北京地鐵五號線東四車站暗挖段的防水施工
摘要:結構防水是地下鐵道工程至關重要的一個施工環節,其質量好壞直接影響到地鐵的運營使用效果。文章結合北京地鐵五號線東四站的防水工程,闡述從結構混凝土自防水和初期支護與二次襯砌之間的防水夾層施工的技術要求和施工工藝。
關鍵詞:地下鐵道工程 防水 結構自防水 防水層
1 東四車站結構、工程地質和水文地質概況
地鐵東四站位于朝陽門內大街與東四南大街交叉口上。車站兩端為明挖段,結構形式為三層三跨框架結構;中間為暗挖段,結構形式為單層三拱兩柱結構。車站總長度197 m , 其中暗挖段長96180 m , 明挖段總長為100120 m 。車站總寬:暗挖段為22190 m , 明挖段為26120 m 。車站設置東南、東北、西南、西北4 個出入口和南、北2 個風道。
車站兩端三層三跨框架結構由側墻、梁、板、柱等構件組成,采用明挖順筑法施工。中間單層拱形三跨兩柱結構為復合襯砌結構。框架結構的防水,一是施作外包防水層,二是依靠結構混凝土自防水;復合襯砌結構的防水,一是施作初期支護與二次襯砌之間的防水夾層;二是依靠二次襯砌混凝土的自防水。
出入口除西南、西北兩個采用暗挖法施工外,東南、東北兩個采用明挖法施工。兩個風道均采用明挖法施工。防水處理與施工方法有關,參照車站明挖、暗挖段的防水方案進行防水處理。
工程地質自上而下依次為:人工填土層(雜填土和粘質粉土素填土),厚217～414 m ; 粘質粉土、砂質粉厚410～615 m ; 粘質粉土,厚210～413 m ; 中粗砂層,厚210～312 m ; 卵石,厚510～1310 m 。水文地質自上而下依次為:上層滯水,賦存于填土層和粘質粉土、砂質粉土中;潛水,賦存于粉細砂層、中粗砂層、圓礫層、卵石層中; 承壓水,賦存于中粗砂層、卵石層孔隙中。受城市工程施工降水的影響,潛水水位呈連續下降的趨勢,平均每年水位降低0158 m 。歷史最高水位1959 年為41～42 m ,1971 年—1973 年為32～34 m , 建議設防水位為35100 m 。潛水對鋼筋混凝土中的鋼筋和鋼結構具有弱腐蝕性。
2 防水施工綜述
東四車站及其出入口通道防水設計標準為一級防水,結構不允許出現滲水,內襯表面不得有濕漬。車站風道防水設計標準為二級防水,不允許漏水,結構表面允許有少量的偶見濕漬。防水施工影響因素多,技術難度大,是地鐵工程施工的一大難點,也是一道關鍵工序。結構防水是根據工程地質和水文地質條件、車站結構特點、施工方法和使用要求等因素進行設計和施工的,遵循“以防為主,防排結合,剛柔相濟,多道防線, 因地制宜,綜合治理”的原則,外防水固然重要,而提高結構自防水性能也不能忽視,處理好施工縫、變形縫等土,厚114～415 m ; 粉細砂層,厚615～817 m ; 圓礫層, 柜具備啟動、停止自動控制及故障泵自動關閉、備用泵自動投入等功能,保證運行的高可靠性。泵站的位置與鐵路中心的距離25 m , 以防泵站內儀表受到行車振動的影響,應考慮城市規劃要求,會同城市、鐵路、公路等有關單位協商確定。
5 結論
(1) 采用封閉式引道隔離地下水,綠化帶等引道以外地表水自然排出,泵站設計只考慮抽排引道內地表水,可減小泵站規模,節省電力,節約投資,精減泵站管理工作,為保證引道排水暢通創造有利條件。
(2) 封閉式引道的設計在工程實例中并不多,本次設計做了大量的工作,尤其是在橫向接縫構造處理上有新的嘗試,期待能為以后的工程提供借鑒。
圖1 東四暗挖段車站結構防水系統
薄弱環節十分關鍵。根據設計要求,車站主體、風道、出入口框架結構底板、頂板、側墻采用C30 、S10 補償收縮防水混凝土。暗挖段施工縫均采用遇水膨脹膩子條和預埋注漿管的方法進行加強防水處理。變形縫采用中置式橡膠止水帶;車站結構暗挖段柔性防水采用400 gΠm2 土工布和118 mm 厚的ECB 防水板(見圖1) 。3 結構自防水
在地鐵工程施工中,由于施工環境較差以及施工順序的關系,使防水效果難以達到設計的理想狀態,因此結構自防水是地鐵工程防水成敗的關鍵。
東四車站主體結構采用C30 、S10 、補償收縮混凝土。它具有良好的抗裂性能,主體結構混凝土不但要起防水作用,還要和鋼筋一起成為受力結構。為確保混凝土質量達到結構自防水的目的,必須采取有效措施。311 防水混凝土性能要求與原材料選擇結構自防水混凝土必須具備密實度高、收縮率小、強度高、可灌性好等多種性能,混凝土一般均摻加經選擇的附加劑來達到自防水目的。工程經驗表明,摻加劑的穩定性影響到結構體是否產生裂紋,甚至影響到結構的受力,因此高性能混凝土要嚴格按設計要求進行配合比設計,為此對原材料選擇提出如下技術要求:
(1) 水泥 使用品質較穩定的425 # 普通硅酸鹽水泥,混凝土含堿量(Na2O) 不超過016 % , 性能指標必須符合《普通硅酸鹽水泥》(GB175 —92) 標準。
(2) 石子 采用質地堅硬,附著物少的優質石子, 石子最大粒徑≯40 mm , 含泥量≯1 % , 泥塊含量≯ 015 % , 吸水率≯115%。
(3) 砂子 采用符合現行《普通混凝土用砂質量標準及檢驗方法》的河砂(中砂),含泥量≯3 % , 泥塊含量≯1%。
(4) 粉煤灰 采用一級品質、穩定性好的磨細粉煤灰代替部分水泥用量,以提高混凝土的和易性,摻量不大于水泥用量的20 %。
(5) 其它摻加劑宜用“TMS”或UEA , 其摻量根據具體要求確定。
312 防水混凝土配合比
防水混凝土配合比,應根據工程要求、選材要求、結構條件和施工方法,通過試驗確定。其抗滲等級應比設計要求提高012 MPa 。每m3 混凝土的水泥用量 ≮320 kg(包括粉細料在內);砂率取為35～40 , 灰砂比應為1∶215 ; 水灰比≯016 ; 普通防水混凝土的坍 2～1∶落度≯50 mm , 當摻外加劑或采用泵送時按相應的規定辦理。防水混凝土配料必須按重量配合比準確稱量,計算允許偏差為: 水泥、水、外加劑、粉細料為 ±1 % , 砂、石為±2%。
313 防水混凝土的拌合與運輸
(1) 混凝土拌合 按照招標要求,混凝土供應采用工廠拌合的商品混凝土,當用于灌注車站結構而采用高性能混凝土時,混凝土的拌合必須選材固定,計量準確,拌合時間達到規定要求。攪拌時間≮2 min 。摻加外加劑時,應根據外加劑的技術要求確定攪拌時間。
(2) 混凝土運輸 混凝土采用拌合車運送,混凝土在運輸過程中,要防止發生離析現象及減少坍落度損失,對混凝土的坍落度損失應控制在1 cm 以內;當由于運送距離遠或產生交通堵塞而引起混凝土出廠時間過長的問題時,需要在工廠調整配合比,嚴禁在商品混凝土中摻加任何其他材料,以確保混凝土的入模質量。
314 防水混凝土灌注
(1) 模板 模板要架立牢固,尤其是擋頭板,不能出現跑模現象,混凝土擋頭板保證做到模縫嚴密,避免出現水泥漿漏失現象,且達到表面規則平整; 地模、墻模施工質量達到設計和規范要求。
(2) 混凝土澆筑 防水混凝土采用泵送入模時,宜將潤濕砂漿取走,確保不改變入模混凝土的原有質量。混凝土應分層澆筑,分層振搗,每層厚度不宜超過300 ～400 mm , 相鄰兩層澆筑時間間隔不超過2 h , 以確保上、下層混凝土在初凝之前的牢固結合。混凝土泵送入模時,應使其水平均勻入模,并控制其自由傾落的高度。當自由傾落高度超過2 m 時,應使用串筒、溜槽或在灌注面接一段水平導管。當灌注暗挖結構拱部襯砌時應按灌注孔先下后上有序地進行,防止發生混凝土離析。
(3) 混凝土振搗 混凝土振搗一般采用附著式和插入式兩種振搗器,附著式振搗器用于暗挖結構防水混凝土灌注,插入式振搗器使用較廣。混凝土振搗前應先根據具體的結構物設計振搗點,振搗時間一般為10～30 s , 以混凝土開始出漿和不冒氣泡為準,避免漏振、欠振和超振。對新舊混凝土結合面、沉降縫、施工縫止水帶位置需要嚴格按設計的振搗點和時間進行有控制的振搗。
(4) 施工縫設置 混凝土應盡量做到連續澆筑,不留或少留施工縫。如因施工需要留設施工縫,必須征得設計同意,并得到監理的認可。 施工縫的設置,主要考慮一次混凝土灌注工作的強度和有效控制混凝土的收縮裂紋。在結構施工時, 環向施工縫設置不超過24 m 。縱向施工縫根據結構特點而定。
(5) 施工縫部位處理 在施工縫處繼續澆筑混凝土前,無論何種情況,對接縫表面都應進行鑿毛處理, 清除浮粒,粘貼止水條。對于采用順筑法施工的結構, 在施工縫處繼續澆筑混凝土前,應用水沖洗接縫并保持濕潤,首先在接縫處鋪一層20～25 mm 厚、與灌注混凝土標號相同的水泥砂漿,然后再進行混凝土灌注;施工縫處的混凝土必須充分振搗密實。
(6) 混凝土保護層 混凝土結構內部設置的各種鋼筋或綁扎鐵絲,不得接觸模板。在迎土面的鋼筋保護層厚度≮35 mm 。
(7) 變形縫設置 混凝土結構變形縫的止水條構造形式、位置、尺寸,以及止水條使用的材料、變形縫填料的物理力學性能應符合設計要求。并應加強變形縫處混凝土的振搗。
(8) 混凝土坍落度控制 當混凝土采用泵送時,混凝土配合比的各項技術指標應作適當調整,混凝土坍落度應控制在規范允許范圍內。混凝土的供應必須保證泵送混凝土連續工作, 預計泵送間歇時間超過45 min 或當混凝土出現離析現象時,應立即用壓力水或其它方法沖洗管內留存的混凝土,嚴禁使用不合格混凝土澆筑。
(9) 暗挖結構拱頂混凝土灌注的特殊要求 對于采用暗挖法施工的洞室結構的拱頂混凝土灌注,往往會產生拱頂混凝土不密實、不滿灌、漏振搗、易收縮的現象,故對此部位的混凝土施工除在混凝土性能上設法減少其收縮率以外,還需對其灌注工藝提出特殊要求。根據工程經驗,拱頂混凝土的灌注宜采用加強封堵板泵送擠壓混凝土施工工藝,見圖2 。
圖2 泵送擠壓灌注混凝土工藝圖
① 選擇具有足夠強度和剛度的拱頂模板支撐體系,以保證模板支架在施工中不失穩。② 設計能承受一定擠壓力的擋頭模板,利用結構縱向鋼筋作為拉桿加固擋頭板。見圖3 。
圖3 擋頭模板結構示意圖
③ 灌注混凝土時先從新舊混凝土接觸面處開始均勻分布灌注,最后在單元體中間位置進行泵送灌注,待混凝土自擋頭板擠出漿來時,穩壓持續幾分鐘,檢查混凝土是否灌滿。如穩定壓力后不能再灌入時,說明拱頂已灌滿。若穩定壓力后仍能灌入,則應穩壓持續到不能灌入為止。④ 在拱頂最高位置貼近初期支護面布設伸向二次襯砌混凝土后面的補償注漿管,一則可以通過注漿管檢查混凝土的灌滿程度,二則待混凝土達到一定強度后利用注漿管注漿,以補償混凝土因收縮或未灌滿造成的拱頂空隙。
(10) 混凝土拆模及養護 混凝土終凝后應進行養護,養護時間不少于14 d , 以防止在硬化期間產生干裂。養生采用噴灑水養生方法,保持混凝土表面濕潤。拆模時混凝土表面溫度與周圍環境溫度差不得超過15 ℃,以防止混凝土表面產生裂縫。對于大體積混凝土,施工中要有溫度控制措施,防止水化熱過高使混凝土內外溫差過大而產生溫差裂縫,混凝土內外溫差應低于25 ℃ 。
(1) 混凝土的原材料必須符合現行國家標準、施工及驗收規范和設計的有關規定。原材料如有變化應及時調整混凝土的配合比,并取得監理的認可;
(2) 檢查原材料的稱量不少于二次;
(3) 在混凝土拌制和澆筑地測定其坍落度,每工作班不少于二次,對摻引氣劑的混凝土還應測定其含氣量;
(4) 檢查配筋、鋼筋保護層、預埋鐵件、穿墻管等細部構造是否符合設計要求,合格后填寫隱蔽工程驗收單,報監理檢驗認可;
(5) 連續澆筑混凝土量< 500 m3 時,留兩組抗滲試塊,每增加250～500 m3 增留兩組。試塊應在澆筑地點制作,其中一組應在標準條件下養護,另一組應與現場相同條件下養護,試塊養護期不少于28 d 。
4 暗挖段車站防水層施工
411 暗挖段防水層施工
柔性防水層施工技術措施的要點在于:材料選擇; 焊接工藝;鋪設工藝。根據設計要求,選用ECB 防水卷材和土工布緩沖層,具體施工工藝如下:
(1) 基面清理 在防水板施工前,進行噴射混凝土基面處理,要求表面平整、干燥、無滲漏水、無突出物;
① 對暗挖噴射混凝土襯砌要求拱部平整度DΠL < 1Π8 , 要求邊墻及底板平整度DΠL < 1Π6( D 為相鄰兩凸面間凹進去的深度,L 為相鄰兩凸面間的距離) 。
② 基面不得有鋼筋及尖銳的管件等凸出物,否則予以割除,并在割除部位用同標號砂漿抹成圓曲面,以防防水層被扎破。
③ 隧道斷面變化或轉彎處的陰陽角均應做成圓弧,陰角處圓弧半徑≮10 cm , 陽角處圓弧半徑≮5 cm 。
④ 防水層施工時基面不得有明水,如有明水則用堵漏劑堵水。
(2) 400 gΠm2 土工布施工 土工布長邊沿車站長度方向鋪設,長度一般為12 m 。鋪設方法是,首先在噴射混凝土隧道拱頂標出隧道縱向中心線,把土工布用射釘、塑料墊片固定在混凝土基面上,要求土工布的中心線與隧道中心線重合。土工布長邊搭接寬度≮ 150 mm , 短邊搭接寬度≮100 mm 。側墻土工布的鋪設位置在施工縫以下250 mm , 以便搭接。 塑料墊片用射釘固定在無紡布上,每隔100～150 cm 呈梅花形布設,對于變化斷面和轉角部位,釘距適當加密。
(3) ECB 防水膜鋪設 ECB 防水膜長邊沿車站長度方向鋪設,鋪設長度與土工布同,先在隧道拱頂部的土工布緩沖層上正確標出隧道縱向中心線,再使防水膜的中心線與隧道中心線相重合,與土工布一樣從拱頂開始向兩側下垂鋪設,邊鋪邊與圓墊片熱熔焊接,鋪設時力求與土工布密貼,不必拉得太緊。防水膜在與圓墊片進行熱合,一般時間達5 s 即可。防水膜長短邊采用專用塑料熱合機進行焊接,搭接長度≮10 cm 。防水板焊縫焊接時,熱合機行走速度控制在016～112 mΠmin 。無條件用機焊的特殊部位也可用人工焊接,但一定要認真檢查焊接是否牢固。
412 防水膜鋪設、焊接質量檢查
外觀檢查:鋪設平順無隆起,無折皺,無漏縫,無假縫,焊縫連接牢固。
焊縫質量檢查:焊縫為雙焊縫,中間留出空隙,以便充氣檢查。檢查方法: 用5 號注射針頭與壓力表相接,用打氣筒進行充氣檢查,將焊縫充氣加壓至110～ 115 MPa 時,停止充氣,保持該壓力2 min , 壓力損失< 2%為合格,否則說明有漏氣之處。用肥皂水涂在焊縫上,產生氣泡的地方要重新焊接或補焊(可用熱風焊機和電烙鐵等補焊),直到不漏氣為止。檢查數量為每4 條抽試一條。為保證質量,每天每臺熱合機焊接應取一個試樣,注明取樣位置,焊接操作者及日期。
413 防水層的成品保護
防水層施工完成后,必須嚴加保護,否則極易損壞,導致防水質量下降以至完全失效,故要求各方面予以重視密切配合。
(1) 特殊部位采取的保護措施
① 仰拱和仰拱與邊墻轉角高013 m 范圍內應做保護層,采用215 mm 厚FSPE 保護板或5 cm 厚豆石混凝土作保護層。 ② 結構斷面發生變化處,鋪設雙層防水卷材。
③ 二次襯砌的鋼筋頭上加塑料套,防止鋼筋碰破
防水膜。
(2) 防水板施作完畢后的保護
① 在未設保護層處(如側墻部位),焊接鋼筋時必須用石棉板遮擋隔離,以免濺出火花燒壞防水膜。
② 在灌注二次襯砌混凝土時,振搗棒不得直接接觸防水層,因為振搗棒對防水層的破壞不易發現,也無法修補。
③ 不得穿帶釘子的鞋在防水層上走動。
414 特殊結構部位的防水處理
主體結構防水施工由于工法的原因,在各洞室及明、暗挖銜接處防水層不能同時施作,必須進行預留, 作特殊處理(見圖4) 。
圖4 結構銜接處防水處理
凡是結構銜接處預留搭接防水層均采用內貼2 mm 鍍鋅鐵皮保護,并設雙層防水膜以防止破除圍護結構時損壞防水層搭接而影響全部防水效果。5 施工縫、變形縫的防水處理
511 施工縫防水處理
(1) 施工縫設置原則 混凝土施工時設計要求盡量少設或不設施工縫,因為它是結構自防水的薄弱環節,因此,必須認真做好施工縫的防水處理。
(2) 施工縫處理及止水帶(條) 安裝 施工縫通常有立縫和平縫兩種,防水處理時,首先將接縫處混凝土基面進行鑿毛處理,并沖洗干凈,粘貼止水帶(條) 部位混凝土基面必須抹平、壓實、壓光,以保證止水帶(條) 與基面粘貼密實、牢固。混凝土澆筑前在斷面中間設置止水帶(條),材料為氯丁膠。止水帶(條) 必須在混凝土澆筑前4 h 內粘貼在混凝土基面上,以防止提前遇水膨脹。其接頭采用45°斜口平接( 熱焊),不得重疊,要求接縫平整牢固,無裂口和脫膠現象。施工縫處防水方案見圖5 。
(3) 施工縫處混凝土振搗 在混凝土澆筑過程中注意對施工縫止水帶(條) 處的振搗,保證施工縫的防水質量。邊墻兩側縱向施工縫處,在防水膜內側間隔地設置泄水孔,以引排滲水,通過排水溝匯入泵房集水
圖5 施工縫防水圖井。
512 變形縫防水處理變形縫是由于不同剛度結構,受不同的力,容許產生一定的不均勻沉降而設置的結構縫隙。它是結構外防水的關鍵環節。設計要求在車站主體明、暗挖段間設變形縫,車站與風道、出入口、區間銜接處設置變形縫。變形縫采用中埋式橡膠止水帶止水,縫隙間充填嵌縫密封膏,在變形縫結構內側設置預留槽,槽內涂刷密封膠,變形縫防水方案見圖6 。
(1) 止水帶安裝與定位 中埋式止水帶安裝應準確居中安設,粘貼或焊接定位。用模板固定,先安裝一端澆筑混凝土,另一端用箱形木板保護,待混凝土達到一定強度后拆除模板及箱形保護,如圖7 。
圖6 變形縫防水方案
圖7 止水帶固定方法示意圖 連接采用現場熱焊接,焊接質量應滿足規范要求。
(2) 變形縫處的混凝土灌注與振搗① 對豎直向的止水帶兩邊的混凝土要加強振搗, 保證縫兩邊混凝土密實,同時將止水帶與混凝土表面的氣泡排出。要保證止水帶與混凝土牢固結合,止水帶處的混凝土不應有粗骨料集中或漏振現象。
② 對水平方向的止水帶待止水帶下充滿混凝土并充分振搗密實后,放平止水帶并壓出少量混凝土漿,然后再澆灌止水帶上部混凝土,振搗上部混凝土時要防止止水帶變形。
③ 變形縫外側密封膠施工時,為了避免三向受力, 影響防水質量,在密封膠與嵌縫材料間采用牛皮紙隔離層,密封膠與接縫兩側壁必須粘結牢固,密封嚴密。無滲漏水現象。嵌縫質量應密實,表面不容許出現開裂、脫離、滑移、下垂以及空鼓、塌陷等缺陷。嵌填密封膠之前,先清除槽內浮渣、塵土、積水,粘結密封膠的混凝土基面必須平整、干燥、干凈、無任何污染。
④ 變形縫中使用的橡膠止水帶和嵌縫材料必須有出廠質量證明,并經進場檢驗和復驗合格后方可使用。變形縫的構造形式和材料必須符合設計要求。
6 結束語
結構防水是地鐵工程中至關重要的一個施工環節,防水施工質量的好壞直接影響地鐵的使用效果。目前的暗挖地鐵防水施工中仍存在諸多問題,防水效果還不盡如人意。希望通過不斷探索,改進現有的防水施工工藝,使地鐵在施工安全度、結構穩定性以及防水性能等各方面日趨完善。
