寒区富水地层隧道变形缝结构的设计优化

米东阳

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隧道变形缝是伸缩缝、沉降缝和施工缝的总称，它的作用主要是为了适应衬砌结构的伸缩、沉降等不均匀变形[1]；衬砌在变形缝处的混凝土结构断开，结构失去自防水的能力，且变形缝的宽度随环境温度而变化，结构的运动导致防水难度增加；因此，变形缝结构是隧道渗漏水的薄弱环节，其结构形式的优化一直是隧道工程的创新热点。

寒区富水地层中的隧道，变形缝结构止水失效引起的渗漏水比一般地层较严重，在冬季，隧道洞顶挂冰，路面结冰变滑，对车辆行车安全影响非常大，给隧道运营安全带来极大的风险。为此，本文针对寒区富水地层隧道的特殊性，分析了现有隧道变形缝结构的设计不足，对隧道变形缝结构的变形能力、排水能力和保温措施进行了设计优化。

1 目前隧道变形缝结构设计方法

1.1 现有变形缝结构设计方法[2-4]

隧道明暗洞交界处和隧道围岩软硬差别较大处的沉降缝或伸缩缝，发生不均匀沉降的机率高，现有的隧道沉降缝结构形式采用如图1所示，沿着二次衬砌外侧，防水板的内侧设置一道封闭的背贴式橡胶止水带，衬砌的中部预埋一道封闭的膨胀橡胶中止水带，缝的中间采用浸沥青木板填充。

隧道施工间歇形成的施工缝，不均匀沉降和伸缩变形较小，其结构形式采用图2所示，沿着隧道防水板的外侧设置软式透水管，衬砌的中部预埋一道封闭的膨胀橡胶止水条，带有注浆管，运营后如有渗漏水，可对其注浆堵漏，因施工缝后期变形很小，堵漏一般可以解决渗漏水问题。

图1 沉降缝主要结构形式

图2 施工缝主要结构形式

1.2 寒区富水地层变形缝防水失效原因

寒区富水地层变形缝防水失效的原因主要有两方面，一是外力增加的原因，地区突降暴雨或暴雪，隧道围岩周边的水压力增大，变形缝处的橡胶止水带就成为整个隧道防水的薄弱点，也往往最先破坏。二是止水材质劣化的原因，寒区隧道长期的冻融，降低了隧道变形缝止水措施的极限变形能力和耐久性，加之外界水压力，变形缝防水措施很容易失效[5]。

富水地层隧道的地质条件一般较差，受软弱地基因素和结构荷载不均衡的影响，变形缝竖向沉降量可能较大，传统的隧道变形缝橡胶止水带长度大约30 cm，但是适应隧道变形的只是缝宽2 cm范围内的橡胶止水带（尤其是中止水带），由于橡胶的弹性变形能力有限，止水带不能抵抗沉降和伸缩变形，就会导致止水带撕裂破坏，从而发生渗漏现象。

变形缝一般是隧道上一个模板的末端，下一模板的起始，如图3，变形缝处靠近围岩侧的混凝土，由于振捣和浇筑困难，传统变形缝的橡胶止水带在变形缝处无特殊设计，施工中很容易形成施工缺陷（见图3），缺陷的空间成为了一个聚水点，它长期处于干湿环境，橡胶止水带处于膨胀与收缩的循环，其使用寿命降低较快，夏季水压较大的时候，橡胶止水带破裂，变形缝止水失效。

图3 变形缝施工示意图

传统的隧道变形缝设计中，如果有少量的水穿过背贴式止水带积聚在变形缝中，主要在中止水带外侧，达到平衡后，水不会渗入变形缝内；在寒冷地区，温度降低后，中止水带附近的水因靠近衬砌内而先结冰，水的导热系数是0.54 w/m·k，冰的导热系数是2.22 w/m·k，冰传递能量比水快很多，变形缝中的水结冰后，变形缝成为低温传导的通道，导致衬砌背后的水结冰，冰的体积比水大，橡胶止水带在低温时工作性能低，冻胀力很容易将其破坏，经过多个冬季的循环，变形缝的中止水带防水措施基本上失效，越到后期渗水越严重。

2 变形缝结构设计的新方法

2.1 变形缝结构设计优化思路

从上述寒区富水地层隧道变形缝防水失效的原因可以发现，现有隧道变形缝设计不足主要是：第一，变形缝橡胶止水带抵抗变形能力低，不均匀变形大时，容易撕裂；第二，中止水带靠近衬砌内侧，加之变形缝通道缺乏保温措施，中止水带外侧积水冬季容易结冰；第三，施工中，防水板后软式透水管易受挤压，排水能力降低；富水地层夏季水量较大，排水管堵塞问题凸显。解决导致寒区富水地层变形缝渗漏水的3个重要问题就是变形缝结构设计优化的思路。

2.2 变形缝新结构设计的具体措施

在“以排为主，堵排结合”的指导思想下，对沉降缝的防水措施主要采用弹簧排水软管、背贴式止水带、中止水带、岩棉保温板等设施，具体措施如图4。在变形缝外侧，防水板与无纺布之间设两道弹簧排水管，可以排出富水地层的地下水；将中止水带由中部位置提高至离隧道衬砌外侧H/3处（H为隧道衬砌的厚度）；中止水带内侧使用岩棉保温板，中止水带与背贴式止水带之间可以使用浸沥青板。

图4 沉降缝结构形式优化

将中止水带中间圆环结构改为椭圆环结构，中止水带适应隧道变形的自身有效长度由πt（2t为变形缝的宽度），变为 πt+2（a-t）（a为椭圆长轴的长），止水带适应变形的能力增加，具体见图5。

图5 中止水带结构形式优化

对于施工缝，其缝的宽度非常小，对其防水措施的设计优化主要是：第一，将防水板背后的软式透水管改为弹簧排水软管；第二，将中止水条适当上移，至距衬砌外侧H/3处（H为隧道衬砌的厚度），具体措施见图6。

2.3 变形缝新结构设计的优点

a）采用多道弹簧排水软管，可以将富水地层的地下水较快引入隧道排水系统，降低变形缝处的水压力，减小了变形缝的工作强度，降低其破坏风险。

b）提高中止水带位置，并在其内侧加岩棉保温板，可以减小中止水带位置聚水的冻结风险，避免反复冻融对变形缝结构的破坏。

图6 施工缝结构形式优化

c）对中止水带的中间部分进行优化，提高其变形能力，解决隧道大变形时，其撕裂的问题。

3 结语

隧道变形缝是隧道防水的重点部位。针对寒区富水地层，目前采用的变形缝设计方法存在许多不足，容易发生渗漏水；新的防水设计从变形缝防水失效的原因出发，对变形缝的排水措施进行了优化，增加了保温措施，对橡胶止水带抵抗变形的结构形式进行了优化，增加了橡胶止水带的变形能力，在寒区富水地层隧道中有较高的使用价值。

本文所述的变形缝防水设计依然存在不足，第一，由于橡胶止水带采用较复杂的设计，施工中需要固定措施，施工存在一定的难度；第二，变形缝中采用岩棉保温材料替代浸沥青木板，岩棉保温材料价格相对较贵。针对富水软弱地质条件下的隧道变形缝，国外的常规做法是增大变形缝设计密度，每隔约8 m设计一道变形缝，在工期宽裕时，这种方法是一个较优的选择。