上海地鐵6號線區間防水技術淺析1 工程概述 上海地鐵6號線北起港城路站南至主題公園站,全長31.6km,共設28個站臺、27個區間,建成后將成為上海浦東地區重要的軌道交通線路。6號線區間分為高架段和地下段兩部分,地下區間分別采用了明挖、雙圓盾構和單圓盾構等不同的施工工藝。 單圓盾構區間采用了單層裝配式預制鋼筋混凝土襯砌(旁通道部位為鋼管片),外徑6.2m,內徑5.5m,厚350mm,通縫拼裝。隧道管片在全環分成一塊大封底D(84°)、兩塊標準塊B(65°)、兩塊鄰接塊L(65°)和一塊封頂塊K(16°),見圖1。結構設計采用1.2m環寬,有效減少了環縫和漏水環節,提高了施工進度。本文就單圓盾構區間防水設計進行論述。
2 防水技術要求 盾構區間防水貫徹“以防為主,突出重點防線,綜合治理”的原則,采用高精度鋼模制作高精度管片,以管片結構自防水為根本、接縫防水為重點,確保隧道整體防水。所謂的綜合治理,是指不但要從防水設計、施工著手,還要從襯砌的結構設計、管片拼裝質量、控制隧道后期不均勻沉降等多方面進行綜合治理,主要包括:1)管片結構自防水、管片外防水;2)襯砌接縫防水;3)注漿孔、螺栓孔防水;4)隧道與車站端頭井、旁通道防水;5)管片制作的強度、精度,盾構施工拼裝質量及其他現場管理等方面的綜合治理。 6號線區間隧道及旁通道采用高于二級的防水標準,即每晝夜滲水量不大于0.06L/m2,每晝夜任意100m2滲水量≤10L;隧道頂部不允許滴水,側墻表面允許有少量、偶見濕漬,隧道內表面的潮濕面積≤4/1000的總內表面積,任意100m2濕漬不超過4點,任一濕漬面積≤0.15m2;襯砌接頭不允許漏泥沙和滴漏,拱底塊在嵌縫作業后不允許有滲水。3 管片結構自防水和制作精度3.1 管片結構自防水 結構自防水是首選的防水措施,主要方法為管片材料采用防水混凝土。6號線區間管片采用了耐久性較好的高性能自防水混凝土,通過外摻劑改性提高混凝土的抗滲性。混凝土管片抗滲等級≥S10,同時還要求檢測管片混凝土的滲透系數或氯離子擴散系數,使管片混凝土抗滲系數≤5×10-13 m/s,氯離子擴散系數≤8×10-9cm2/s。 在有腐蝕性介質或隧道埋深較深的地層中,需在管片外弧面涂刷外防水涂層,以保證管片混凝土滲透系數≤5×10-14m/s,氯離子擴散系數≤2×10-9 cm2/s(涂刷后檢測)。混凝土管片襯砌每兩環需取一塊管片進行檢漏試驗,即在0.8MPa水壓維持3h條件下,滲水進入管片外背高度≤5cm。3.2 采用高精度管片 根據國內外隧道施工實踐,采用高精度鋼模、提高管片精度是裝配式鋼筋混凝土管片防水中很重要的環節。因為如果襯砌管片制作精度差,加上襯砌拼裝的累計誤差,將導致襯砌接縫不密貼而出現較大的初始縫隙,此時如果接縫防水材料的彈性變形量不能適應縫隙要求就會出現漏水。另外,當襯砌制作精度不夠時,襯砌容易在盾構推進時被頂碎和崩落,從而導致漏水。因此6號線對管片制作精度提出了要求:單塊檢驗允差:寬度±0.5mm, 弧弦長±1.0mm,管片外半徑0～2mm,內半徑±1mm,螺栓孔直徑與孔位±1mm;整環拼裝檢驗:相鄰環環面間隙不得大于1.0mm,縱縫相鄰塊塊間隙不得大于0～2mm(縱縫內需墊壓縮至2mm厚的傳力襯墊),對應的環向螺栓孔不同軸度小于1mm。4 管片接縫防水 管片接縫防水包括管片間的彈性密封墊防水、隧道內側相鄰管片間的嵌縫密封防水以及必要時向接縫內注漿等,彈性密封墊防水最重要也最可靠,是接縫防水的重點[1]。4.1 彈性密封墊防水 國際上常用的彈性密封墊主要有兩大類型[2]:一種是以歐洲為代表的謝斯菲爾德型非膨脹合成橡膠,靠彈性壓密,以接觸面壓應力來止水,以耐久性見長;另一種是以日本為代表的遇水膨脹橡膠,靠其遇水膨脹后的膨脹壓來止水,其特點是密封材料較薄、施工方便,但耐久性尚待驗證。上海地鐵經過長期實踐,在接縫防水上主要采用將兩者相結合的復合型彈性密封墊型式。 與地鐵一、二號線采用的氯丁橡膠和遇水膨脹橡膠的復合型彈性密封墊不同,6號線防水設計中,采用了多孔特殊斷面三元乙丙橡膠(其技術指標見表1)與遇水膨脹橡膠(其技術指標見表2)復合的框形彈性密封墊(見圖2)。 采用三元乙丙膠作為接縫彈性密封墊的主材料,其優點有[3]: 1)應力松弛較氯丁、丁苯、天然膠都低。根據阿累尼烏斯公式熱老化試驗,其100a的松弛值為12%,比氯丁橡膠小。 2)低溫不發生晶格變密、材料發硬、壓縮應力劇增的現象。而氯丁橡膠結晶溫度為5℃,上述現象明顯,致使冬季施工時送下井的管片若馬上拼裝,橡膠密封墊難以還暖轉軟,壓應力劇升,密封墊溝槽外沿混凝土會被壓碎。 3)其他耐久性優良,其技術性能指標參見表1。 為了防止在拼裝封頂塊時彈性密封墊被擠出,在封頂塊和鄰接塊的縱縫處采用了遇水膨脹橡膠和氯丁橡膠相結合的密封墊型式(見圖3),大大減薄了彈性密封墊的厚度,并要求封頂塊兩側的彈性橡膠密封墊應在拼裝前涂表面潤滑劑,以減少封頂塊插入時彈性橡膠密封墊間的摩阻力。而在旁通道的鋼管片等局部區域,則采用了兩道遇水膨脹橡膠薄片進行防水。 由于彈性橡膠密封墊頂面嵌入的遇水膨脹橡膠遇水和潮氣會膨脹,所以要求逢雨天或霉雨季節,在其上覆蓋塑料薄膜或在表面涂緩膨脹劑。在盾構推進過程中,盾構容易積水,從而使底部彈性密封墊過早遇水膨脹,使防水能力下降,因此要求拱底塊彈性橡膠密封墊的表面必須涂刷緩膨脹劑3度。 此外,為加強管片的角部防水,還在管片角部橡膠條表面設計了丁基橡膠膩子薄片。在變形縫處,則采用彈性橡膠密封墊表面加貼遇水膨脹橡膠的方式加強止水性能(見圖2)。4.2 嵌縫防水 嵌縫防水即在管片內側嵌縫槽內設置嵌縫材料,構成接縫防水的第2道防線。 嵌縫槽的形狀要考慮拱頂嵌縫時,不致使填料墜落、流淌。嵌縫材料應具有良好的水密性、耐侵蝕性、伸縮復原性以及硬化時間短、收縮小、便于施工等特性。變形縫的嵌縫槽形狀和填料必須滿足在變形情況下亦能止水的要求。上海曾對不定型自粘丁基橡膠膩子、遇水膨脹橡膠膩子(用氯丁膠乳水泥加封)、制品型海綿橡膠為芯材外包遇水膨脹橡膠的圓形嵌條以及內插塑料擴張芯材的特殊齒型嵌條進行實驗,認為遇水膨脹橡膠膩子較好。 嵌縫作業應在襯砌變形穩定后,在無千斤頂推力影響的范圍內進行。嵌縫前要將嵌縫槽內的油、銹、水清除干凈,必要時用噴燈烘干,不得在滲水情況下施工,并應在涂刷底層涂料后再進行填塞填料、搗實。嵌縫要特別注意拱頂的嵌填質量,因為此處在運營后難以補救。 6號線防水設計中,結合以往盾構區間隧道嵌縫的經驗,根據襯砌環變形要求的不同,設置了相應的嵌縫方式。對于變形要求較大的部位,采用了能承受一定變形量的柔性嵌縫方式;對于沒有特殊變形要求的部位,采用了剛性嵌縫方式。即在嵌縫范圍拱頂45°、整環變形縫、鋼管片環與鋼管片環之間整環環縫、鋼管片環與混凝土管片環之間整環環縫及鋼管片環上的縱縫處,采用聚乙烯泡沫條加封高模量聚氨酯密封膠的嵌填方式(見圖4);在拱底86°,進出洞各20環整環縱、環縫嵌填(扣除變形縫環),聯絡通道鋼管片襯砌中心環縫前后各2環(扣除鋼管片環、變形縫環)整環縱、環縫處,采用遇水膨脹密封膠加封氯丁膠乳快硬水泥的嵌填方式(見圖5)。4.3 環、縱縫設置丁腈軟木襯墊 在縫間設置軟木襯墊可使管片接縫保持永久的彈性狀態和具有足夠的承壓能力,以適應隧道一定量的不均勻沉降以及長期處于“蠕動”狀態而產生的接縫張開和錯動,保證管片接縫的防水效果。因此,在6號線防水設計中,在管片的縱縫中設置了厚3mm的丁腈軟木襯墊。襯墊不僅有填縫隙的作用,還能對局部應力起緩解作用。5 注漿孔、螺栓孔防水 螺栓與螺栓孔或壓漿孔之間的裝配間隙也是滲漏多發處,所采用的堵漏措施就是用塑性(合成樹脂類、石棉瀝青或鉛)和彈性(橡膠或聚氨酯水膨脹橡膠等)密封圈墊。在擰緊螺栓時,密封圈受擠壓變形充填在螺栓和孔壁之間,達到止水效果(見圖6)。 密封圈的設計要點是:1)密封圈與其溝槽外形應相匹配;2)充分考慮密封圈在螺栓偏心位置下的抗水壓密封性;3)密封圈斷面尺寸應與螺栓尺寸相適應。 在6號線區間防水設計中采用了遇水膨脹橡膠密封圈(其技術指標見表2),利用其壓密和膨脹雙重作用來滿足注漿孔、螺孔的防水要求。6 隧道與車站端頭井防水 盾構出洞時,采用鉸鏈型密封件與簾布橡膠圈防止漏泥裝置,輔以井圈注漿止水的臨時接頭防水、鋼筋混凝土永久接頭防水,其與井壁、管片的接縫也應由預留全斷面出漿的注漿管與單組分聚氨酯密封膠等多道柔性防水材料密封。7 旁通道防水 旁通道防水設計包括通道與隧道接縫處的防水設計和旁通道本體防水設計兩部分。旁通道與隧道接頭處防水:加強旁通道與隧道接頭處的防水,分別于支護層與結構層中預留兜繞成圈的緩膨型遇水膨脹橡膠條和預埋全斷面出漿的注漿管,通過止水條的遇水膨脹功效、注漿管壓注化學漿液的止水功效,來保證接頭的水密性。旁通道本體防水首要是做到結構自防水:采用C35高性能混凝土,并通過添加高效減水劑、外加劑,限制膠凝材料中氯離子的總量,防止堿集料反應,加強養護等措施,確保結構混凝土的自防水性能,改善高性能混凝土的抗拉強度與彈性模量。此外還通過在支護層和結構層之間的夾層中設置復合防水層來達到加強防水的目的(見圖7)。8 結語 目前地鐵6號線已經推進完成的區間有:高清路工作井—成山路站上行線、成山路站—濱洲路站上行線、主題公園站—長清路工作井上行線等區間,施工完成后的隧道防水效果良好,基本達到了設計要求,證明所采用的防水措施是行之有效的。參考文獻[1]小泉淳,小林亨.盾構隧道最新防水技術.隧道譯叢,1993(4):50-64[2]張萍,朱祖熹.淺論黃浦江觀光隧道襯砌防水技術的先進性.中國建筑防水,2002(1):24-26[3]溫竹茵,張慶賀,等.盾構法隧道防水堵漏技術.施工技術,1999(4):13-14
2 防水技術要求 盾構區間防水貫徹“以防為主,突出重點防線,綜合治理”的原則,采用高精度鋼模制作高精度管片,以管片結構自防水為根本、接縫防水為重點,確保隧道整體防水。所謂的綜合治理,是指不但要從防水設計、施工著手,還要從襯砌的結構設計、管片拼裝質量、控制隧道后期不均勻沉降等多方面進行綜合治理,主要包括:1)管片結構自防水、管片外防水;2)襯砌接縫防水;3)注漿孔、螺栓孔防水;4)隧道與車站端頭井、旁通道防水;5)管片制作的強度、精度,盾構施工拼裝質量及其他現場管理等方面的綜合治理。 6號線區間隧道及旁通道采用高于二級的防水標準,即每晝夜滲水量不大于0.06L/m2,每晝夜任意100m2滲水量≤10L;隧道頂部不允許滴水,側墻表面允許有少量、偶見濕漬,隧道內表面的潮濕面積≤4/1000的總內表面積,任意100m2濕漬不超過4點,任一濕漬面積≤0.15m2;襯砌接頭不允許漏泥沙和滴漏,拱底塊在嵌縫作業后不允許有滲水。3 管片結構自防水和制作精度3.1 管片結構自防水 結構自防水是首選的防水措施,主要方法為管片材料采用防水混凝土。6號線區間管片采用了耐久性較好的高性能自防水混凝土,通過外摻劑改性提高混凝土的抗滲性。混凝土管片抗滲等級≥S10,同時還要求檢測管片混凝土的滲透系數或氯離子擴散系數,使管片混凝土抗滲系數≤5×10-13 m/s,氯離子擴散系數≤8×10-9cm2/s。 在有腐蝕性介質或隧道埋深較深的地層中,需在管片外弧面涂刷外防水涂層,以保證管片混凝土滲透系數≤5×10-14m/s,氯離子擴散系數≤2×10-9 cm2/s(涂刷后檢測)。混凝土管片襯砌每兩環需取一塊管片進行檢漏試驗,即在0.8MPa水壓維持3h條件下,滲水進入管片外背高度≤5cm。3.2 采用高精度管片 根據國內外隧道施工實踐,采用高精度鋼模、提高管片精度是裝配式鋼筋混凝土管片防水中很重要的環節。因為如果襯砌管片制作精度差,加上襯砌拼裝的累計誤差,將導致襯砌接縫不密貼而出現較大的初始縫隙,此時如果接縫防水材料的彈性變形量不能適應縫隙要求就會出現漏水。另外,當襯砌制作精度不夠時,襯砌容易在盾構推進時被頂碎和崩落,從而導致漏水。因此6號線對管片制作精度提出了要求:單塊檢驗允差:寬度±0.5mm, 弧弦長±1.0mm,管片外半徑0～2mm,內半徑±1mm,螺栓孔直徑與孔位±1mm;整環拼裝檢驗:相鄰環環面間隙不得大于1.0mm,縱縫相鄰塊塊間隙不得大于0～2mm(縱縫內需墊壓縮至2mm厚的傳力襯墊),對應的環向螺栓孔不同軸度小于1mm。4 管片接縫防水 管片接縫防水包括管片間的彈性密封墊防水、隧道內側相鄰管片間的嵌縫密封防水以及必要時向接縫內注漿等,彈性密封墊防水最重要也最可靠,是接縫防水的重點[1]。4.1 彈性密封墊防水 國際上常用的彈性密封墊主要有兩大類型[2]:一種是以歐洲為代表的謝斯菲爾德型非膨脹合成橡膠,靠彈性壓密,以接觸面壓應力來止水,以耐久性見長;另一種是以日本為代表的遇水膨脹橡膠,靠其遇水膨脹后的膨脹壓來止水,其特點是密封材料較薄、施工方便,但耐久性尚待驗證。上海地鐵經過長期實踐,在接縫防水上主要采用將兩者相結合的復合型彈性密封墊型式。 與地鐵一、二號線采用的氯丁橡膠和遇水膨脹橡膠的復合型彈性密封墊不同,6號線防水設計中,采用了多孔特殊斷面三元乙丙橡膠(其技術指標見表1)與遇水膨脹橡膠(其技術指標見表2)復合的框形彈性密封墊(見圖2)。 采用三元乙丙膠作為接縫彈性密封墊的主材料,其優點有[3]: 1)應力松弛較氯丁、丁苯、天然膠都低。根據阿累尼烏斯公式熱老化試驗,其100a的松弛值為12%,比氯丁橡膠小。 2)低溫不發生晶格變密、材料發硬、壓縮應力劇增的現象。而氯丁橡膠結晶溫度為5℃,上述現象明顯,致使冬季施工時送下井的管片若馬上拼裝,橡膠密封墊難以還暖轉軟,壓應力劇升,密封墊溝槽外沿混凝土會被壓碎。 3)其他耐久性優良,其技術性能指標參見表1。 為了防止在拼裝封頂塊時彈性密封墊被擠出,在封頂塊和鄰接塊的縱縫處采用了遇水膨脹橡膠和氯丁橡膠相結合的密封墊型式(見圖3),大大減薄了彈性密封墊的厚度,并要求封頂塊兩側的彈性橡膠密封墊應在拼裝前涂表面潤滑劑,以減少封頂塊插入時彈性橡膠密封墊間的摩阻力。而在旁通道的鋼管片等局部區域,則采用了兩道遇水膨脹橡膠薄片進行防水。 由于彈性橡膠密封墊頂面嵌入的遇水膨脹橡膠遇水和潮氣會膨脹,所以要求逢雨天或霉雨季節,在其上覆蓋塑料薄膜或在表面涂緩膨脹劑。在盾構推進過程中,盾構容易積水,從而使底部彈性密封墊過早遇水膨脹,使防水能力下降,因此要求拱底塊彈性橡膠密封墊的表面必須涂刷緩膨脹劑3度。 此外,為加強管片的角部防水,還在管片角部橡膠條表面設計了丁基橡膠膩子薄片。在變形縫處,則采用彈性橡膠密封墊表面加貼遇水膨脹橡膠的方式加強止水性能(見圖2)。4.2 嵌縫防水 嵌縫防水即在管片內側嵌縫槽內設置嵌縫材料,構成接縫防水的第2道防線。 嵌縫槽的形狀要考慮拱頂嵌縫時,不致使填料墜落、流淌。嵌縫材料應具有良好的水密性、耐侵蝕性、伸縮復原性以及硬化時間短、收縮小、便于施工等特性。變形縫的嵌縫槽形狀和填料必須滿足在變形情況下亦能止水的要求。上海曾對不定型自粘丁基橡膠膩子、遇水膨脹橡膠膩子(用氯丁膠乳水泥加封)、制品型海綿橡膠為芯材外包遇水膨脹橡膠的圓形嵌條以及內插塑料擴張芯材的特殊齒型嵌條進行實驗,認為遇水膨脹橡膠膩子較好。 嵌縫作業應在襯砌變形穩定后,在無千斤頂推力影響的范圍內進行。嵌縫前要將嵌縫槽內的油、銹、水清除干凈,必要時用噴燈烘干,不得在滲水情況下施工,并應在涂刷底層涂料后再進行填塞填料、搗實。嵌縫要特別注意拱頂的嵌填質量,因為此處在運營后難以補救。 6號線防水設計中,結合以往盾構區間隧道嵌縫的經驗,根據襯砌環變形要求的不同,設置了相應的嵌縫方式。對于變形要求較大的部位,采用了能承受一定變形量的柔性嵌縫方式;對于沒有特殊變形要求的部位,采用了剛性嵌縫方式。即在嵌縫范圍拱頂45°、整環變形縫、鋼管片環與鋼管片環之間整環環縫、鋼管片環與混凝土管片環之間整環環縫及鋼管片環上的縱縫處,采用聚乙烯泡沫條加封高模量聚氨酯密封膠的嵌填方式(見圖4);在拱底86°,進出洞各20環整環縱、環縫嵌填(扣除變形縫環),聯絡通道鋼管片襯砌中心環縫前后各2環(扣除鋼管片環、變形縫環)整環縱、環縫處,采用遇水膨脹密封膠加封氯丁膠乳快硬水泥的嵌填方式(見圖5)。4.3 環、縱縫設置丁腈軟木襯墊 在縫間設置軟木襯墊可使管片接縫保持永久的彈性狀態和具有足夠的承壓能力,以適應隧道一定量的不均勻沉降以及長期處于“蠕動”狀態而產生的接縫張開和錯動,保證管片接縫的防水效果。因此,在6號線防水設計中,在管片的縱縫中設置了厚3mm的丁腈軟木襯墊。襯墊不僅有填縫隙的作用,還能對局部應力起緩解作用。5 注漿孔、螺栓孔防水 螺栓與螺栓孔或壓漿孔之間的裝配間隙也是滲漏多發處,所采用的堵漏措施就是用塑性(合成樹脂類、石棉瀝青或鉛)和彈性(橡膠或聚氨酯水膨脹橡膠等)密封圈墊。在擰緊螺栓時,密封圈受擠壓變形充填在螺栓和孔壁之間,達到止水效果(見圖6)。 密封圈的設計要點是:1)密封圈與其溝槽外形應相匹配;2)充分考慮密封圈在螺栓偏心位置下的抗水壓密封性;3)密封圈斷面尺寸應與螺栓尺寸相適應。 在6號線區間防水設計中采用了遇水膨脹橡膠密封圈(其技術指標見表2),利用其壓密和膨脹雙重作用來滿足注漿孔、螺孔的防水要求。6 隧道與車站端頭井防水 盾構出洞時,采用鉸鏈型密封件與簾布橡膠圈防止漏泥裝置,輔以井圈注漿止水的臨時接頭防水、鋼筋混凝土永久接頭防水,其與井壁、管片的接縫也應由預留全斷面出漿的注漿管與單組分聚氨酯密封膠等多道柔性防水材料密封。7 旁通道防水 旁通道防水設計包括通道與隧道接縫處的防水設計和旁通道本體防水設計兩部分。旁通道與隧道接頭處防水:加強旁通道與隧道接頭處的防水,分別于支護層與結構層中預留兜繞成圈的緩膨型遇水膨脹橡膠條和預埋全斷面出漿的注漿管,通過止水條的遇水膨脹功效、注漿管壓注化學漿液的止水功效,來保證接頭的水密性。旁通道本體防水首要是做到結構自防水:采用C35高性能混凝土,并通過添加高效減水劑、外加劑,限制膠凝材料中氯離子的總量,防止堿集料反應,加強養護等措施,確保結構混凝土的自防水性能,改善高性能混凝土的抗拉強度與彈性模量。此外還通過在支護層和結構層之間的夾層中設置復合防水層來達到加強防水的目的(見圖7)。8 結語 目前地鐵6號線已經推進完成的區間有:高清路工作井—成山路站上行線、成山路站—濱洲路站上行線、主題公園站—長清路工作井上行線等區間,施工完成后的隧道防水效果良好,基本達到了設計要求,證明所采用的防水措施是行之有效的。參考文獻[1]小泉淳,小林亨.盾構隧道最新防水技術.隧道譯叢,1993(4):50-64[2]張萍,朱祖熹.淺論黃浦江觀光隧道襯砌防水技術的先進性.中國建筑防水,2002(1):24-26[3]溫竹茵,張慶賀,等.盾構法隧道防水堵漏技術.施工技術,1999(4):13-14