北京城市铁路双连拱隧道防排水施工综合技术
摘 要 简要论述北京城市铁路14 标段地下区间双连拱隧道防排水系统的综合施工技术,根据具体工 程,提出施工建议。关键词 城市铁路 双连拱隧道 防排水
北京城市铁路主要采用地上高架桥形式,本工程为全线唯一的地下区间隧道,地质情况恶劣、地下水位较高,且由于隧道为双连拱结构形式,施工工序多,施工缝、沉降缝及天梁等特殊节点多,因此有效的防排水系统就成为本工程施工的关键。
1 工程概况隧道位于北京市二环路的东北部, 全长1175. 2 m , 埋深8 ～ 12 m , 土丘地段的埋深达到15 m 。断面为双连拱隧道、钢筋混凝土结构,开挖宽度为12. 05 m , 开挖高度为7. 397 m 。采用浅埋暗挖中洞法开挖、复合式衬砌,施工步序为:中洞分部开挖支护→施作中洞防水层、中隔墙衬砌→左、右侧洞分部开挖支护→ 破除中洞初支、施作侧洞防水层和二衬(图1) 。地层变化复杂,由地表向下依次为人工堆积层、杂填土层、素填土层、粘质粉土层、粉质粘土层、砂质粉土层、粉细砂层、细中砂层、圆砾层等。地下水水图1 隧道施工步序示意图位在地下2. 5～6. 5 m , 赋存于杂填土层,主要补给来源为大气降水的垂直渗透与管道渗漏;潜水水位在地下2. 98～7. 45 m , 高出隧道开挖拱顶,主要补给来源为侧向径流;承压水埋深18. 53 m , 隧道底板局部地段位于承压水位以下。就本工程防排水系统而言,最不利地段为长120 m 的穿越护城河段和长55 m 的斜穿盖板河段。
2 防排水系统
防排水系统遵循“ 以防为主、防排结合、多道防线、刚柔相济、因地制宜、综合治理”的原则,设计防水等级为二级,即隧道不允许漏水,可以有少量、偶见的湿渍。地下区间隧道防排水系统设置见图2。
图2 隧道防排水系统示意图
2. 1 防水系统地下区间隧道采用复合式衬砌结构,防水采用3 道防线: 第一道防线:初期支护加背后注浆; 第二道防线:设置1. 2 mm 厚ECB 高分子合成树脂防水卷材及4 mm 厚PE 闭孔泡沫塑料衬垫作为夹层防水层; 第三道防线:二次模筑防水混凝土衬砌,采用微膨胀补偿收缩防水混凝土,即掺适量HEO 单一型混凝土外加剂,抗渗等级不小于0. 8 MPa 。
2. 2 排水系统由于本工程为暗挖法施工,地下水较丰富,工况复杂,防水层的预留搭接较多,结构的施工缝也较多,在施工阶段对防水卷材可能造成破坏,为确保区间在无渗漏的情况下运营,故在防水层和二衬之间用MF7 隧道专用塑料管排水。在拱顶与边墙交界处、边墙与仰拱施工缝处、侧洞拱顶与中洞拱顶施工缝处设置3 道纵向排水盲管;在边墙上每6 m 设一道环向排水管,与各纵向管相连,将渗水引出,流至道床上。
2.2. 3 变形缝、施工缝的防水变形缝:本隧道每隔50～60 m 设置一道变形缝,缝宽30 mm 。在结构内部的中部设置埋入式橡胶止水带,结构内侧(背水面) 预留300 mm ×30 mm 的凹槽,待变形缝两侧的混凝土浇注完并养护完毕, 在缝内用双组份聚硫橡胶密封膏嵌缝,在凹槽内固定1mm 厚钢板做成“U”型接水盒,然后用聚合物水泥砂浆把凹槽填实抹平。具体设置详见图3 、4 。
图3 隧道底板变形缝防水示意图
图4 隧道边墙、顶板变形缝防水示意图
本隧道有纵向和环向施工缝。纵向施工缝在天梁两侧各1 条,条形基础两侧各1 条,左、右侧洞的铺底与边墙交接处各1 条;环向施工缝在每组衬砌断面处。施工缝采用在结构断面中部安放20 mm ×30 mm 遇水膨胀腻子条的方法进行止水。
3 防排水系统的施工
3. 1 结构基面的处理由于防水板铺设前不允许结构内表面有漏水现象,因此首先根据结构的不同部位分别进行了堵漏处理:中洞和侧洞的拱部沿隧道每5 m 一排、每排3 根,布置< 42 的注浆管,注水泥-水玻璃浆,填充拱部初支背后空隙止水;在中洞拱部(天梁) 加大注浆压力,增加注浆量,从而确保注浆范围高出侧洞拱顶,避免该部位日后形成积水带;对边墙漏水部位进行重点注浆止水处理;对基底出水部位根据出水量大小分别采用注浆止水或暂时引排的方法,确保基面干燥。
基面找平,检查基面上有无钢筋、铁丝和钢管等尖锐突出物,若有则从根部割除,并在割除部位用水泥砂浆抹成圆曲面;在中洞中线至左、右侧洞中线外300 mm 的拱部范围内,施作刚性防水兼找平层,主要施工工序为:涂刷一道界面剂→ 抹EVA 防水砂浆10～15 mm → 搓毛→ 抹EVA 聚合物灰浆2 mm →二道抹平、压密、压实→洒水养护。界面剂配合比为:普硅水泥:
EVA∶FS -P 防水剂= 1∶0. 37∶水∶0. 13∶0. 08 ; EVA 防水砂浆配合比为: 普硅水泥: EVA∶ FS -P 防水剂∶ 0. 12∶水∶中砂= 1∶0. 5∶0. 08 ;EVA 聚合物灰浆配合比为:普硅水泥∶EVA∶ 0. 13∶水= 1∶0. 37 。
对于结构边墙根据不同情况分别处理,在渗水明显部位(如穿越护城河地段和斜穿盖板河地段) 同施作刚性防水,在一般地段则局部采用1∶1.2. 5 的水泥砂浆找平即可;对于隧道底板基面,在有明显起伏, 采用1∶2.2. 5 的水泥砂浆找平;隧道断面变化或转弯时的阴阳角须采用水泥砂浆抹成R > 50 mm 的圆弧。
3. 2 PE 闭孔泡沫塑料衬垫的施工在初支与防水板之间采用4 mm 厚PE 闭孔泡沫塑料衬垫做防水板的缓冲层。泡沫衬垫采用水泥钉和塑料圆垫片固定在喷射混凝土的基面上,固定点之间呈梅花形布设,固定点之间的间距为: 拱部500～ 800 mm ; 边墙800～ 1000 mm ; 底部1500～ 2000 mm 。衬垫之间的搭接宽度为50 mm , 搭接部位采用热风焊枪进行焊接。衬垫须采用环向铺设, 不能拉得过紧,以免影响防水卷材的铺设,并在搭接部位预留不少于200 mm 的搭接余量。
3.3. 3 ECB 高分子合成树脂防水板的施工防水板的焊接是防水施工最重要的工艺,用双焊缝热合机将相邻卷材热熔焊接,卷材之间的搭接宽度为100 mm , 接缝为双焊缝,焊缝宽度不小于2 mm , 中间留出空间以进行充气检查;焊缝应平顺、无波纹、颜色均匀、无焊焦、烧糊或夹层;检查时的充气压力为0. 12～0. 15 MPa , 稳定时间不大于5 分钟,允许压力下降20 % ; 当纵向焊缝与环向焊缝十字相交时(十字形焊缝),事先须对纵向焊缝外的多余搭接部分削去,将台阶修理成斜面,削去的长度≥ 130 mm , 以确保焊接质量和焊机通过顺利;铺设防水板前先在拱顶的衬垫上标出隧道纵向中心线,由拱顶向两侧下垂铺设卷材,边铺设边焊接;注意保护防水层在下一施工段的连接部分,避免污染和破损, 并在搭接前将接头处擦拭干净。分段铺设的卷材边缘部位预留至少500 mm 的搭接余量。防水板采用无钉孔铺设固定,即利用热风焊枪将裁剪好的卷材粘贴在塑料圆垫片上,固定时要注意不得拉得过紧或出现大的鼓包。尤其是阴阳角的卷材一定要与转角部位密贴,以免影响灌注混凝土的厚度或将卷材拉破。固定点呈梅花形布设,间距为: 拱顶500～ 800 mm ; 边墙800 ～ 1000 mm ; 底板1500 ～ 2000 mm 。
3. 4 隧道排水系统的施工本工程排水系统采用MF7 隧道专用型塑料管,
管之间的连接使用订书钉状勾嵌入,钉勾由<3～ <5 的不锈钢丝制成。排水管设在夹层防水卷材上,用
生产厂家提供的特制铁件固定,并用8# 铁线牢固捆扎铁件与结构钢筋。由于预埋管,因此在衬砌前要做好标记,一旦脱模,立即将管口掏出清理干净。
3. 5 变形缝、施工缝防水层的施工变形缝是为结构不均匀受力和混凝土胀缩设置的缝隙,它是防水处理的难点,也是结构自防水中的关键环节。本区间共设置变形缝12 道, 缝宽30 mm , 防水材料选用中置橡胶止水带,聚苯板充填缝隙内部,而在变形缝口部采用双组份聚硫橡胶密封膏封填,厚度不小于20 mm 。橡胶止水带的施工要求: ⑴ 按照设计要求确定止水带的准确位置及尺寸规格; ⑵ 橡胶止水带安装必须用模板固定。先安装一端,浇筑混凝土,同时另一端应用厢型木板保护,待混凝土达到一定强度拆除模板和另一端止水带的厢型保护; ⑶ 在止水带中央圆孔的上下方混凝土基面上涂刷粘结剂并固定填缝用的聚苯板; ⑷ 把另一端的止水带固定在钢筋上,支模浇筑混凝土; ⑸ 施工中必须保证止水带的准确位置和混凝土的浇捣质量,保证混凝土与止水带的紧密贴合; ⑹ 止水带的接头部位采用现场硫化的方法,接头处选在结构应力较小的部位。水平施工缝与环向施工缝是结构自防水的薄弱环节,处理的好坏将会直接影响结构的防水质量,因此须认真做好该处的防水处理。本隧道施工缝采用LJ-2 型遇水膨胀橡胶腻子条(20 × 30 mm) 进行止水。由于止水条钉过紧容易折断,过松则不能保证与混凝土密贴,容易造成灌注砼钻入止水条下部而失去止水效果,因此在施工中采用了衬砌堵头板背面钉设适当厚度及宽度的木条,混凝土灌注后拆模时将木条一起取出,即形成一道凹槽, 并配合加密了射钉的钉设间距,从而保证了施工缝的防水效果。
2.3. 6 二衬防水混凝土的施工二衬混凝土为微膨胀补偿收缩防水混凝土,标号C30P8 , 采用HEO 单一型外加剂,掺量为10 % 。在施工中我们针对混凝土的防水要求,不仅加强管理,严格施工工艺,选好供应商,对混凝土施工进行全过程控制,而且特别注意了以下几点: ⑴ 严格控制水灰比:水灰比是对抗渗性起决定作用的因素, 增大水灰比,混凝土的密实度降低,相对渗透系数就显著增大,因此须严格控制水灰比,本工程所采用的水灰比为不大于0. 6 。⑵ 防水混凝土的运输:由于地处二环主路,按照北京市规定必须采用商品混凝土,因此我们优先选择了就近的搅拌站,并安排专人负责统一调度安排,以缩短运输距离和等待时间,避免出现砼离析,还根据不同气候、不同时间计算出运输过程中坍落度的损失,提前予以考虑,从而保证了砼浇注时有良好的和易性。⑶ 混凝土振捣:本工程结构防水混凝土振捣采用插入式振捣棒,振捣时,振捣棒等距离地插入、均匀地捣实全部混凝土,插入点间距小于振捣半径的1. 5 倍,振捣棒的作用范围应相互重叠,避免漏捣和过捣,振捣时不得触及钢筋和模板,尤其是严禁触及防水板。⑷ 混凝土的养护:根据防水混凝土的特性,本工程规定混凝土的裂缝宽度不得大于0. 2 mm , 而得当的养护措施能最大限度减少混凝土的开裂,因此在防水混凝土灌注完毕及终凝后及时采用喷、洒水养护,待拆模后,对结构表面及时进行洒水养护,保持混凝土表面湿润,养护期确保不少于14 天。
3. 7 二衬背后回填注浆由于混凝土的凝固收缩特性,在二衬混凝土与防水板之间一般会存在5～10 mm 的缝隙,再加上泵送混凝土、模板台车灌注的衬砌施工特点,在拱顶处无法振捣密实,这样缝隙肯定会进一步加大,还可能在局部地段出现一定的空洞,容易造成地下水到处流窜侵蚀结构和腐蚀钢筋,因此,在二衬结束后进行背后回填注浆是必不可少的一道工序。本隧道在施做二次衬砌防水混凝土时,沿隧道每间距10 m 预埋一组注浆管,每组两根,注浆管垂直于结构表面设置,一根指向侧洞拱顶,另一根指向中洞拱顶。根据结构渗漏水情况,本工程采取了先全面注浆后重点注浆的施工方案。在全面注浆阶段,采用掺加XPM 外加剂的普通水泥浆液,施工水灰比为1∶2.1. 5 , XPM 外加剂掺量按水泥用量的10 % 控制,该浆液具有流速快、流动性好、抗渗指标高的特点,最大优点是浆液凝固后基本无收缩。注浆顺序为由低处向高处、由无水段向有水段、跳跃间隔式注浆;在重点注浆阶段,针对仍然存在渗水的地段进行再次注浆,并在个别较严重的出水点周围增补注浆管和采用掺加XPM 外加剂的超细水泥浆液进行注浆。
4 有关辅助施工措施
由于本工程结构形式复杂、技术难度大、防水要求高,因此我单位多次邀请设计单位和有关专家进行专题探讨,还选派技术人员去兄弟单位学习取经, 并在施工过程中不断总结发扬,从而在防水板的质量保证和保护方面形成一些值得推广的辅助施工措施。
4. 1 二衬混凝土钢筋的冷挤压连接钢筋连接采用钢套筒冷挤压的技术,仅是在房建施工中个别采用,这是因为该工艺对钢筋加工安装尺寸要求较高,钢套筒长180 mm , 钢筋对接时若过长则需现场截断,若过短则不能保证连接强度,甚至无法对接;另外钢筋挤压连接设备重达80 多斤, 移动不便,所以从未在隧道工程中得以使用。在本隧道尚处于中洞开挖期间,由于开挖分部较多,钢格栅连接部位很多,造成电焊时间过长,导致洞内空气污浊、环境恶劣,而且违背了浅埋暗挖法“快封闭”的施工原则,因此,为了保护职工的身体健康和形成隧道快速支护能力,就使用了钢筋冷挤压连接工艺,众所周知,钢格栅需要尽量紧贴围岩轮廓,而由于开挖断面的不确定性,造成钢筋基本上无法实现顺利对接,该项新技术当时未获成功。但是,我们也意识到在衬砌施工中,由于二衬钢筋加工安装尺寸比较精确,完全可以采用这种办法来避免电焊火工操作,从而有效地保护防水板不会损坏,因此及时进行了摸索总结,并最终在衬砌中获得成功,现将两种方法的优劣予以比较:
(1) 钢筋采用冷挤压连接,从根本上避免了电焊火工操作方式,不会出现防水板、排水盲管等塑料、橡胶制品被电焊火花烧坏的现象,这是对隧道防排水系统的极大保护;
(2) 钢筋冷挤压连接速度较快,熟练情况下可保证平均1. 5 分钟完成一个接头,而以本隧道二衬结构主筋( <28 钢筋) 为例, 单面搭接满焊的长度为280 mm , 基本上一个接头需耗时5 分钟,明显看出冷挤压连接可以大幅度提高工效;
(3) 在钢筋被冷挤压前,均可用红漆先做上标记,如果标记在挤压后仍然显露在外面,即说明挤压长度不足,而且钢筋挤压压力可以在气压表上予以清楚显示,还可以通过挤压痕迹的深度进行尺量判断;而电焊连接质量基本依赖于作业人员的操作水平和工作责任心,这说明钢筋冷挤压在质量可靠度和便于检查验收方面均远胜一筹;
(4) 钢筋冷挤压连接采用液压设备,不会产生任何空气污染,有效地保护了职工的身体健康,对于提高职工劳动积极性极为有利;
(5) 在经济效益方面,一个钢筋套筒为12 元,而焊接一个<28 钢筋接头,所用电焊条和钢筋搭接的材料费约为9 元,虽然冷挤压连接费用稍高,但如果考虑到它有效保护了防水层,节省了通风费用,提高了工效,有益于工人的身体健康,钢筋挤压的总体费用肯定远低于电焊连接费用。钢筋冷挤压连接工艺的操作困难及对策:
(1) 钢筋冷挤压设备重,在洞内移动使用不便, 我们利用防水板施工台架增设了一个钢管轨道,使其悬吊在上面,并可以前后滑动,即较好地解决了这个问题;
(2) 虽然仅在二衬结构钢筋连接方面使用,但由于钢筋加工和安装工艺落后,经常会发生钢筋或长或短而导致无法连接的现象,通过加强管理和提高操作水平,采用手持式钢筋切割机,克服了这个困难。
4. 2 防水砂浆由于本隧道需穿越护城河及盖板河,大部分地段地面又无降水条件,造成地下水位较高,虽然经过初期支护背后注浆处理,仍有较多部位出现渗水,使防水板焊接时达不到规定的温度,导致粘结时效性差,易出现假焊现象,因此我单位主动投入,在渗水地段增加了涂抹防水砂浆工序,使防水板焊接时岩面处于干燥状态,从而保证了防水板的防水效果。
2.4. 3 其他保护措施在衬砌结构钢筋的洞内运输和安装过程中,由于隧道狭窄,施工人员经常无意中使钢筋头击穿或刮烂防水板,还不易发现,从而影响防水板的整体防水效果。后来我们在市场上定购了一批易安易卸的小橡胶帽,安装在已加工好的钢筋两头再将钢筋运至洞内,在钢筋安装前,还在防水板上纵向固定若干根5 ×5 cm 的木条,使钢筋安装距防水板有一定距离,从而得以妥善保护防水板不被破坏。
5 施工体会
(1) 由于地下隧道施工环境恶劣,防水板的整体封闭质量很难保证,难免会由于防水板的破损而出现漏水点,而且在注浆堵水处理过程中,经常出现这边堵水、那边漏水的现象,顾此失彼,无法找准出水点进行集中治水,笔者认为如果在地下工程的防水系统中增加分段封闭的措施,虽然会增加一部分投资,但不会出现防水系统“ 一点破损、全面失效”的后果,另外对以后的注浆堵漏也便于集中处理。
(2) 在本工程防水专题研讨过程中,曾有些人提出可以取消排水系统,仅依靠防水系统完全实现堵水目的,但是根据长期一线施工实践,由于目前从隧道施工工艺、防水材料可靠性、作业人员的实际操作水平来说,均还处于较低水平,笔者认为在以后相当长的时间内,还是要以“防排结合,多层设防、以防为主,适量排放”为原则来指导地下工程防排水系统的施工。
(3) 双连拱隧道在中洞天梁位置为V 型结构形式,使该处形成人为积水区,是治水的极大隐患,虽然在施工过程中,给予了高度重视,采用中洞拱顶初支背后回填注浆的方法,使该位置注浆后实际高于侧洞拱顶,目前效果尚好,但注浆量极为惊人,投入太大,而且由于加大了注浆压力和注浆量,在中洞初支破除过程中发现,大量浆液实际窜入中洞边墙部位,造成极大浪费,还增加了破除施工难度,而且天梁位置为结构最复杂、施工最困难、受力最薄弱位置,对于隧道各方面施工均不利,笔者建议能否考虑取消这种双连拱结构形式(除车站超宽断面以外), 这样虽然增加了一定的开挖方量,但可以一劳永逸, 从而彻底消除这个施工隐患。
(4) 本隧道初始设计时,认为排水盲管所排出的水量较少,考虑使其漫流到道床,自然风干,因此本工程采用的是在道床中央设置中心排水沟,主要排放消防用水或其他废水,但实际上目前在少量盲管出水后,造成道床上水碱、水迹明显,个别部位还存在积水现象,极大影响了隧道整体外观效果,我单位为顺利通过竣工验收,又重新组织人力、物力在已灌注完成的道床上凿槽埋入盲管,而如果在前期施工中即预留足够长的盲管,待道床砼灌注时予以埋设, 并引入中心排水沟,则将事半功倍。
(5) 本工程在侧洞衬砌前需要先破除中洞初期支护,而此时中洞顶部、底板防水板和中隔墙衬砌均已经施工完成,为保护该部位的防水板,设计采用了在防水板上面预先设置一块厚1 mm , 宽800 mm 的铁皮,但由于中洞初支采用的是人工风镐破除和电焊割除钢筋的办法,极容易击穿铁皮,继而损坏防水板,尤其是基底的铁皮和防水板更是经常被拱部掉下的砼块砸烂,虽然在施工中制定了强硬的奖罚措施,还是无法杜绝,笔者认为用铁皮保护防水板的思路是正确的,但铁皮过薄,而未起到有效的保护作用。
