1、地铁工程防水设计综述一、地铁防水设计总要求 （一） 、地铁防水设计原则及标准 设计原则地铁防水须从源头抓起，从设计理念做起。防水设计原则是地铁设计的基本出发点。各地的防水设计原则为：上海地铁“以防为主，多道设防，因地制宜，综合治理，防排结合” ；广州地铁“以防为主，防排结合，多道设防，刚柔并进” ；深圳地铁“以防为主，防排结合，刚柔相济，多道防线，因地制宜，综合治理” ；香港地铁：“以混凝土自防水为主，防排结合” 。 其中香港地铁明确指出“以混凝土自防水为主” ，强调结构自防为本。防水设计遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、综合治理”的原则。根据环境条件、结构形式、施工方法，选择有效、可靠、操
2、作方便的防水方案。强调钢筋混凝土结构的自防水，即以结构自防水为根本，采取措施控制结构混凝土开裂的发展，保证防水混凝土达到规范规定的密实性、抗渗性、抗裂性、防腐性和耐久性。以诱导缝、变形缝、施工缝、后浇带、穿墙管、预埋件、预留孔洞、各型接头、各种结构断面接口、桩头等细部结构的防水为重点，辅以外包防水层加强防水，防水层兼做为隔离层。设计标准依据地下工程防水技术规范 （GB50108-2001 ）及地下铁道设计规范 （GB50157-92） ，并根据相关工程的经验，地下车站及机电设备集中区段按一级防水等级要求设计，区间隧道及连接通道等附属的隧道结构防水等级为二级。（二） 、 地铁结构混凝土结构自防水
3、要点地铁结构防水根本在于“混凝土结构自防水” 。 在实际工程中，往往重防水材料，轻防水混凝土，造成大量投资浪费。解决方案 ： 1、 严格控制主体结构的实际强度 在满足荷载条件的前提下，尽可能选用中等标号的混凝土，主体结构防水混凝土的设计标号不得超过 C30S8。 2 、 优化混凝土配合比设计减少水泥用量，增加其他水硬性胶凝材料如磨细矿渣、优质粉煤灰的比例，水泥用量不超过 280kgm3，优质粉煤灰不低于胶凝材料的 30。 3 、 严格控制混凝土的坍落度 明确坍落度的最高限值，即车站控制在 l00mm 以内；区间控制在 120mm 以内。4、 完善地铁结构抗裂设计措施主体结构施工，缩短施工缝间距
4、很重要，其分段长度宜控制在 16m 以内，底板、边墙、中板、顶板应分别灌注。严格控制混凝土的人模温度，一般应不高于 30，特殊情况不高于 32，应尽可能避免在高温时段灌注混凝土。对采用排桩复合式结构的围护结构，其桩柱间用喷射混凝士找平，并堵漏修补，同时必须在围护结构无渗漏条件下施作内衬，以确保二次混凝土灌注质量。以上是对地铁结构防水的综合要求，下面针对地铁不同工法形成的结构，分别进行防水设计的说明。 二、明、盖挖法结构的防水设计目前，国内地铁工程中明、盖挖结构在满足结构自防水要求的基础上，普遍采用附加柔性防水材料，其种类有：结构顶板多采用涂料类防水层，如广州地铁采用高渗透环氧加自粘防水卷材的方
5、案；侧墙和底板多采用预铺式冷自粘防水卷材，如北京地铁多采用 SBS改性沥青防水卷材、膨润土防水毯，广州地铁大量采用塑料防水板作为防水隔离层，沈阳地铁 1 号线、天津地铁 1 号线、南京地铁 1 号线、深圳地铁等也采用塑料防水板。（一） 、明、盖挖地下车站设计要点车站按一级标准设防，方案如下： (1）防水混凝土（C30，P8、P10）结构自防水外包柔性防水卷材防水方案 ； (2）施工缝、变形缝防水采用 3 道防水方案。（二） 、明、盖挖地下区间设计要点区间按二级标准设防，方案如下： (1）防水混凝土（C30，P8、P10）结构自防水+外包柔性防水卷材防水方案；(2）施工缝、变形缝采用 3 道防水
6、方案。总体来讲，明、盖挖地下车站和区间与常规民用建筑的地下室在防水设计上的做法基本相同。三、暗挖法（含矿山法、超大管棚顶管法）结构的防水设计目前，国内地铁工程中暗挖法结构在满足结构自防水要求的基础上，普遍采用塑料防水板，也有采用预铺式自粘防水卷材，并预埋注浆和分区系统，如西安地铁、重庆地铁、成都地铁、沈阳地铁等。针对暗挖区间变形缝等部位少量渗水，设计时考虑引排措施。暗挖法采用复合式衬砌结构， 防水一般共设三道防线， 第一道是初期支护加背后注浆， 第二道是设置封闭防水板， 第三道是二次衬砌， 并对施工缝、变形缝等作专门处理。大量工程实践表明， 复合式衬砌结构的防水效果基本是可靠的， 但由于防水材
7、料本身和防水施工工艺等方面的问题， 导致第二道防水线时常会出现严重的缺陷。因此， 为提高隧道复合式衬砌防水的可靠性， 选用合适的防水层（缓冲层）材料、适当的防水层结构设计是完全有必要的。 （一） 、暗挖法结构防水机理 复合式初砌是分内外两层先后施作的暗挖法衬砌结构， 即在暗挖法结构开挖后立即施作网喷混凝土作为初期支护， 经监控量测确认围岩及初期支护基本稳定后再铺设防水层， 最后浇筑二次衬砌防水混凝土。复合式衬砌防水主要依靠全封闭的防水层和二次衬砌混凝土， 两者相辅相成， 缺一不可。二次衬砌防水混凝土在硬化过程中， 内部存在着温度应力和收缩应力， 这些应力的存在会使防水混凝土产生变形； 而初支混
8、凝土表面粗糙、凹凸不平， 必然会对二次衬砌混凝土产生相当大的约束力， 阻止其变形， 于是就产生了拉应力。当拉应力大于二次衬砌混凝土抗拉强度时， 混凝土即被拉裂， 特别是在隧道起拱线应力集中区产生的裂缝最多。如果设法消除或减弱初期支护喷射混凝土对二次衬砌混凝土的约束， 使其自由变形或约束力减小， 所产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度， 二次衬砌混凝土就不会产生裂缝。因此封闭的防水层多选用不透水、表面光滑的塑料片材， 它不仅起到防水作用， 而且还能隔离、润滑初支喷射混凝土和二次衬砌混凝土， 减少二次衬砌混凝土的开裂。（二） 、暗挖法结构的防水方案地铁暗挖法结构要根据工程所处地质、水文条件及不同的使用
9、要求， 采用不同的防水层结构设计。一般大城市地铁暗挖法结构多埋置于地面以下， 有水不能自流排出，宜采用全封闭型防水结构。防水层设计主要有两种形式： 一是单层防水板（膜）铺设于初期支护喷射混凝土上， 用于无水地段； 二是双层结构， 先铺设一层较柔软且具有相当强度的片材作缓冲层， 克服初支喷射混凝土基面凹凸不平、易损伤防水板（ 膜） 的弊病， 然后在其上再铺设防水板（膜） ， 用于防水要求高的隧道及有水地段。防水措施采用三道防水。初期支护是第一道防线,隧道开挖后立即进行钢筋格栅、钢筋网、纵向连接筋、锁脚锚管、喷射 C20 混凝土联合支护,喷砼厚度类围岩 300mm( 类250mm) 第二道防线为全
10、封闭卷材防水, 采用 1. 5mm 厚 PVC 防水板+ 350g/ m2 无防布,用无钉铺设技术;第三道防线为 300mm 厚模注 C25 、S8 钢筋混凝土二次衬砌,钢筋全断面设置, 主筋 16 , 环向间距 200mm , 纵向筋 12 , 间距 200mm ,拉筋 8 ,间距 400mm ,梅花形布置;另外要求在初期支护与围岩之间以及二衬与防水层之间进行回填注浆,充填空隙, 作为第一、三道防线的加强和补充。此外,在边墙底附近,防水层与二衬间安设横向塑料盲沟材,将渗透水引入隧洞内两侧沟集中后排走。施工缝防水采用两道缓膨型遇水膨胀橡胶止水条(BW96 型) 整个暗挖区间中部不设变形缝,仅在
11、区间两端和车站、明挖区间接口处设置,采用中置式 PVC 止水带。（三） 、暗挖法结构防水材料的选择目前， 隧道复合式衬砌防水层主要选用 PVC（ 聚氯乙烯） 、ECB （ 乙烯- 共聚物沥青） 、LDPE（ 低密度聚乙烯） 、 HDPE（ 高密度聚乙烯） 和 EVA（ 乙烯- 醋酸乙烯共聚物）等防水板（膜） ， 应用最多的是 EVA 膜。EVA、LDPE、HDPE 及 ECB 技术性能皆优于 PVC 板； 从价格看 LDPE 膜最低， 其技术性能也较好。因此， 在满足防水要求的前提下， 地铁隧道宜采用 LDPE 膜或 EVA 膜作防水层， 厚度 0.8 mm， 这样能做到防水可靠、施工方便及造
12、价适中。缓冲层材料的选择可供选择的缓冲层材料主要有无纺布和聚乙烯泡沫塑料衬垫两种。由于 PE 衬垫具有良好的弹性和物理力学性能，易于铺设且价格较低， 所以隧道复合式衬砌结构一般选用其作为缓冲层材料。矿山法施工图片三、盾构法结构的防水设计（一） 、盾构隧道结构防水原则和标准防水原则： 结构防水工程设计应根据工程地质、水文地质、地震烈度、结构特点、施工方法和使用要求等因素进行。并遵循“以防为主、多道设防、刚柔结合、因地制宜、综合防治”的原则。防水标准： 盾构区间隧道总体防水等级为二级，结构不允许漏水，结构表面可有少量的湿渍。总湿渍面积不大于总防水面积的 6/1000；任意 100m2 防水面积上的
13、湿渍不超过4 处，单个湿渍最大面积不大于 0.2m2。盾构法施工图片（二） 、管片自防水盾构隧道管片：采用钢筋混凝土预制，管片内径 5400mm，外径 6000mm。 管片型式及厚度：区间隧道采用单层装配式衬砌。通过结构计算，并考虑结构 100 年使用寿命，钢筋混凝土管片厚度一般采用 300mm，混凝土标号 C50。管片类型：为拟合曲线（包括平曲线及竖曲线） ，需要设置楔形环管片，满足曲线拟合的需要。盾构区间隧道设计采用标准环、左转弯环、右转弯环三种衬砌环形式。管片的拼装形式：管片拼装采用错缝拼装。初砌环（管片）的分块采用一块封顶块，两块邻接块，三块标准块的方案即 5+1 模式。管片生产: 管
14、片采用高精度管模制作，管片生产中采用振捣棒插入式振捣。管片脱模后立即放入养护池池进行水养护，水中养护 14 天。强调结构自防水为本，采取有效措施增强混凝土抗渗抗裂性，减小地下水对混凝土的渗透性，防水混凝土抗渗等级，应根据工程埋深，按地下工程防水技术规范（GB50108-2001）确定。盾构管片的抗渗等级不小于 S10。 当地下水对混凝土及钢筋混凝土有腐蚀时，要求混凝土及钢筋混凝土的抗侵蚀系数大于 0.8。盾构管片邻土侧需涂耐磨高强的防腐涂料。防水混凝土裂缝宽度:迎水面不得大于 0.15mm; 背水面不得大于 0.2mm，且不得有贯穿裂缝。 防水混凝土所用砂、石料必须符合现行普通混凝土用砂质量标
15、准及检验方法和普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法的规定。 防水混凝土中的水泥应采用低水化热水泥，并根据需要掺入有一定补偿收缩功能的复合型防水剂或防裂性混凝土外加剂及一定数量的粉煤灰、磨细矿渣粉、硅粉等。粉煤灰的级别不应低于二级，掺入量不宜大于 20%，其它掺合料的掺量应经试验确定。 （三） 、盾构法结构的防水方案根据目前盾构法区间隧道渗漏水的情况，盾构法区间隧道的防水包含：管片自防水、管片接缝防水（及螺栓孔、注浆孔采用弹性密封材料进行密封止水） 、管片外防水、隧道接口防水（隧道与工作井和联络通道连接处的防水） 、联络通道防水。管片间纵、环缝必须采用耐久性好、性能优良的防水弹性密封垫。一般
16、应有 12 道框形弹性密封垫和内侧嵌缝两道防水措施，根据地质条件及地层透水量，必要时可在衬砌中部加设注浆孔，作为补救防水措施。管片间的弹性密封垫的构造形式应经试验确定，一般要求在张开量 8mm 时能抵抗0.6MPa 水压。盾构出洞时，为防止泥沙及水的涌入，需设置帘布橡胶圈，帘布橡胶由模具分块压制，然后连成一整环。嵌缝范围：进出洞 2030m，联接通道两侧各 10m 处衬砌环段进行整环嵌填。其余区段则在拱顶 45范围和拱底 90范围内嵌填。嵌缝材料可采用与基层粘结性好、耐久性好、弹性及抗下坠性好的材料。螺栓孔宜采用氯丁胶与遇水膨胀橡胶复合的密封圈进行密封，并对其螺栓采用混凝土填实保护法或涂刷防锈
17、材料。吊装孔在管片安装就位后，宜采用密封材料进行密封处理。变形缝设在车站与区间接头及加固段末尾及地质条件变化大的区段，缝间采用加厚丁腈衬垫及复合变形缝专用密封垫进行密封。在区间盾构隧道管片衬砌结构外侧涂抹耐磨防水涂料（如环氧树脂等） ，提高管片结构的防水能力。同时，在施工过程中及时向盾尾地层和衬砌管片间的环形空隙均匀注浆。在盾构隧道与工作井连接处设置环形钢筋混凝土保护圈，其材料采用掺加合成纤维和高效减水剂的混凝土，有助于减少和避免干缩裂缝以及温差收缩裂缝。保护圈混凝土与井壁内衬钢板、管片混凝土表面之间均要设置遇水膨胀止水条。井圈混凝土施工缝内侧要预留嵌缝槽，用中模量聚氨酯或聚硫密封胶密封，加强
18、防水。隧道与联络通道连接处预设兜绕成圈的遇水膨胀止水条和预埋注浆管；联络通道自身采用防水板作全包处理；联络通道应与隧道具有同等设计寿命。在我国地铁建设中，南京地铁、广州地铁和上海地铁等的地下水位都比较高，采用盾构法施工，其衬砌结构采用装配式混凝土管片，在接缝处设置止水条、并采取必要的防水措施后，均能满足防水要求。四、在设计阶段考虑地铁外包防水层的自我调节性地铁防水与地面建筑防水相比具有以下特点:第一,地铁建造期和运营期内围岩应力、变形都处于不断调整中,由于地层围岩的不均匀性,导致围岩应力、变形沿隧道纵向和环向的分布不均匀。第二,地铁结构通常建于地下水位以下,结构被有压地下水所包围,防水材料稍有
19、破损就可能导致渗漏,在水压力作用下渗漏量和渗漏范围有加大趋势。第三,地铁开挖、支护面不规则,导致防水层敷设面凹凸不平,这要求防水材料必须具有较大的变形能力以适应不规则结构面。第四,初期支护和二次衬砌在围岩的作用下,也处于不断变形中,防水层必须具有适应其变形的能力。因此,地下结构防水较地面建筑防水更复杂,可控制性更差,这就要求防水材料及防水结构能动态地适应不断变化的地下工程环境,从而达到动态防水的目的。根据渗入地铁结构的地下水情况或结构的变形情况,依靠结构及防水材料自身特点或采用特殊工艺措施,适时地进行主动防水。防水的自我调节性能是指防水材料根据外部环境情况的变化,自我调节其物理、化学性能,达到
20、最佳防水状态的能力。其主要表现在以下几个方面:1、利用材料的物理性能止水,包括材料的吸水膨胀特性、渗透扩散特性、抗拉压能力及耐伸缩疲劳性等;2、利用材料的化学反应性能止水,包括材料与水反应结晶沉淀、吸水生成胶粘体及耐侵蚀性物质等;3、利用材料的构造性能止水,如采用可排水式止水带,其自身携带的排水管可将外部水排入排水设施,消除作用在止水带上的外水压力。 由于支护结构面凹凸不平,防水材料铺挂后,在混凝土浇注过程中会对防水材料产生较大的张拉应力,同时,外水压力的存在也会对材料施加较大张拉作用力。另一方面,对于粘附型防水材料,围岩变形导致支护基面混凝土产生开裂或内衬混凝土开裂,在开裂区域对防水层产生应
21、力集中,这些都要求防水材料具有较大的适应变形的能力。材料的变形适应能力包括:改善自身的抗拉强度来抵抗外荷载作用;提高自身的延伸率来适应较大的结构变形。 材料本身的自我修复能力。防水材料在施工过程中可能会被基面尖锐物体刺破;结构变形超过材料变形能力时,防水材料会开裂,此时,需要防水材料在发生微小损伤的情况下具有自我修复功能,及时封闭损伤部位,发挥正常防水功能。地铁外包防水层的自我调节性设计可以充分利用材料的遇水膨胀特性。材料的遇水膨胀特性是指材料中含有吸水性物质,遇水后能吸收周围的水分,使体积明显胀大,从而达到挤压裂缝空隙、堵塞渗水通道的目的。遇水膨胀是该类材料的一种物理属性,常见的遇水膨胀橡胶就是这种材料,通常用于制作止水条及止水带。还如,膨润土防水板中的膨润土具有强大的膨胀力,遇水后会自动追寻缝隙,填补这些缝隙,使混凝土的密实性得到提高。由于和水分接触,膨润土颗粒迅速膨胀到原来大小的 1015 倍,形成一层凝胶状态的不透水层。当施工、地震等因素影响使结构位移,造成膨润土板移动或断裂时,新暴露出来的膨润土也能由于水的作用而形成一层新的防水凝胶层。这种在地下闭合环境里形成的薄膜状防水凝胶层,具有粘胶特性,在地下构筑物外壁面的缝隙中发挥永久的自封能力,不因时间推移而失效。 联络通道与盾构隧道接口处防水图The End
