淺論地鐵工程動態防水摘要:針對地鐵工程不同于地面建筑的特點,提出地鐵防水應動態適應不斷變化的地下工程環境,進行動態防水;并從材料和工藝兩個方面分析了如何實現地鐵工程的動態防水。關鍵詞:地鐵工程;動態防水 地鐵防水與地面建筑防水相比具有以下特點:第一,地鐵建造期和運營期內圍巖應力、變形都處于不斷調整中,由于地層圍巖的不均勻性,導致圍巖應力、變形沿隧道縱向和環向的分布不均勻。第二,地鐵結構通常建于地下水位以下,結構被有壓地下水所包圍,防水材料稍有破損就可能導致滲漏,在水壓力作用下滲漏量和滲漏范圍有加大趨勢。第三,地鐵開挖、支護面不規則,導致防水層敷設面凹凸不平,這要求防水材料必須具有較大的變形能力以適應不規則結構面。第四,初期支護和二次襯砌在圍巖的作用下,也處于不斷變形中,防水層必須具有適應其變形的能力。因此,地下結構防水較地面建筑防水更復雜,可控制性更差,這就要求防水材料及防水結構能動態地適應不斷變化的地下工程環境,從而達到動態防水的目的。1動態防水理念及特性 所謂動態防水,就是根據滲入地鐵結構的地下水情況或結構的變形情況,依靠結構及防水材料自身特點或采用特殊工藝措施,適時地進行主動防水。動態防水是根據地下結構的動態特性提出來的,筆者認為其特性主要體現在以下幾點:1)防水的自我調節性 自我調節性能是指防水材料根據外部環境情況的變化,自我調節其物理、化學性能,達到最佳防水狀態的能力。其主要表現在以下幾個方面:①利用材料的物理性能止水,包括材料的吸水膨脹特性、滲透擴散特性、抗拉壓能力及耐伸縮疲勞性等;②利用材料的化學反應性能止水,包括材料與水反應結晶沉淀、吸水生成膠粘體及耐侵蝕性物質等;③利用材料的構造性能止水,如采用可排水式止水帶,其自身攜帶的排水管可將外部水排入排水設施,消除作用在止水帶上的外水壓力。2)適應結構變形的能力 由于支護結構面凹凸不平,防水材料鋪掛后,在混凝土澆注過程中會對防水材料產生較大的張拉應力,同時,外水壓力的存在也會對材料施加較大張拉作用力。另一方面,對于粘附型防水材料,圍巖變形導致支護基面混凝土產生開裂或內襯混凝土開裂,在開裂區域對防水層產生應力集中,這些都要求防水材料具有較大的適應變形的能力。材料的變形適應能力包括:①改善自身的抗拉強度來抵抗外荷載作用;②提高自身的延伸率來適應較大的結構變形。3)材料本身的自我修復能力 防水材料在施工過程中可能會被基面尖銳物體刺破;結構變形超過材料變形能力時,防水材料會開裂,此時,需要防水材料在發生微小損傷的情況下具有自我修復功能,及時封閉損傷部位,發揮正常防水功能。2動態防水的分類 可簡單地將動態防水分為材料動態防水和結構工藝動態防水,如圖1所示。材料動態防水是利用和發揮某些材料在防水方面的某些優勢,達到有效堵水的目的;結構工藝動態防水就是通過采取某些工藝措施,來控制防水層外部水環境,為更好地發揮防水材料的性能創造有利條件。
2.1材料動態防水1)利用材料的水化學反應特性 結構混凝土或防水材料中的化學成分與水等外界物質發生化學反應,生成體積較大的新成分,逐漸沉積于材料裂縫位置,填充微小裂紋空隙,從而達到堵塞滲水通道的目的。混凝土裂縫的自愈現象是混凝土中的化學成分與水、空氣發生化學反應,自動堵塞裂縫滲水的例子,其原理是混凝土裂縫處的CaO與水化合形成Ca(OH)2,游離的Ca(OH)2溶解于水,并沿裂縫向洞內浸出,與洞內空氣中的CO2發生反應,形成體積較大的CaCO3白色沉淀物;CaCO3白色沉淀物在裂縫內部則封閉裂縫,在結構表面則形成白色斑痕。當裂縫寬度在0.1～0.2mm左右,水頭壓力不大(水頭<15～20m)時,容易出現自愈現象,結構滲漏隨時間而逐漸減緩直至全部自封。當外水壓力大或裂縫寬度超過0.2～0.3mm時,裂縫滲漏量會逐漸加大,乃至發展為嚴重滲漏水,因此此類裂縫一般不會自愈。2)利用材料的遇水膨脹特性 材料的遇水膨脹特性是指材料中含有吸水性物質,遇水后能吸收周圍的水分,使體積明顯脹大,從而達到擠壓裂縫空隙、堵塞滲水通道的目的。遇水膨脹是該類材料的一種物理屬性,常見的遇水膨脹橡膠就是這種材料,通常用于制作止水條及止水帶。以BW型止水條為例,它是以橡膠、無機及有機吸水材料、高粘性樹脂等十余種材料經密煉、混煉、擠制而成,斷面為四方形的條狀自粘性遇水膨脹型止水條。該材料依靠自身的粘性直接粘貼在混凝土施工縫界面,遇水后會逐漸膨脹,一方面堵塞可能存在的毛細孔隙,另一方面使其與混凝土界面的接觸更加緊密,從而產生較大的抗水能力,具有優良的阻水抗滲性能。BW型止水條的膨脹率最高可達300%～500%,膨脹時間在1～4h,因此,要保證該類止水材料在施工前與水隔離,裂縫張開量不能超出材料的膨脹范圍。 還如,膨潤土防水板中的膨潤土具有強大的膨脹力,遇水后會自動追尋縫隙,填補這些縫隙,使混凝土的密實性得到提高。由于和水分接觸,膨潤土顆粒迅速膨脹到原來大小的10～15倍,形成一層凝膠狀態的不透水層。當施工、地震等因素影響使結構位移,造成膨潤土板移動或斷裂時,新暴露出來的膨潤土也能由于水的作用而形成一層新的防水凝膠層。這種在地下閉合環境里形成的薄膜狀防水凝膠層,具有粘膠特性,在地下構筑物外壁面的縫隙中發揮永久的自封能力,不因時間推移而失效。3）利用材料較大的斷裂延伸特性 從斷裂延伸率的定義可以看出,防水材料的斷裂延伸率越大,對建筑物基層裂縫的變形適應能力越強。對于塑料防水板材,鋪掛施工時,由于支護面的不規則,斷裂延伸率必須具有足夠的富余量。對于粘附于基層上的噴涂類防水材料,當底材發生裂紋時, 覆蓋在底材上的防水層可以隨同裂紋擴展一起伸長而不斷裂,此種伸長稱為零檔伸長,它是構成材料動態防水性能的重要因素。零檔伸長也可稱為耐龜裂性或抗裂性。零檔伸長和防水層的某些特征參數存在如下關系[1]: 式中:L———零檔伸長(cm);RS———防水層的伸長能力;d———防水層的厚度;TS———防水層對底材的剪切粘結力。其中: 式中:σ———防水層的抗拉強度;E———防水層的延伸率;Em———防水層的斷裂伸長率。 從式(1)可以看出,防水層越厚,彈性(伸長能力)越大,零檔伸長就越大。相反,粘結強度越大,零檔伸長就越小。對噴涂類防水材料,要取得較好的動態防水性能,一方面,在防水層厚度一定的條件下,必須選擇那些彈性(拉伸強度和延伸率)好、粘結強度小、耐久性佳的材料;另一方面,在材料選定的情況下,可適當提高防水材料的施工厚度。當然,粘結強度的降低是在保證防水材料與基面的有效粘附條件下的降低。(4)利用微細材料的滲入特性 防水材料的滲入特性是利用防水材料中的微細成分,以水為載體向混凝土內部滲透,在混凝土中形成不溶于水的結晶體,填塞毛細孔道,從而使混凝土致密防水。水泥基滲透結晶型防水材料是此類材料的典型代表,它是由水泥、石英砂、活性化學物質等材料組成的白色或灰色粉末狀材料,在水的引導下,以水為載體,借助強有力的滲透性,在混凝土微孔及毛細管中進行傳輸、充盈,發生物化反應,形成不溶于水的枝蔓狀結晶體,其結晶體與混凝土結構結合成封閉式的防水層整體,能堵塞來自任何方向的水流及其他液體侵蝕,其產品分為涂料型和防水劑兩大類。水泥基滲透結晶型防水涂料是一種粉狀材料,經與水拌和可配成刷涂或噴涂在水泥混凝土基面的漿料,亦可將其以干粉撒覆并壓入未完全凝固的水泥混凝土表面;水泥基滲透結晶型防水劑則是一種摻入混凝土內部使用的粉狀材料。 有試驗表明,水泥基滲透結晶防水材料能長期承受強水壓。在50mm厚的混凝土試件上涂刷兩層水泥基滲透結晶防水材料,即可承受高達123.4m的水頭壓力(1.2MPa);將試件放置在戶外半年,其滲透深度可達10～15cm左右,且滲透深度會隨時間而逐漸增大;另外,如后期產生新的裂縫,此類材料中的催化劑遇水可激活內部呈休眠狀態的活性物質,產生新的結晶體將縫隙堵塞,對小于0.4mm的裂縫都可自我修復[2]。(5)利用材料的特殊結構構造形式 通過對防水材料的結構形式進行特殊設計,可消除外部環境對防水材料的不利影響,最大限度地發揮材料的防水功能。例如,可排水型復合橡膠止水帶解決了現有內置式止水帶存在的兩點不足:一是不具備排水卸壓能力,即當地下水從圍巖滲入襯砌三縫并遇止水帶阻礙時,滲水沿縫下滲較難,使止水帶外側水壓增加而導致滲水繞止水帶滲漏;二是混凝土凝結硬化過程中會出現一定的干縮,使止水帶與其周圍混凝土結合不夠密實,容易造成滲水沿止水帶與混凝土的界面滲出。可排水型復合橡膠止水帶能通過自身帶有的排水通道排水降壓,并通過遇水膨脹橡膠條提高止水帶與混凝土界面的抗滲能力,真正做到隧道堵排結合、無壓防水。2.2結構工藝動態防水(1)結構縫隙設置遇水膨脹型防水材料 結構的“三縫”———施工縫、伸縮縫和沉降縫是滲漏水的多發地帶,防水設計時,在這些縫隙間設置遇水膨脹型防水材料是十分必要的。通過該類材料的自身遇水膨脹擠密縫隙兩壁,可達到堵水、截水的目的。(2)控制結構外水壓力 很多防水材料在水壓較低的條件下,可以很好地堵水,但當水壓升高到某一水平時便降低或失去防水作用,因此,控制結構外水壓力在某一合理水平上,對發揮防水材料性能的作用較大。水壓控制式的排水網絡系統可以解決上述問題,通過在排水系統出水口設置水壓控制式閘閥,當水壓超過某一限值時,閘閥自動開啟排水;當水壓低于這一限值時,閘閥則自動關閉。另外,當外界滲水量較小和排水對環境不造成破壞時,可直接采用防排結合類型防水結構,消除作用在防水材料上的水壓。3幾點注意事項 地鐵結構動態防水主要通過發揮防水材料本身特有的防水性能來適應不斷變化的外部環境,保持結構的防水能力,同時合理的防水構造形式及減少外部環境對防水材料影響的工程措施都有助于實現動態防水。具體實施時必須注意以下幾點: 1)避免遇水膨脹型防水材料施作前遇水。遇水膨脹型防水材料在購買后要妥善存放在干燥陰涼處,鋪掛粘貼時要嚴禁被水潤濕,防止預先膨脹。在選材時,可選用緩膨脹型材料。 2)減小材料膨脹空間,加強周圍約束。無論是遇水膨脹型防水材料,還是滲透結晶型防水材料,都是靠體積的膨脹來填充縫隙、堵塞滲水通道,達到止水目的的。通過采取工程措施控制混凝土結構裂縫寬度,對發揮防水材料的功能很重要;對明挖法外貼防水材料,加強外圍約束強度也很必要;對暗挖法防水,對襯砌背后及內部空隙進行回填注漿,可減小潛在的膨脹空間;在“三縫”部位設置背襯材料,支頂和填充“三縫”空隙,約束防水材料沿縫的切向膨脹,對更大限度地發揮其沿縫垂向膨脹功能也是很必要的。 3)控制結構產生較大變形。以上討論的防水材料的動態特性都是在結構微小變形的情形下發揮作用的,因此,要注意控制結構施作的合理時間和施工、養護期間過大的荷載作用。 4)注意防水材料特殊性能對結構的負面影響。任何事物有利必有弊,防水材料也是一樣,選材時要認真分析特殊性能材料對混凝土結構的影響,分析其特性對其他物理化學性能的影響。4結語 地鐵動態防水是對地鐵防水思路的新探索,它通過發揮防水材料的某些動態特性,結合結構工藝,來使防水材料的這些特性得到充分發揮,從而達到主動防水的目的。地鐵動態防水的主角是防水材料,基礎是合理、嚴密的結構防水工藝,關鍵是材料和工藝的有機結合。參考文獻[1]程驍,俞志強.從材料的動防水性談有變形裂縫地下工程墻面的防滲.中國建筑防水,1997(2):20-21[2]呂康成,崔凌秋等.隧道防排水工程指南.北京:人民交通出版社,2004
2.1材料動態防水1)利用材料的水化學反應特性 結構混凝土或防水材料中的化學成分與水等外界物質發生化學反應,生成體積較大的新成分,逐漸沉積于材料裂縫位置,填充微小裂紋空隙,從而達到堵塞滲水通道的目的。混凝土裂縫的自愈現象是混凝土中的化學成分與水、空氣發生化學反應,自動堵塞裂縫滲水的例子,其原理是混凝土裂縫處的CaO與水化合形成Ca(OH)2,游離的Ca(OH)2溶解于水,并沿裂縫向洞內浸出,與洞內空氣中的CO2發生反應,形成體積較大的CaCO3白色沉淀物;CaCO3白色沉淀物在裂縫內部則封閉裂縫,在結構表面則形成白色斑痕。當裂縫寬度在0.1～0.2mm左右,水頭壓力不大(水頭<15～20m)時,容易出現自愈現象,結構滲漏隨時間而逐漸減緩直至全部自封。當外水壓力大或裂縫寬度超過0.2～0.3mm時,裂縫滲漏量會逐漸加大,乃至發展為嚴重滲漏水,因此此類裂縫一般不會自愈。2)利用材料的遇水膨脹特性 材料的遇水膨脹特性是指材料中含有吸水性物質,遇水后能吸收周圍的水分,使體積明顯脹大,從而達到擠壓裂縫空隙、堵塞滲水通道的目的。遇水膨脹是該類材料的一種物理屬性,常見的遇水膨脹橡膠就是這種材料,通常用于制作止水條及止水帶。以BW型止水條為例,它是以橡膠、無機及有機吸水材料、高粘性樹脂等十余種材料經密煉、混煉、擠制而成,斷面為四方形的條狀自粘性遇水膨脹型止水條。該材料依靠自身的粘性直接粘貼在混凝土施工縫界面,遇水后會逐漸膨脹,一方面堵塞可能存在的毛細孔隙,另一方面使其與混凝土界面的接觸更加緊密,從而產生較大的抗水能力,具有優良的阻水抗滲性能。BW型止水條的膨脹率最高可達300%～500%,膨脹時間在1～4h,因此,要保證該類止水材料在施工前與水隔離,裂縫張開量不能超出材料的膨脹范圍。 還如,膨潤土防水板中的膨潤土具有強大的膨脹力,遇水后會自動追尋縫隙,填補這些縫隙,使混凝土的密實性得到提高。由于和水分接觸,膨潤土顆粒迅速膨脹到原來大小的10～15倍,形成一層凝膠狀態的不透水層。當施工、地震等因素影響使結構位移,造成膨潤土板移動或斷裂時,新暴露出來的膨潤土也能由于水的作用而形成一層新的防水凝膠層。這種在地下閉合環境里形成的薄膜狀防水凝膠層,具有粘膠特性,在地下構筑物外壁面的縫隙中發揮永久的自封能力,不因時間推移而失效。3）利用材料較大的斷裂延伸特性 從斷裂延伸率的定義可以看出,防水材料的斷裂延伸率越大,對建筑物基層裂縫的變形適應能力越強。對于塑料防水板材,鋪掛施工時,由于支護面的不規則,斷裂延伸率必須具有足夠的富余量。對于粘附于基層上的噴涂類防水材料,當底材發生裂紋時, 覆蓋在底材上的防水層可以隨同裂紋擴展一起伸長而不斷裂,此種伸長稱為零檔伸長,它是構成材料動態防水性能的重要因素。零檔伸長也可稱為耐龜裂性或抗裂性。零檔伸長和防水層的某些特征參數存在如下關系[1]: 式中:L———零檔伸長(cm);RS———防水層的伸長能力;d———防水層的厚度;TS———防水層對底材的剪切粘結力。其中: 式中:σ———防水層的抗拉強度;E———防水層的延伸率;Em———防水層的斷裂伸長率。 從式(1)可以看出,防水層越厚,彈性(伸長能力)越大,零檔伸長就越大。相反,粘結強度越大,零檔伸長就越小。對噴涂類防水材料,要取得較好的動態防水性能,一方面,在防水層厚度一定的條件下,必須選擇那些彈性(拉伸強度和延伸率)好、粘結強度小、耐久性佳的材料;另一方面,在材料選定的情況下,可適當提高防水材料的施工厚度。當然,粘結強度的降低是在保證防水材料與基面的有效粘附條件下的降低。(4)利用微細材料的滲入特性 防水材料的滲入特性是利用防水材料中的微細成分,以水為載體向混凝土內部滲透,在混凝土中形成不溶于水的結晶體,填塞毛細孔道,從而使混凝土致密防水。水泥基滲透結晶型防水材料是此類材料的典型代表,它是由水泥、石英砂、活性化學物質等材料組成的白色或灰色粉末狀材料,在水的引導下,以水為載體,借助強有力的滲透性,在混凝土微孔及毛細管中進行傳輸、充盈,發生物化反應,形成不溶于水的枝蔓狀結晶體,其結晶體與混凝土結構結合成封閉式的防水層整體,能堵塞來自任何方向的水流及其他液體侵蝕,其產品分為涂料型和防水劑兩大類。水泥基滲透結晶型防水涂料是一種粉狀材料,經與水拌和可配成刷涂或噴涂在水泥混凝土基面的漿料,亦可將其以干粉撒覆并壓入未完全凝固的水泥混凝土表面;水泥基滲透結晶型防水劑則是一種摻入混凝土內部使用的粉狀材料。 有試驗表明,水泥基滲透結晶防水材料能長期承受強水壓。在50mm厚的混凝土試件上涂刷兩層水泥基滲透結晶防水材料,即可承受高達123.4m的水頭壓力(1.2MPa);將試件放置在戶外半年,其滲透深度可達10～15cm左右,且滲透深度會隨時間而逐漸增大;另外,如后期產生新的裂縫,此類材料中的催化劑遇水可激活內部呈休眠狀態的活性物質,產生新的結晶體將縫隙堵塞,對小于0.4mm的裂縫都可自我修復[2]。(5)利用材料的特殊結構構造形式 通過對防水材料的結構形式進行特殊設計,可消除外部環境對防水材料的不利影響,最大限度地發揮材料的防水功能。例如,可排水型復合橡膠止水帶解決了現有內置式止水帶存在的兩點不足:一是不具備排水卸壓能力,即當地下水從圍巖滲入襯砌三縫并遇止水帶阻礙時,滲水沿縫下滲較難,使止水帶外側水壓增加而導致滲水繞止水帶滲漏;二是混凝土凝結硬化過程中會出現一定的干縮,使止水帶與其周圍混凝土結合不夠密實,容易造成滲水沿止水帶與混凝土的界面滲出。可排水型復合橡膠止水帶能通過自身帶有的排水通道排水降壓,并通過遇水膨脹橡膠條提高止水帶與混凝土界面的抗滲能力,真正做到隧道堵排結合、無壓防水。2.2結構工藝動態防水(1)結構縫隙設置遇水膨脹型防水材料 結構的“三縫”———施工縫、伸縮縫和沉降縫是滲漏水的多發地帶,防水設計時,在這些縫隙間設置遇水膨脹型防水材料是十分必要的。通過該類材料的自身遇水膨脹擠密縫隙兩壁,可達到堵水、截水的目的。(2)控制結構外水壓力 很多防水材料在水壓較低的條件下,可以很好地堵水,但當水壓升高到某一水平時便降低或失去防水作用,因此,控制結構外水壓力在某一合理水平上,對發揮防水材料性能的作用較大。水壓控制式的排水網絡系統可以解決上述問題,通過在排水系統出水口設置水壓控制式閘閥,當水壓超過某一限值時,閘閥自動開啟排水;當水壓低于這一限值時,閘閥則自動關閉。另外,當外界滲水量較小和排水對環境不造成破壞時,可直接采用防排結合類型防水結構,消除作用在防水材料上的水壓。3幾點注意事項 地鐵結構動態防水主要通過發揮防水材料本身特有的防水性能來適應不斷變化的外部環境,保持結構的防水能力,同時合理的防水構造形式及減少外部環境對防水材料影響的工程措施都有助于實現動態防水。具體實施時必須注意以下幾點: 1)避免遇水膨脹型防水材料施作前遇水。遇水膨脹型防水材料在購買后要妥善存放在干燥陰涼處,鋪掛粘貼時要嚴禁被水潤濕,防止預先膨脹。在選材時,可選用緩膨脹型材料。 2)減小材料膨脹空間,加強周圍約束。無論是遇水膨脹型防水材料,還是滲透結晶型防水材料,都是靠體積的膨脹來填充縫隙、堵塞滲水通道,達到止水目的的。通過采取工程措施控制混凝土結構裂縫寬度,對發揮防水材料的功能很重要;對明挖法外貼防水材料,加強外圍約束強度也很必要;對暗挖法防水,對襯砌背后及內部空隙進行回填注漿,可減小潛在的膨脹空間;在“三縫”部位設置背襯材料,支頂和填充“三縫”空隙,約束防水材料沿縫的切向膨脹,對更大限度地發揮其沿縫垂向膨脹功能也是很必要的。 3)控制結構產生較大變形。以上討論的防水材料的動態特性都是在結構微小變形的情形下發揮作用的,因此,要注意控制結構施作的合理時間和施工、養護期間過大的荷載作用。 4)注意防水材料特殊性能對結構的負面影響。任何事物有利必有弊,防水材料也是一樣,選材時要認真分析特殊性能材料對混凝土結構的影響,分析其特性對其他物理化學性能的影響。4結語 地鐵動態防水是對地鐵防水思路的新探索,它通過發揮防水材料的某些動態特性,結合結構工藝,來使防水材料的這些特性得到充分發揮,從而達到主動防水的目的。地鐵動態防水的主角是防水材料,基礎是合理、嚴密的結構防水工藝,關鍵是材料和工藝的有機結合。參考文獻[1]程驍,俞志強.從材料的動防水性談有變形裂縫地下工程墻面的防滲.中國建筑防水,1997(2):20-21[2]呂康成,崔凌秋等.隧道防排水工程指南.北京:人民交通出版社,2004
