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厦门翔安海底隧道防水工程
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厦门翔安海底隧道现场指挥部 瞿守信 摘 要：介绍我国第一条大断面、浅埋暗挖法施工的海底隧道在防排水设计施工中的主要技术方案和措施。该海底隧道最深处在海平面以下70m，衬砌结构承受0.7MPa水压力。整个海底隧道均处在海平面以下，在海水及陆域地下水的包围中。所以该隧道防排水采用从初期支护、防水板铺设、分区防水、施工缝、变形缝等细部防水、埋设纵横向盲管到高性能混凝土自防水等，“以堵为主，限量排放，多道防水，刚柔结合”的防水技术。 关键词：海底隧道；防水工程；设计；施工 1 工程概况 厦门东通道（翔安海底隧道）是我国第一条规模宏大，举世瞩目的大断面浅埋暗挖法施工的海底隧道。该隧道是厦门岛连接东岸翔安与福建省其他地区的东部通道。隧道分左右双向6车道的行车主隧道和2个行车隧道之间一条服务隧道，3条隧道的净间距为22m；左右线行车主隧道最大开挖宽度近17.2m，最大开挖高度为12m，最大开挖断面达170 m2；服务隧道最大开挖宽度和高度达7.5 m，近于圆形，开挖断面47 m2；3条隧道各长6 050 m，其中海域段为4 200m，陆域及浅滩段为1 850m 。 该隧道主要穿过陆域浅滩和海域段（见图1）。其中陆域浅滩6个洞口多处于填筑土（Q4me），冲洪积（4Qal+P1）黏土、高岭土、全强风化花岗岩，地下水位高，地下水丰富。在翔安端3条隧道均通过的450多m富水砂层已与海水连通。洞口段填筑土、冲洪积层、黏土、高岭土在丰富的地下水作用下，极易软化、液化成流塑状，承载能力极低，造成拱顶下沉和地面沉降，施工开挖极为困难，对施工安全带来较大的威胁。海域段隧道要穿过4条风化深槽（囊），根据地质描述，风化深槽全强风化岩体破碎，含有泥沙，成塑性状、强度低、自稳能力差。在极端地质条件下，存在发生渗透破坏的可能。 2 海底隧道防水工程 翔安海底隧道所处地下水及海水总水压为0.7MPa左右，为减少二次钢筋混凝土的水压力荷载，采用以“防堵为主，限量排放，多道防水，刚柔结合”的永久防排水原则。 翔安海底隧道设计为复合式衬砌结构，即初期支护用型钢钢拱架（主洞，见图2）和网构钢拱架（服务洞）、超前小导管（洞口大管棚）、径向锚杆、钢筋网，纵向连接钢筋、喷射防渗混凝土、铺设无纺布土工布和防水板、作二次衬砌、环向和纵向排水盲管并在拱墙脚纵向排水沟上方防水板与二衬之间设泄水管，将防水板与二衬之间的渗水引入隧道纵向排水沟。在洞口和隧道中部最低点设集水池，将水抽排至洞外。 海底隧道防水工程主要包括：初期支护防水、防水板防水、二衬混凝土自防水和施工缝、沉降缝的细部防水。 2.1 初期支护防水 初期支护包括超前小导管、径向锚杆、型钢拱架支撑（主洞）、网构钢拱架（服务洞）、锁脚锚管、钢筋网、纵向连接钢筋，喷射混凝土、径向回填注浆等。 初期支护除对洞身周围岩体进行加固，防止围岩坍塌和沉降外，同时还要起到堵水、止水的作用。初期支护堵水是海底隧道防水排水十分重要的部分。因初期支护直接与围岩密贴在一起，直接受地下水和海水的压力和腐蚀，陆域段多为回填土、砂土和强风化岩土地段，地下水位高，地下水丰富，富水砂层为450多m，直接与海水连通；海域段4个风化深槽（囊）直接与海水连通，所以初期支护防水排水至关重要。 初期支护防水主要是做好径向注浆和喷射混凝土： 1）径向注浆：主要是注普通水泥浆。通过径向注浆，把初期支护与围岩之间和孔隙填满、填密实，一方面可以加固初期支护背后的围岩提高其强度，防水初期支护后土体松驰下沉，同时可以起到在初期支护背后堵水的作用。如果初期支护背后围岩中渗水量比较大，就注水泥、水玻璃双液浆，对初期支护背后围岩进行加固和堵水。 2）初期支护喷射混凝土：初期支护除超前小导管、钢支撑、钢筋网、纵向连接钢筋和径向描杆之外，主要是喷射混凝土。隧道开挖时，软弱围岩段由于土体松动和地下水的作用，洞周有松动、掉块和小坍塌，必须立即喷混凝土对洞周土体进行封闭。在破碎围岩段裂隙发育、洞周围岩土在架立钢拱之前，先喷射围岩表面，喷射厚度为5cm以上，作为钢拱架的外圈保护层。有坍塌掉块必须立即喷射混凝土进行封闭，喷射混凝土厚度不小于30 cm，钢拱架内圈保护层厚度不小于5cm。在翔安海底隧道陆域段施工中，喷射混凝土厚度均超过30cm，有个别地段超过40cm，个别坍塌的地方必须用喷射混凝土喷满、喷密实。现场质检人员和监理人员对喷射混凝土的厚度和密实度进行检查，不符合设计要求的要返工重做。 喷射混凝土的材料配合比和各种性能经过了多次试验，喷射混凝土的强度等级为C25，要求1d的抗压强度（掺速凝剂）大于10.0MPa，满足100年耐久性的要求。喷射混凝土拌合物的坍落度控制在140~180mm，在喷射混凝土中掺加12%粉煤灰和27%的矿渣粉，使喷射混凝土的28d抗压强度增加30%，达到38.6MPa，高于C25喷射混凝土的强度要求。 喷射混凝土的耐久性主要考虑抗渗性、抗碳化性能和抗氯离子渗透性能的要求。试验表明均优于S12抗渗性能的要求。经试验，喷射混凝土标养28d后，抗压强度最低达38.5 MPa，最高达到60.2 MPa，满足100年使用寿命的要求。经抗氯离子渗透性能试验表明，在40~50mm深度氯离子的含量为0.005%~0.106%，完全满足规范对抗氯离子渗透的要求。 3）初期支护在陆域软弱围岩段和海底风化深槽（囊）段必须及时封闭成环，严格控制拱顶沉降和拱腰收敛。初期支护完成后做到变形稳定，不开裂、不渗、不漏，在施作防水板之前对初期支护有开裂渗漏的地方进行补充注浆，做到初期支护表面平顺，不允许有尖锐之物。在满足要求的情况下，再进行无纺布和防水板的铺设。 2.2 防水板铺设 1）厦门翔安海底隧道防水板选择的原则是，防水板应用在隧道和地下工程中有成功的、成熟的经验和较好的业绩，经全国防水专家论证，选择了ECB和PVC 2种防水卷材，并在全国范围进行招标，由业主统一采购使用。2种防水卷材先用从比利时进口的2mm厚PVC防水卷材（后因投标价格问题，由国内PVC厂家中标）和沈阳星辰的2mm厚ECB防水卷材，技术指标均超过国标的要求。因考虑海底隧道防水的重要性，2种材料的拉伸强度纵横向均超过16MPa，断裂伸长率均要求超过250%，实际检测2种材料的拉伸强度在20MPa以上，断裂伸长率均在350%以上。ECB防水卷材的实际技术指标更高一些，加热伸缩量、不透水性、低温弯折等技术指标均超过国标的要求。 2）防水板施工：二衬混凝土施工之前，先在初期支护上做无纺布缓冲层并在无纺布上施作防水板，首先将无纺布用水泥钉和垫圈固定在初期支护上，按设计和规范要求纵向固定间距为40~100cm，环向固定间距为80cm，然后将防水板焊接在垫圈上。本隧道选用400g/m2的无纺布。防水板经过全国招投标选用 2种防水板材，其五通端（岛内）选用2mm厚的PVC防水板，翔安端（岛外）选用2mm厚的ECB防水板。防水板搭接长度按规范和设计要求为10~12cm。在绑扎钢筋和浇注二衬混凝土之间对防水板施工进行检查。防水板在钢筋施工中受到破坏的地方要进行修补，确保防水板铺设平顺、完整，搭接符合要求，并要对搭接双焊缝进行气密性试验检测，满足要求后才能进行下道工序施工。该隧道无纺布和防水板只铺设拱墙到墙底与仰拱衔处，仰拱不铺设防水板。在海域4个风化深槽段为全包防水，仰拱也铺设防水板。 2.3 分区防水 为了防止防水板被穿破出现渗流和窜流，特设分区防水（见图3、图4）。分区防水按模板的长度（主洞10m，服务洞为12m），在主洞每10m为一防水分区，在二衬施工缝处设背贴式止水带，将渗流或窜流水隔开，并在10m中间设防渗肋条。背贴式防水带、防渗肋条均焊接在防水板上，第一防水分区在左右边墙下部设注浆管控制盘，每个控制盘带5根注浆管。在注浆管端头有注浆咀，该注浆咀与圆盘连接，该圆盘用胶粘带临时封贴在防水板上，以防浇注二衬混凝土时砂浆堵塞注浆管。当防水分区发生渗漏水时可进行注浆封堵。 2.4 施工缝防水 主隧道每10m设1个环向施工缝，服务洞每12m设1个环向施工缝。主隧道和服务隧道纵向左右边墙与仰拱衔接处各1条纵向施工缝。施工缝在防水板侧设带注浆管的背贴式止水带与防水板焊接（见图5、图6），在二衬混凝土断面中部设带注浆管的橡胶遇水膨胀止水条，在二衬混凝土表面3.8cm深、2.5cm宽涂水泥基渗透结晶型防水涂料。在纵向施工缝和环向相交处是容易出现渗漏水的地方，各在4个方向1.2~1.5m范围内涂日产P201遇水膨胀密封剂，见图7、图8。 2.5 变形缝防水 本隧道尽量少设变形缝或沉降缝（见图9）。现只在明洞与暗洞交界处设了变形缝，对变形缝的防水，除在靠防水板侧设带注浆管的背贴式止水带之外，在二衬混凝土中部设带注浆管的中埋式橡胶止水带，并在环向变形缝与纵向施工缝处设日产P201遇水膨胀单液型密封剂。在二衬混凝土表面3.8cm深、2.5cm宽涂水泥基渗透结晶型防水涂料。 2.6 二衬混凝土的自防水 本海底隧道工程混凝土处于湿热的海洋大气和渗透海水的侵蚀介质环境中，特别是隧道中衬砌混凝土结构处于海水氯离子腐蚀和汽车尾气CO2碳化腐蚀的双重威胁中。根据《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES 01-2004），隧道工程混凝土结构设计使用年限为100年以上的重要土木建筑设施工程属一级，其环境类别及作用等级为E级（靠海的陆上室外结构）。 整个隧道考虑海洋大气环境和浪滩区海水渗透的影响，结构设计混凝土强度等级为C45，为保证海洋环境条件下，100年以上耐久性设计要求，衬砌混凝土抗渗等级为P12，90d氯离子扩散系数小于2.0×10-2m2/s的高性能混凝土。 高性能混凝土由建设管理单位厦门路桥建设集团有限公司委托南京水利科学研究院进行1年多的试验，包括力学性能试验、混凝土干缩变形试验、混凝土自身体积变形试验、混凝土抗海水和抗淡水渗透试验、混凝土抗碳化试验、混凝土抗氯离子渗透性能等各项试验，并结合上述性能指标和碱-骨料反应试验，对不同原材料（水泥、砂石、外加剂）品种和不同混凝土配合比（普通混凝土配合比，单掺粉煤灰混凝土配合比、双掺混凝土配合比、单掺矿渣混凝土配合比）进行对比，初步确定衬砌高性能混凝土配合比方案和相关技术要求（见表1、表2、表3、表4），并经过现场试验，最后确定了高性能混凝土的配合比和相关技术要求。厦门海底隧道决定采用高性能双掺混凝土配合比，其原材料为P.Ⅱ42.5水泥；Ⅰ级粉煤灰；S95磨细矿渣粉；Mx=2.6~2.9中河沙；5~31.5mm花岗岩二级配碎石；聚硅酸盐系高效减水剂。泵送混凝土坍落度为（160±20）mm（仰拱）~（200±20）mm（拱墙）。 厦门翔安海底隧道混凝土分别做了各种情况的室内试验及现场试验。经最后研究确定采用高性能双掺混凝土，其配合比见表5。并同时对所用水泥、粉煤灰、矿渣粉等胶质材料进行碱骨料反应试验，水泥中的碱含量小于0.6%，每立方混凝土中的总碱含量不大于3kg。 高性能混凝土在厦门翔安海底隧道使用状况良好，基本上达到了不开裂、不渗漏的要求。 3 海底隧道的防排水 海底隧道与山岭隧道最大的区别之一就是排水问题。山岭隧道一般是“人”字坡或单坡，隧道内的渗流水均是通过排水沟自流排至洞外，除地面建筑物和植被有特殊要求外，可以排为主，以堵为辅，排堵结合。但海底隧道纵向为“V”字型坡度，洞口在陆域段标高比洞内高，洞口的渗漏水要沿隧道向洞内流。海底隧道头顶与含腐蚀的海水直接连通，所以海底隧道的防排水显得非常重要。 3.1 初期支护与防水板之间的排水 初期支护在施工中虽然进行喷射混凝土和初期支护拱墙背后的注浆加固堵水，要求在做防水板和二衬之前初期支护表面不开裂、不渗漏水。但随着时间的延长，由于地下水和海水的侵蚀，仍会有地下水和海水渗流，对无纺土工布、防水板造成侵蚀，对二衬混凝土造成压力，甚至浸蚀。因为，对初期支护和防水板之间渗漏水要有排水措施。翔安海底隧道经过设计计算，确定在隧道环向和纵向设置排水盲管。纵向在边墙底部设纵向排水盲管，采用内径11cm的HDPE双壁打孔波纹管，打孔大小Φ3mm×30mm，要求机械打孔，外裹一层无纺土工布，以防止砂、土（混凝土）流入管内；环向每10m设一内径11cm的HDPE双壁不打孔波纹管，在与边墙底部纵向排水盲管连接处采用三通连接，将渗流水直接引入隧道底部排水侧沟内。 3.2 防水板与二衬混凝土之间的排水 考虑防水板在施工过程中有损坏，二衬施工完成后，初期支护和防水板之间的少量水可能渗流到防水板和二衬混凝土之间，这部分渗漏水虽然数量不大，处理不好也可能对二衬混凝土造成水压力或引起二衬的局部渗漏。为了解决该少量的渗水问题，在二衬混凝土边墙底部埋设泄水管，将防水板与二衬之间的渗流水引入隧道侧排水沟中。 4 结语 对于海底隧道，特别是在水文地质条件复杂的情况下，隧道施工中的防排水是该隧道施工成败的关键技术之一。本文所采用的防排水技术，通过已施工完成段的施工实践证明是比较成功的，可为今后修建海底隧道的防排水设计和施工提供参考。 |
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