素

15、。當(dāng)高分子防水材料與這類化學(xué)腐蝕性介質(zhì)接觸后,它們之間的作用比起高分子材料的光氧化、熱氧化等要復(fù)雜得多3。由于介質(zhì)的滲入,腐蝕性介質(zhì)一方面對高分子材料內(nèi)部的低分子物質(zhì)發(fā)生溶出和抽提作用,使高分子材料發(fā)生膨脹、軟化或溶解,另一方面又可以與添加劑發(fā)生系列的化學(xué)反應(yīng),最終導(dǎo)致材料外觀改變和物理性能下降,使材料所具有的功能逐漸失效4。上述情況表明,研究隧道及地下工程防水材料失效性具有相當(dāng)?shù)碾y度,建立相應(yīng)的檢測手段和評價(jià)體系需要進(jìn)行大量艱巨的工作。目前我國采用的自然環(huán)境老化實(shí)驗(yàn)和人工加速老化實(shí)驗(yàn)方法,雖然可在室內(nèi)模擬環(huán)境條件,并通過強(qiáng)化某些因素進(jìn)行快速累計(jì)試驗(yàn)(如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、各種濃度鹽溶液等化學(xué)腐蝕性介

16、質(zhì)對材料的腐蝕老化,無氧高壓力下微生物的繁殖以及對材料侵蝕,在流動介質(zhì)作用下的凍融實(shí)驗(yàn)等,能在短期內(nèi)獲得材料老化失效實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但針對地下工程特定領(lǐng)域材料的失效特點(diǎn)及機(jī)理很難做出定量評判。國外同行學(xué)者認(rèn)為,地下工程防水使用的高分子材料在使用的過程中宏觀物理性質(zhì)發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化,其主要原因是由于高分子材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。因此,提出微觀分析方法是探討高分子材料失效機(jī)理的重要途經(jīng),其研究的手段是采用FTIR、UV等技術(shù)研究腐蝕性介質(zhì)中高分子主鏈結(jié)構(gòu)的變化;采用NMR、GC、GC-MS等技術(shù)對降解產(chǎn)物進(jìn)行分析;利用AFM、SEM、TEM、XRD等設(shè)備考察高分子材料形貌的變化情況;結(jié)合高分子材料

17、在失效過程中所發(fā)生的力學(xué)性能變化(如拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率等得出材料可能的降解程度和失效機(jī)理,所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)既可比較不同材料的失效程度及機(jī)理,也可作為評價(jià)材料失效程度的量化指標(biāo)5-11。2.3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(xiàng)施工工藝以及力學(xué)、物理、化學(xué)指標(biāo)的要求也不同;不同的使用環(huán)境,影響因素差異也較大,因此檢測項(xiàng)目、檢測指標(biāo)以及檢測方法也相應(yīng)不同。隧道及地下工程的設(shè)計(jì)壽命期遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于一般建筑工程,其防水工程的壽命與使用年限應(yīng)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(xué)適用的檢測方法。隧道及地下工程防水失效原因可分為兩類:一類是基于施工方法與

18、工藝的建設(shè)期影響因素,另一類是工程建成后的使用期耐久性因素。前者主要與施工方法、施工管理有關(guān),應(yīng)對各種防水方法細(xì)化施工規(guī)范與操作規(guī)程,重點(diǎn)主要集中在現(xiàn)場施工管理、施工工藝以及質(zhì)量監(jiān)控等方面。而后者引起的失效問題則難以控制,由于地下工程特點(diǎn),施工后難以檢測,發(fā)現(xiàn)問題難以修補(bǔ),影響失效性的因素很多,往往在工程交付使用后較長的時期才出現(xiàn)防水失效,這些都是防水工程檢測應(yīng)研究的重點(diǎn)。使用階段發(fā)生防水失效因素可分為兩類:一類是外界環(huán)境條件造成材料失效,另一類是材料自身缺陷或質(zhì)量問題造成失效。前者包括水作用,含有酸、堿、鹽腐蝕性介質(zhì)的水質(zhì)的侵蝕,微生物的腐蝕,地下工程力場作用的破壞,大氣環(huán)境以及時間的作用導(dǎo)

19、致高分子等有機(jī)材料的降解等,此類因素本文前已論述。后者是材料在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲藏過程中產(chǎn)生偏差造成的,屬于質(zhì)量問題。因此,檢測的目的一是針對材料的性能鑒別能否滿足防水使用年限要求,二是檢測材料是否滿足質(zhì)量控制要求。目前我國針對工程進(jìn)行的耐久性檢測中,高分子防水卷材檢測指標(biāo)主要有:常規(guī)檢測指標(biāo)(外觀及尺寸、拉伸和撕裂強(qiáng)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(tài)下的粘合性和耐久性檢測指標(biāo)(熱老化處理、耐化學(xué)侵蝕、人工氣候加速老化兩大項(xiàng)。噴涂材料還要增加噴涂材料與潮濕基面的粘結(jié)強(qiáng)度、表干和實(shí)干時間、加熱伸縮率等項(xiàng)12-16。常規(guī)檢查部分可以直觀地反映材料的物理力學(xué)性能,如果

20、這些指標(biāo)合格,一般認(rèn)為可以滿足隧道及地下工程建設(shè)階段對材料質(zhì)量控制的要求,目前已將其作為隧道工程使用期圍巖變形時防水材料抵抗失效能力的基本判定。耐久性指標(biāo)主要反映高分子防水材料的耐腐蝕性和抗老化能力,其中除耐化學(xué)侵蝕檢測具有針對性外,其他兩項(xiàng)對隧道及地下工程這類特殊建筑是不適用的。根據(jù)筆者前述對國內(nèi)200座隧道的調(diào)研結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)防水層出現(xiàn)脆化、粉化破壞現(xiàn)象的隧道使用期都在520年,其防水失效期還要低于這個時間,由此可見現(xiàn)有材料耐久性指標(biāo)的設(shè)置檢測項(xiàng)目及其相應(yīng)的檢測方法是有缺陷的。如霉菌和微生物的生物侵蝕作用、基巖與襯砌間基于圍巖緩慢變形產(chǎn)生的擠壓作用、地下結(jié)構(gòu)混凝土析出物的腐蝕作用、電及流動

21、介質(zhì)對高分子材料老化作用等因素導(dǎo)致的失效機(jī)理還未被充分認(rèn)識,還沒有評價(jià)的指標(biāo)和檢測的手段,另外由于不同的防水卷材、噴涂材料的施工方法、工藝要求、防水作用機(jī)理方面有著顯著差別,檢測標(biāo)準(zhǔn)與方法也會不同,這不僅在于各檢測項(xiàng)指標(biāo)的取值,檢測理論與方法也會不同。統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)難以反映材料的特點(diǎn)與特長,尤其是一些專用于某種特定環(huán)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(fù)雜,套用常規(guī)防水材料的檢測指標(biāo)和方法,并不能反映材料的真實(shí)耐久性,這些需認(rèn)真研究并解決。3結(jié)語隧道及地下工程建成后防水的失效性狀況不易直接觀測和定量檢驗(yàn),且狀況復(fù)雜多變,加之巖土體具有非均質(zhì)性和流變性等特

22、點(diǎn),地下環(huán)境對材料的不利影響也難以確定,很難模擬防水材料的實(shí)際破壞規(guī)律,因此國內(nèi)外對隧道及地下工程防水失效性的綜合研究工作開展較少。目前國內(nèi)雖然對防水材料在常規(guī)條件下單項(xiàng)失效性指標(biāo)已有所研究,但僅局限于其中基本的理化指標(biāo),間接地反映材料耐久性性能,沒有全面和針對性的檢測標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)體系,也沒有在符合現(xiàn)場實(shí)際情況的復(fù)合影響因素作用下進(jìn)行隧道及地下工程防水的失效性研究。目前防水材料與施工技術(shù)多元化發(fā)展進(jìn)程加快,各種新型防水材料不斷涌現(xiàn),如水性防水涂料、水性噴膜防水材料、干粉噴涂技術(shù)等新型環(huán)保性材料的出現(xiàn),其服務(wù)領(lǐng)域面向隧道及地下工程時,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不能真實(shí)反映其耐久性性能,而這些材料和技術(shù)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也沒有

23、系統(tǒng)、科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、部門標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,也均未綜合、全面地建立失效性的評價(jià)技術(shù)體系。提高材料的耐久性水平,特別是從鼓勵新材料、新技術(shù)的創(chuàng)新、滿足隧道及地下工程更高的防水要求的角度出發(fā),在現(xiàn)有各方面的檢測標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,建立和完善適合于隧道及地下工程防水的耐久性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與檢測方法是工程界亟待解決的研究課題。參考文獻(xiàn)1劉景軍,李效玉.高分子材料的環(huán)境行為與老化機(jī)理研究進(jìn)展.高分子通訊,2005(6:62-69化與應(yīng)用,1997(2:20-375Mitra S,Ghanbari-Siahkali A,Peter K.Chemical degra

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