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摘要:结合上海地铁一、二号线的实际情况,阐述上海地铁车站的防水现状,总结防水施工中应用补偿收缩混凝土、钢纤维混凝土,合理设置诱导缝、合理选择附加防水层的成功经验,分析了顶板及侧墙裂缝、变形缝、施工缝的形成原因,并提出解决措施。
关键词:上海地铁;车站;防水
0 前言
大部分地铁车站是修建在岩土体内的,其结构不可避免地长期被水浸泡和渗透,尤其是在上海这样地下水位较高的地区更加严重。所以,地铁车站的建造比地上工程要复杂得多,其防水要求也高得多。因此,其防水设计必须细致入微,考虑到各种可能导致渗漏的因素,而且每个施工步骤必须严格遵守工艺要求,材料的选用必须有根有据,只有对每个环节都给予足够的重视,才有可能保证地铁车站的防水质量。
在上海地铁一、二号线的建设和运营中,取得了一系列有关地铁车站防水的成功经验,但也存在许多问题没有得到很好的解决。本文就这些成功的经验和存在的问题作一归纳小结。
1 地铁车站防水的成功经验
1. 1 正确的防水指导原则
在总结地铁一号线车站防水经验的基础上,进一步明确了在地铁二号线车站防水的指导原则是:
“ 以防为主,综合治理”,以防为主是设计和防水工作的目的和原则,综合治理是实现目的的手段。地铁车站综合防水方案是以钢筋混凝土结构自防水为基础与设置诱导缝、施工缝、变形缝、预埋件防水和做好附加防水层相结合,实行设计、建设、施工、材料与保证工程质量相结合,重视车站钢筋混凝土结构防水施工质量、重视基坑工程安全稳定以及结构裂缝、弊病的堵漏处理相结合;实行科研、设计、施工、监理相结合;防水工程质量的全员管理和全过程管理相结合,使综合防水工程质量得到保证。
1. 2 防水混凝土的正确应用
在地铁二号线车站结构的设计中,对混凝土的强度等级做了严格的规定,顶板混凝土强度等级选用C25 , 中楼板和侧墙的混凝土强度等级选用C30 , 而且尽量选用低水化热的矿渣水泥,其目的在于减少混凝土水化时热量的产生,从而减少混凝土的收缩裂缝;在车站施工中对混凝土的含水量、坍落度也有具体要求,要求混凝土的坍落度在8～12 cm; 在混凝土的养护方面,要求混凝土浇捣后,收水完毕,在终凝后立即覆盖塑料薄膜和草包潮湿养护,其养护时间应不少于14 d , 顶板能够蓄水养护最理想,在水养护下混凝土的膨胀性能达到最佳状态,而且蓄水养护的时间越长对以后防止开裂越有利,这样做的目的是使混凝土避免过早失水形成连续通道而渗漏。另外,在混凝土结构物的保养方面,及时覆土,避免混凝土长期暴露在自然环境中。同时,对车站出入口、开口顶板做好封闭措施,避免冬天干冷空气在车站内形成对流而使混凝土开裂,例如地铁二号线杨高路站经过冬季寒流的袭击,部分站厅层内衬墙体结构随即出现收缩裂缝。
1. 3 补偿收缩混凝土的应用
在地铁一、二号线的建设中,补偿收缩混凝土的应用是一个比较成功的经验。补偿收缩混凝土就是在混凝土中掺加一定量的膨胀剂(例如UEA 或TMS 膨胀剂),其主要作用表现在:一是通过混凝土产生适量膨胀来减少混凝土的收缩量,进而减少结构因收缩而产生的拉应力;二是延长产生结构收缩的时间,给混凝土的抗拉强度提供增长的时间, 从而减少收缩裂缝。通过室内试验确定了混凝土的级配和膨胀剂掺加量。在地铁二号线车站建成后,经与一号线地下车站比较,发现其裂缝明显少于一号线。例如二号线的龙东路、静安寺、杨高路车站比一号线的陕西南路、常熟路、人民广场车站竣工初期的裂缝明显要少。
1. 4 钢纤维混凝土的应用
钢纤维混凝土能防止混凝土的塑性开裂,并且能明显提高混凝土的抗弯拉强度,可防止或缩小裂缝的形成,提高混凝土的整体抗裂性。在地铁二号线中,在有较大开口的混凝土顶板中采用了钢纤维混凝土,取得了明显的效果。比如二号线人民广场站在采用钢纤维混凝土后,经过2 年多的跟踪观察,其顶板质量完好,未察觉有裂缝形成。
1. 5 诱导缝的合理设置
在地铁一号线的部分车站和二号线车站中合理设置了诱导缝,将较长的车站结构分为相对较短的结构段,诱导缝成为结构的薄弱环节,使得裂缝主要在该处形成,从而增强了整个结构适应变形的能力;而结构中因温差、混凝土收缩等因素产生的内约束应力也得到有效的释放,因此结构中的裂缝得以减少。例如在一号线的新闸路、汉中路及二号线的所有车站设置诱导缝后,抗裂防渗效果显著,在车站顶板、侧墙结构中裂缝、渗水现象明显减少。
在地铁一、二号线的建设中,总结出了一些有关诱导缝设置的经验: (1) 诱导缝的设置间距应与施工时季节温度协调起来,一般取24 m 左右; (2) 诱导缝处纵向钢筋的含量为正常截面内纵向钢筋总量的30 % ; (3) 诱导缝的位置应与侧墙的接缝对齐; (4) 诱导缝的构造如图1 所示。
图1 诱导缝构造示意
(1) 底板处; (2) 顶板、中楼板及侧墙平面;(3) 顶板、中楼板及侧墙剖面
1. 6 合理选择附加防水层
根据车站结构的不同,选用不同的附加防水材料,其选用原则是:大面积平面以防水卷材为主;结构复杂(多阴阳角、有立面) 以及地下连续墙墙面均以可在潮湿基层施工的聚氨酯涂料为主;在雨季需要满足工期要求的顶板附加防水层可采用聚合物砂浆。另外,得出了一个重要的经验:顶板的防水材料应直接与结构混凝土粘结,切记不要做找平层后再贴防水层。
2 地铁车站防水存在的问题及改进措施
上海地铁一、二号线建成后,经过采用一些补救措施,虽然能够达到车站允许渗水量小于0. 1 L/ (m 2 ·昼夜) 、顶板不允许出现渗漏及底板不允许出现渗水渗泥的要求,也不影响地铁车站的正常使用功能,但是,在地铁一、二号线中还是存在许多问题没有得到很好的解决,下面就这些问题作一归纳总结,并提出改进的措施和方法。
2. 1 车站侧墙结构形式的选取
现在地铁车站的侧墙结构形式主要有3 种:复合式侧墙、分离式侧墙和单墙。在地铁一、二号线中,大部分车站采用的是复合式侧墙结构形式,采用分离式侧墙和单墙的结构形式还比较少,只是在个别车站试用。对这3 种结构形式的侧墙代表车站的调查表明,复合式侧墙存在着比较大的问题。表1 为这3 种结构形式侧墙的优缺点比较。
表1 地铁车站侧墙结构形式比较
通过表1 的比较可以看出,在地铁车站中采用分离式侧墙或单墙时防水效果会更好。而且,随着轨道交通的不断发展,如何降低地铁的造价、缩短工期是当前迫切需要解决的问题,单墙的结构形式能很好地解决这一问题。但采用单墙又会出现表1 中所列的缺点,要解决这些缺点,笔者认为可以采取以下措施:
(1) 严格按照时空效应原理开挖基坑,严禁超挖,并且及时撑上支撑,尽量减少基坑无支撑的暴露时间。这样可以减少地下连续墙的侧向位移,从而可以减少地下连续墙在接缝处的裂缝,对地下连续墙的防水抗渗很有利。
(2) 对于地下连续墙的接头,可以采用如图2 所示形式的止水钢板。该截面形式的止水钢板可以增强地下连续墙的纵向刚度;另一方面,它也可以增加水流渗漏时的渗水路径。根据达西定律v = k ·i( 式中: k 为渗透系数, i 为水流梯度, i = △H/ L , L 为渗水路径) 可知,当混凝土的渗透系数、墙外的水头高度一定时,增加渗水路径可以减少水在混凝土中的渗流速度,这对加强车站的防水很有好处。但是要注意,混凝土浇筑时在止水钢板拐角处一定要密实,否则很容易造成渗漏。
图2 地下墙接头止水钢板截面形式
(3) 现在单墙结构在地铁车站中应用的理论还不成熟, 经验也不丰富,要在今后的地铁建设中进一步探索地下连续墙的新施工工艺和方法,以提高地下连续墙的防水性。
2. 2 顶板、侧墙裂缝
虽然在混凝土中加入了膨胀剂,并对车站结构合理分缝,设置诱导缝,但是在车站的顶板和侧墙上仍有少量的裂缝出现。
2. 2. 1 裂缝的形式及特点
顶板、侧墙的裂缝形式如图3、图4 所示。从图中可以看出裂缝有以下规律:在诱导缝附近出现的裂缝,其走向与车站的纵轴线大致呈45°方向;在诱导缝中间产生的裂缝,基本上垂直于车站的纵轴线;在支撑头处产生的裂缝方向大致在角部向斜上方或斜下方延伸。裂缝发展的过程也很有特点, 一般都是从应力集中的部位开始,裂缝开始出现时长度一般在1 m 以内,随着时间的延长,其长度也逐渐向前方延伸,过一段时间后不再发展,但是未见有延伸到纵梁的裂缝出现。
图3 侧墙的裂缝形式
图4 顶板的裂缝形式
2. 2. 2 开裂原因分析
为了分析引起顶板、侧墙开裂的原因,上海地铁公司在二号线杨高路车站和静安寺车站埋设了测试仪器,测量车站结构温度变化值、沿纵向的沉降值,下面分析其测量数据。
杨高路车站的纵向沉降测量结果如图5 所示。从图中可以看出,整个车站不均匀沉降量在15 mm 以内,整个车站结构在建成后至正式使用这一段时间内不均匀沉降量也很小, 而且,在正常运营过程中,若车站没有受到周围环境的影响, 纵向不均匀沉降量与其车站长度相比是很小的。因此可以得出,纵向不均匀沉降不是造成结构裂缝的主要原因。
图5 纵向沉降测量结果1-1997. 09. 19 ;2-1997. 12. 26 ;3-1998. 04. 27 ;4-1998. 09. 27
图6 为杨高路车站地下三层的温度测试结果,其中衬墙温度为地下三层衬墙中部的温度,室温为地下三层的室内温度,土体温度为与衬墙测温点相同深度处地下连续墙外侧土体的温度。由图6 可以看出,埋深10 m 左右的车站结构,其室内温度与衬墙内部的温度比较接近。这说明了地下二层的温度相对变化较为缓慢,其温度受日变化和月变化较小,主要受年变化的影响。而且在地铁建设过程中,发现在结构条件基本相同的情况下,冬季施工的地铁车站产生裂缝的情况要明显少于夏季施工的地铁车站。有些车站虽然在结构施工完成后,前期裂缝出现较少,但当季节变冷,特别是寒潮来临后,车站结构中就会有新的裂缝出现。
图6 地铁站台层温度与室外温度关系1-土体温度;2 -衬墙温度;3 -室温;4 -室外温度
由此可以得出,车站结构出现裂缝主要是由于气候的突变造成的,与车站的不均匀沉降关系较小。另外,还有一个原因就是前面提到的由于地下连续墙约束内衬墙混凝土的收缩变形而使内衬墙上产生裂缝。
2. 2. 3 解决措施
① 选用单墙结构,消除因地下墙约束而产生的内衬混凝土收缩裂缝。
② 在顶板和侧墙的连接处改用细而密的钢筋或者在该处加配附加钢筋,增强钢筋对混凝土的约束应力。
③ 顶板在施工养护完成后及时覆土,减少在空气中暴露的时间。在气温突变的时候,要注意对混凝土采取保温措施, 或提高环境的温度以减少混凝土的内外温差。
2. 3 变形缝、施工缝的渗漏
变形缝渗漏通常由施工操作不当引起,主要有以下几点:
(1) 水平段止水带表面与混凝土接合不严,留有气泡或缝隙,水沿接触面缝隙渗漏。
(2) 止水带埋设位置严重偏移,其变形管孔离开缝的位置,当混凝土收缩时,止水带变形能力差的实心带翼受拉撕裂,影响防水功能;或者是埋入时没有保护止水带致使其损坏,难以修补,破损处成为渗水点。
(3) 浇筑混凝土时,固定止水带的堵头模板支撑刚度不够,造成模板跑位或施工中不能对该部位混凝土充分震捣, 致使混凝土不密实,与止水带结合不紧密而漏水。
造成施工缝渗漏的主要原因是遇水膨胀止水条在浇筑混凝土前已经遇水膨胀,致使混凝土在收缩时止水条已无膨胀能力或膨胀量不足以弥补收缩量而出现漏水缝隙。解决变形缝、施工缝渗漏问题的主要办法有:
(1) 应该健全管理体制,在施工时,应派专人专项管理, 确保施工质量。
(2) 遇水膨胀止水条设置后,暴露面涂刷缓膨胀剂或直接采用有缓膨胀功能的止水条。
(3) 变形缝、施工缝处的裂缝采用与混凝土力学性能相近,且在含水混凝土中有一定渗透性的EAA 环氧材料进行补强注浆处理。
2. 4 其它部分的渗漏
除了上述渗漏外,地铁车站中其它个别部位还有渗漏现象。
(1) 有的车站底板出现渗漏。造成渗漏的原因主要是:底板混凝土振捣不密实,施工质量差;在底板浇筑过程中突遇大雨,使混凝土含水量过大,混凝土配合比无法控制;降水井点关闭过早,造成局部沉降不均匀而导致底板开裂。其解决的主要办法就是加强施工管理,提高混凝土浇筑质量。
(2) 支撑头预埋件周围是发生渗漏的常见部位,主要是该部位混凝土浇捣难,不易密实,预埋件有锈蚀层或受振后松动都会使混凝土产生裂缝。为此,支撑埋件应设包裹它的遇水膨胀止水条或预留注浆管,并且埋设前应作除锈、防锈处埋。
(3) 地下墙钢筋接驳器处也容易发生渗漏,应在其上加套膨胀止水圈或加焊止水钢片止水。另外,在模板的拉杆螺栓处也可采用相似的办法止水。
3 建议
地铁工程的防水是国内外公认的难题,其防水堵漏技术是集建筑工程和化学工程于一体的边缘学科,有许多的问题等待人们去研究探讨,既要在实践中探索,也要从理论上进行研究, 理论和实践紧密结合,得出更好的地铁车站防水的方法。从现有的实践研究来看,单层墙在地铁车站中的应用越来越被重视,对其防水问题提出几点建议:
(1) 坚持以时空效应原理为指导进行施工,严格控制地铁车站地下连续墙的侧向变形,以控制地下连续墙因侧向变形而产生的裂缝。
(2) 健全施工管理体制和监理体制,对车站的施工进行严格的管理,确保施工质量。同时,对车站的裂缝进行实时监控,在可能出现问题时及时采取补救措施。
(3) 采用Ca (OH) 2 稀溶液养护顶板混凝土。蓄水养护混凝土时,混凝土孔隙中的Ca (OH) 2 晶体会析出而溶解在水中,使混凝土产生吸力,导致一些腐蚀性的杂质容易进入混凝土内,对混凝土和钢筋产生腐蚀。被腐蚀的钢筋会产生膨胀,而使混凝土出现裂缝,不利于防水。所以可采用Ca (OH) 2 的稀溶液养护混凝土,以防止Ca (OH) 2 晶体析出。
(4) 附加防水材料应选用裂缝自闭性防水材料,利用防水材料的动防水性。当混凝土产生裂缝时,这种防水材料可与水一起进入混凝土内部,与混凝土内的碱性物质反应生成凝胶状物质而填塞裂缝,从而达到防水的目的。
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