盾構隧道防水堵漏技術
2008-08-22 00:00
1 國內外隧道建設及防水情況國內外已建成大量地鐵、隧道，逐步形成了較成熟的結構設計計算理論與工程實踐體系，但是在隧道及地下工程的防水方面認識則相對落后。地鐵不可避免地要經(jīng)過含水量較高的地層(如上海地鐵所處地層大多為飽和含水軟粘土層)，所以必將受到地下水的有害作用。如果沒有可靠的防水、堵漏措施，地下水就會侵入隧道，影響其內部結構與附屬管線，乃至危害到地鐵的運營和降低隧道使用壽命。盾構隧道滲漏水的位置是管片的接縫、管片自身小裂縫、注漿孔和手孔等。其中以管片接縫處為防水重點。通常接縫防水的對策是使用密封材料，以西德為代表的歐洲方面，采用非膨脹合成橡膠，靠彈性壓密，以接觸面壓應力來止水，以耐久性與止水性見長。德國PHOENIX公司提供的隧道襯砌合成橡膠墊就是其中較典型的形式，其工作機理如圖1所示。以日本為代表的方面，則采用水膨脹橡膠，靠其遇水膨脹后的膨脹壓止水。它的特點是可使密封材料變薄、施工方便，但耐久性尚待驗證。國內主要采用水膨脹橡膠，并已開始研究開發(fā)水膨脹類材料與密封墊兩者的復合型。
2 盾構法隧道的防水設計方法防水方法包括結構自防水和其它附屬措施，如管片外防水涂層、管片接縫防水、做二次襯砌等。
2．1 管片結構的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。地鐵結構物一般用普通防水混凝土，而盾構隧道襯砌由預制管片拼裝而成，多用外加劑防水混凝土，抗?jié)B可達S12以上，滲透系數(shù)K＜10-11cm／s。
2．2 管片外防水涂層管片外防水涂層需根據(jù)管片材質而定，凡有較深裂紋的管片一般都要增加外防水涂層。對鋼筋混凝土管片而言，一般要求：①涂層應能在盾尾密封鋼絲刷與鋼板的擠壓摩擦下仍保持完好；②當管片弧面的裂縫寬度達0．3mm時，仍能抗0．6MPa的水壓，長期不滲漏；③涂層應具有防迷流的功能，其體積電阻率、表面電阻率要高；④涂層應具有良好的抗化學腐蝕、抗微生物侵蝕能力和足夠的耐久性；⑤涂層要有良好的施工季節(jié)適應性，施工簡便，成本低廉。但應指出，若管片制作質量高，采用抗侵蝕水泥，不做外防水層也是可以的。
2．3 管片接縫防水管片接縫防水包括彈性密封墊防水、嵌縫防水和向接縫內注入聚氨酯藥液等。下面介紹可靠性高的彈性密封墊防水的各種要求： (1)功能要求 ①短期防水要求密封材料因壓縮產(chǎn)生的接觸面應力大于設計水壓力；②長期防水要求接觸面應力不小于設計水壓力；③密封墊在設計水壓力下允許張開值應滿足下式： δ≤BD／(ρmin—0．5D)十δ。十δs 式中：δ——環(huán)縫中彈性防水密封墊在設計水壓力下允許的縫張開值(mm)； ρmin——隧道縱向撓曲的最小曲率半徑(mm)； D——襯砌外徑(mm)； B——管片寬度(mm)； δ?！a(chǎn)、施工中可能產(chǎn)生的環(huán)縫間隙(mm)； δs——鄰近建筑物引起的接縫張開值(mm)。 (2)耐久性要求 包括防水功能耐久性、耐水性、耐動力疲勞性、耐干濕疲勞性、耐化學腐蝕性等。 (3)密封材料種類 可分為單一材料的、合成材料的及水膨脹的?，F(xiàn)多采用水膨脹橡膠。它大大改善了盾構法隧道的防水性，是今后的發(fā)展方向。在設計時必須根據(jù)實際情況確定合適的膨脹倍率、膨脹時間及環(huán)境可能造成的影響。
3隧道滲漏水機理引起隧道滲漏水的原因主要是防水材質不良或違反操作規(guī)程造成的，具體可分為以下幾類：①管片在制作時養(yǎng)護不合理，表面出現(xiàn)氣孔和龜縮裂縫；管片在運輸、拼裝中受擠壓、碰撞，缺邊掉角；②水膨脹橡膠粘貼不牢，或下坡時過早浸水使膨脹止水效果降低；②管片拼裝質量差，螺栓未擰緊，接縫張開過大；④手孔、螺栓孔、注漿孔等薄弱部位未加防水墊片，封孔施工質量差。
4 上海地鐵二號線隧道堵漏實例
4．1 工程概況上海地鐵二號線區(qū)間隧道采用盾構法施工，東昌路—東方路段位于浦東新區(qū)，其防水部分由上海市隧道工程設計院設計，上海市基礎工程公司施工。隧道的襯砌為預制鋼筋混凝土管片，外徑6200mm，內徑5500mm，環(huán)寬1000mm。管片7昆凝土C50、S8，襯砌環(huán)縫及縱縫間防水采用彈性密封襯墊。該圓形隧道的標準斷面如圖2所示。地鐵途經(jīng)三個地質層：①人工填土；②表層土；③第1層軟土。隧道大部分埋設于該層軟土中，它主要為灰色淤泥質粘土、粘土、粉質粘土加薄層粉砂，含水率43．1%一57．9%，垂直滲透系數(shù)10-6一10-7cm／s，水平滲透系數(shù)根據(jù)層理不同差別很大。 1998年4月，在隧道竣工驗收之前，筆者應上海市基礎工程公司委托，對該區(qū)段隧道的滲漏水進行了調查，并提出了治理措施。
4．2 滲漏情況調查經(jīng)初步勘察，該區(qū)間段襯砌管片總體防水質量是好的，但進出洞口部位滲漏較為嚴重。對上行線進洞口l00環(huán)做了詳細調查，結果如下： (1)該區(qū)間滲漏水主要為管片接縫處滲漏水。進洞25環(huán)雖然做了縱環(huán)整環(huán)嵌縫，但因為一些環(huán)縫寬度不均勻，嵌入工字條后不能相互粘貼牢，而加封的水泥層又較薄，達不到防水目的，因而有幾環(huán)滲漏很嚴重，個別接縫處甚至有嚴重線漏。 (2)該區(qū)間隧道為兩頭高、中間低。盾構在下坡段推進時，盾尾容易形成積水，從而使底部彈性密封墊過早遇水膨脹，防水能力下降，所以下坡段底部滲漏較上坡段嚴重。
4．3滲漏處理方案根據(jù)不同部位、滲漏水的不同形式，采取下列具體處理措施： (1)環(huán)縱縫的線漏、滴漏以及兩腰滲漏水處宜采用注漿堵漏，即在滲漏嚴重處先打一小孔，插入塑料細管引排滲漏水，同時插入另一注漿管壓注聚氨酪漿材封堵滲水通道，當確認不滲漏水時剪斷注漿管(對有多處滲漏水點情況，應先上后下，最后封堵兩腰)。在埋管處用快凝水泥封縫，周圍縱環(huán)采用工字形水膨脹膩子條加封氯丁膠乳水泥作整環(huán)嵌縫處理。對于已做工字條嵌縫但仍有滲漏的環(huán)縫，在注漿堵水后，宜取出工字條，涂刷界面劑，再用快凝水泥封縫。 (2)0．15mm以下潮濕裂縫或微裂縫可采用無機水性高滲透密封劑涂刷封閉處理(如AS混凝土墻面涂料，SWF水泥密封材料等)。 (3)對o．20mm以上的微裂縫也應注漿，采用聚合物砂漿類，用氯丁膠乳、鹵偏乳液、丙烯酸乳液等涂抹封閉。 (4)對于集中滲漏區(qū)段，可利用回填注漿孔鉆穿管片注入超細早強水泥和水溶性聚氨酪漿液。管片打穿時，考慮到注漿孔涌泥，配以橡塞密封裝置。 (5)區(qū)間7昆凝土管片存在的邊、角缺損部位，可采用高強、快凝、粘結良好的修補材料，如NC聚合物快速修補劑。
4．4 二次調查按照上述防水堵漏方案，經(jīng)過2個多月的施工，滲漏情況已明顯好轉，絕大多數(shù)的線漏、滲漏都已消除，只有個別地方還有少量滲水，基本上達到設計要求，證明方案是行之有效的。該工程也已被上海市市政局質檢站定為優(yōu)質工程。
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2 盾構法隧道的防水設計方法防水方法包括結構自防水和其它附屬措施，如管片外防水涂層、管片接縫防水、做二次襯砌等。
2．1 管片結構的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。地鐵結構物一般用普通防水混凝土，而盾構隧道襯砌由預制管片拼裝而成，多用外加劑防水混凝土，抗?jié)B可達S12以上，滲透系數(shù)K＜10-11cm／s。
2．2 管片外防水涂層管片外防水涂層需根據(jù)管片材質而定，凡有較深裂紋的管片一般都要增加外防水涂層。對鋼筋混凝土管片而言，一般要求：①涂層應能在盾尾密封鋼絲刷與鋼板的擠壓摩擦下仍保持完好；②當管片弧面的裂縫寬度達0．3mm時，仍能抗0．6MPa的水壓，長期不滲漏；③涂層應具有防迷流的功能，其體積電阻率、表面電阻率要高；④涂層應具有良好的抗化學腐蝕、抗微生物侵蝕能力和足夠的耐久性；⑤涂層要有良好的施工季節(jié)適應性，施工簡便，成本低廉。但應指出，若管片制作質量高，采用抗侵蝕水泥，不做外防水層也是可以的。
2．3 管片接縫防水管片接縫防水包括彈性密封墊防水、嵌縫防水和向接縫內注入聚氨酯藥液等。下面介紹可靠性高的彈性密封墊防水的各種要求： (1)功能要求 ①短期防水要求密封材料因壓縮產(chǎn)生的接觸面應力大于設計水壓力；②長期防水要求接觸面應力不小于設計水壓力；③密封墊在設計水壓力下允許張開值應滿足下式： δ≤BD／(ρmin—0．5D)十δ。十δs 式中：δ——環(huán)縫中彈性防水密封墊在設計水壓力下允許的縫張開值(mm)； ρmin——隧道縱向撓曲的最小曲率半徑(mm)； D——襯砌外徑(mm)； B——管片寬度(mm)； δ?！a(chǎn)、施工中可能產(chǎn)生的環(huán)縫間隙(mm)； δs——鄰近建筑物引起的接縫張開值(mm)。 (2)耐久性要求 包括防水功能耐久性、耐水性、耐動力疲勞性、耐干濕疲勞性、耐化學腐蝕性等。 (3)密封材料種類 可分為單一材料的、合成材料的及水膨脹的?，F(xiàn)多采用水膨脹橡膠。它大大改善了盾構法隧道的防水性，是今后的發(fā)展方向。在設計時必須根據(jù)實際情況確定合適的膨脹倍率、膨脹時間及環(huán)境可能造成的影響。
3隧道滲漏水機理引起隧道滲漏水的原因主要是防水材質不良或違反操作規(guī)程造成的，具體可分為以下幾類：①管片在制作時養(yǎng)護不合理，表面出現(xiàn)氣孔和龜縮裂縫；管片在運輸、拼裝中受擠壓、碰撞，缺邊掉角；②水膨脹橡膠粘貼不牢，或下坡時過早浸水使膨脹止水效果降低；②管片拼裝質量差，螺栓未擰緊，接縫張開過大；④手孔、螺栓孔、注漿孔等薄弱部位未加防水墊片，封孔施工質量差。
4 上海地鐵二號線隧道堵漏實例
4．1 工程概況上海地鐵二號線區(qū)間隧道采用盾構法施工，東昌路—東方路段位于浦東新區(qū)，其防水部分由上海市隧道工程設計院設計，上海市基礎工程公司施工。隧道的襯砌為預制鋼筋混凝土管片，外徑6200mm，內徑5500mm，環(huán)寬1000mm。管片7昆凝土C50、S8，襯砌環(huán)縫及縱縫間防水采用彈性密封襯墊。該圓形隧道的標準斷面如圖2所示。地鐵途經(jīng)三個地質層：①人工填土；②表層土；③第1層軟土。隧道大部分埋設于該層軟土中，它主要為灰色淤泥質粘土、粘土、粉質粘土加薄層粉砂，含水率43．1%一57．9%，垂直滲透系數(shù)10-6一10-7cm／s，水平滲透系數(shù)根據(jù)層理不同差別很大。 1998年4月，在隧道竣工驗收之前，筆者應上海市基礎工程公司委托，對該區(qū)段隧道的滲漏水進行了調查，并提出了治理措施。
4．2 滲漏情況調查經(jīng)初步勘察，該區(qū)間段襯砌管片總體防水質量是好的，但進出洞口部位滲漏較為嚴重。對上行線進洞口l00環(huán)做了詳細調查，結果如下： (1)該區(qū)間滲漏水主要為管片接縫處滲漏水。進洞25環(huán)雖然做了縱環(huán)整環(huán)嵌縫，但因為一些環(huán)縫寬度不均勻，嵌入工字條后不能相互粘貼牢，而加封的水泥層又較薄，達不到防水目的，因而有幾環(huán)滲漏很嚴重，個別接縫處甚至有嚴重線漏。 (2)該區(qū)間隧道為兩頭高、中間低。盾構在下坡段推進時，盾尾容易形成積水，從而使底部彈性密封墊過早遇水膨脹，防水能力下降，所以下坡段底部滲漏較上坡段嚴重。
4．3滲漏處理方案根據(jù)不同部位、滲漏水的不同形式，采取下列具體處理措施： (1)環(huán)縱縫的線漏、滴漏以及兩腰滲漏水處宜采用注漿堵漏，即在滲漏嚴重處先打一小孔，插入塑料細管引排滲漏水，同時插入另一注漿管壓注聚氨酪漿材封堵滲水通道，當確認不滲漏水時剪斷注漿管(對有多處滲漏水點情況，應先上后下，最后封堵兩腰)。在埋管處用快凝水泥封縫，周圍縱環(huán)采用工字形水膨脹膩子條加封氯丁膠乳水泥作整環(huán)嵌縫處理。對于已做工字條嵌縫但仍有滲漏的環(huán)縫，在注漿堵水后，宜取出工字條，涂刷界面劑，再用快凝水泥封縫。 (2)0．15mm以下潮濕裂縫或微裂縫可采用無機水性高滲透密封劑涂刷封閉處理(如AS混凝土墻面涂料，SWF水泥密封材料等)。 (3)對o．20mm以上的微裂縫也應注漿，采用聚合物砂漿類，用氯丁膠乳、鹵偏乳液、丙烯酸乳液等涂抹封閉。 (4)對于集中滲漏區(qū)段，可利用回填注漿孔鉆穿管片注入超細早強水泥和水溶性聚氨酪漿液。管片打穿時，考慮到注漿孔涌泥，配以橡塞密封裝置。 (5)區(qū)間7昆凝土管片存在的邊、角缺損部位，可采用高強、快凝、粘結良好的修補材料，如NC聚合物快速修補劑。
4．4 二次調查按照上述防水堵漏方案，經(jīng)過2個多月的施工，滲漏情況已明顯好轉，絕大多數(shù)的線漏、滲漏都已消除，只有個別地方還有少量滲水，基本上達到設計要求，證明方案是行之有效的。該工程也已被上海市市政局質檢站定為優(yōu)質工程。
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