某市地铁防排水

某市地铁试验段工程防排水试验研究研究报告一、前言目前国内地铁防排水主要有两种方法，其一为采用盾构施工的管片结构自防水，其二为采用明挖、盖挖及暗挖施工的隧道，以防水混凝土结构自防水为主并铺设全封闭防水层的双道防水措施。管片结构自防水主要应用于上海地铁和广州地铁的部分区间隧道，配合盾构施工，机械化程度高，管片在工厂加工，具有较高的精度，管片间采用高弹性密封垫止水材料。非盾构法施工的隧道，无论是建设单位还是设计单位都强调结构自防水，然而由于施工及现场条件等因素制约浇筑防水混凝土质量及后期结构开裂导致防水失败成为结构自防水普遍存在的缺点，因此铺设防水层，特别是在城市地铁如已建的北京、上海、广州等以软岩隧道为主，围岩稳定性差，地层透水性强，均设有全封闭的防水层，使结构与地下水隔离，成为地下结构防水的屏障。可以说从目前国内城市地铁的防水效果看，无论是盾构施工的管片防水还是全封闭式的防水层，其防水技术基本是成功的。对于某市地铁，除个别地段存在于第四系堆积层和强风化的花岗岩地层中外，绝大部分主要埋在坚硬的花岗岩基岩中，开挖后洞室有较好的稳定性，地下水活动贫乏，属于典型的硬岩地铁隧道。某市的硬岩地质特点决定了某市地铁的防排水应不同于国内目前已建其它城市地铁，试验段工程的目的之一就是研究和探索出一套适合某市地铁特点的防排水型式、工艺、材料和质量保证体系。二、工程地质与水文地质试验段工程位于四流南路地段，是某市地铁路网规划一期南北线工程的试验工程，包括一车站一区间。车站为青纺医院车站，是中岛式双层单跨结构，区间为水-青区间（水清沟至青纺医院），是两平行的单线双洞隧道。根据地质勘探资料和洞室开挖揭示地质状况，试验段工程区域范围内自上而下主要为杂填土、第四系堆积层，下伏基岩燕山期崂山阶段花岗岩。基岩为燕山期崂山阶段第C次侵入之粗～中细粒花岗岩及稍后之侵入脉岩。花岗岩肉红～灰白色，风化面呈黄褐色，中粒～似斑状结构，块状构造。岩体因物理、化学、生物作用的改造，自上而下形成工程性质各异的强、微、未风化三个地带。隧道主要埋于微风化带和未风化带。岩石节理带多NEE和NWW走向，以NEE为主，节理发育～很发育，闭合～微张，以扭性为主，节理面平整光滑。区域内地下水表现为上层滞水和基岩裂隙水，上层滞水主要存在于第四系堆积层和强风化花岗岩地层，与地表水有较强水力联系，并直接或间接受地表降水影响。基岩裂隙水主要存在于中、微风化花岗岩基岩中，因以闭合型节理为主，花岗岩致密坚硬、透水性弱，彼此连通性差，基岩裂隙水与松散岩类孔隙水水力联系微弱，受地表降水的影响极弱，属贫水-极贫水区域。仅在裂隙发育带、挤压破碎带及岩脉接触带形成局部带状含水构造发育段，并通过这些带状含水构造带与地表水有着较强的水力联系，成为基岩裂隙水的主要表现形式。根据地质特点及地下建筑物（地下防水通道）特点，青岛地铁隧道洞室主要存在有四种类型的地下水出露特点。贫水型基岩裂隙水，是地铁隧道的主要表现型式，存在于微风化-未风化的花岗岩基岩中，洞室开挖后表现为无水、湿渍或散状滴水。带状构造带富水区，属基岩裂隙水，存在于张开型裂隙发育带、挤压破碎影响带、岩脉与围岩接触带，可能与地表水及浅层潜水形成水力联系，洞室开挖后表现为片状淋水和局部股状涌水，是造成地铁隧道突发性涌水的主要方式。松散岩类孔隙水（浅层潜水），存在在于第四系堆积层和强风化花岗岩地层中，主要在部分区间隧道、车站出入口及风井上部等浅层隧道口处出现，容易使这些分部工程形成大规模涌水及地表沉降等问题，是这些分部工程的重点所在。人防通道既有涌水。人防通道在青岛市区地下四通八达，并且没有完善的防水设施，成为地下水的储水池和自由通道。这些人防通道多与地铁隧道相交，将上游（人防通道）的地下水引向地铁隧道。因此，必须处理好人防通道与地铁隧道相交部位，以防止这些既有地下水向隧道内排放。三、防排水特点与结构防排水型式1．防排水是一套综合性技术近年来随着喷射混凝土技术和注浆技术的不断更新和发展，为地下工程的结构防排水提供了更多的技术保障。地下工程防排水是一套综合性很强的技术，它涉及到工程施工的各方面，如从开挖前的超前预注浆，初期支护的喷射混凝土，固结注浆与回填注浆，以及辅助防排水措施和二衬结构的施工。目前的结构设计中一般也将喷射混凝土层作为结构防水的一项重要内容，多称之为第一道防线，而在实际施工过程中，施工单位更多的仅把喷射混凝土层作为一种支护手段，至于注浆更是仅仅当作处理软弱地段保障安全的辅助工法。对于大多数施工单位，他们关心的是开挖时的安全，初支时的稳定，只有在结构工程中才会去关心它的防水是否能达到运营的需要。根据我们多年处理坍方和涌水事件的经验，通过喷射混凝土和注浆等综合技术，完全可以在加固围岩和做好初期支护的同时实现有效的堵水。至于青岛地铁以硬岩地质条件为主的隧道，岩体致密坚硬，节理多以闭合为主，围岩的渗透能力弱，围岩裂隙水与地表水及浅层潜水的联系极弱，围岩稳定性好。如果对于局部带状地下水发育带采用注浆封堵的办法，则完全可以在加固这些软弱带状地质构造的同时进行有效的堵水，将隧道的总涌水量控制在一定的范围内。因此，在地铁运营排水允许范围内制定排水标准，在永久结构施作前将地下水排放控制在一定范围内，采取有目的（限制）的导排措施作为结构防水的辅助方法，对于隧道防水是可行的，也是合理的。另外，由于青岛地铁隧道穿越地层以硬岩裂隙水为主，与地表水及浅层潜水的水力联系极为微弱，同时隧道排水是在一定标准范围内控制的，其总排水量是有限的，因此隧道内的排水是不会引起地下水资源的流失，也不会因排水而引起地表沉降等不良环境问题。某市地铁防水的原则是：以防为主，防排结合。在开挖和一次支护施工的同时即考虑防水，对于涌水量较大的地段统一采用注浆封堵，将洞室涌水量控制在一定范围内，进行适量的引排，二次衬砌采用防水混凝土，以达到综合防水的目的。ⅠⅡrRⅠ：塑性破坏区Ⅱ：弹性区r：洞室半径R：塑性区半径剪头表示洞室开挖后地下水径流方向图1洞室开挖后地下水径流方向2．防排水的机理地下洞室的开挖改变了地下水的径流路线，使地下水流向了隧道空间。由于洞室开挖后应力的重新分布将在洞室附近形成塑性破坏区（图1），由于变形的作用破坏区内围岩将逐步的松驰变形，节理裂隙的张开度也随之进一步恶化，这样又增大了破坏区围岩的渗透系数，从而引起围岩深部的地下水向隧道区域的汇集，加大隧道的涌水量。同时水的径流又带动裂隙充填物如泥砂的流失，导致裂隙的连通性增强，使地下水的汇流区域向隧道围岩的纵深继续发展。裂隙内注浆固结体岩体内注浆固结体（呈劈裂状或扩散状）裂隙内注浆固结体岩体内注浆固结体（呈劈裂状或扩散状）注浆管喷射混凝土图2注浆封堵防水原理图地下水径流方向锚喷支护一方面限制洞室塑性区的进一步发展，防止围岩抗渗透能力的恶化，另一方面喷射混凝土形成阻止地下水向隧道内径流的一道屏障。对于稍大的地下涌水喷射混凝土是无能为力的，可采用引排或注浆封堵。在带状地下水发育带通过注浆形成固结体阻塞其与围岩深处的地下水连接通道（见图2）。若是复合式衬砌结构，则设中间防水层和泄水孔，穿过初支的少许地下水遇防水板受阻挡即沿防水板背后衬垫下行自泄水孔排出，混凝土结构和其结构缝是其防水的最后也是最关键的一道防线。3．防排水结构型式试验段工程采用钻爆法施工，主体支护结构根据围岩特点有三种形式，即喷锚支护结构，边墙喷锚和拱部复合衬砌的支护结构，整体复合式衬砌结构。依据设计防水标准，试验段工程车站达到一级防水，区间隧道达到二级防水。⑴．整体喷锚支护结构整体喷锚支护结构主要用以区间Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩及风道Ⅰ、Ⅱ类围岩永久支护结构中，其防排水型式以区间为例可参见图3。该结构型式以喷射混凝土为结构防水的主体，在喷砼层背后设排水盲管引排，充分体现了防排结合的特点，同时在局部带状裂隙水发育区和对较大的集中涌水又必须重视混凝土背后的注浆技术。图3⑵．复合式衬砌结构图4ZC断面防水型式图图4ZC断面防水型式图复合式衬砌结构主要应用于区间Ⅲ类以下围岩支护结构，风道的部分结构、车站出入口通道及车站ZC段面。复合式衬砌的防水结构型式为“喷射防水混凝土+中间防水层+模筑防水混凝土”的多道防线（参见车站ZC断面图4），并在边墙轨平面附近设泄水孔将地下水引向地铁的排水系统。⑶．边墙锚喷拱部复合式衬砌结构车站ZA（图5）、ZB（图6）断面均为拱部复合式衬砌边墙锚喷的支护结构型式，即通常所说的“戴帽结构”。围岩具有充分的自稳能力，拱部二衬结构完全或部分的坐在两侧的围岩上，靠两侧墙围岩的自稳承载，因为断面大埋深较浅，拱部二衬结构主要是作为一种安全储备，同时由于车站是乘客长时间滞留的地方，二衬结构又能给人以安全、美观、舒适的感觉。边墙则充分利用其稳定性好的特点采用锚喷支护结构，主要在于车站是中岛式车站，乘客的活动空间在中间的站台层，且两边墙均有广告牌等装修层，同时又可大大降低二衬结构的费用。拱部二衬结构设泄水管与边墙排水盲管相连通，并引向车站内排水系统。图5ZA图5ZA断面防水型式图图6图6ZB断面防水型式图从现场施工情况看，车站“戴帽法”结构设计是成功的，拱部复合式衬砌结构完全达到了一级防水标准，边墙锚喷支护也可达到使用标准。但仍然存在一些问题，如喷射混凝土达到无渗滴水是完全可以的，至于达到无湿渍不是不可能，而是代价太大（需要比较系统的注浆措施），边墙喷锚结构外还有较大的空间可以利用，因此是否考虑可以用边墙的广告牌等装修层作为防水的一部分，这是其一。其二，ZA断面与ZB、ZC断面内轮廓明显存在一台阶，在外观上不太美观，且ZA断面边墙锚喷支护结构有一部分在站厅层之上，喷射混凝土与拱部模筑混凝土的施工缝处理上目前还处在摸索阶段，一旦这条纵向施工缝防水失败则地下水直接渗流到站厅层上，处理起来较为麻烦，因此我们认为车站“戴帽法”结构ZB断面较好于ZA断面。⑷．复合式衬砌结构中间防水层虽然说青岛地铁不同于目前国内其它城市地铁的全封闭防水层，允许部分地下水泄入隧道排水系统，但复合式衬砌结构设中间防水层仍然是必要的，它的直接作用是将地下水与二衬结构隔开，是阻止地下水渗向隧道的一道防线，同时也为防水混凝土创造无水作业环境，另一方面它可将初期支护与二衬结构隔离，消除对二衬结构的约束应力，防止结构因约束应力增加而产生裂缝，从而提高结构的防水能力。车站1#通道已完成段二衬结构很能说明这个问题，设防水层的两衬砌段（KⅠ0+46.22～+61）仅在最后封顶处因浇灌混凝土密实性差存在一些湿渍,而在其前后的其它五个衬砌段均无防水层，渗漏水却非常频繁。⑸．关于底板防水的问题隧道底板防水应该得到加强。目前国内隧道病害有许多是隧道底板衬砌破坏渗水或翻浆冒泥，这往往是人们容易忽视底板施工所致，认识不到底板在结构中的重要性。事实上底板是隧道内地势最低而地下水压最高的地方，且底板渗水后积水，不易寻找渗水点，处理起来相当困难。积水在底板漫流腐蚀轨枕，污染环境，危害更大。对于底板防水，在无仰拱的地段采用防水混凝土铺底，铺底厚度我们认为应不小于20cm，铺底施工缝若与排水沟重合可不设止水条，否则设止水条封闭防水，铺底变形缝防水按边墙拱变形缝处置。四、防排水材料选择选择经济可靠的防排水材料是结构防水的根本，也是降低工程费用的有效途径。我们在课题开展始伊就对有关防水材料进行了较为系统的调查研究和室内试验分析，力求达到经济、适用的目的。如初期对混凝土防水外加剂、施工缝用止水条、相关堵漏材料等，在现场试验过程中根据应用中存在的问题和新技术的发展，又对止水条的选材和断面进行进一步的优化、对湿喷混凝土的外加剂选材及结构堵漏材料的选择进行了较为系统的试验研究等等，因这些相关研究在其它章节都有涉及，在这里就不一一赘述。五、防排水技术研究1．锚喷支护防排水技术研究锚喷支护以喷射混凝土为主体结构，并采用钢筋网和锚杆等辅助加强技术，作为复合式衬砌的初期支护，是结构防水的第一道防线，作为永久性结构同时又是结构防水的主体结构，在青岛地铁结构防排水中具有重要的地位。锚喷支护防排水的关键技术是充分利用喷射混凝土具有较高的抗渗性的特点，以喷射混凝土刚性自防水为主，防止喷砼层起皮脱落和裂纹等缺陷的产生与发展，同时采取有目的的引排疏导及进行局部喷砼背后注浆封堵的综合技术措施。防水目标与工程部位和使用功能有关，同时又直接影响着工程造价，过高的防水目标只能片面增加工程费用。根据施工现状及设计特点，试验段各工程部位锚喷支护防水目标确定为：复合式衬砌段的初期支护，允许喷射混凝土表面有间隔性滴水和局部偶见的小规模涌水，但区域性涌水量应控制在1l/d·m2以内，集中涌水量不得大于500l/d；车站边墙锚喷支护结构达到一级防水标准，要求喷射混凝土表面无渗漏，允许设盲管进行有效的引排泄压，但总排水量应控制在每延米车站隧道100l/d以内；区间锚喷支护结构达到二级防水标准，要求结构表面无明显的渗水点而可以有湿渍，允许设盲管及泄水孔进行有效的引排泄压，但通过泄水孔的总排水量应控制在每延米区间隧道50l/d的范围内。⑴．喷射混凝土结构自防水技术一般都认为喷射混凝土具有较高的抗渗性，据国内文献资料，喷射混凝土的抗渗标号可达S8以上，以此说明喷砼作为防水的主体结构是可行的。但当前国内由于在工艺、配比和质量标准控制方面的落后，喷射混凝土存在着起鼓、脱皮及开裂等现象，又成为结构渗漏的主要通道。因此，我们在喷射混凝土自防水技术研究中主要从材料配比、工艺方面入手，重点放在如何防止喷砼层开裂、起鼓及脱皮现象的产生与发展。喷砼层的开裂主要来自两方面的因素，其一为混凝土硬化过程中的收缩变形引起的龟裂，龟裂的进一步发展形成渗水通道的贯穿裂缝，其二为围岩的大变形或局部不均匀荷载产生的喷砼层结构开裂。收缩变形的机理主要来自混凝土表面湿度变化引起的失水干缩和水泥水化放热引起的温度变化产生的热缩，同时又与速凝剂的使用、一次喷层厚度及养护条件有着较大的关系。为提高喷射混凝土结构自防水能力，我们主要采取了以下技术措施：水灰比（W/C）：控制在0.4～0.5之间，可提高混凝土的抗渗性，并减少因失水而引起的干缩。减水剂：采用奈系高效减水剂（0.5～1%），提高拌合物的和易性和可喷射性,并降低水灰比。混凝土坍落度：采用湿式喷射要求混凝土的坍落度控制在16～18cm之间。防水剂：选用具有膨胀作用的防水剂如EA-C型膨胀剂（12%为水泥代用量）、TJ高效防水剂（掺入量3%），产生相应的膨胀以补偿混凝土硬化过程中的收缩变形，起到防裂抗渗的作用。水泥：采用低水化热的普通硅酸盐水泥，减少因水泥水化引起的热缩。速凝剂：在区间湿喷时，选用8604型液体速凝剂，该速凝剂PH值基本呈中性，强度保存率高，且与水泥反应产生的水化热低，有利于结构防水。混凝土基准配合比：水泥：粗骨料：砂=1：2：2，在满足喷射条件的情况下尽量降低水泥用量。⑵.锚杆渗漏水防治技术锚杆是锚喷支护的重要内容，但又往往是地下水穿过支护结构的通道。如青纺医院车站拱部初期支护施作后，许多锚杆端头有明显的浸湿、滴水现象，而与周围围岩形成鲜明的对比，就说明了这一点。防治锚杆渗漏的根本是防止锚固剂干缩裂纹的产生，增强锚固剂的密实度。对于砂浆锚杆我们采用掺有UEA型（水泥用量的14%）膨胀剂的防水早强砂浆代替普通早强砂浆可较为有效地解决这个问题。同时，过长的锚杆钢筋出头侵入喷射混凝土层会明显减少混凝土的有效厚度，因此在喷射前进行检查，不得有大于3cm的钢筋外露头侵入喷砼层内。⑶.喷射混凝土背后排水系统在区间隧道锚喷支护结构段喷射混凝土背后设置系统排水盲管，在复合式衬砌的初期支护段则设置了局部排水盲管，并将地下水引向隧道的排水沟，进行有效的引排导流。这样既降低了喷射混凝土结构背后的地下水压力，又为喷射作业创造了较好的作业条件。我们选用软式弹簧透水盲管，管径φ30mm，在区间隧道系统盲管布设间距5m，呈环向布置。⑷.其它辅助防排水措施喷射混凝土直接作用于围岩，在其终凝前是不具防水作用的，如果地下水存在还会影响喷射混凝土的整体性能。一般稍大的地下水会使喷射混凝土滑脱、起鼓或脱皮，并进而影响混凝土的抗渗性能及与岩石的粘结强度。因此，采取有效的封堵和引排措施，是确保混凝土质量的必要条件。对于集中出水点，若出水量较小（小于100l/d）可设引水管引排，出水量较大应采用注浆封堵。浆液可选用水泥系浆液或化学浆液，注浆宜在喷射后施作。对于片状淋水型渗漏水，由于出水点过多或出水点散乱而无法集中封堵和引排，若渗水量较小（小于10l/d·m2）可在渗水区域每间隔1.5m～2m设置树枝状局部排水网络，最终汇入环向排水盲管，若渗水量大可设区域范围内的系统注浆管引排，先施喷一层5cm厚的混凝土止浆墙，然后注浆封堵。2．复合式衬砌防排水技术研究复合式衬砌防水的本质是以二次衬砌结构防水混凝土作为防水的主体，在初期支护与二次衬砌之间施作防水层。国内近二十年来，复合式衬砌防排水技术在电气化铁路隧道和暗挖法城市地铁隧道得到了广泛的研究应用和长足的发展，并取得了较为满意的成果，特别是混凝土的结构自防水技术越来越为人们所重视，在城市地铁中以全封闭式防水层为代表的结构防水技术也正在日趋完善，并受到更多设计者的青睐。虽然如此，并不是说复合式衬砌的防水技术已非常完美，而是仍然存在这样那样的问题。如表1是我们对五指山隧道（京九线最长的隧道）、北京地铁西单折返线、广州地铁杨体区间等隧道工程建成后结构渗漏水的统计情况。自表中可以看出，设全封闭式外防水层能使防水效果明显提高，但只要地下水位高于隧道拱底，结构渗漏就很难避免。广州地铁的监理制度在国内同行可说是严格的，其施工队伍的防水混凝土施工和防水层铺设在国内也是优秀的，该工程的防水层施工被国内外专家学者作为典范，获得好评，但施工结束后，仍存在着渗漏水现象。因此，虽说防水层在复合式衬砌结构中具有重要的地位，但全封闭式防水层并不是我们的唯一选择。基于这样的原因，我们对青岛地铁复合式衬砌的防排水根据它自已的特点，提出了以二次衬砌结构自防水为主体，重视结构外防水层、注浆堵水和锚喷支护防水技术的综合作用，不苛求设置全封闭式防水层，辅助以泄水孔进行适当的引排疏导，达到综合防水的目的。隧道渗漏水统计表表1隧道名称长度渗漏水频度备注五指山隧道4455m214处1处/21.8m大跨以上无钉铺设设PE防水板。水水主要为地下下裂隙水北京地铁西单折返返线527m0处无钉铺设PE防水水板全封闭式式防水。地下下水在拱底以以下广州地铁杨体区间间2380m22处1处/108.2m无钉铺设ECB防防水板全封闭闭式防水。主主要为地表潜潜水、裂隙水水与江河有水水力联系⑴.防水混凝土结构自防水技术从提高混凝土结构的自身抗渗能力着手，将防水与承重结构合二为一，达到经济、永久的防水效果，是国内外隧道工作者长期所追求的共同目标。混凝土是非均质材料，从微观上看其内部有许多大小不等的微细孔隙，这些微细孔隙相互连通是其渗透水的主要通道之一。理论研究及试验数据表明，孔隙的形成及其大小与水灰比、水泥用量和砂率等有着密切的关系。混凝土渗水的另一个主要通道是混凝土裂缝，其产生的原因主要是由于水泥水化热、混凝土收缩变形及结构受载变形引起的。因此提高混凝土的自身密实性，从材料和施工两方面抑制和减少混凝土内部孔隙和裂缝的生成和发展，是提高其抗渗透性能和结构自防水能力的主要手段。水灰比对于混凝土的抗渗性和强度的影响起着决定性作用，表2是保持水泥用量为290公斤、砂率41%时，变更水灰比时对混凝土渗透系数和强度的变化值。由表中可以看出，水灰比在0.6以下其抗渗性能比较接近，当水灰比大于0.6时其渗透能力急剧升高，当水灰比大于0.55时，其强度值与水灰比为0.5时的强度值减少25%以上。试验段工程衬砌结构混凝土设计标号为C25，抗渗标号为S8，配比的理论计算时，我们取施工单位的混凝土施工标准差为5MPa，计算所得水灰比值为0.5。允许现场施工时根据实际情况对水灰比进行调整，但规定其水灰比最大不得超过0.55，以使其能够满足设计强度和抗渗标号。水灰比对混凝土性能的影响表2水灰比抗渗标号渗透系数（×≡110-10cm/s）28天强度（MPPa）与水灰比(0.55)强度比0.65=610922.770．650.62〉207.5722.940．650.59〉205.5326.640．750.56〉203.4725.350．710.53〉201.8531.150．880.5〉201.1735.271普通防水混凝土普遍采用中砂(偏粗)，以细度模数为2.6的河砂为宜，砂率在35%～41%之间。要求在粗、细集料中具有一定数量的粉细料，即在砂石中粒径在0.16以下的粉细料约占砂重的10%，现场使用集料中粉细料含量不足时，可以粉煤灰等代替，但应在砂中扣除。粉细料的作用是填充部分孔隙，增加混凝土的密实度，同时可降低水灰比，改善混凝土的工作度。防水外加剂的作用原理是一方面能够促进填充和阻塞混凝土内部的毛细孔隙，提高混凝土的抗渗性能，另一方面使混凝土在硬化过程中体积产生一定的限制膨胀，补偿混凝土收缩，防止收缩裂缝的形成。事实上，只要骨料级配合理，配比选择正确，即使不加任何防水剂，混凝土的抗渗标号在实验室内很容易做到S10以上。在现场条件下，结构防水失败的最常见现象就是混凝土裂缝渗漏，此外是浇筑施工时振捣不够等因素形成的混凝土蜂窝孔洞所致,因此制作防水混凝土的关键是防渗抗裂。我们对国内目前比较常用的几种具有膨胀作用的防水剂在实验室条件下做了同配比的对比试验，其结果如表3所示。从表中可以看出，无论是从混凝土强度和抗渗性能，还是从价格差价上，天津产UEA型膨胀剂明显优于其它防水剂。另外，从试验结果看，同是UEA膨胀剂，天津产的也明显好于江苏的，这充分说明了防水外加剂对水泥的适应性及产品质量的参差不齐，在现场施工管理中应引起注意。不同混凝土防水外加剂的性能价格比较表表3外加剂品种掺入量28天强度抗渗标号/平均渗渗水高度价格比备注基准混凝土0%46.9MPa>16/51mmm11:1.99:33.42:00.5BR-315%29.4MPa>16/85mmm1.89代水泥用量UEA(天津)10%39.2MPa>16/36mmm1.2代水泥用量UEA(江苏)10%29.0MPa10/-1.18代水泥用量在试验段大部分结构工程中，实际采用了与UEA型膨胀剂性能接近的山东寿光产EA-C型膨胀剂。另外，还在车站ZA断面拱部的一段衬砌中使用了青岛本地生产的TJ-G高效防水剂。从施工单位反馈的试验数据看，混凝土的抗渗标号均达到了S8。而且对车站拱部衬砌9个月后进行了观察，发现混凝土裂纹一条，长度约1.7米，宽度平均0.16mm，施工缝大都张开，张开一般发生在混凝土浇注施工半年以后，但张开度不大，裂缝宽度0.1～0.6mm。由此可见，两种外加剂均具有较好的膨胀补偿收缩的作用。相对来说，TJ-G具有一定的减水性，混凝土拌合物粘聚性好，拆模后混凝土表面较其它衬砌段光亮，蜂窝麻面也较少。总体说来，TJ-G在性能上稍优于EA-C，但价格上后者较便宜。⑵.防水隔离层对于复合式衬砌，在初期支护喷射混凝土与模筑混凝土之间设防水隔离层，由400g/m2无纺布垫衬和LDPE防水板组成。比较普遍的观点认为，防水层一方面起到隔离地下水减少渗透环节，另一方面减少二次衬砌与初期支护之间的约束力，从而抑制混凝土结构裂缝的产生，这已为国内外广大的学者和同行所接受，并在大量的工程实践中得到了验证。这里着重强调外防水层的另外一个重要作用，靠近防水板的一侧也即混凝土结构的外侧可形成一层光滑的水泥砂浆结石层，它具有较高的抗渗透能力，仿佛结构外涂涮了一层防水膜。其形成机理是，防水板与水泥砂浆及碎石的拌合物是不浸合的，且防水板光滑不吸水，水泥砂浆很容易顺着防水板扩散而将混凝土中的粗骨料与防水板隔离，整个外侧被防水板包括而不失水，确保使水泥的水化硬化过程可以较为顺利的实现。我们在现场施工时用防水板做端头板内衬，拆模后与其它界面相比较发现，使用防水板的混凝土表面光滑发亮，相同条件下气泡少而小，且气泡均为圆形或近圆形，而其它界面的气泡多呈椭圆形甚至孔洞状，且有碎石出露。基于以上认识，我们认为在复合式衬砌设防水层是适当的和必要的。⑶．缝的防水处理缝的防水处理向来是隧道工程防水的薄弱环节，曾经有人用“十缝九漏”来形容缝防水技术的难度，虽说有夸大其词的一面，但从一个侧面反映了国内在缝防水的设计和施工的现状。施工缝是混凝土分段分部施工中形成的，而变形缝则是为消除混凝土伸缩变形在结构中产生的附加应力，避免结构出现裂缝，通常需按有关规定和规范，因温度变化而设伸缩缝和因地质变化而设沉降缝。对于变形缝的设置存在较大的争议，一种观点是应多设，而另一种观点是小设甚至不设。国外新建地铁系统多有不设变形缝的实例，国内自70年代也出现了几百米不设变形缝的成功实例。如上海地铁火车站车站在长达201米的结构主体施工时取消了变形缝的设置，将原设计的变形缝按施工缝处理。时至今日已经历了多个寒暑循环，与其它设变形缝的地铁结构比较，并未发现有伸缩引起的结构开裂现象，且多种观察记录表明车站主体结构各施工段已连结成为一体。至于青岛地铁，据我们观察隧道主体全年温度差为15℃～30℃，出入口受气候影响较大约在35℃左右（这是在施工时统计到的数据），当地铁运营时其温差将更小。另外，青岛地铁是以硬岩为主的隧道，隧道总体稳定性较好。因此，我们认为青岛地铁结构施工时应尽量减少变形缝的设置，而仅在结构部位三叉口处及硬岩与软岩的交接处设变形缝，如车站与通道、风道的三叉口处将变形缝设在通道和风道中，而风道与区间三叉口处将变形缝设在区间，仅在Ⅳ、Ⅴ类围岩变化处设沉降缝，其它围岩变化处不设变形缝。渗水方向变形缝说明：右图因拱部混凝土未浇注充实，形成渗水通道，使背贴式止水带失效图7背贴式止水带失效示意图变形缝的构造型式应以简单可靠、易于施工为原则。有的变形缝构造过于复杂，施工操作比较繁敷，质量难于保证。试验段工程设计中变形缝构造采用中埋式止水带结合使用背贴式止水带，并设置嵌缝材料。背贴式止水带在安设时受基面不平整度的影响难以正确就位，特别是当变形缝位置处拱部超挖太多时，混凝土浇灌不满，背贴式止水带即失去其阻水作用（图7）。另外背贴式止水带还受结构部位变化时开挖断面影响而不易施作。因此在现场施工时变形缝构造仅保留了中埋式止水带和密封嵌缝材料。大量的工程实践告诉我们，只要中埋式止水带固定位置正确而稳固，浇灌混凝土时振捣到位，其防水效果是相当优秀的。在车站K13+290处ZB、ZC断面交接处变形缝采用中埋式止水带，密封膏在后浇灌混凝土前涂涮在前衬砌端面，做到了不渗不漏。施工缝按其施工工序主要有两种型式，其一是衬砌段之间的环向施工缝，其二是分部浇灌混凝土所形成的纵（轴）向施工缝。施工缝的构造型式多采用粘贴水膨性止水条密封防水，也有工程采用埋入式钢板或中埋式止水带防水，只是前者工艺简单，操作简便，且工程造价较后者要低，因此为更多的工程所采用。目前用于施工缝防水的止水条主要有三种类型，其一为遇水膨胀腻子型止水条（以普通BW型止水条为代表），其二为遇水膨胀橡胶止水条（以821BF型为代表），以及介于二者之间的BW-Ⅱ型止水条。通过对不同止水条性能特点及施工缝防水机理的研究分析，我们确定了821BF型（3×1复合型断面）和BW-Ⅱ型（3×2）作为青岛地铁的缝防水材料，该两种止水条性能优良、经济实用，安装工艺简单，质量容易保证。在区间右线K12+398处我们采用平贴式安装BW-Ⅱ型止水条，虽衬砌背后无防水层且属小断层地下水相对发育，至今施工缝无地下水渗出。现试验段结构设计仅要求环向施工缝设止水条进行防水处理，对于底板施工缝和纵向施工缝未做特别说明，这里需要强调指出的是对于底板施工缝和纵向施工缝应同样进行防水处理，除非施工缝与地铁排水沟重合可不予考虑。在试验段工程中车站2#风道底板施工留有中间施工缝，在施工中未设止水条，施工完成后即有地下水顺缝反渗。⑷．辅助排水系统复合式衬砌段每隔3～5米设泄水孔进行有效的引排，将一部分地下水引向地铁的排水系统，以降低结构背后地下水水位，减轻结构防水的压力，达到综合防水的目的。⑸．衬砌背后填充注浆衬砌背后填充注浆的主要目的是填充混凝土衬砌与防水层间的空隙，特别是拱部因浇灌混凝土时形成的混凝土与防水板的不密贴，防止在衬砌背后形成汇水区，达到防水目的。一般采用结石率高的水泥砂浆或纯水泥浆，在有水时可采用化学浆或水泥—水玻璃双液浆3．排水盲管在试验段工程中的应用技术某市地铁确定了设置排水系统作为结构防水的辅助措施，对于复合式衬砌主要是选用硬质塑料管在拱脚或墙脚自防水层背后设泄水管引出，而对于锚喷支护原设计采用塑料管作为排水盲管，在现场试验应用中由于存在排水不畅、安装困难等缺点，我们经分析研究选用了具有先进水平和优良性能的纤塑弹簧软式透水管，成功地解决了喷射混凝土背后的辅助排水技术问题。⑴．纤塑弹簧软式透水管早期人们采用芦苇、稻草束固定在衬砌混凝土背后，待腐蚀后自然形成排水盲沟，实践表明该种原始的方法还是起到了很好的排水泄压的作用。其缺点是排水量小，也容易被断草、腐蚀物堵塞引起排水不畅。后来，排水盲管逐渐发展成以钻孔的塑料管代替、或专用制成品塑料或橡胶排水带，可在结构混凝土背后形成固定的排水通道。在实际应用中，由于隧道的围岩基面多凹凸不平，塑料管不易弯曲，安装因难，因不能很好吻贴岩面而排水效果也不太明显。纤塑弹簧软式透水管的结构如图8所示，其骨架为具有防锈性能的钢丝弹簧圈，外被覆层是具有良好透水功能的土工复合材料无纺布和丙纶丝编织布，被覆层与弹簧钢丝圈通过两根塑料限位卡组合成一有机整体，形成稳固可靠的管体结构。纤塑弹簧软式透水管可任意弯曲、伸缩自如，能够与围岩基面充分密贴吻合，被覆层透水性能良好，渗透系数大于0.2cm/s，表层织物的最大孔径不大于0.2mm，可将较大粒径泥砂杂质阻挡在透水管之外，避免长期使用引起排水管的堵塞。图8纤塑弹簧软式透水管构造图图8纤塑弹簧软式透水管构造图根据设计喷射混凝土厚度最小的为8cm，而选材初期厂家仅能产生管材外径在φ50以上的软管。若选择φ50的管材，则在盲管经过处喷砼层的有效厚度仅有3cm，易沿盲管形成喷砼层的薄弱带。经过与厂家联系，我们要求厂家生产了外径为φ30的软管，在实际安装时尽量将盲管布置在爆破台阶和基面的凹进处，这样即可保证喷砼层的厚度在5～6cm以上。喷射混凝土的风压在0.2～0.5MPa，料束在喷嘴处的时速达120～180m/s，具有很大的冲击力，要确保拌合料中的骨料不致将软管的被覆层击破。假设骨料石子粒径1cm，容重2.5，时速180m/s，由于软管的被覆层具有一定的弹性，而石子又被砂浆所包括，因此石子与被覆层的作用时间应是缓慢的，我们以0.005s计，则石子的冲击力为：F＝M×v／t＝2.5×103×π×(0.01/2)3×180／0.005＝35.325N一般被覆层的顶破强度为1.2kN，喷射混凝土的冲击是不能将软管的外包层击破的。在现场试验中，通过观察我们发现经过喷射混凝土冲击的软管外包被覆层完好无损。⑵．排水盲管在喷射混凝土中的作用Ⅰ区Ⅱ区喷砼后地下水方向喷砼前地下水方向图9受喷砼层的阻挡地下水改变径流方向喷砼层后排水管的排水机理分析：为使问题简单化，我们将岩体假设为均质、连续、各向同性的弹性体，以圆形断面洞室结构为例，则洞室开挖后其围岩可分为以下二区：即塑性区（Ⅰ区）和弹性区(Ⅱ区)，亦可称之为扰动区和未扰动区图9。Ⅰ区的产生一方面来源于洞室开挖后应力的重新分布与调整，另一方面是因开挖时爆破等扰动的结果。实际上，围岩内都存在着不同发育程度的节理裂隙，显然随着围岩应力的调整和变形的发展，洞室围岩Ⅰ区内的节理裂隙将随之松驰和产生微小的错位，使该区节理的连通性变好，渗透能力增强，而围岩深处如Ⅱ区以外仍维持原状，渗透性能不变。当排水盲管布置在围岩基面进行喷射混凝土施工时，附近原本渗水的区域受喷砼层的阻挡，地下水即改变方向沿扰动区向四周扩散，并自行渗流到阻力极小的盲管中排出（图9）。排水盲管对喷射混凝土的作用在于，排水疏导地下水，为喷射作业创造较好的施工条件，提高喷混凝土的质量。喷射混凝土虽然密实度好有较高的抗渗能力，但由于在未终凝之前或者在终凝后强度还较低的情况下其抗渗能力是很低的，因此对于较大的地下水仅靠喷射混凝土是不能起到防水作用的，甚至于不采取措施根本不能顺利进行喷射作业。通常在喷射前对于地下水的处理措施是引排和封堵，封堵最有效的措施是注浆。但对于成片状的滴水或小规模的涌水，总涌水量不大，在隧道内的分布却较广，进行注浆封堵工艺复杂且造价较大而不经济。因此在喷射前设排水盲管，却是比较经济可靠的处理办法。同样地质状况的1#风道的上半断面喷射混凝土时没设软式盲管，而其下半断面设有软式盲管，施工结束后下半断面的渗水点明显少于上断面。图10区间盲管布置展开图⑶．盲管的布置如图10和图11分别为区间锚喷支护段和车站边墙锚喷支护段的盲管布置图。区间环向盲管每隔5米设一道，车站边墙锚喷支护段根据上断面预设泄水孔按每隔3米设竖向盲管一道，另外增加水平盲管每侧墙各一道（水平盲管的作用是集收上断面结构下缘的渗水，减轻地下水对拱部模筑砼与边墙喷射砼纵向缝的压力），布置在上断面衬砌结构下缘处，并与竖向盲管相连。局部盲管按地下水情况具体布设，区间在环向盲管间设局部盲管，车站在侧墙竖向盲管间设局部盲管。局部盲管分为两种情况，对集中出水点设单枝局部盲管，对较大范围的片状渗漏水设树枝状局部盲管网络，所有局部盲管必须与系统盲管连接。上部衬砌结构竖向盲管边墙柱基础上部衬砌结构竖向盲管边墙柱基础(条基)水平盲管边墙泄水孔300cm300cm图11车站边墙盲管布置图上半断面泄水孔⑷．盲管的安装方法固定钉30-50cm图固定钉30-50cm图13固定法一注：固定钉尽量设在基面凹进处固定木砖钉30-50cmφ6钢筋钉注：钢筋用木砖固定，用扎丝将盲管捆在钢筋上图14固定法二图12安装工艺图调查基面及地下水画线布设盲管位置沿线钻孔定位固定盲管同时也要根据设计和地下水状况进行合理的布设，其安装工艺如图12。在安装盲管前要统筹安排，尽量使盲管沿围岩基面的低凹处、有地下水的地方布置。排水盲管的固定可以扎丝捆绑并用塑料胀管和木螺钉固定在围岩上（如图13），亦可先将φ6的钢筋紧贴岩壁固定，然后用扎丝将盲管固定在钢筋上（如图14）。排水盲管的安设必须吻贴岩面，盲管与岩面间距不得大于5cm，盲管与岩面脱开段的最大长度不得大于10cm。盲管之间的搭接可用厂家提供的配套快速接头（随软式盲管有配套的“一”字接头和三通口使用的“T”型接头），亦可用无纺布包裹捆绑连接。4．结构渗漏水治理技术无论是国内还是国外，地铁的渗漏水还仍然是人们最为头痛的问题。在青岛地铁试验段工程中，由于地下水贫乏，更容易使人产生麻痹思想，结构工程完成后渗漏水也就在所难免。因此，研究一套结构渗漏水的治理办法，也是地铁防水必不可少的重要环节。⑴．结构渗漏分类及原因分析试验段工程三种主要结构型式，包括有防水层复合式衬砌结构、无防水层衬砌结构、喷锚支护结构均有不同程度的渗漏水。从统计看，无防水层衬砌结构出现的频率最大，喷锚支护结构渗漏水出现的频率次之，以锚杆出露头和岩石棱角凸出部位点孔状渗漏水为主；而复合式衬砌结构渗漏水出现的频率最小，如车站拱部复合式衬砌结构长达二百多米仅有偶见几处渗漏水。从渗漏方式上可分为点孔状渗漏、砼裂缝渗漏、施工缝和变形缝渗漏。点孔状渗漏主要系混凝土施工时振捣不够所致，砼裂缝渗漏则是浇筑冷缝和漏振或结构的贯穿裂缝所造成，而施工缝及变形缝渗漏是因处理不当所引起。根据所处工程部位，渗漏水主要出现在车站通道、风井风道等工程部位，如车站通道的渗漏水是整个试验段工程已完成部分渗漏最为严重的部位。⑵．结构渗漏治理的指导思想按照地铁防排水的总体原则“以堵为主，排堵结合”，在渗漏治理时以“大堵小排，先堵后排”为原则，以“车站、配电室（包括出入通道）一级，区间二级”为目标，进行综合治理。我们以地铁各不同结构运营时防水要求的目标为标准，以不增大地铁运营时的排水负担为前提，提出了以上的渗漏治理指导思想，以达到经济持久的综合治理目的。⑶．机具材料采用适用的机械工具和选用优质的防水材料是结构渗漏治理的关键保证。我们根据多年来渗漏治理的研究成果和施工经验，经过认真比选现将结构渗漏治理所需的机具材料列于表4。⑷．治理程序a．治理方案：对于施工缝和变形缝渗漏宜采用引排与注浆堵漏相结合的措施，在边墙或小渗水以排为主，在拱顶或较大的渗水以注浆封堵为主；对于点、孔洞状渗漏，采用堵漏灵挖孔扩槽封堵或辅助以注浆堵漏；对于缝状渗漏，如冷缝、裂缝等，若水较大应首先采用注浆封堵的处理方法，若水较小可采用引排措施。b．治理程序与步骤：应首先处理衬砌砼自身缺陷及渗漏（如点孔状渗漏、砼贯穿裂缝及渗漏），再处理施工缝和变形缝缺陷及渗漏；在治理过程中应遵循先行堵漏治理，后行引排处理的顺序。结构渗漏水治理主要机具材料表表4序号名称型号单位数量备注1砼切割机台1凿槽用2合金切割片片配砼切割机3电锤台1凿槽、钻孔用4手压泵台14铁锤、钢钎凿槽、凿毛用5铁铲、钢刷清槽用6PVC管φ20-40米引水管（用量据现现场定）7注浆咀φ8-15米铁、铜或硬质塑料料管8双快水泥袋上海洋径公司9快凝超细水泥MC-20袋金华华夏注浆材料料厂10堵漏制成品袋堵漏灵、堵漏王等等c．工艺及技术要点：基面清理：采用平铲将渗水或裂缝延伸附近的杂物清理干净，然后采用液化汽喷将基面吹干，找出渗漏点及砼裂缝。凿槽：对于引排槽，槽断面4cm（宽）×5cm（深），槽自渗水部引向墙脚排水沟或泄水孔；对于注浆槽，槽断面4～6cm（宽）×5～8cm（深），槽应骑缝凿入，若是砼裂缝应将槽延伸至裂缝尽头以外；对于止水条破坏之施工缝应将破坏止水条剔除。砼表面凿毛：在槽边缘外不少于10cm范围或有缺陷范围进行砼表面凿毛，凿毛深度以不少于2cm和出露新砼基面为准。清槽：用水冲洗槽槽体和凿毛面面，不得有杂杂物和砼松散散附着物。埋注浆咀：将注浆浆咀对准渗水水孔隙或裂缝缝，用双快水水泥和BR--1堵漏剂（或或堵漏灵等）埋埋设。注浆咀咀间距20ccm～40cm，埋埋设后应保证证除注浆咀有有水引出外，其其周围其他地地方干燥无水水，封堵厚度度不少于4ccm。埋引水管：PVCC管（φ20-400）沿轴线从从中间裁开，将将半边PVCC管用液化汽汽喷灯吹软，沿沿槽体扣在槽槽底，使出水水部位扣在管管下，并确保保PVC管与砼砼基面相吻合合。然后用双双快水泥和BBR-1堵漏漏剂（或堵漏漏灵等）埋设设封堵，防止止杂物进入管管内，保证水水全部从半管管内排出，并并确保排水畅畅通。养护：封堵埋管后后，用水养护护3～5天，保持固固化材料表面面潮湿，防止止开裂。注浆：注浆顺序：：先注无水管管再注有水管管；边墙由下下到上，拱部部由两侧到中中间，水平由由两边到中间间。注浆材料：用速凝凝型超细水泥泥，水灰比00.8～1.2。注浆压力：终压：：0.3～0.5Mppa，维持3～5分钟。注浆量：单孔不大大于3升。涂防水涂料：砂浆浆抹面前涂抹抹防水涂料，形形成柔性防水水层，并可延延长封堵材料料的耐久性。砂浆找平：防水涂涂料固化后，在在其外侧抹防防水砂浆(水泥：砂：：水：BR--2=1：2～2.5：0.4：0.12)找平层，用用水养护7天。然后兑