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沉管隧道防水防腐设计的优化及其探讨
2018年11月30日    阅读量:1458    新闻来源:上海市隧道工程轨道交通设计研究  |  投稿

沉管隧道施工法正越来越受到广大工程技术人员的重视,随着我国市政基础工程的投入不断加大,沉管隧道施工法将会有更加广阔的应用领域。除了已运营的宁波常洪、上海外环等沉管隧道外,目前在建的沉管隧道有广州生物岛-大学城隧道、天津中央大道海河隧道、普陀沈家门海底隧道。相信在不久的将来,会有更多的沉管隧道出现在我国的江河湖泊及沿海区域中国涂料在线coatingol.com。笔者曾参与了宁波常洪沉管隧道、上海外环沉管隧道、天津中央大道海河沉管隧道的防水设计工作以及广州生物岛-大学城沉管隧道的防水设计咨询工作。通过上述工程的设计与咨询工作,笔者就沉管隧道防水设计技术提出如下优化措施,期望对将来沉管隧道的设计提供一些借鉴。

 

1 管段外包防水层

1.1 管段底板外包防水层

由于我国相当部分的河流存在腐蚀性,因此对沉管隧道管段本体的防水与防腐是需重点解决的问题。沉管隧道如采用全包防水设计,外包钢板为目前管段底板较常见的防水措施,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,保证了两者成为一个整体。但钢板的致命弱点是在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,但钢板之间的焊接仍会对防腐涂层造成破坏,且涂层修补十分困难。钢板一般采用于其内表面以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入混凝土结构内部,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。另外,从造价方面考虑,钢板成本较高,对整个工程的费用影响较大。笔者通过查阅国外的相关资料,认为采用塑料PVC 防水板作为底板外包防水层也是可行的方法。采用PVC 防水板,首先在理论上保证了防水层的耐久性,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,但此类情况发生的概率极低。


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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2 mm,肋条的高度约10 mm。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。PVC 防水板主要设置纵向肋条,每隔25 m 左右需设置一道横向肋条,纵横向肋条的间隔设置方式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(图2)。


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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,防水板端部需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是较理想的解决方法。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,此举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(图3)。


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防水板在满足管段底板外包防水层耐久性的同时,也存在一些缺陷,特别是材质决定了其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。具体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

管段顶板、侧墙外包防水层目前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。喷涂型聚脲防水涂料是近年来逐渐为设计人员熟知的新型防水涂料,此材料原先主要作为防腐涂料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,且具有如下显著优势:

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10 min 内达到上人行走的强度要求,有利于提高效率,缩短工期。

2)该材料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、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/T 23446—2009)中的要求,标准中Ⅰ型、Ⅱ型涂料在性能指标上存在差异,但应用领域没有差别。考虑到沉管隧道的耐久性要求,Ⅱ型涂料宜作为管段外防水涂层的首选方案。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1.5 mm,且应与底板上翻的防水层有一定的搭接宽度。另外,由于管段顶板入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,因此防水层最终修补时,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

2.1 GINA 止水带及其压件系统

GINA 止水带为管段接头第一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,也可根据隧道所处的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,则宜采用纯天然橡胶为材质,以提高GINA 止水带的物理性能。

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。在止水带选型过程中,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(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。上述选型原则保证了GINA 止水带所承受的水压与对应的压缩量处于可控范围内。


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由于管段之间存在不均匀沉降,GINA 止水带往往会产生偏移受压现象,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GINA 止水带的检查结果来看,在产生偏移受压情况下,如压件系统存在较突出的螺栓头等构件,会造成GINA 止水带本体受到破坏,严重影响其使用寿命。因此今后GINA止水带压件设计时,务必采用不会对GINA 止水带本体产生较大伤害的构造形式(图5)。


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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OMEGA 止水带的安装过程中,采用压板结合螺栓固定于螺母内的方式压紧OMEGA 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较高,且对螺栓的现场固定带来不便。因此,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,为施工现场操作带来相当的便利(图6)。


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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,建议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是设置钢板止水带,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,为了保证整个防水系统的统一性,将中埋式止水带与钢板止水带采用如下方式进行连接: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,从而确保渗漏水不会侵入横向、纵向施工缝所设防水材料的内侧,见图7。


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4 特殊钢构件防腐

4.1 端钢壳防腐

以往沉管隧道的端钢壳防腐措施主要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15 a 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来对端钢壳进行防腐处理。

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,即可形成长效的防腐复合涂层。该涂层的显著特点为:1)具有较长的耐腐蚀寿命,在30 a 使用期内无须其他任何防腐维护。2)电弧喷涂涂层与金属基体具有优良的涂层结合力(可达10 MPa 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,这一点是其他任何表面防腐涂层不易达到的。电弧喷涂锌、铝涂层为阴极保护,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的效果。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,因此能保证聚脲涂料层的连续性、完整性。另外,对于因烧焊导致涂层受损处,应以同类涂层进行修补。喷涂型聚脲涂料应在端钢壳烧焊工作结束后再开始施工。

4.2 GINA 止水带和OMEGA 止水带的压件防腐

根据已运营沉管隧道的设计回访,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OMEGA 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300 μm 为宜。

4.3 OMEGA 止水带检漏用预埋水管防腐

为了保证OMEGA 止水带在GINA 止水带失效后继续起止水作用,在其安装结束后,应对OMEGA止水带进行注水加压检漏测试。因此,需通过端钢壳在GINA 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发生时出现过大的轴向变形,管段之间接头采用钢绞线连接。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。该防腐装置由可伸缩橡胶管、热缩管、热缩带以及连接法兰等组成,利用了可伸缩橡胶管能适应接头钢绞线位移的特性;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。

随着防腐技术的不断发展,目前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,材质为氯丁橡胶。此保护环可保证钢绞线在接头安装过程中,不会因拉伸、拖拽等与管段混凝土摩擦受损(图8)。熔融结合环氧粉末涂料性能指标见表1。


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5 临时钢围堰防水处理

过去,最后一节管段顶板上一般浇筑一道混凝土围堰,然后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,最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10 m,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10m 高模板的搭建也会给施工单位带来较大困难。基于上述原因,结构设计人员提出改用临时钢围堰来代替混凝土围堰。

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。


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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3 个等体积的构件进行加工,安装时连为一体,而在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。3 块钢围堰之间的接缝以及钢围堰与管段顶板之间的接缝,均须设置止水条进行防水,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,止水条的材质一般为氯丁橡胶。


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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,就已安装的现场实例来看,该材料强度不高,受到外力作用后损伤较为严重。建议采用材质为氯丁橡胶的阻浆带,阻浆带的断面形式可为多孔梯形构造;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研究结合施工实践,不断优化设计,为今后的沉管隧道设计打下良好的基础。


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