作者：陆明

摘要：全面介绍了沉管法隧道的防水设计要点，详细阐述了管节外包防水层设计，管节接头防水设计，管节本体的施工缝、变形缝、水下最终接缝、管节与岸边段接缝的防水设计，以及端钢壳等钢构件的防腐设计。

内容导读：

　　沉管法隧道施工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，沉管隧道施工法的应用领域将会更加广阔。除了已运营的宁波常洪隧道、上海外环隧道、天津中央大道海河隧道等，我国正在建造的沉管法隧道还有世界上综合难度最大的珠海港珠澳隧道、国内内河规模最大的南昌红谷隧道等。相信在不久的将来，会有更多的沉管法隧道出现在我国的江河湖泊及沿海区域。

　　笔者参与了宁波常洪隧道、上海外环隧道、天津中央大道海河隧道、珠海港珠澳隧道的防水设计以及广州生物岛—大学城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，笔者就沉管法隧道的防水设计技术展开综合论述，以期为沉管法隧道的工程设计人员提供借鉴。

1　管节外包防水层设计

1.1　刚性管节外包防水层设计

　　如果沉管法隧道管节中的节段为整体刚性连接，宜在管节迎水面设置全外包防水层。

　　1.1.1　底板外包防水层设计

　　在我国，很多河流都存在腐蚀性，因此管节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，外包钢板为目前管节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，且钢板与混凝土结合性能良好，保证了两者成为一个整体。但钢板在腐蚀性环境中的耐久性能较差，钢板之间的焊接会对防腐涂层造成破坏，且涂层修补十分困难。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。

　　目前，管节底板采用钢板作外防水层时，钢板迎水面要求涂刷防腐涂层。防腐涂层宜结合采用电弧喷锌和无溶剂环氧涂层，电弧喷锌涂层厚度约为250μm，无溶剂环氧涂层干膜厚度约为130μm。钢板焊缝处铺贴防水卷材作为加强防水措施，防水卷材可选用双面自粘型预铺式沥青基聚酯胎防水卷材。

　　除钢板之外，采用PVC（聚氯乙烯）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，因为PVC防水板为有机材料，不受河流、海洋中腐蚀性介质的影响，只有在有机溶剂的侵蚀下才会被腐蚀，但此类情况发生的概率极低。

　　管节底板铺设的PVC防水板一般为带有肋条的平板，平板厚度约为2mm，肋条的高度约为10mm。肋条的构造形式既能使其与混凝土紧密咬合，又不会对底板钢筋绑扎、混凝土保护层控制产生不良影响。

　　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。纵横向肋条的间隔设置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。

　　防水板铺设至管节底板与侧墙转角处，需沿侧墙模板上翻至纵向水平施工缝之上作收头处理。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。

　　防水板与端钢壳为不同的材质，无法如底钢板与端钢壳之间顺利相接，需进行特殊处理，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遇水膨胀止水胶，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。

　　防水板能满足管节底板外包防水层耐久性的要求，但也存在一定的缺点，特别是材质决定了其无法承受高温与火花，因此在管节施工阶段，需注意对防水板进行保护。

　　1.1.2　侧墙与顶板外包防水层设计

　　管节顶板、侧墙的传统外包防水层一般采用柔性防水涂层，并设置与防水涂层配套的保护层，但考虑到施工现场的实际情况或沉管隧道所处环境存在的腐蚀性介质，建议采用喷涂型聚脲防水涂料。此类涂料原先主要作为防腐涂料应用于海港工程的混凝土与钢构件表面，通过对产品的改性优化，其具有以下优点：1）固化速度快；2）拉伸强度高、延伸率大、粘结力强；3）无需设置保护层等。

　　喷涂型聚脲防水涂料应符合GB/T 23446—2009《喷涂聚脲防水涂料》的性能指标要求，该标准中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型涂料宜为管节外防水涂层的首选。

　　聚脲涂料施工前，混凝土基面应预先涂刷相配套的封闭底涂。喷涂型聚脲防水涂料的施工厚度一般为1.5mm，且应与底板上翻的防水层有一定的搭接宽度。

　　由于管节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，对于防水层的最终修补，可让潜水员下潜至钢盖板处，以手工涂抹的方式，将环氧类胶泥材料施作于钢盖板上。

1.2　柔性管节外包防水层设计

　　管节中的节段为柔性连接时，宜根据生产工艺，在管节的柔性接头处设置全包外防水层。全包外防水层的材质宜选用喷涂型聚脲类防水层。

2　管节接头防水设计

　　沉管法隧道管节接头应采用GINA橡胶止水带与OMEGA橡胶止水带形成双道防水措施。

2.1　GINA橡胶止水带压件系统设计

　　2.1.1　GINA橡胶止水带的材质

　　GINA橡胶止水带为管节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的不同地质区域作相应的材质调整，如处于地震多发带的管节GINA橡胶止水带，则宜采用纯天然橡胶为材质，以提高GINA橡胶止水带的物理性能。

　　2.1.2　GINA橡胶止水带材质的性能指标

　　GINA橡胶止水带应符合GB18173.2—2014《高分子防水材料 第2部分：止水带》的标准要求。

　　2.1.3　GINA橡胶止水带的构造形式选择

　　荷兰、德国、日本为沉管隧道施工法应用较多的国家，各国采用的GINA橡胶止水带断面构造形式均有差异。综合考虑防水性能、造价、工程应用实例、供货期等因素，目前国内施工的沉管隧道管节接头皆采用荷兰TRELLEBORG公司生产的GINA橡胶止水带。

　　2.1.4　GINA橡胶止水带的选型计算

　　根据实际工况条件，混凝土管节制作、沉放后，会产生一定的轴向位移量，这主要是混凝土管节施工完毕后，由于：1）温差引起的管节长度上的收缩；2）干燥引起的管节长度上的收缩；3）管节端面平整度的差异；4）管节沉放基础的沉降变化；5）发生地震而可能引起的管节接头的张合；6）GINA橡胶止水带本身在受压状态下所产生的应力松弛量等。上述6个变值可得出GINA橡胶止水带受压后的总轴向位移量。而每种止水带根据其不同的型号，拥有自身的水密性压缩曲线与压缩变形曲线，止水带压密止水时的压缩量与止水带受压之后的总轴向位移量之和应小于止水带压缩变形曲线对应得出的压缩量，两者之差反映出安全程度的高低。

　　针对上述6个变值，设计中应研究分析如何选取合适的数值进行计算：1）混凝土温度变化除了要考虑浇筑时的温差，还应考虑运营阶段管节内外的温差；2）管节干燥产生的收缩量可由收缩位移公式计算得出；3）端面平整度误差由加工精度确定，设计上应加以限制；4）管节基础沉降变化；5）地震引起的管节接头张开量则根据施工地点的地质条件、基础处理方法及管节横断面的大小，抗震设防烈度，由设计人员确定具体数值；6）长期受压状态下的GINA橡胶止水带的应力松弛量可依照国外厂商提供的数据获知。

　　考虑到地震对GINA橡胶止水带性能可能带来的不利影响，供应商应提供地震工况对GINA橡胶止水带是否产生影响的动荷载试验报告。试验结束后，通过表面损伤检查和试验前后止水带的长、宽、高对比得出结论，确定地震工况是否对GINA橡胶止水带受压特性带来不利影响。

　　设计方最终的GINA橡胶止水带计算结果应与GINA橡胶止水带供应商提供的计算结果大致相同。

　　2.1.5　GINA橡胶止水带压件系统设计

　　一般沉管接头的GINA橡胶止水带采用卡箍压件系统或穿孔压件系统固定。卡箍式系统即采用焊接于端钢壳上的压块和压板，卡住安装到位的GINA橡胶止水带两侧的凸缘，起到固定就位的作用。优点是GINA橡胶止水带本身不破坏，安装便利，但如若管节接头受到猛烈冲击（如地震），止水带就有从卡箍装置中脱落出来的可能性。穿孔式系统即在GINA橡胶止水带生产过程中，于其两侧凸缘间隔一定距离预留螺孔，安装时螺栓穿过压板、凸缘，最后固定于端钢壳上，其优点是止水带固定牢固，不会脱落。但安装时，螺孔对位精度要求较高，施工不便，且需在端钢壳上开孔，降低了端钢壳的整体防水性能。在多地震国家，采用穿孔固定方式更为保险。

　　由于管节之间存在不均匀沉降，GINA橡胶止水带往往产生偏移受压现象，此时止水带完全挤压在压件系统的一侧，根据对先前受损GINA橡胶止水带的检查，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，会使止水带的本体受到较大破坏，严重影响其使用寿命。因此今后的GINA橡胶止水带压件设计，务必采用不会对止水带本体产生较大伤害的压件构造形式。

2.2　OMEGA橡胶止水带及压件系统设计

　　管节接头防水除了GINA橡胶止水带作为首道防线外，OMEGA橡胶止水带也是相当重要的防水线。它与所选用的GINA橡胶止水带应相匹配，以充分适应管节间的变形。

　　2.2.1　OMEGA橡胶止水带的材质

　　OMEGA橡胶止水带的材质为丁苯橡胶。

　　2.2.2　OMEGA橡胶止水带材质的性能指标

　　OMEGA橡胶止水带应符合GB18173.2—2014《高分子防水材料 第2部分：止水带》的标准要求。

　　2.2.3　OMEGA橡胶止水带的压件系统设计

　　OMEGA橡胶止水带的压件系统主要采用端钢壳上焊接预埋套筒或组合式盖型螺母，然后在止水带的安装过程中，采用压板结合螺栓固定于预埋套筒或组合式盖型螺母内的方式压紧OMEGA橡胶止水带的边端，以起到防水功效。现场安装时，为使止水带适应较大的接缝张开量，可对其实施预压缩安装。

　　此压件系统的优点在于：1）设计充分利用杠杆原理，使止水带接触面压应力与螺栓的扭力呈加强关系，确保良好的压密止水效果；2）此系统螺栓不穿过止水带，无须担心止水带因开孔而造成渗水；3）能适应较大的三向变形，并可承受较高的水压；4）装置中的止水带可以在百年使用期内拆卸、修复、更换。

　　2.2.4　OMEGA橡胶止水带压件系统的特殊设计

　　由于各节管节之间、管节与岸边段之间存在相对沉降差异，导致上述相邻结构的端钢壳并不在同一平面上，特别是首尾管节自沉放到位至管节底部灌砂，到最后稳定阶段，会与岸边段之间产生较明显的沉降差异。这将给OMEGA橡胶止水带的安装和正常工作带来难题，经过研究，设计应提出OMEGA橡胶止水带安装时的找平装置。

　　2.2.5　OMEGA橡胶止水带检漏

　　为保证OMEGA橡胶止水带在GINA橡胶止水带失效时的止水功效，在其安装结束后要对OMEGA橡胶止水带进行注水加压检漏测试。过高的检漏水压对OMEGA橡胶止水带的密封功效会有所伤害，检漏水压与该接头处的水深相比，应有一定的安全系数。目前，国内常以管节侧墙中心水头高度乘以系数1.5，或以底板迎水面所在水头高度乘以系数1.2的计算值作为检漏水压值，而国外一般取管节底板迎水面水头高度加5m的水压值作为检漏水压值。上述各种水压值的取法都是较恰当的，而取管节底板迎水面水头高度加5m的检漏水压值更加直观。

　　管节的端钢壳上预埋3根检漏管，两根检漏管埋设于管廊底板处，第3根埋设于顶板位置。底板一根检漏管在测试时作为注水管，另一根检漏管作为备用管，顶板检漏管为排气管。

3　管节本体接缝防水设计

3.1　刚性管节施工缝防水设计

　　管节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设置钢板止水带。为保证防水系统的整体统一性，中埋式止水带与钢板止水带应采用如下方式连接：利用中埋式止水带的钢边与钢板止水带搭接一定的宽度，搭接宽度之间设置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，并以铆钉固定，确保渗漏水不会侵入横、纵向施工缝所设防水材料的内侧。

3.2　柔性管节变形缝防水设计

　　节段接头为柔性构造时，钢筋在此处完全断开，通过设置混凝土剪切键和临时预应力拉索，来控制接头处的剪切位移和接头张开量。节段接头主要设置中埋式止水带、OMEGA橡胶止水带、遇水膨胀橡胶条。

　　3.2.1　中埋式止水带

　　根据结构设计人员分析计算，可将节段接头横断面分为受拉区与受压区。受拉区内的结构体较易产生裂缝，如在受拉区设置止水带，结构体受到横向荷载后可能产生的裂缝会垂直延伸至止水带的端边甚至越过止水带的端边向结构纵深发展，此时止水带即失去防水功效。因此宜尽量将止水带设置于受压区或受压区边缘。

　　中埋式止水带的材质为丁苯橡胶与钢片，止水带的宽度为500mm，可最大限度地满足延长渗水途径的需要。另中埋式止水带也可与注浆管组合使用，但注浆管在混凝土浇筑之前易受到损伤，导致注浆钢管中的螺钉难以拔出，后期注浆无法进行。因此，如选择采用中埋式可注浆止水带，施工过程中需特别注意对注浆钢管进行保护。

　　3.2.2　OMEGA橡胶止水带

　　节段接头OMEGA橡胶止水带的材质为丁苯橡胶，根据室内抗水压试验的测试结果，止水带在接头张开60mm的情况下，可承受0.9MPa的水压；其最大变形量为-40~+60mm。因节段接头OMEGA橡胶止水带在高水压下可承受较大的接缝张开量，无需对其采用预压缩安装措施。另节段接头OMEGA橡胶止水带安装位置同样需预埋检漏管，进行注水加压测试。

3.3　最终水下接缝及管节与岸边段接缝防水设计

　　3.3.1　管节水下最终接缝防水

　　在采用自密实防水混凝土的基础上，对后浇混凝土与预制管节混凝土的接缝防水应做重点设计。由于最终接缝的特殊结构形式，无法预埋中埋式或外贴式止水带，宜采用在预制混凝土结构的接缝面上预埋遇水膨胀橡胶止水条和预埋式注浆管的防水措施来达到防水功效。其中，遇水膨胀橡胶止水条既可作为接缝的初期止水材料，又可作为注浆时阻挡浆液流失的屏障。预埋式注浆管为全断面出浆的注浆管，采用此注浆管压注亲水性环氧浆液，可起到二次止水的良好效果，使管节水下最终接缝结构安全、耐久。

　　3.3.2　管节与岸边段接缝防水设计

　　管节与岸边段接缝如为刚性连接，宜设置预埋式注浆管、遇水膨胀止水胶于接缝处，接缝面应涂布水泥基渗透结晶防水涂料。如底板采用外包钢板或防水板，其端部宜采取防水加强措施；管节与岸边段接缝如为柔性连接，则宜设置中埋式止水带与内装可卸式止水带。

4　特殊钢构件防腐

4.1　端钢壳防腐

　　以往传统的端钢壳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为主要防腐措施。但一般的环氧类涂层防腐年限为15a左右，且现场涂装道数较多，无法保证施工质量。随着防腐技术的发展，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为理想的防腐措施。

　　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使用期内无须其他任何防腐维护措施；2）电弧喷涂涂层与金属基体具有优良的涂层结合力（可达10MPa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可作为端钢壳的防腐涂层，又可作为管节本体外防水层，保证了聚脲涂层的连续性、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、OMEGA橡胶止水带压件防腐

　　根据已运营沉管隧道的设计回访，GINA橡胶止水带和OMEGA橡胶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橡胶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300μm为宜。

4.3　OMEGA橡胶止水带检漏用预埋水管防腐

　　在OMEGA橡胶止水带安装结束后，要进行注水加压检漏测试。因此，通过端钢壳在GINA橡胶止水带与OMEGA橡胶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节接头的渗漏情况，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　管节接头钢绞线防腐

　　为防止管节接头在地震发生时出现过大的轴向变形，管节之间采用接头钢绞线连接。

　　目前随着防腐技术的不断发展，科研人员研发出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；涂层自身机械强度高。另外，钢绞线和管节接口处设置钢绞线保护环，其材质为氯丁橡胶。此保护环可保证钢绞线在接头安装过程中，不会因拉伸、拖拽与管节混凝土磨擦受损。

5　结语

　　对沉管法隧道来说，防水是非常重要的工程。沉管法隧道防水，应从管节外包防水层设计、管节接头防水设计、管节本体接缝防水设计以及特殊钢构件防腐设计全面考虑，以保证防水工程的质量。