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沉管隧道防水、防腐设计技术的优化及其探讨
上海市隧道工程轨道交通设计研究院 陆 明 朱祖喜

摘 要:结合近年来沉管隧道防水、防腐设计中遇到的薄弱环节,提出了有针对性的改进方法,介绍了一些适合特殊工况的沉管隧道防水、防腐材料,并详述了沉管隧道管段外包防水层、管段接头GINA、O-MEGA止水带及其压件系统、横向垂直施工缝中埋式止水带与纵向水平施工缝钢板止水带的搭接、特殊钢构件防腐以及临时钢围堰防水处理的措施,可供同类工程参考。
关键词:沉管隧道;外包防水层;喷涂型聚脲防水涂料;压件;电弧喷涂;钢绞线;临时钢围堰

随着我国市政基础工程的不断发展,沉管隧道施工法得到了更广泛的应用,除了已运营的宁波常洪、上海外环等沉管隧道外,目前在建的还有广州生物岛-大学城隧道、天津中央大道海河隧道、普陀沈家门海底隧道。
本文作者曾参与了其中部分沉管隧道的防水设计以及防水设计咨询工作。以下就如何提高沉管隧道防水、防腐设计技术的优化等问题进行一些探讨。
1 沉管隧道管段外包防水层
1.1 管段底板外包防水层
由于沉管隧道在河流中受其腐蚀,因此,沉管隧道管段本体的防水、防腐是需重点解决的问题。沉管隧道如采用全包防水设计,外包钢板则为管段底板的一种防水措施。钢板既可以作为混凝土浇筑的模板,又可以作为底板的外包防水层,且钢板与混凝土的结合性能良好,保证了两者为一个整体。但钢板的弱点是:在水下腐蚀性环境中,其防腐耐久性能较差,虽然钢板表面可通过涂刷防腐涂层来改善其防腐性能,但钢板之间的焊缝仍会对防腐涂层造成破坏,且涂层修补十分困难。另外,钢板一般采用于其内表面焊接锚筋的方式与混凝土紧密结合,若干年后,如钢板受到腐蚀造成穿孔,腐蚀性介质会沿锚筋直接侵人混凝土结构内部,从而进一步引发混凝土钢筋锈蚀,最终对整个结构造成不良后果。在造价方面,由于钢板成本较高,对整个工程的费用影响较大。
通过查阅国外相关资料,作者认为:采用塑料PVC(聚氯乙烯)防水板作为底板外包防水层也是可行的。因PVC防水板为有机材料,不受河流、海洋中的腐蚀性介质影响,它只有在有机溶剂的侵蚀下才会腐蚀(此类情况发生的概率极低),所以,从理论上分析,PVC防水板能够保证防水层的耐久性。
管段底板铺设的PVC防水板一般为带有肋条的平板,肋条的断面构造见图1,平板厚度约为2mm,肋条的高度约为lOmm。肋条的构造形式既使其可与混凝土紧密咬合,又不会对底板钢筋的绑扎、混凝土保护层的控制产生不良影响。
图1 防水板剖面构造图(mm)
防水板主要设置纵向肋条,每隔25m左右需设置一道横向肋条,间隔设置的纵横向肋条将可能产生的渗漏水限制在局部范围内,防止了大面积窜水现象的产生。PVC防水板之间采用热熔焊接方式相连,纵横向防水板接头处,可先采用必要的工具对肋条断面加以切割,以确保肋条接头的平整度,保证焊接质量(见图2)。
图2 PVC防水板纵横向搭接构造图
防水板铺设至管段底板与侧墙转角处,需沿侧墙模板上翻至纵向水平施工缝之上做收头处理。另外,防水板端部沿纵向加焊一道与防水板同等材质的外贴式止水带,以加强防水板端部的止水功效。
防水板至端钢壳的收头也需做特殊处理,采用压条结合螺栓固定防水板的方式较为理想。收头防水板无需设置肋条,端钢壳上预设螺孔,收头防水板与端钢壳搭接一定宽度,防水板端部同样预留对应的螺孔,然后通过压条结合螺栓压紧防水板端部,即完成对防水板的封闭。防水板与端钢壳之间的高差采用预制水泥砂浆倒角的方式,使防水板可平缓铺设至端钢壳内表面。另外,端钢壳预设螺孔两侧、预设螺孔与螺栓表面均需预先满涂单组分聚氨酯膨胀密封胶,然后再拧紧螺栓。此措施封闭了收头防水板与端钢壳之间、螺栓与螺孔之间存在的渗水通道(见图3)。
图3 防水板至端钢壳处的收头封边图
当然,PVC防水板也有其缺陷,主要是无法承受高温与火花。因此,在管段施工阶段,需注意对防水板的保护。可采取如下保护措施:
1)预先在防水板以外的地方完成钢筋的焊接、绑扎工作,再将钢筋笼吊装于防水板上。
2)在防水板上预铺一层细沙,将防水板完全遮盖,然后在细沙上进行钢筋的焊接、绑扎工作,待完成后用水将细沙从防水板基面冲走即可。
1.2 管段顶板、侧墙外包防水层
目前,管段顶板、侧墙外包防水层一般采用聚氨酯防水涂层,但考虑到施工现场的实际情况以及沉管隧道所处环境存在的腐蚀性介质,在此推荐采用喷涂型聚脲防水涂料。该涂料原先应用于海港工程中的混凝土与钢构件表面。如今,科研人员通过对该产品的改性优化,使其达到并超过了相关的防水涂料性能指标要求,并具有如下优点:
1)固化速度快。聚脲为无溶剂的涂料,喷涂在基面上,可在数秒至十秒内形成凝胶体,能一次连续喷涂,使涂层达到设计规定的厚度,而不会产生流坠现象,并可在lOmin内达到喷涂面上人可行走的强度要求,有利于提高效率,缩短工期。
2)对温度和湿度不敏感,不易发泡,故对施工的环境条件要求较低,便于提高防水、防腐涂层的施工质量。
3)可在变截面的基层上进行喷涂施工,并能形成连续、无缝、整体、致密的涂层,有利于确保防水、防腐工程质量。
4)涂层对温度的稳定性好,可在-50℃~120℃的环境条件下长期使用。
5)具有拉伸强度高、延伸率大、粘结力强、耐冲击、防水、防腐、耐磨耗和耐老化性能较好等特点。
6)涂层对混凝土、钢、铝、木材等多种基材均具有良好的粘结性能。
7)不含任何挥发性有机物,100%固含量,属新型环保型材料。
8)可在潮湿界面上施工。
9)抗冲击强度性能佳,涂料施工后,无需设置保护层。
喷涂型聚脲防水涂料性能指标应符合最新颁布的国标《喷涂聚脲防水涂料》(GB/T23446-2009)中的要求(见表1),表中Ⅰ型、Ⅱ型涂料在性能指标上存在差异,但在应用领域没有差别。考虑到沉管隧道耐久性的要求,Ⅱ型涂料宜作为管段外防水涂层的首选方案。
表1 喷涂型聚脲防水涂料性能指标
涂料施工前,混凝土基面应预先涂刷与其相配套的封闭底涂料。喷涂型聚脲防水涂料的施工厚度一般为l.5㎜,且应与底板上翻的防水层有一定的搭接宽度。
另外,由于管段顶板人孔的钢盖板采用水下焊接,其外表面无法形成连续封闭的防水层,对于防水层最终的修补,可让潜水员下潜至钢盖板处,以手工涂抹方式,将环氧类胶泥材料施作于钢盖板上。
2 管段接头GINA、OMEGA止水带及其压件系统
2.l GINA止水带及其压件系统
GINA止水带为管段接头首道、也是最重要的一道防线,其材质一般为丁苯橡胶与天然橡胶的混合物,另外,可根据隧道所处不同地质区域做出相应的材质调整。如处于地震多发带的管段,GINA止水带宜采用纯天然橡胶为材质,以提高其物埋性能。
设计人员应根据GINA止水带的压力-压缩变形曲线,选择相应的GINA止水带型号。在选型过程中,宜按照各管段接头所承受的水压以及对应的压缩量处于压力-压缩变形曲线初始压缩线性阶段的原则(见图4),选取去除轴向总偏差后,剩余压缩值富余较大的GINA止水带型号。该原则保证了GINA止水带所承受的水压与对应的压缩量处于可控范围内。
图4 GINA止水带压力-压缩变形曲线
由于管段之间存在不均匀沉降,GINA止水带往往产生偏移受压现象。此时GINA止水带完全挤压在压件系统的一侧,根据对先前受损GlNA止水带的检查,在产生偏移受压情况下,如压件系统存在较大突出的螺栓头等构件,会造成GINA止水带的本体受到较大破坏,严重影响其使用寿命。因此,在设计时,务必采用不会对GINA止水带本体产生较大伤害的压件构造形式(见图5)。
图5 GlNA止水带压件构造图
2.2 OMEGA止水带压件系统
以往OMEGA止水带的压件系统主要采用端钢壳上焊接组合式盖形螺母,然后在安装过程中,采用压板结合螺栓固定于组合式盖形螺母内的方式压紧止水带的边端,以起到防水功效。先焊接组合式盖形螺母,再拧紧螺栓的固定方式对组合式盖形螺母定位精度要求高,且对螺栓的现场固定带来不便。现建议将螺栓先焊接于端钢壳上,再以螺母、垫圈结合压板固定的方式压紧OMEGA止水带的边端,上述改进使螺栓的焊接位置一目了然,为现场操作提供便利(见图6)。
图6 建议采用的OMEGA止水带压件系统构造图
另外,考虑到施工现场情况复杂,可能对局部OMEGA止水带造成损伤,现沿底板及侧墙至路面标高以上一定距离的OMEGA止水带外侧设置保护罩。
3 横向垂直施工缝中埋式止水带与纵向水平施工缝钢板止水带的搭接
管段横向垂直施工缝的防水措施以设置中埋式止水带为主,纵向水平施工缝的防水措施一般为设置钢板止水带,以往在横向垂直施工缝与纵向水平施工缝相接处,防水材料各自形成封闭的防水线。现在,为了保证防水系统的整体统一,性,将中埋式止水带与钢板止水带按如下方式连接:利用中埋式止水带的钢边与钢板止水带搭接一定的宽度,搭接宽度之间夹有一定厚度的丁基橡胶腻子薄片,使钢边与钢板止水带紧密相贴,并用铆钉加以固定,从而确保了渗漏水不会侵入横、纵向施工缝所设防水材料的内侧(见图7)。
图7 中埋式止水带与钢板止水带的搭接构造图
4 特殊钢构件防腐措施
4.1 端钢壳防腐措施
以往沉管隧道端钢壳的防腐措施是:采用环氧云铁或环氧富锌底漆与厚膜型环氧沥青面漆结合涂刷的方式。但一般环氧类涂层的防腐年限为15a左右,且现场涂装道数较多,无法保证施工质量。
现推荐采用电弧喷涂与喷涂型聚脲涂料相结合的方法施作于端钢壳。
电弧喷涂防腐原理是利用电弧喷涂设备,对两根带电的金属丝(如锌、铝等)进行加热、熔融、雾化、喷涂形成防腐涂层,外加有机封闭涂层,即可形成长效防腐复合涂层。该涂层的特点为:
1)具有较长久的耐腐蚀寿命,在30a使用期内无须其它任何防腐维护。
2)电弧喷涂涂层与金属基体具有优良的涂层结合力(可达lOMPa以上),金属喷涂涂层以机械镶嵌和微冶金与基体金属相结合,在弯曲、冲击或碰撞的情况下也能确保防腐涂层不脱落、不起皮、结合牢固、防腐长久有效,这一点是其它任何表面防腐涂层无法达到的。电弧喷涂锌、铝涂层实际为阴极保护。在腐蚀环境下,即使防腐涂层局部破损,仍具有"牺牲"自己,保护钢铁基体之效果。
而喷涂型聚脲涂料既是端钢壳的防腐涂层,又是管段本体外防水层。因此,可保证聚脲涂料层的连续性和完整性。另外,对于因烧焊导致涂层受损处,应以同类涂层修补。喷涂型聚脲涂料应在端钢壳焊接工作结束后再开始施工。
4.2 GINA止水带、OMEGA止水带压件防腐措施
根据对已运营沉管隧道的设计回访,了解到GINA止水带和OMEGA止水带的压件腐蚀较为严重,故两者压件系统中的螺栓、螺母、垫圈以及OMECA止水带外侧局部设置的保护罩均应采用高等级的不锈钢材质。压板、压条、压块、圆钢表面采用电弧喷涂防腐处理,电弧喷涂涂层厚度以300um为宜。
4.3 OMEGA止水带检漏用预埋水管防腐措施
为保证OMEGA止水带在ClNA止水带失效时的止水作用,在其安装结束后,我们要求对OMEGA止水带进行注水加压检漏测试。因此,通过端钢壳,在GlNA止水带与OMEGA止水带之间的空腔内预埋水管。此预埋水管可在检漏测试后长期保留,用于运营阶段观测管段接头的渗漏情况,还可在堵漏时发挥作用。基于上述用途,预埋水管需考虑长期使用功效,其材质宜采用高等级不锈钢。
4.4 管段接头钢绞线防腐
为了防止管段接头在地震时出现过大的轴向变形,管段之间采用接头钢绞线连接。以往主要采用可伸缩的橡胶管对接头钢绞线进行防腐蚀处理。整套防腐装置由可伸缩橡胶管、热缩管、热缩带以及连接法兰组成,利用可伸缩橡胶管适应接头钢绞线的位移。防腐装置将接头钢绞线的外露部分完全包裹,管腔内注入防锈油脂以防钢绞线锈蚀。整套装置配件较多,安装繁琐,且油脂注入孔如封闭不严,会造成油脂渗漏现象。
目前,随着防腐技术的不断发展,出现了一种新型的钢绞线防腐涂层。此技术采用熔融结合环氧粉末涂料作为其防腐涂层,生产工艺流程为钢绞线预热后,静电喷涂环氧粉末涂料,待涂层固化后强制冷却。该涂层具有如下特点:
1)涂层与钢绞线的结合力强,且在钢绞线受力和变形条件下涂层不会开裂、脱落。
2)涂层抗化学渗透能力好,可避免钢绞线受到腐蚀断裂。
3)涂层自身机械强度高。
另外,钢绞线和管段接口处设置钢绞线保护环,其材质为氯丁橡胶。此环可保证钢绞线在接头安装过程中,不会因拉伸、拖拽与管段混凝土磨擦受损(见图8)。
图8 管段接头钢绞线防腐措施构造图
熔融结合环氧粉末涂料性能指标见表2。
表2 熔融结台环氧粉末涂料性能指标
5 临时钢围堰防水处理
在以往的工程中,在最后一节管段顶板上一般浇筑一道混凝土围堰。将此管节拖至坞口处,采用水下混凝土浇筑方式,使混凝土围堰与干坞连为一体,然后排尽干坞中的积水,为后续现浇混凝土接头提供一个干燥的环境。由于混凝土围堰的高度约lOm,无法与管段顶板一次浇筑完成,且需达到一定强度后,才能投入使用。因此,围堰从施工到应用需要的工期较长,同时lOm高模板的搭建也会给施工单位带来较大的困难。
基于上述原因,设计人员提出改用临时钢围堰来代替混凝土围堰的方法。
5.1 临时钢围堰与填充水下混凝土之间的接缝防水
临时钢围堰与管段侧墙外表面烧焊两道止水钢板,且于现浇暗埋段一侧增设一道预埋式注浆管,以便对水下混凝土与钢围堰、管段侧墙之间可能存在的接缝渗漏水进行后续注浆堵漏处理。填充水下混凝土与围护结构一侧的接缝设置同样的防水措施(见图9)。
图9 临时钢围堰与填充水下混凝土之间的接缝防水构造图
5.2 临时钢围堰本体接缝防水及其与管段的接缝防水
由于临时钢围堰体积较大,需划分为三个等体积部分进行加工。安装时连为一体,而最后一节管段顶板对应的钢围堰安装位置预留一沟槽,以便于钢围堰的定位。三块钢围堰之间的接缝以及钢围堰与管段顶板之间的接缝均设置止水条(见图10)。由于上述接缝仅需达到临时性防水要求,止水条抗水压能力仅需超过接缝处所承受水压值即可,止水条的材质为氯丁橡胶。
图10 临时钢围堰本体接缝防水及其与管段的接缝防水构造图
6 阻浆带
在最后一节管段沉放位置需预先设置两道阻浆带。阻浆带既可挡住外围的灌砂进入阻浆带之间,也可防止阻浆带之间注入的水泥浆液外流。以前阻浆带的材质为聚氨酯软质泡沫塑料,从已安装的现场实例来看,此材料强度不高,受到外力作用后损伤较为严重。现建议采用材质为氯丁橡胶的阻浆带,阻浆带的断面形式为多孔梯形构造,最终构造尺寸应根据相关试验确定,以保证它既可满足一定的抗水压要求,又可在一定的压力条件下具有相当的可压缩性。
7 结语
目前国内采用沉管法施工的隧道还不多,一些设计上的优化措施还处于摸索阶段,设计人员宜通过相应的科研工作结合施工实践,不断优化设计,为今后的沉管隧道设计创造更好的条件。
(注:表格、图示内容详见会刊2010年第5期)

[发布日期:2010/10/20] [关闭窗口]