深圳地鐵7號(hào)線工程結(jié)構(gòu)自防水設(shè)計(jì)探討

呂寶偉

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城交分院，天津 300251)

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概述

深圳地鐵7號(hào)線東西向橫穿深圳市區(qū),線路布局呈“V”形。線路起自南山區(qū)麗水路,途經(jīng)南山區(qū)、福田區(qū)、羅湖區(qū)3個(gè)行政區(qū),終至羅湖區(qū)太安路,線路全長(zhǎng)約30.31 km。全線共設(shè)車站28座,其中設(shè)11座換乘站,全部為地下車站。在西麗站、安托山站、下沙站分別設(shè)置與5、2、9號(hào)線的聯(lián)絡(luò)線。在深云站東側(cè)及安托山站北側(cè)引出出入線分別與安托山停車場(chǎng)和深云車輛段銜接。

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

深圳市地鐵7號(hào)線工程沿線位于沖洪積平原、臺(tái)地及丘陵,地下水位高、補(bǔ)給來(lái)源豐富,地下水對(duì)混凝土和鋼筋具有不同程度的腐蝕性。地鐵結(jié)構(gòu)基本修建在含水和透水地層中,砂層厚、回填土石多、滲透系數(shù)大。根據(jù)深圳市地鐵7號(hào)線工程沿線地下水賦存條件、含水介質(zhì)及水力特征分析,地下水主要有2種基本類型,分別為松散巖類孔隙水和基巖(構(gòu)造)裂隙水。

根據(jù)水質(zhì)分析和侵蝕性CO2測(cè)定。根據(jù)水質(zhì)分析成果資料,按照相應(yīng)的評(píng)價(jià)條件,綜合評(píng)價(jià)地下水對(duì)建筑材料的腐蝕性。 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)第12.2條規(guī)定,對(duì)地下水水樣進(jìn)行了腐蝕性評(píng)價(jià)：地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性～中等腐蝕性；對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。

2 設(shè)計(jì)中需要解決的主要問(wèn)題

地鐵結(jié)構(gòu)防水是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,包括結(jié)構(gòu)自防水、接縫防水、附加防水加強(qiáng)層及附屬措施等子項(xiàng)目,各子項(xiàng)目的防水效果均會(huì)影響地鐵結(jié)構(gòu)整體防水質(zhì)量。地下工程應(yīng)以混凝土結(jié)構(gòu)自防水為主,以接縫防水為重點(diǎn),并輔以附加防水層加強(qiáng)防水,滿足結(jié)構(gòu)使用要求[1]。

針對(duì)深圳地鐵工程存在的防水難題,結(jié)合深圳地鐵一、二期工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),深圳地鐵7號(hào)線工程設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題為混凝土結(jié)構(gòu)自防水。

3 混凝土結(jié)構(gòu)自防水

做好混凝土結(jié)構(gòu)自防水,主要需要解決防水混凝土的抗?jié)B等級(jí)、裂縫控制及混凝土的耐久性3個(gè)問(wèn)題。

3.1 深圳地鐵一期工程結(jié)構(gòu)防水的研究過(guò)程及結(jié)論

地鐵結(jié)構(gòu)防水作為世界難題一直困擾著地鐵工程建設(shè),深圳地區(qū)曾多次組織專家開(kāi)展專題研究,也曾搜集和整理了國(guó)內(nèi)外近50年來(lái)地鐵及地下工程結(jié)構(gòu)的各種不同防水方案,早期注意力主要集中在防水材料上,主要有剛性防水材料、柔性防水材料、卷材、涂料等,并對(duì)眾多材料進(jìn)行了認(rèn)真研究,為此也耗費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力。然而,解決了材料的質(zhì)量而解決不了施工工藝,即優(yōu)良環(huán)境下的高級(jí)材料實(shí)驗(yàn)、惡劣環(huán)境下的低級(jí)質(zhì)量施工；理想完善的防水方案、現(xiàn)實(shí)缺陷的防水效果,總是無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖,達(dá)不到較理想的防水效果。

深圳地鐵一期工程針對(duì)普遍存在的防水難題,在抗?jié)B、抗裂高性能混凝土方面進(jìn)行了深入研究,得出如下結(jié)論。

(1)地鐵結(jié)構(gòu)防水根本在于“混凝土結(jié)構(gòu)自防水”

地鐵結(jié)構(gòu)防水須從源頭抓起,從設(shè)計(jì)理念做起。防水設(shè)計(jì)原則是地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)。各地的防水設(shè)計(jì)原則為：上海地鐵“以防為主,多道設(shè)防,因地制宜,綜合治理,防排結(jié)合”；廣州地鐵“以防為主、剛?cè)嵯酀?jì)、多道設(shè)防、因地制宜、防堵結(jié)合、綜合治理”；香港地鐵：“以混凝土自防水為主,防排結(jié)合”。從中可以看出，只有香港地鐵明確指出“以混凝土自防水為主”。而國(guó)內(nèi)地鐵防水設(shè)計(jì),往往重防水材料,輕防水混凝土,造成防水效果往往事與愿違。

在深圳地鐵一期工程設(shè)計(jì)之初,進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)1年多的方案設(shè)計(jì)論證,通過(guò)數(shù)10次專題技術(shù)研討會(huì),終于基本達(dá)成共識(shí)：地鐵工程結(jié)構(gòu)防水的根本在于“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自防水”,這是其他任何防水措施都無(wú)法替代的。

經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),無(wú)論是采用全包防水還是采用局部防水,其最終防水效果都取決于混凝土自身的防滲、抗裂質(zhì)量。因此,應(yīng)當(dāng)樹(shù)立以混凝土自防水為防水之本的設(shè)計(jì)理念,確保防水混凝土達(dá)到規(guī)定的密實(shí)性、抗?jié)B性和抗裂性,才能有效地防水、防腐,從而提高耐久性。

(2)混凝土實(shí)際強(qiáng)度偏高是結(jié)構(gòu)防水效果不良的主要原因

提到混凝土質(zhì)量,人們自然想到的重點(diǎn)是如何提高強(qiáng)度指標(biāo)和抗?jié)B指標(biāo)。造成這一概念的原因是多方面的,包括受到規(guī)范的制約,以及防水混凝土檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不科學(xué)等因素的影響。實(shí)際上這是一個(gè)誤區(qū),因?yàn)閺?qiáng)度、抗?jié)B等級(jí)越高,越容易開(kāi)裂。在C30、P8防水混凝土施工中,經(jīng)常出現(xiàn)“指標(biāo)”達(dá)標(biāo),但防水效果卻不達(dá)際的現(xiàn)象。由于重視“強(qiáng)度指標(biāo)”、“抗?jié)B指標(biāo)”而無(wú)抗裂檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和手段,以及片面追求高強(qiáng)度和高抗?jié)B性能,最終得到的卻是低抗裂的混凝土。因此,正確的途徑應(yīng)當(dāng)是如何提高防水混凝土的抗裂性。大量實(shí)踐證明,要解決地下結(jié)構(gòu)防水、防腐,必須徹底解決裂縫問(wèn)題。否則一旦開(kāi)裂,結(jié)構(gòu)的抗?jié)B、防腐、耐久性都成為空話。

混凝土實(shí)際強(qiáng)度偏高是造成地下結(jié)構(gòu)防水混凝土出現(xiàn)規(guī)律性開(kāi)裂的主要原因,在深圳地鐵部分出現(xiàn)開(kāi)裂的車站中,對(duì)主體結(jié)構(gòu)C30、P8防水混凝土實(shí)際強(qiáng)度的不完全統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：試塊強(qiáng)度代表值介于54～60 MPa,達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的183%～200%。C30、P8混凝土的實(shí)際平均強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的190%,嚴(yán)重超強(qiáng)。如表1所示。

表1 部分出現(xiàn)開(kāi)裂的車站主體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

由于車站主體結(jié)構(gòu)C30、P8防水混凝土的實(shí)際強(qiáng)度大大超出設(shè)計(jì)強(qiáng)度,對(duì)混凝土抗裂性能非常不利。隨著混凝土齡期增長(zhǎng),以及各種環(huán)境因素的變化,造成地下結(jié)構(gòu)普遍出現(xiàn)龜性開(kāi)裂。

(3)水泥用量和坍落度是影響混凝土開(kāi)裂的2個(gè)主要因素

根據(jù)大量混凝土自防水技術(shù)措施和施工工藝的調(diào)研,并通過(guò)對(duì)混凝土實(shí)際強(qiáng)度偏高的眾多因素進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)水泥的用量和坍落度是混凝土產(chǎn)生裂縫最敏感的2個(gè)因素。

①水泥用量

眾所周知,水泥用量越多、強(qiáng)度越高,抗裂性越差。因此,深圳地鐵將人、財(cái)、物集中在防止混凝土開(kāi)裂的科技攻關(guān),經(jīng)過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)：大幅度降低水泥用量而同時(shí)增加優(yōu)質(zhì)粉煤灰用量是最有效的防滲、抗裂措施之一。見(jiàn)表2。

表2 某車站裂縫實(shí)測(cè)記錄

②混凝土坍落度

通常為了施工方便會(huì)將混凝土坍落度提高,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：降低混凝土坍落度是解決裂縫的另一個(gè)有效的途徑。在同等條件下,混凝土坍落度越小,施工后主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫越少。不同坍落度混凝土各齡期收縮見(jiàn)表3。

表3 不同坍落度各齡期收縮

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例：在深圳地鐵某車站主體結(jié)構(gòu)施工時(shí),混凝土坍落度控制在 150 mm以內(nèi),發(fā)現(xiàn)其車站主體結(jié)構(gòu) 100 m的內(nèi)墻就出現(xiàn)裂縫 4條。而在同等條件下,當(dāng)特別要求其混凝土坍落度控制在 120 mm以內(nèi)時(shí),該車站主體結(jié)構(gòu)104.4 m的內(nèi)墻僅出現(xiàn)裂縫2條,裂縫減少了50%。

3.2 系統(tǒng)解決方案

根據(jù)前述的研究分析,對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)防水制定了系統(tǒng)解決方案,首先將深圳地鐵一期工程防水原則“以防為主”修改為“以混凝土結(jié)構(gòu)自防水為主”,并提出以下具體措施。

(1)嚴(yán)格控制主體結(jié)構(gòu)的實(shí)際強(qiáng)度

在滿足荷載條件的前提下,盡可能選用中低強(qiáng)度的混凝土。

(2)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)

膠凝材料用量應(yīng)根據(jù)混凝土的抗?jié)B等級(jí)和強(qiáng)度等級(jí)選用,其總量不宜小于320 kg/m3,在滿足混凝土抗?jié)B等級(jí)、強(qiáng)度等級(jí)和耐久性條件下,水泥用量不宜小于260 kg/m3[2]。

(3)嚴(yán)格控制混凝土的坍落度

注意在降低坍落度時(shí)必須配置相應(yīng)的施工設(shè)備,明確坍落度的最高限值,防水混凝土采用預(yù)拌混凝土?xí)r,入泵坍落度宜控制在120～120 mm；坍落度每小時(shí)損失值不應(yīng)大于 20 mm以內(nèi)。坍落度總損失值不應(yīng)大于40 mm[2]。為達(dá)到此目標(biāo),目前國(guó)產(chǎn)混凝土輸送泵的質(zhì)量是降低坍落度的最大障礙,故建議采用進(jìn)口混凝土輸送泵。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

通過(guò)對(duì)深圳地鐵車站結(jié)構(gòu)防水的研究以及實(shí)踐應(yīng)用,對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)自防水問(wèn)題歸納總結(jié)出了以下系統(tǒng)解決方案。

(1)防止混凝土開(kāi)裂為重點(diǎn)；

(2)減少混凝土中水泥用量增加優(yōu)質(zhì)粉煤灰,降低混凝土的坍落度。

4.2 建議

由于地鐵結(jié)構(gòu)抗裂是地鐵工程質(zhì)量的關(guān)鍵,確保每一個(gè)施工環(huán)節(jié)優(yōu)質(zhì)可靠,在主體結(jié)構(gòu)的施工中應(yīng)做出以下規(guī)定。

(1)主體結(jié)構(gòu)施工縫間距宜控制在16 m以內(nèi),底板、邊墻、中板、頂板應(yīng)分別灌注,嚴(yán)禁板、墻同時(shí)灌注混凝土。

(2)嚴(yán)格控制混凝土的入模溫度不宜高于35 ℃,應(yīng)盡可能避免在高溫時(shí)段灌注混凝土。

(3)結(jié)構(gòu)防水混凝土施工必須無(wú)水作業(yè),以確?；炷临|(zhì)量。

(4)主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)應(yīng)采取的防止混凝土開(kāi)裂措施主要有：拆模時(shí)間不宜過(guò)早；混凝土的養(yǎng)護(hù)要及時(shí)到位；全面推廣混凝土養(yǎng)護(hù)自動(dòng)水噴淋系統(tǒng)等。

(5)使用優(yōu)質(zhì)、高效的混凝土輸送泵,控制混凝土的坍落度。

[1] GB50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB50108—2008 地下工程防水技術(shù)規(guī)范[S].

[3] SJG05—96 深圳地區(qū)建筑深基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[4] GB50446—2008 盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范[S].

[5] TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].