喷膜防水衬砌结构喷膜厚度优化设计研究

李 德

(辽宁省大伙房水库管理局有限责任公司， 辽宁 沈阳 110166)

在长期的理论研究和工程经验的支持下，复合衬砌结构逐步产生和发展并成为应用最广泛的衬砌结构形式[1]。但是，传统的复合衬砌结构形式比较简单，一般在初支结构的基础上直接进行二次衬砌的施作，这往往或导致初支和二衬结构之间存在一定的空腔。由于初支和二衬结构难以紧密贴合，因此两者之间仅能以压力的形式产生相互作用，不利于复合衬砌结构整体性的有效发挥[2]。针对这一情况，部分学者提出在初支和二衬之间设置一层防水板或防水膜，以提升衬砌结构的整体性，而工程实践也证实了上述结构的科学性与有效性，特别是在初支和二衬之间喷射丙烯酸盐喷膜防水材料，凭借其良好的双面黏结性能实现和衬砌结构之间的紧密黏合，实现在初支和二衬之间压应力、拉应力以及剪切应力的有效传递，使衬砌结构协同性和整体性更强，可以实现协同受力和共同变形[3]。但是，目前并没有对喷膜厚度的相关研究成果。显然，喷膜厚度不仅会直接影响工程效果，同时也会对工程的经济性产生直接影响。另一方面，喷膜材料黏结性对衬砌结构整体性的影响机制和特点目前尚未完全明确，因此给相关计算造成诸多困难。基于此，此次研究以具体工程为背景，利用现场试验的方式对喷膜厚度进行优化研究，以便为相关理论研究和工程应用提供支持和借鉴。

1 工程概况

大风口水库位于辽宁省绥中县前卫镇境内，是石河中上游的一座大(2)型水利工程，水库集水面积251km2，主要建筑物有大坝、溢洪道、输水洞。为了满足绥中电厂供水需求，优化水库的水资源利用，拟在原有输水洞的基础上再新建一条输水洞。新建输水洞在原输水洞的右侧平行设计，主要由进口明渠、竖井段、洞身段、明管段以及出口压力箱组成，全长1225m，为洞径2.0m的圆形有压隧洞，设计流速为0.13m/s。

2 现场试验

2.1 试验方案

按照背景工程的设计方案，该输水隧洞洞身段的初支结构为锚杆+C30喷射混凝土，初支混凝土的厚度为20cm，二次衬砌为C35普通混凝土，厚度为40cm，初支和二衬之间喷涂一层丙烯酸盐喷膜防水材料。

此次研究目的是探讨喷膜防水衬砌结构中喷膜厚度的工程影响，在水工隧洞中的应用价值。因此，在试验过程中设置不同的喷膜厚度方案进行试验研究。根据相关工程经验和施工规范，聚合物水泥基防水膜的总厚度一般不超过2mm，此次试验中使用的喷膜材料单层喷涂的厚度约为0.4mm[4]。因此，试验中按照喷涂1遍、2遍、3遍、4遍和5遍设定试验方案，其喷层的总厚度分别为0.4mm、0.8mm、1.2mm、1.6mm和2.0mm。通过现场试验获得不同喷层厚度方案的围岩位移、衬砌结构位移和应力场数据，对试验数据进行对比分析，获得最佳的喷层厚度方案[5]。为了保证研究结果的科学性和有效性，此次对比试验选择的是背景工程输水隧洞洞身段D1+225～D1+275洞段，总长度为50m。该洞段围岩为Ⅲ级，围岩岩体为微风化花岗岩。经地质勘查，该洞段没有明显的断层、裂隙等不良地质结构，岩体分布比较均匀，可以将对比试验中其他因素的影响控制在可以接受的范围内[6]。在具体试验过程中，将试验段均分为5段，分别对应5种试验方案，每段的中间断面作为试验过程中的数据监测断面。

2.2 试验方法

在现场监测试验中，监测仪器不仅要具有良好的运行性能，还要具有简易、持久、可靠性，因此可以选择对外部施工条件和自然条件敏感性小的光学仪器或机械性仪器。根据此次研究的实际需要，试验监测项目包括围岩位移、衬砌变形以及衬砌应力。

试验中应力测试采用的是频率接受仪，变形量采用精密水准仪、收敛计以及全站仪相结合的方式进行测量[7]。其中，压力测试元件在钢筋绑扎后浇筑衬砌混凝土之前进行埋设，在埋设前需要做好压力盒支架以及余线保护盒的加工。变形测试元件在浇筑混凝土后及时埋设，要避免由于埋设不及时导致难以获得初始测量数据，在施工过程中需要每天测量一次压力，每两天测量一次变形量[8]。为了全面评价围岩不同部位的位移和应力分布特点，在隧洞测量断面的拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱脚、右拱脚与拱底部位布设位移和应力测量仪器，对获取的测量结果进行对比分析(见图1)。

图1 监测点位置示意图

3 试验结果与分析

3.1 围岩位移

利用试验获取的围岩位移数据，整理获得隧洞围岩8个典型部位的围岩位移最大值(见表1)。从表中可以看出，不同试验方案围岩的位移值存在一定的差异性，这说明喷膜防水衬砌的喷膜厚度对围岩位移量有一定影响。具体来看，随着喷膜厚度的增加，围岩各关键部位的位移量最大值均呈现出先不断减小后小幅上升的变化特点。从具体的试验数据可知，当喷膜厚度为1.6mm时围岩各关键部位的位移量最大值最小，但是与喷膜厚度为1.2mm方案相比减小的幅度极为有限。

表1 围岩关键部位位移量试验结果

3.2 衬砌变形

利用试验获取的衬砌结构位移数据，整理获得输水隧洞试验段衬砌结构8个典型部位的位移最大值(见表2)。从表中可以看出，不同喷膜厚度设计方案的衬砌位移特征与围岩位移特征基本相似，变化规律也基本一致，从具体变形量来看，衬砌结构的最大位移值稍大。具体来看，随着喷膜厚度的增加，衬砌结构各关键部位的位移量最大值均呈现出先不断减小后小幅上升的变化特点。从具体的试验数据可知，当喷膜厚度为1.6mm时衬砌结构各关键部位的位移量最大值最小，但是与喷膜厚度为1.2mm方案相比减小的幅度极为有限。

表2 衬砌关键部位位移量试验结果

3.3 衬砌应力

利用试验获取的衬砌应力数据，整理获得输水隧洞试验段衬砌结构8个典型部位的应力最大值(见表3)。从表中的试验结果可以看出，在不同喷膜厚度设计方案下隧洞各个部位的衬砌应力变化特征基本一致。随着喷膜厚度的增加，各部位的压应力和拉应力最大值均呈现出不断减小的变化特征，但是变化的幅度有所不同。具体来看，当喷膜厚度小于1.2mm时，随着喷膜厚度的增加，各部位的压应力和拉应力的下降幅度较大，当喷膜厚度大于1.2mm时，随着喷膜厚度的增加，各部位的压应力和拉应力的下降幅度有限。

表3 衬砌关键部位应力试验结果

4 结 论

本文通过现场试验的方式，探讨了喷膜厚度对喷膜防水衬砌结构工程效果的影响，获得的主要结论如下：随着喷膜厚度的增加，围岩和衬砌结构位移量呈现出先减小后增大的变化特点，当喷膜厚度为1.6mm时位移量最小；随着喷膜厚度的增加，衬砌应力呈现出不断减小的变化特征，当喷膜厚度大于1.2mm时的减小幅度有限；鉴于喷膜厚度为1.2mm和1.6mm的围岩和衬砌结构位移量十分接近，进一步增加喷膜厚度并不能显著降低衬砌应力，且工程成本将显著增加，因此，建议采用1.2mm的喷膜厚度。