摘要：在总结隧道及地下工程防水失效有关数据的基础上，分析了防水设计、施工、地下水环境、温湿效应和衬砌结构变异对防水体系失效的影响，提出了地下工程防水失效方面亟待研究的问题．
关键词：隧道及地下工程：防水失效

　　O 引言
　　隧道及地下工程渗漏水是长期以来困扰专家们的一个头痛问题，也是当前地下工程建筑中突出的质量通病和亟待解决的课题。据铁道部工务部门2002年秋检数据统计：我国至2002年底，共有铁路隧道57ll座．总延长2 833 km，严重渗漏水隧道有1620座，占总座数的28．4％。交通部有关部门2002年数据统计：我国至20（）2年底，共有公路隧道1 700座，总延长704 km，严重渗漏水隧道达500余座，占总座数约30％。同时，我国北京、上海和广州的城市地下铁道中，渗漏水情况也已在30％左右。在地下工程较发达的日本，据调查渗漏水也达到30％以上。由此可见，既有隧道及地下工程渗漏水的情况十分严重。
　　以上情况产生的根源是什么呢?笔者对200余座隧道及地下工程防水体系的失效原因进行了统计分析，分析数据表明：由于施工原因导致渗漏水的占34．2％，设计不合理占10．4％，防水材质在不同水环境条件下变异占33．1％。结构变异致使防水体系失效占1l％，维修养护不善占2．3％。由此可见，发生渗漏的原因是多方面的．因此研究和分析这些原因将对提高地下工程防水质量起到重要的作用。

　　1 防水失效原因分析
　　隧道及地下工程防水体系失效性是指防水体系和材料在使用过程中，由于外部作用侵蚀破坏或内部材料弱化．抵抗地下水环境的能力减弱或全部丧失。分析和研究地下工程在不同地下水环境介质中的失效影响因素与机理、失效材料所产生的物质对周围结构体性能的影响、建立评价各种失效影响因素指标及失效检测方法，是地下工程防水体系应研究的重要问题。
　　1．1防水施工原因
　　前述统计数据表明，防水施工阶段是地下工程防水失效的主要环节，对部分防水失效案例进行分析后发现．既有施工不精心和工艺方面的原因，也有施工管理和检测方面的原因，同时采用不同施工方法的地下工程．其防水失效原因也不尽相同。
　　1）复合衬砌隧道一般采用高分子防水板（卷材），其失效原因主要有：①防水卷材材质本身不能和喷射混凝土初衬密贴，安设时的冲击、背面突出物等易将防水板扎破，导致漏水；②板与板间的接合部是薄弱环节，稍有不慎会导致整个防水体系失效；③如遇混凝土壁面有较大空洞和凹凸的部位．二次衬砌的挤压及围岩变形会使防水板拉伸，特别是结合部位易发生断裂破坏。
　　2）喷涂防水的隧道及地下工程防水体系失效的原因有：喷涂防水膜很难保证其均匀性，虽然一般喷涂材料延展性较好，但抗拉强度较低，如发生较大外力作用，结构会发生变形和位移，易导致防水膜破裂，致使整个防水体系失效；另外该施工方法对喷涂的施工工艺精度要求高，但一般工程很难达到。
　　3）自防水混凝土的防水体系失效的原因有：地下工程工作面狭小，混凝土振捣密实度很难达到设计抗渗的要求，另外施工缝和变形缝也是这种防水措施的薄弱环节。
以上原因说明，防水施工过程是保证工程质量的重要环节，因此应强化防水施工的重要性．针对不同的防水方法制定相应的施工细则，并建立防水施工质量监测机制。
　　1．2防水设计原因
　　一部分设计师对防水重要性的认识不够，认为地下工程渗漏水不影响结构的安全问题，在选用材料和设计方式上重视程度不够，因此在防水设计方案中结合结构特征认真研究不充分，致使防水设计不合理。
　　由防水设计理念问题引发的失效：目前地下工程使用寿命都在100年以上，而防水材料的使用寿命均达不到这一要求，因此地下工程防水设计应考虑防排水系统的可维护性和易更换性。
　　由防水设计经济性问题引发的失效：尽管防水工程在地下工程中占的工程总费用比例是较小的，但往往设计者考虑造价的原因，仍选用价廉质差的材料．也是导致防水失效的原因。
　　1．3防水材料变异原因
　　根据笔者的研究，发现由于防水材料材质的变异导致防水体系失效的情况占有较大的比例，其原因有地下水环境和微生物侵蚀对防水材料性能的弱化、已有防水材料材质固有的弱点随使用环境的恶劣和使用时间推移逐渐丧失防水功能。如：广州地铁某区间在维修时，发现修建时铺设的防水板已大部分腐烂；四川某公路隧道在整理渗漏水时，发现该隧道漏水的原因是防水板的连接处大部分已失效；某铁路隧道在维修养护时，其防水卷材已变质老化。发生这些情况．归纳起来，主要有以下原因：①劣质的混凝土添加剂中含有高浓度的碱性成分和不易分解的盐类物质．导致混凝土结构的松软，析出的物质对防水卷材起了侵蚀作用；②冻融交替使得防水材料结构变异；③微生物侵蚀、粘结材料变异；④地下水中含有不同浓度的酸、碱、盐离子对材料的侵蚀；⑤防水材料材质结构的不稳定性导致材料结构组织的变异。
　　1．4工程结构变异原因
　　地下工程长期处于复杂的环境中，致使结构产生变异的不利因素很多，一旦发生变异，衬砌结构就会出现位移和变形、开裂、混凝土剥落等现象。进而使得防水体系失效。如由于围岩具有流变性，后期的同岩应力在长期的调整过程中可能会使防水板受到来自一衬和二衬的长期挤压．在基面不平整或有突出点处产生穿刺性损伤，造成防水层失效。在四季温差较大的场合，常年冻融交替，在冻胀力的强烈作用下，残余变形逐年积累，使衬砌结构位移和开裂，导致防水层逐步失效。结构本身材料劣化引起的变异，如混凝土碳化、盐害、碱集料反应等，其析出物也是造成防水体系破坏的原因。
　　1．5维护和管理原因
　　排水系统堵塞、不畅时，如果维护不善，将导致较大的水压长期积累引起结构开裂，破坏防水体系。在严寒地区的隧道，冰冻产生的冻胀力是导致结构开裂和排水管堵塞破裂的重要原因，因此隧道及地下工程的维修养护是十分重要的。

　　2主要的待研究问题
　　隧道及地下工程环境与其它建筑工程不同，作为附着层的高分子材料，影响其使用期间耐久性的因素是很独特的，除了一般的由温度、湿度、光照、酸碱环境作用等引起的材料老化和降解而失效外，还要考虑地下同岩和衬砌结构的长期相互作用产生的挤压、变形因素对防水体系产生的损害作用。
　　2．1地下结构（围岩）环境不均匀变形对防水失效性的影响
　　地下结构（围岩）环境不均匀变形对防水体系失效起较大作用是众所周知的事实，其原因比较复杂．主要体现在地下环境特殊的外力（水压、冻胀力、塑性地压、围岩松弛地压、偏压、承载力不足、地震等）施加于结构，造成结构产生不均匀变形甚至开裂，致使防水层承受局部较大的压力、剪力和拉伸力的作用而破坏。隧道的拱顶是导致防水失效的主要部位，铁路和公路隧道这类案例较多，其原因是由于隧道拱顶混凝土浇注工艺的缺陷，衬砌与防水层之间很难密实，有的甚至存在较大的空洞。此处往往容易形成水囊并积聚较大水压，围岩松弛扩大，作用在衬砌上的地压增加，致使衬砌开裂漏水。
　　防水层由于地下结构环境不均匀变形所产生的破坏主要体现在防水层的物理性质上，也就是由于外界结构变化对防水层所产生的受力变化影响上。一旦某项力学指标超过了防水层材料的允许值，防水层的完整性将发生破坏，而造成防水层失效。另外，防水材料在受力的情况下，其耐久性也将发生变化，即防水材料的力学环境也将有可能加速材料本身老化或失效，这也是造成防水层失效的因素。
　　采用不同的防水方法，防水层在地下结构环境中所受到的破坏和影响程度是不一样的，因此研究在这些外力作用下，对防水层本身物理性能的破坏影响程度，据此来确定防水层和结构施工过程中需要相应采取的工程措施，对防止地下防水体系的失效有着重要的工程意义。
　　2．2防水材料的失效性检测
　　隧道及地下工程防水体系目前选用的防水材料多为有机高分子材料，对其老化与失效的研究主要集中在高分子材料的光热老化、热氧老化、光氧老化、化学介质中的老化机理及稳定性方面。对于地下工程防水材料而言，由于其处于密闭环境中．极少受到大气紫外线辐射作用，因此上述环境因素所产生的老化影响是次要的，主要的影响因素为环境介质即霉菌等微生物、水以及化学腐蚀性介质（酸、碱、盐）。
　　1）霉菌等微生物的影响：目前使用在地下工程中的防水材料种类繁多，其分子组成与结构有很大不同，高分子材料体系所加入的添加剂中含有不同的增塑剂及油脂类化合物，其中含脂肪酸结构的化合物极易感染霉菌，在潮湿恒温地下环境中，霉菌的分泌物会引起材料分解并转化为醇类和有机酸等物质，这些物质的存在为霉菌生长繁殖提供了养料．促进了霉菌向纵深发展．形成材料降解导致其性能失效。
　　2）水的影响：隧道及地下工程中的防水材料与地下水是密切接触的，这种长期接触会在材料表面形成水膜，进而发展到水渗人材料内部，使材料内部某些水溶性物质和增塑剂中含有亲水基团的物质被溶解、抽提或吸收，从而改变了材料的组成而促使材料老化甚至使得材料功能失效。
　　3）化学腐蚀性介质的影响：地下工程中通常遇到的腐蚀介质有混凝土中析出的强碱和盐等，或地下水中含有的腐蚀性化学元素。当高分子防水材料与这类化学腐蚀性介质接触后，它们之间的作用比起高分子材料的光氧化、热氧化等要复杂得多。由于介质的渗入，腐蚀性介质一方面对高分子材料内部的低分子物质发生溶出和抽提作用，使高分子材料发生膨胀、软化或溶解，另一方面又可以与添加剂发生系列的化学反应．最终导致材料外观改变和物理性能下降，使材料所具有的功能逐渐失效。
　　上述情况表明，研究隧道及地下工程防水材料失效性具有相当的难度．建立相应的检测手段和评价体系需要进行大量艰巨的工作。目前我国采用的自然环境老化实验和人工加速老化实验方法，虽然可在室内模拟环境条件，并通过强化某些因素进行快速累计试验（如强酸、强碱、各种浓度盐溶液等化学腐蚀性介质对材料的腐蚀老化，无氧高压力下微生物的繁殖以及对材料侵蚀，在流动介质作用下的冻融实验等），能在短期内获得材料老化失效实验结果，但针对地下工程特定领域材料的失效特点及机理很难做出定量评判。国外同行学者认为，地下工程防水使用的高分子材料在使用的过程中宏观物理性质发生了不可逆转的变化，其主要原因是由于高分子材料内部微观结构发生改变。因此，提出微观分析方法是探讨高分子材料失效机理的重要途经，其研究的手段是采用FTIR、UV等技术研究腐蚀性介质中高分子主链结构的变化；采用NMR、GC、GC—MS等技术对降解产物进行分析；利用AFM、SEM、TEM、XRD等设备考察高分子材料形貌的变化情况：结合高分子材料在失效过程中所发生的力学性能变化（如拉伸强度、断裂伸长率等）得出材料可能的降解程度和失效机理，所得的实验数据既可比较不同材料的失效程度及机理．也可作为评价材料失效程度的量化指标。
　　2．3 隧道及地下工程防水的工程检测
隧道及地下工程所采取的防水方法不同，对各项施工工艺以及力学、物理、化学指标的要求也不同；不同的使用环境，影响因素差异也较大，因此检测项目、检测指标以及检测方法也相应不同。隧道及地下工程的设计寿命期远远长于一般建筑工程，其防水工程的寿命与使用年限应是同样的尺度，因此，也要求对防水材料的工程性和耐久性有一个科学适用的检测方法。
　　2．3．1 防水工程失效性检测内容
　　隧道及地下工程防水失效原因可分为两类：一类是基于施工方法与工艺的建设期影响因素，另一类是工程建成后的使用期耐久性因素。前者主要与施工方法、施工管理有关，应对各种防水方法细化施工规范与操作规程，重点主要集中在现场施工管理、施工工艺以及质量监控等方面。而后者引起的失效问题则难以控制，由于地下工程特点，施工后难以检测，发现问题难以修补，影响失效性的因素很多，往往在工程交付使用后较长的时期才出现防水失效，这些都是防水工程检测应研究的重点。
使用阶段发生防水失效因素可分为两类：一类是外界环境条件造成材料失效，另一类是材料自身缺陷或质量问题造成失效。前者包括水作用，含有酸、碱、盐腐蚀性介质的水质的侵蚀，微生物的腐蚀，地下工程力场作用的破坏，大气环境以及时问的作用导致高分子等有机材料的降解等，此类因素本文前已论述。后者是材料在生产、运输、储藏过程中产生偏差造成的，属于质量问题。因此，检测的目的一是针对材料的性能鉴别能否满足防水使用年限要求，二是检测材料是否满足质量控制要求。
　　2.3.2现行检测指标分析
　　目前我国针对工程进行的耐久性检测中，高分子防水卷材检测指标主要有：常规检测指标（外观及尺寸、拉伸和撕裂强度、伸长率、热处理尺寸变化率、低温弯折性、抗穿孔性、不透水性、剪切状态下的粘合性）和耐久性检测指标（热老化处理、耐化学侵蚀、人工气候加速老化）两大项。喷涂材料还要增加喷涂材料与潮湿基面的粘结强度、表干和实干时间、加热伸缩率等项。
　　常规检查部分可以直观地反映材料的物理力学性能，如果这些指标合格．一般认为可以满足隧道及地下工程建设阶段对材料质量控制的要求，目前已将其作为隧道工程使用期围岩变形时防水材料抵抗失效能力的基本判定。耐久性指标主要反映高分子防水材料的耐腐蚀性和抗老化能力。其中除耐化学侵蚀检测具有针对性外，其他两项对隧道及地下工程这类特殊建筑是不适用的。根据笔者前述对国内200座隧道的调研结果分析，发现防水层出现脆化、粉化破坏现象的隧道使用期都在5～20年，其防水失效期还要低于这个时间．由此可见现有材料耐久性指标的设置检测项目及其相应的检测方法是有缺陷的。如霉菌和微生物的生物侵蚀作用、基岩与衬砌间基于围岩缓慢变形产生的挤压作用、地下结构混凝土析出物的腐蚀作用、电及流动介质对高分子材料老化作用等因素导致的失效机理还未被充分认识．还没有评价的指标和检测的手段．
　　另外由于不同的防水卷材、喷涂材料的施工方法、工艺要求、防水作用机理方面有着显著差别，检测标准与方法也会不同。这不仅在于各检测项指标的取值．检测理论与方法也会不同。统一的标准难以反映材料的特点与特长，尤其是一些专用于某种特定环境的防水材料，更需要有专门的检测方法。
隧道及地下工程防水的耐久性问题要比一般建筑复杂，套用常规防水材料的检测指标和方法，并不能反映材料的真实耐久性，这些需认真研究并解决。

　　3结语
　　隧道及地下工程建成后防水的失效性状况不易直接观测和定量检验．且状况复杂多变，加之岩土体具有非均质性和流变性等特点．地下环境对材料的不利影响也难以确定。很难模拟防水材料的实际破坏规律．因此国内外对隧道及地下工程防水失效性的综合研究丁作开展较少。目前国内虽然对防水材料在常规条件下单项失效性指标已有所研究，但仅局限于其中基本的理化指标，间接地反映材料耐久性性能，没有全面和针对性的检测标准指标体系，也没有在符合现场实际情况的复合影响因素作用下进行隧道及地下工程防水的失效性研究。
　　目前防水材料与施工技术多元化发展进程加快，各种新型防水材料不断涌现，如水性防水涂料、水性喷膜防水材料、干粉喷涂技术等新型环保性材料的出现．其服务领域面向隧道及地下工程时，现行标准不能真实反映其耐久性性能，而这些材料和技术的企业标准也没有系统、科学地解决耐久性问题，在其他各种建筑防水材料的单一国家标准、行业标准、部门标准、企业标准中，也均未综合、全面地建立失效性的评价技术体系。
　　提高材料的耐久性水平，特别是从鼓励新材料、新技术的创新、满足隧道及地下工程更高的防水要求的角度出发，在现有各方面的检测标准的基础上，建立和完善适合于隧道及地下工程防水的耐久性技术标准与检测方法是工程界亟待解决的研究课题。

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