一种隧道衬砌防水结构及施工方法

1.本发明涉及隧道工程防水与支护技术领域，尤其涉及一种隧道衬砌防水结构及施工方法。


背景技术：

2.铁路和公路隧道修建时常需要施加较厚的二次衬砌来穿越富水岩体，富水地层自身稳定性差、结合性弱、渗透性强，在该地质岩体施工时，遇到隧道上方存在河流和冲沟，易发生岩层渗水、涌水、掉块和塌方等工程灾害。
3.围岩稳定性控制与防水工作至关重要，针对以上问题目前主要有两种防水结构来解决，一种是采用土工布和防水板组成的复合防水结构，采用这种方式施工时对安装精度要求较高，需要保证精确焊接，搭接缝处较难处理，特别是在底板与侧墙交接的位置，容易出现与基面无法有效粘接的情况，极易出现渗漏水情况，并且出现渗漏时需要进行隔离且难以修复，由于防水板形状已经成型，难以胜任复杂形状结构的防水，并且防水板没有粘接力，浪费了部分二次衬砌的承载性能；另一种是采用喷膜防水作为隧道防水层的单层防水衬砌，单层防水衬砌为自防水结构，在衬砌设计时需要考虑作用在衬砌上的水压，在高水压地层不适合采用自防水的隧道衬砌，实际施工时，存在初支基面渗水不易成膜、仰拱积水难以施工的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种隧道衬砌防水结构及施工方法，以解决上述现有技术存在的问题隧道拱脚上部采用喷涂式防水结构，隧道拱脚至拱底采用复合防水结构，在两种防水结构的衔接处采用防水膜结合衔接板、衔接布的结构，使两种防水结构紧密连接，共同发挥防水效能，有效解决了铺设土工布与防水板接缝易漏水的难题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种隧道衬砌防水结构，包括设置于初期支护隧道拱脚上部的喷涂式防水结构、设置于初期支护隧道拱脚及拱底的复合防水结构，复合防水结构由既有防水板和既有土工布构成，既有土工布设置于既有防水板与初期支护之间；所述喷涂式防水结构与所述复合防水结构的衔接处设置有衔接组件，所述衔接组件包括衔接板、衔接布和防水膜；所述衔接布的一端搭接于所述复合防水结构的外表面，所述衔接布的另一端延伸至所述复合防水结构外并贴合于所述初期支护上；所述喷涂式防水结构与所述复合防水结构的衔接处设置有第一固定件和第二固定件，所述第一固定件依次穿过所述衔接布、所述复合防水结构并固定于所述初期支护上，所述第二固定件位于所述第一固定件上方，所述第二固定件穿过所述衔接布并固定于所述初期支护上；所述衔接板的两端分别覆盖于所述第一固定件、所述第二固定件上；所述防水膜一端搭接于所述衔接板上，所述防水膜另一端与所述喷涂式防水结构衔接。
6.优选的，所述第一固定件与所述第二固定件之间设置有间隔，所述复合防水结构
与所述喷涂式防水结构之间由所述衔接布、所述衔接板构成防水层。
7.优选的，位于所述第一固定件与所述第二固定件之间的所述衔接板贴合于所述衔接布上。
8.优选的，所述防水膜搭接在所述衔接板上的一端延伸至所述第一固定件与所述第二固定件之间，所述防水膜的另一端向远离所述第一固定件的方向延伸，并贴附于所述衔接布上。
9.优选的，所述第一固定件包括第一射钉和第一垫层，所述第一射钉依次贯穿所述第一垫层、所述衔接布、所述复合防水结构并固定于所述初期支护上。
10.优选的，所述第二固定件包括第二射钉和第二垫层，所述第二射钉依次贯穿所述第二垫层、所述衔接布并固定于所述初期支护上。
11.优选的，还包括排水组件，所述排水组件包括环向排水管、纵向排水管、横向排水管，所述环向排水管设置在所述初期支护与所述复合防水结构之间，所述纵向排水管、所述横向排水管分别设置于所述拱脚、所述拱底，所述环向排水管通过三通与所述纵向排水管连通，所述纵向排水管通过三通与所述横向排水管连通。
12.优选的，所述拱底设置有中心排水管，所述纵向排水管通过所述横向排水管与所述中心排水管连通。
13.本发明还提供了一种隧道衬砌防水结构的施工方法，具体包括以下步骤：
14.s1、对隧道拱脚及拱底的初期支护内壁布置复合防水结构，对隧道拱脚以上的初期支护内壁布置喷涂式防水结构；
15.s2、对复合防水结构和喷涂式防水结构的衔接位置，布置衔接布，利用衔接布搭接复合防水结构和喷涂式防水结构；
16.s3、通过固定件将衔接布、复合防水结构固定于初期支护，在固定件和衔接布外覆盖衔接板；
17.s4、施工防水膜，使防水膜一端搭接于防水板上，另一端与喷涂式防水结构进行连接。
18.优选的，衔接布贴合复合防水结构的一端、衔接布靠近喷涂式防水结构的一端均通过固定件固定于初期支护上，以保持衔接布与初期支护的贴合。
19.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
20.针对目前拱脚位置不同防水结构之间难以进行搭接的问题，隧道拱脚上部采用喷涂式防水结构，隧道拱脚至拱底采用复合防水结构，在两种防水结构的衔接处采用防水膜结合衔接板、衔接布的结构，使两种防水结构紧密连接，共同发挥防水效能，有效解决了铺设土工布与防水板接缝易漏水的难题。
21.喷涂式防水结构选用聚合物喷膜防水材料，具有高黏结和快速固化的特点，缩短施工，提高效率，解决了铺设土工布与防水板接缝易漏水的难题，同时，在隧道边墙与拱顶位置采用高黏结防水层可以将初支混凝土和二次衬砌联结形成复合结构，共同承载外部载荷，提高衬砌的整体性和承载能力，可以减少混凝土用量，提高工程的经济性。
22.复合防水结构和喷涂式防水结构之间进行两段搭接，能够使两种防水结构紧密连接，共同发挥防水效能，搭接材料直接来源于防水层材料，同时采用射钉与垫层加强连接，保证连接的牢固与密封性；拱底与拱脚设置土工布、横向排水管、纵向排水管等排水措施，
可以避免因采用喷涂防水，产生在隧道拱底与拱脚的水压聚集，仰拱积水，使作用在衬砌上的水压分布更为合理。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例1和2中隧道衬砌防水结构的示意图；
25.图2为本发明实施例1和2中隧道衬砌防水结构分布位置的示意图；
26.图3为本发明实施例1和2中衔接板、衔接布、防水膜和固定件的示意图；
27.图4为本发明实施例1和2中固定件分布状态的示意图；
28.图5为本发明实施例1和2中隧道衬砌防水结构施工流程示意图；
29.图6为本发明实施例1和2中隧道外水压力图；
30.其中：1、岩层；2、初期支护；3、二次衬砌；4、既有防水板；5、既有土工布；6、防水膜；7、环向排水管；8、纵向排水管；9、横向排水管；10、三通；11、衔接板；12、衔接布；13、第一射钉；14、第一垫层；15、第二射钉；16、第二垫层。
具体实施方式
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
32.实施例1
33.如图1-4所示，对于富水地层的隧道衬砌位置，采用土工布和防水板组成的复合防水结构，搭接缝处较难处理，容易出现渗漏且难以修复，浪费了部分二次衬砌3的承载性能；采用喷膜防水作为隧道防水层的单层防水衬砌，存在初支基面渗水不易成膜、仰拱积水难以施工的问题。
34.基于此，本发明提供一种隧道衬砌防水结构，衬砌为三层结构，初期支护2位于最外层，贴合于岩层1，二次衬砌3位于最里层，防水层置于初期支护2与二次衬砌3之间，隧道衬砌防水结构包括设置于初期支护2隧道拱脚上部的喷涂式防水结构、设置于初期支护2隧道拱脚及拱底的复合防水结构，复合防水结构由既有防水板4和既有土工布5构成，既有土工布5设置于既有防水板4与初期支护2之间，喷涂式防水结构采用喷膜防水作为隧道防水层的单层衬砌；喷涂式防水结构与复合防水结构的衔接处设置有衔接组件，衔接组件包括衔接板11、衔接布12和防水膜6；衔接布12的一端搭接于复合防水结构的外表面，衔接布12的另一端延伸至复合防水结构外并贴合于初期支护2上；喷涂式防水结构与复合防水结构的衔接处设置有第一固定件和第二固定件，第一固定件依次穿过衔接布12、复合防水结构并固定于初期支护2上，第二固定件位于第一固定件上方，第二固定件穿过衔接布12并固定于初期支护2上；衔接板11的两端分别覆盖于第一固定件、第二固定件上；防水膜6一端搭接
于衔接板11上，防水膜6另一端与喷涂式防水结构衔接。
35.进一步的，第一固定件与第二固定件之间设置有间隔，复合防水结构与喷涂式防水结构之间由衔接布12、衔接板11构成防水层。
36.进一步的，位于第一固定件与第二固定件之间的衔接板11贴合于衔接布12上。
37.进一步的，为能够充分发挥防水膜6的高粘结性能，防水膜6搭接在衔接板11上的一端延伸至第一固定件与第二固定件之间，防水膜6的另一端向远离第一固定件的方向延伸，并贴附于衔接布12上。采用两段式进行搭接，能够使两种防水结构紧密连接，共同发挥防水效能。
38.进一步的，衔接布12搭接于既有防水板4上的搭接长度至少为20cm，衔接板11搭接于第一固定件上的搭接长度至少为20cm，防水膜6与衔接布12的搭接长度至少为20cm，防水膜6与衔接板11的搭接长度至少为20cm。
39.进一步的，第一固定件包括第一射钉13和第一垫层14，第一射钉13依次贯穿第一垫层14、衔接布12、复合防水结构并固定于初期支护2上。第一垫层14能够将第一射钉13的固定作用进行扩大，减少集中受力导致的滑脱问题。
40.进一步的，第二固定件包括第二射钉15和第二垫层16，第二射钉15依次贯穿第二垫层16、衔接布12并固定于初期支护2上。第二垫层16能够将第二射钉15的固定作用进行扩大，减少集中应力导致的滑脱问题。
41.进一步的，在隧道衬砌防水结构布置时，沿隧道延伸方向上，依次间隔布置第一固定件和第二固定件，相邻两第一固定件之间的间隔为50cm，相邻两第二固定件之间的间隔也为50cm。
42.进一步的，隧道衬砌防水结构还包括排水组件，排水组件包括环向排水管7、纵向排水管8、横向排水管9，环向排水管7设置在初期支护2与复合防水结构之间，纵向排水管8、横向排水管9分别设置于拱脚、拱底，环向排水管7通过三通10与纵向排水管8连通，纵向排水管8通过三通10与横向排水管9连通；拱底设置有中心排水管，纵向排水管8通过横向排水管9与中心排水管连通。
43.环向排水管7设置在拱脚处既有土工布5后，用于收集壁厚渗漏水，环向排水管7通过三通10接入纵向排水管8，将收集的渗漏水输送至纵向排水管8，纵向排水管8通过三通10接入横向排水管9，横向排水管9将纵向排水管8内的渗漏水输送至拱底的中心排水管，从而将渗漏水排出隧道外。
44.采用本发明提供的隧道衬砌防水结构，能够显著减少拱底和拱脚的衬砌外水压力，其构建过程如图5所示。另外，图6示出的是衬砌结构外水压力分布图，当采用全防水膜6式防水层时，隧道拱底与拱脚外水压力为(l+m)γ，采用本实施例中的隧道衬砌防水结构时，隧道拱底与拱脚外水压力为(h0+δ)γ，后者水压力明显小于前者。
45.其中l为隧道的水头高度，m为隧道净空，h0为隧道降水后的水头高度，δ为降水点至拱底的高度，γ为水的容重。
46.实施例2
47.本发明还提供了一种隧道衬砌防水结构的施工方法，具体包括以下步骤：
48.s1、对隧道拱脚及拱底的初期支护2内壁布置复合防水结构，对隧道拱脚以上的初期支护2内壁布置喷涂式防水结构；
49.s2、对复合防水结构和喷涂式防水结构的衔接位置，布置衔接布12，利用衔接布12搭接复合防水结构和喷涂式防水结构；
50.s3、通过固定件将衔接布12、复合防水结构固定于初期支护2，在固定件和衔接布12外覆盖衔接板11；
51.s4、施工防水膜6，使防水膜6一端搭接于防水板上，另一端与喷涂式防水结构进行连接。
52.进一步的，衔接布12贴合复合防水结构的一端、衔接布12靠近喷涂式防水结构的一端均通过固定件固定于初期支护2上，以保持衔接布12与初期支护2的贴合。
53.隧道拱脚上部的喷涂式防水结构采用喷涂式防水膜材料形成的单层防水衬砌结构，隧道拱脚至拱底采用土工布和防水板的复合式防水结构，在两种防水结构衔接处采用防水膜6喷涂结合衔接板11、衔接布12的方法连接，防水膜6喷涂时需要对渗水点进行防水砂浆找平，隧道底部设置排水组件，拱脚上部采用半预制二次衬砌3减少混凝土用量，隧道补漏处理基于封堵的原理进行，有效解决了采用防水膜6隧道的富水地层渗漏水与稳定性控制难题，同时提高了工程的经济性。
54.具体的，结合图1～图6及实施例1，对本实施例中的隧道衬砌防水结构的施工方法进行详细说明。
55.隧道衬砌防水结构的施工方法包括：
56.步骤1：喷射初期支护2混凝土，对混凝土进行搅拌，将混凝土喷射机驶入掌子面，进行喷射混凝土操作，完成环向排水管7、纵向排水管8、横向排水管9、三通10的铺设；
57.步骤2：对隧道底部初支内壁进行既有防水板4、既有土工布5的铺设，形成复合防水结构；
58.步骤3：对隧道上部初支表面整平处理工作，采用台车对初支表面进行磨平操作，对凹凸严重位置可进行局部填补和修复工作；采用高压气枪清理初支表层碎屑与灰尘，有利于喷涂防水层材料的成膜和粘附；采用防水砂浆对初支渗漏水位置进行补强；
59.步骤4：喷涂防水层工作，将聚合物喷膜防水材料的粉料与水按照一定的水灰比进行搅拌混合，在找平基面开展喷涂防水层工作，喷涂顺序为至下而上，先边墙后顶拱，喷涂分两次进行，喷射厚度为3mm～5mm，形成喷涂式防水结构；相邻两段喷涂防水层施工时，搭接长度不应小于20cm；在防水膜6与衔接板11搭接处施工时，搭接长度不应小于20cm，形成有效的搭接；固定件间隔50cm设置一个，对防水层不满足质量要求的部位应进行修补，喷涂后对防水层进行养护；
60.步骤5：浇筑二次衬砌3混凝土工作，主要包括：钢筋铺设；二衬台车进洞；通过混凝土输送泵自上而下逐窗分层浇筑混凝土至设计厚度；
61.步骤6：针对隧道运营期渗漏点位置进行补漏处理。
62.在步骤1中混凝土为c30混凝土，加入钢纤维；在步骤1中排水组件通过与仰拱底部中心排水管相连，将地下水排出隧道。
63.在步骤2中既有防水板4可以采用3mm厚自粘胶式防水板，既有土工布5可以采用400g/m3的透水土工布。
64.在步骤3中采用聚合物水泥类防水砂浆对初支渗漏水位置进行补强，防止渗漏水对聚合物喷膜防水层的固化与成膜产生影响；对初支基面进行清理与找平，可以减少防水
膜材料的浪费，有助于控制膜层厚度，且减少材料回弹率。
65.在步骤4中单组份聚合物喷膜防水材料包括醋酸乙烯酯/乙烯共聚物、水泥、白云石、抗流挂剂、硼酸钙、石膏、氧化钙，在喷射前确定具体工程环境下喷膜防水材料应用配比。喷涂防水材料为具有抗皂化性能的遇水可再分散的水性材料，材料最大耐水压1.5mpa，抗拉强度(28天)＞1.5mpa，断裂应变(28天)＞100％，与砼粘结强度(28天)＞1.2mpa，不溶于水的聚合物中的小颗粒通过遇水皂化反应变成水溶性的，发生静态稳定，水蒸发成膜。
66.在步骤4中采用专用喷射设备进行施工，该专用喷射设备可进行搅拌-输料-喷射一体化施工，材料通过湿喷方式进行施工，采用料压与气压相结合的方式增强材料的喷射扬程，该材料可以通过喷射设备人工喷射，还可以通过机器臂进行自动化喷射施工作业。
67.衔接布12可以采用土工布，衔接板11可以采用防水板。
68.在步骤4中采用两段搭接的方式，采用衔接板11、衔接布12、防水膜6和固定件进行搭接，防水膜6附着在衔接板11上，可以使衔接板11与防水膜6形成一体，可以发挥衔接板11的强度，防水膜6附着在衔接布12上，可以发挥土工布优良的贴合性，补足衔接板11不易附着在不平整基面的缺点。
69.在步骤5中钢筋可以采用hpb300和hpb400钢筋，二衬混凝土可以采用c40防水混凝土。
70.在步骤6中补漏方案的实施方式为：通过在已建隧道及地下工程渗漏水位置或施工缝骑缝凿“v”槽，“v”槽深8cm，使用抗裂防水砂浆将表面压实，使用喷膜防水材料注入槽内至5cm厚，使用防水砂浆进行进一步表面防渗处理，喷膜防水材料是一种高粘结性能的弹性防水膜材料，可以限制裂缝发展，可以适应隧道振动与变形，提升了渗水裂隙的长期补漏效果。
71.以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种隧道衬砌防水结构，包括设置于初期支护(2)隧道拱脚上部的喷涂式防水结构、设置于初期支护(2)隧道拱脚及拱底的复合防水结构，其特征在于，所述喷涂式防水结构与所述复合防水结构的衔接处设置有衔接组件，所述衔接组件包括衔接板(11)、衔接布(12)和防水膜(6)；所述衔接布(12)的一端搭接于所述复合防水结构的外表面，所述衔接布(12)的另一端延伸至所述复合防水结构外并贴合于所述初期支护(2)上；所述喷涂式防水结构与所述复合防水结构的衔接处设置有第一固定件和第二固定件，所述第一固定件依次穿过所述衔接布(12)、所述复合防水结构并固定于所述初期支护(2)上，所述第二固定件位于所述第一固定件上方，所述第二固定件穿过所述衔接布(12)并固定于所述初期支护(2)上；所述衔接板(11)的两端分别覆盖于所述第一固定件、所述第二固定件上；所述防水膜(6)一端搭接于所述衔接板(11)上，所述防水膜(6)另一端与所述喷涂式防水结构衔接。2.根据权利要求1所述的隧道衬砌防水结构，其特征在于，所述第一固定件与所述第二固定件之间设置有间隔，所述复合防水结构与所述喷涂式防水结构之间由所述衔接布(12)、所述衔接板(11)构成防水层。3.根据权利要求2所述的隧道衬砌防水结构，其特征在于，位于所述第一固定件与所述第二固定件之间的所述衔接板(11)贴合于所述衔接布(12)上。4.根据权利要求1所述的隧道衬砌防水结构，其特征在于，所述防水膜(6)搭接在所述衔接板(11)上的一端延伸至所述第一固定件与所述第二固定件之间，所述防水膜(6)的另一端向远离所述第一固定件的方向延伸，并贴附于所述衔接布(12)上。5.根据权利要求1所述的隧道衬砌防水结构，其特征在于，所述第一固定件包括第一射钉(13)和第一垫层(14)，所述第一射钉(13)依次贯穿所述第一垫层(14)、所述衔接布(12)、所述复合防水结构并固定于所述初期支护(2)上。6.根据权利要求1或5所述的隧道衬砌防水结构，其特征在于，所述第二固定件包括第二射钉(15)和第二垫层(16)，所述第二射钉(15)依次贯穿所述第二垫层(16)、所述衔接布(12)并固定于所述初期支护(2)上。7.根据权利要求1所述的隧道衬砌防水结构，其特征在于，还包括排水组件，所述排水组件包括环向排水管(7)、纵向排水管(8)、横向排水管(9)，所述环向排水管(7)设置在所述初期支护(2)与所述复合防水结构之间，所述纵向排水管(8)、所述横向排水管(9)分别设置于所述拱脚、所述拱底，所述环向排水管(7)通过三通(10)与所述纵向排水管(8)连通，所述纵向排水管(8)通过三通(10)与所述横向排水管(9)连通。8.根据权利要求7所述的隧道衬砌防水结构，其特征在于，所述拱底设置有中心排水管，所述纵向排水管(8)通过所述横向排水管(9)与所述中心排水管连通。9.一种根据权利要求1-8所述的隧道衬砌防水结构的施工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：s1、对隧道拱脚及拱底的初期支护(2)内壁布置复合防水结构，对隧道拱脚以上的初期支护(2)内壁布置喷涂式防水结构；s2、对复合防水结构和喷涂式防水结构的衔接位置，布置衔接布(12)，利用衔接布(12)搭接复合防水结构和喷涂式防水结构；s3、通过固定件将衔接布(12)、复合防水结构固定于初期支护(2)，在固定件和衔接布(12)外覆盖衔接板(11)；
s4、施工防水膜(6)，使防水膜(6)一端搭接于防水板上，另一端与喷涂式防水结构进行连接。10.根据权利要求9所述的隧道衬砌防水结构的施工方法，其特征在于，衔接布(12)贴合复合防水结构的一端、衔接布(12)靠近喷涂式防水结构的一端均通过固定件固定于初期支护(2)上，以保持衔接布(12)与初期支护(2)的贴合。

技术总结
本发明公开一种隧道衬砌防水结构及施工方法，涉及隧道工程防水与支护领域，针对目前拱脚位置不同防水结构之间难以进行搭接的问题，本发明隧道拱脚上部采用喷涂式防水膜作为防水结构，隧道拱脚至工地采用复合防水结构，在两种防水结构的衔接处采用防水膜结合衔接板、衔接布的结构，使两种防水结构紧密连接，共同发挥防水效能，有效解决了铺设土工布与防水板接缝易漏水的难题。板接缝易漏水的难题。板接缝易漏水的难题。


技术研发人员：王海宁 李洛宁 齐辉 李树忱 高亮 韩勇 袁超
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/8/9