北京地铁五号线东四车站暗挖段的防水施工
摘要:结构防水是地下铁道工程至关重要的一个施工环节,其质量好坏直接影响到地铁的运营使用效果。文章结合北京地铁五号线东四站的防水工程,阐述从结构混凝土自防水和初期支护与二次衬砌之间的防水夹层施工的技术要求和施工工艺。
关键词:地下铁道工程 防水 结构自防水 防水层
1 东四车站结构、工程地质和水文地质概况
地铁东四站位于朝阳门内大街与东四南大街交叉口上。车站两端为明挖段,结构形式为三层三跨框架结构;中间为暗挖段,结构形式为单层三拱两柱结构。车站总长度197 m , 其中暗挖段长96180 m , 明挖段总长为100120 m 。车站总宽:暗挖段为22190 m , 明挖段为26120 m 。车站设置东南、东北、西南、西北4 个出入口和南、北2 个风道。
车站两端三层三跨框架结构由侧墙、梁、板、柱等构件组成,采用明挖顺筑法施工。中间单层拱形三跨两柱结构为复合衬砌结构。框架结构的防水,一是施作外包防水层,二是依靠结构混凝土自防水;复合衬砌结构的防水,一是施作初期支护与二次衬砌之间的防水夹层;二是依靠二次衬砌混凝土的自防水。
出入口除西南、西北两个采用暗挖法施工外,东南、东北两个采用明挖法施工。两个风道均采用明挖法施工。防水处理与施工方法有关,参照车站明挖、暗挖段的防水方案进行防水处理。
工程地质自上而下依次为:人工填土层(杂填土和粘质粉土素填土),厚217～414 m ; 粘质粉土、砂质粉厚410～615 m ; 粘质粉土,厚210～413 m ; 中粗砂层,厚210～312 m ; 卵石,厚510～1310 m 。水文地质自上而下依次为:上层滞水,赋存于填土层和粘质粉土、砂质粉土中;潜水,赋存于粉细砂层、中粗砂层、圆砾层、卵石层中; 承压水,赋存于中粗砂层、卵石层孔隙中。受城市工程施工降水的影响,潜水水位呈连续下降的趋势,平均每年水位降低0158 m 。历史最高水位1959 年为41～42 m ,1971 年—1973 年为32～34 m , 建议设防水位为35100 m 。潜水对钢筋混凝土中的钢筋和钢结构具有弱腐蚀性。
2 防水施工综述
东四车站及其出入口通道防水设计标准为一级防水,结构不允许出现渗水,内衬表面不得有湿渍。车站风道防水设计标准为二级防水,不允许漏水,结构表面允许有少量的偶见湿渍。防水施工影响因素多,技术难度大,是地铁工程施工的一大难点,也是一道关键工序。结构防水是根据工程地质和水文地质条件、车站结构特点、施工方法和使用要求等因素进行设计和施工的,遵循“以防为主,防排结合,刚柔相济,多道防线, 因地制宜,综合治理”的原则,外防水固然重要,而提高结构自防水性能也不能忽视,处理好施工缝、变形缝等土,厚114～415 m ; 粉细砂层,厚615～817 m ; 圆砾层, 柜具备启动、停止自动控制及故障泵自动关闭、备用泵自动投入等功能,保证运行的高可靠性。泵站的位置与铁路中心的距离25 m , 以防泵站内仪表受到行车振动的影响,应考虑城市规划要求,会同城市、铁路、公路等有关单位协商确定。
5 结论
(1) 采用封闭式引道隔离地下水,绿化带等引道以外地表水自然排出,泵站设计只考虑抽排引道内地表水,可减小泵站规模,节省电力,节约投资,精减泵站管理工作,为保证引道排水畅通创造有利条件。
(2) 封闭式引道的设计在工程实例中并不多,本次设计做了大量的工作,尤其是在横向接缝构造处理上有新的尝试,期待能为以后的工程提供借鉴。
图1 东四暗挖段车站结构防水系统
薄弱环节十分关键。根据设计要求,车站主体、风道、出入口框架结构底板、顶板、侧墙采用C30 、S10 补偿收缩防水混凝土。暗挖段施工缝均采用遇水膨胀腻子条和预埋注浆管的方法进行加强防水处理。变形缝采用中置式橡胶止水带;车站结构暗挖段柔性防水采用400 gΠm2 土工布和118 mm 厚的ECB 防水板(见图1) 。3 结构自防水
在地铁工程施工中,由于施工环境较差以及施工顺序的关系,使防水效果难以达到设计的理想状态,因此结构自防水是地铁工程防水成败的关键。
东四车站主体结构采用C30 、S10 、补偿收缩混凝土。它具有良好的抗裂性能,主体结构混凝土不但要起防水作用,还要和钢筋一起成为受力结构。为确保混凝土质量达到结构自防水的目的,必须采取有效措施。311 防水混凝土性能要求与原材料选择结构自防水混凝土必须具备密实度高、收缩率小、强度高、可灌性好等多种性能,混凝土一般均掺加经选择的附加剂来达到自防水目的。工程经验表明,掺加剂的稳定性影响到结构体是否产生裂纹,甚至影响到结构的受力,因此高性能混凝土要严格按设计要求进行配合比设计,为此对原材料选择提出如下技术要求:
(1) 水泥 使用品质较稳定的425 # 普通硅酸盐水泥,混凝土含碱量(Na2O) 不超过016 % , 性能指标必须符合《普通硅酸盐水泥》(GB175 —92) 标准。
(2) 石子 采用质地坚硬,附着物少的优质石子, 石子最大粒径≯40 mm , 含泥量≯1 % , 泥块含量≯ 015 % , 吸水率≯115%。
(3) 砂子 采用符合现行《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》的河砂(中砂),含泥量≯3 % , 泥块含量≯1%。
(4) 粉煤灰 采用一级品质、稳定性好的磨细粉煤灰代替部分水泥用量,以提高混凝土的和易性,掺量不大于水泥用量的20 %。
(5) 其它掺加剂宜用“TMS”或UEA , 其掺量根据具体要求确定。
312 防水混凝土配合比
防水混凝土配合比,应根据工程要求、选材要求、结构条件和施工方法,通过试验确定。其抗渗等级应比设计要求提高012 MPa 。每m3 混凝土的水泥用量 ≮320 kg(包括粉细料在内);砂率取为35～40 , 灰砂比应为1∶215 ; 水灰比≯016 ; 普通防水混凝土的坍 2～1∶落度≯50 mm , 当掺外加剂或采用泵送时按相应的规定办理。防水混凝土配料必须按重量配合比准确称量,计算允许偏差为: 水泥、水、外加剂、粉细料为 ±1 % , 砂、石为±2%。
313 防水混凝土的拌合与运输
(1) 混凝土拌合 按照招标要求,混凝土供应采用工厂拌合的商品混凝土,当用于灌注车站结构而采用高性能混凝土时,混凝土的拌合必须选材固定,计量准确,拌合时间达到规定要求。搅拌时间≮2 min 。掺加外加剂时,应根据外加剂的技术要求确定搅拌时间。
(2) 混凝土运输 混凝土采用拌合车运送,混凝土在运输过程中,要防止发生离析现象及减少坍落度损失,对混凝土的坍落度损失应控制在1 cm 以内;当由于运送距离远或产生交通堵塞而引起混凝土出厂时间过长的问题时,需要在工厂调整配合比,严禁在商品混凝土中掺加任何其他材料,以确保混凝土的入模质量。
314 防水混凝土灌注
(1) 模板 模板要架立牢固,尤其是挡头板,不能出现跑模现象,混凝土挡头板保证做到模缝严密,避免出现水泥浆漏失现象,且达到表面规则平整; 地模、墙模施工质量达到设计和规范要求。
(2) 混凝土浇筑 防水混凝土采用泵送入模时,宜将润湿砂浆取走,确保不改变入模混凝土的原有质量。混凝土应分层浇筑,分层振捣,每层厚度不宜超过300 ～400 mm , 相邻两层浇筑时间间隔不超过2 h , 以确保上、下层混凝土在初凝之前的牢固结合。混凝土泵送入模时,应使其水平均匀入模,并控制其自由倾落的高度。当自由倾落高度超过2 m 时,应使用串筒、溜槽或在灌注面接一段水平导管。当灌注暗挖结构拱部衬砌时应按灌注孔先下后上有序地进行,防止发生混凝土离析。
(3) 混凝土振捣 混凝土振捣一般采用附着式和插入式两种振捣器,附着式振捣器用于暗挖结构防水混凝土灌注,插入式振捣器使用较广。混凝土振捣前应先根据具体的结构物设计振捣点,振捣时间一般为10～30 s , 以混凝土开始出浆和不冒气泡为准,避免漏振、欠振和超振。对新旧混凝土结合面、沉降缝、施工缝止水带位置需要严格按设计的振捣点和时间进行有控制的振捣。
(4) 施工缝设置 混凝土应尽量做到连续浇筑,不留或少留施工缝。如因施工需要留设施工缝,必须征得设计同意,并得到监理的认可。 施工缝的设置,主要考虑一次混凝土灌注工作的强度和有效控制混凝土的收缩裂纹。在结构施工时, 环向施工缝设置不超过24 m 。纵向施工缝根据结构特点而定。
(5) 施工缝部位处理 在施工缝处继续浇筑混凝土前,无论何种情况,对接缝表面都应进行凿毛处理, 清除浮粒,粘贴止水条。对于采用顺筑法施工的结构, 在施工缝处继续浇筑混凝土前,应用水冲洗接缝并保持湿润,首先在接缝处铺一层20～25 mm 厚、与灌注混凝土标号相同的水泥砂浆,然后再进行混凝土灌注;施工缝处的混凝土必须充分振捣密实。
(6) 混凝土保护层 混凝土结构内部设置的各种钢筋或绑扎铁丝,不得接触模板。在迎土面的钢筋保护层厚度≮35 mm 。
(7) 变形缝设置 混凝土结构变形缝的止水条构造形式、位置、尺寸,以及止水条使用的材料、变形缝填料的物理力学性能应符合设计要求。并应加强变形缝处混凝土的振捣。
(8) 混凝土坍落度控制 当混凝土采用泵送时,混凝土配合比的各项技术指标应作适当调整,混凝土坍落度应控制在规范允许范围内。混凝土的供应必须保证泵送混凝土连续工作, 预计泵送间歇时间超过45 min 或当混凝土出现离析现象时,应立即用压力水或其它方法冲洗管内留存的混凝土,严禁使用不合格混凝土浇筑。
(9) 暗挖结构拱顶混凝土灌注的特殊要求 对于采用暗挖法施工的洞室结构的拱顶混凝土灌注,往往会产生拱顶混凝土不密实、不满灌、漏振捣、易收缩的现象,故对此部位的混凝土施工除在混凝土性能上设法减少其收缩率以外,还需对其灌注工艺提出特殊要求。根据工程经验,拱顶混凝土的灌注宜采用加强封堵板泵送挤压混凝土施工工艺,见图2 。
图2 泵送挤压灌注混凝土工艺图
① 选择具有足够强度和刚度的拱顶模板支撑体系,以保证模板支架在施工中不失稳。② 设计能承受一定挤压力的挡头模板,利用结构纵向钢筋作为拉杆加固挡头板。见图3 。
图3 挡头模板结构示意图
③ 灌注混凝土时先从新旧混凝土接触面处开始均匀分布灌注,最后在单元体中间位置进行泵送灌注,待混凝土自挡头板挤出浆来时,稳压持续几分钟,检查混凝土是否灌满。如稳定压力后不能再灌入时,说明拱顶已灌满。若稳定压力后仍能灌入,则应稳压持续到不能灌入为止。④ 在拱顶最高位置贴近初期支护面布设伸向二次衬砌混凝土后面的补偿注浆管,一则可以通过注浆管检查混凝土的灌满程度,二则待混凝土达到一定强度后利用注浆管注浆,以补偿混凝土因收缩或未灌满造成的拱顶空隙。
(10) 混凝土拆模及养护 混凝土终凝后应进行养护,养护时间不少于14 d , 以防止在硬化期间产生干裂。养生采用喷洒水养生方法,保持混凝土表面湿润。拆模时混凝土表面温度与周围环境温度差不得超过15 ℃,以防止混凝土表面产生裂缝。对于大体积混凝土,施工中要有温度控制措施,防止水化热过高使混凝土内外温差过大而产生温差裂缝,混凝土内外温差应低于25 ℃ 。
(1) 混凝土的原材料必须符合现行国家标准、施工及验收规范和设计的有关规定。原材料如有变化应及时调整混凝土的配合比,并取得监理的认可;
(2) 检查原材料的称量不少于二次;
(3) 在混凝土拌制和浇筑地测定其坍落度,每工作班不少于二次,对掺引气剂的混凝土还应测定其含气量;
(4) 检查配筋、钢筋保护层、预埋铁件、穿墙管等细部构造是否符合设计要求,合格后填写隐蔽工程验收单,报监理检验认可;
(5) 连续浇筑混凝土量< 500 m3 时,留两组抗渗试块,每增加250～500 m3 增留两组。试块应在浇筑地点制作,其中一组应在标准条件下养护,另一组应与现场相同条件下养护,试块养护期不少于28 d 。
4 暗挖段车站防水层施工
411 暗挖段防水层施工
柔性防水层施工技术措施的要点在于:材料选择; 焊接工艺;铺设工艺。根据设计要求,选用ECB 防水卷材和土工布缓冲层,具体施工工艺如下:
(1) 基面清理 在防水板施工前,进行喷射混凝土基面处理,要求表面平整、干燥、无渗漏水、无突出物;
① 对暗挖喷射混凝土衬砌要求拱部平整度DΠL < 1Π8 , 要求边墙及底板平整度DΠL < 1Π6( D 为相邻两凸面间凹进去的深度,L 为相邻两凸面间的距离) 。
② 基面不得有钢筋及尖锐的管件等凸出物,否则予以割除,并在割除部位用同标号砂浆抹成圆曲面,以防防水层被扎破。
③ 隧道断面变化或转弯处的阴阳角均应做成圆弧,阴角处圆弧半径≮10 cm , 阳角处圆弧半径≮5 cm 。
④ 防水层施工时基面不得有明水,如有明水则用堵漏剂堵水。
(2) 400 gΠm2 土工布施工 土工布长边沿车站长度方向铺设,长度一般为12 m 。铺设方法是,首先在喷射混凝土隧道拱顶标出隧道纵向中心线,把土工布用射钉、塑料垫片固定在混凝土基面上,要求土工布的中心线与隧道中心线重合。土工布长边搭接宽度≮ 150 mm , 短边搭接宽度≮100 mm 。侧墙土工布的铺设位置在施工缝以下250 mm , 以便搭接。 塑料垫片用射钉固定在无纺布上,每隔100～150 cm 呈梅花形布设,对于变化断面和转角部位,钉距适当加密。
(3) ECB 防水膜铺设 ECB 防水膜长边沿车站长度方向铺设,铺设长度与土工布同,先在隧道拱顶部的土工布缓冲层上正确标出隧道纵向中心线,再使防水膜的中心线与隧道中心线相重合,与土工布一样从拱顶开始向两侧下垂铺设,边铺边与圆垫片热熔焊接,铺设时力求与土工布密贴,不必拉得太紧。防水膜在与圆垫片进行热合,一般时间达5 s 即可。防水膜长短边采用专用塑料热合机进行焊接,搭接长度≮10 cm 。防水板焊缝焊接时,热合机行走速度控制在016～112 mΠmin 。无条件用机焊的特殊部位也可用人工焊接,但一定要认真检查焊接是否牢固。
412 防水膜铺设、焊接质量检查
外观检查:铺设平顺无隆起,无折皱,无漏缝,无假缝,焊缝连接牢固。
焊缝质量检查:焊缝为双焊缝,中间留出空隙,以便充气检查。检查方法: 用5 号注射针头与压力表相接,用打气筒进行充气检查,将焊缝充气加压至110～ 115 MPa 时,停止充气,保持该压力2 min , 压力损失< 2%为合格,否则说明有漏气之处。用肥皂水涂在焊缝上,产生气泡的地方要重新焊接或补焊(可用热风焊机和电烙铁等补焊),直到不漏气为止。检查数量为每4 条抽试一条。为保证质量,每天每台热合机焊接应取一个试样,注明取样位置,焊接操作者及日期。
413 防水层的成品保护
防水层施工完成后,必须严加保护,否则极易损坏,导致防水质量下降以至完全失效,故要求各方面予以重视密切配合。
(1) 特殊部位采取的保护措施
① 仰拱和仰拱与边墙转角高013 m 范围内应做保护层,采用215 mm 厚FSPE 保护板或5 cm 厚豆石混凝土作保护层。 ② 结构断面发生变化处,铺设双层防水卷材。
③ 二次衬砌的钢筋头上加塑料套,防止钢筋碰破
防水膜。
(2) 防水板施作完毕后的保护
① 在未设保护层处(如侧墙部位),焊接钢筋时必须用石棉板遮挡隔离,以免溅出火花烧坏防水膜。
② 在灌注二次衬砌混凝土时,振捣棒不得直接接触防水层,因为振捣棒对防水层的破坏不易发现,也无法修补。
③ 不得穿带钉子的鞋在防水层上走动。
414 特殊结构部位的防水处理
主体结构防水施工由于工法的原因,在各洞室及明、暗挖衔接处防水层不能同时施作,必须进行预留, 作特殊处理(见图4) 。
图4 结构衔接处防水处理
凡是结构衔接处预留搭接防水层均采用内贴2 mm 镀锌铁皮保护,并设双层防水膜以防止破除围护结构时损坏防水层搭接而影响全部防水效果。5 施工缝、变形缝的防水处理
511 施工缝防水处理
(1) 施工缝设置原则 混凝土施工时设计要求尽量少设或不设施工缝,因为它是结构自防水的薄弱环节,因此,必须认真做好施工缝的防水处理。
(2) 施工缝处理及止水带(条) 安装 施工缝通常有立缝和平缝两种,防水处理时,首先将接缝处混凝土基面进行凿毛处理,并冲洗干净,粘贴止水带(条) 部位混凝土基面必须抹平、压实、压光,以保证止水带(条) 与基面粘贴密实、牢固。混凝土浇筑前在断面中间设置止水带(条),材料为氯丁胶。止水带(条) 必须在混凝土浇筑前4 h 内粘贴在混凝土基面上,以防止提前遇水膨胀。其接头采用45°斜口平接( 热焊),不得重叠,要求接缝平整牢固,无裂口和脱胶现象。施工缝处防水方案见图5 。
(3) 施工缝处混凝土振捣 在混凝土浇筑过程中注意对施工缝止水带(条) 处的振捣,保证施工缝的防水质量。边墙两侧纵向施工缝处,在防水膜内侧间隔地设置泄水孔,以引排渗水,通过排水沟汇入泵房集水
图5 施工缝防水图井。
512 变形缝防水处理变形缝是由于不同刚度结构,受不同的力,容许产生一定的不均匀沉降而设置的结构缝隙。它是结构外防水的关键环节。设计要求在车站主体明、暗挖段间设变形缝,车站与风道、出入口、区间衔接处设置变形缝。变形缝采用中埋式橡胶止水带止水,缝隙间充填嵌缝密封膏,在变形缝结构内侧设置预留槽,槽内涂刷密封胶,变形缝防水方案见图6 。
(1) 止水带安装与定位 中埋式止水带安装应准确居中安设,粘贴或焊接定位。用模板固定,先安装一端浇筑混凝土,另一端用箱形木板保护,待混凝土达到一定强度后拆除模板及箱形保护,如图7 。
图6 变形缝防水方案
图7 止水带固定方法示意图 连接采用现场热焊接,焊接质量应满足规范要求。
(2) 变形缝处的混凝土灌注与振捣① 对竖直向的止水带两边的混凝土要加强振捣, 保证缝两边混凝土密实,同时将止水带与混凝土表面的气泡排出。要保证止水带与混凝土牢固结合,止水带处的混凝土不应有粗骨料集中或漏振现象。
② 对水平方向的止水带待止水带下充满混凝土并充分振捣密实后,放平止水带并压出少量混凝土浆,然后再浇灌止水带上部混凝土,振捣上部混凝土时要防止止水带变形。
③ 变形缝外侧密封胶施工时,为了避免三向受力, 影响防水质量,在密封胶与嵌缝材料间采用牛皮纸隔离层,密封胶与接缝两侧壁必须粘结牢固,密封严密。无渗漏水现象。嵌缝质量应密实,表面不容许出现开裂、脱离、滑移、下垂以及空鼓、塌陷等缺陷。嵌填密封胶之前,先清除槽内浮渣、尘土、积水,粘结密封胶的混凝土基面必须平整、干燥、干净、无任何污染。
④ 变形缝中使用的橡胶止水带和嵌缝材料必须有出厂质量证明,并经进场检验和复验合格后方可使用。变形缝的构造形式和材料必须符合设计要求。
6 结束语
结构防水是地铁工程中至关重要的一个施工环节,防水施工质量的好坏直接影响地铁的使用效果。目前的暗挖地铁防水施工中仍存在诸多问题,防水效果还不尽如人意。希望通过不断探索,改进现有的防水施工工艺,使地铁在施工安全度、结构稳定性以及防水性能等各方面日趋完善。
